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基于小波变换与Fisher准则的P300特征提取方法

阅读:192发布:2020-09-30

专利汇可以提供基于小波变换与Fisher准则的P300特征提取方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 以 小波变换 与Fisher准则相结合为 基础 提供了一种针对P300 Speller 脑机 接口 的脑电 信号 特征提取方法。主要包括以下步骤:根据用户 指定 的小波函数及小波分解层数,为特定长度的EEG数据段构造小波变换矩阵;利用小波变换矩阵,将EEG数据段映射到小波域,在小波域中利用Fisher准则寻找使得不同类别数据区分度最大的投影轴;利用投影轴从小波变换矩阵中 抽取 若干行构成特征提取矩阵;每个通道的特征提取矩阵把对应的EEG数据段映射为 特征向量 ;每次刺激在各通道上的特征向量被拼接为一个特征向量。该方法为每次刺激对应的EEG数据段计算特征向量,在满足准确率要求的前提下,能减少刺激重复次数,从而提高字符传输速率。,下面是基于小波变换与Fisher准则的P300特征提取方法专利的具体信息内容。

1.一种基于小波变换与Fisher准则的P300特征提取方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1:对EEG数据经过预处理后,根据用户设定的传输通道,提取每个刺激后长度为l1的数据段,记为向量e;把给定小波所对应的低通滤波器记为向量h,其长度为l2;设置相关参数:小波分解层数L、单通道特征个数r;
步骤S2:根据L、l1、l2和h确定m×n矩阵W;
步骤S3:把所有的e延拓为n维向量,仍用e表示;
步骤S4:根据Fisher准则,由W和r为每个通道分别确定一个r×n矩阵M;
步骤S5:对所有EEG数据段e按通道求特征向量:v=Me,v为r维向量;
步骤S6:将各传输通道得到的特征向量拼接构成总特征向量;
所述步骤S2包括以下具体步骤:
步骤S21:k=1, n=2×m+l2;初始化W: 先
令wij=0,i=1,2,…,m,j=1,2,…,n,再令 i=1,2,…,m,l=1,2,…,l2;
步骤S22:若k等于L,则输出W;否则进入下一步;
步骤S23: q=2×p+l2,m=p;
步骤S24:把W延拓为q×n矩阵,仍记为W;
步骤S25:生成矩阵A: 先令aij=0,i=1,2,…,p,j=1,2,…,q,
再令 i=1,2,…,p,l=1,2,…,l2;
步骤S26:用A×W更新W,k=k+1,返回步骤S22;
步骤S4包括以下具体步骤:
步骤S41:把该通道的所有e分为目标组G+和非目标组G-,其中G+中的N+个e为目标刺激对应的数据段,G-中的N-个e为非目标刺激对应的数据段;
步骤S42:利用公式d=We把所有的e转化为d,相应地,d分属于G+和G-;
步骤S43:计算
ω为m维向量;
步骤S44:将ω=[ω1,ω2,…,ωm]按绝对值由大到小排序,得到 其中ci∈[1,m],表示ω中各元素的原位置
步骤S45:根据设定的单通道特征个数r,取出W的第c1,c2,…,cr行,构成r×n特征提取矩阵M,其中1≤r≤m。

说明书全文

基于小波变换与Fisher准则的P300特征提取方法

技术领域

[0001] 本发明属于认知神经科学领域与信息技术领域的结合应用,涉及一种事件相关电位P300特征提取方法,具体是基于小波变换与Fisher准则的P300特征提取方法。

背景技术

[0002] 脑机接口是一种为运动功能缺失而脑功能完好的患者,提供与外界交流的新路径。P300 Speller是脑机接口的一种方式,其功能是通过分析用户的脑电信号,识别出其所希望输出的字符,从而帮助用户与外界交流。目前在P300 Speller中使用的特征提取方法为:对从各通道提取出的EEG数据段做下采样,得到的即作为特征。这种特征提取方法存在特征不明确的问题,从而影响到分类器效果,为了保证其准确率,通常需要较多次刺激重复,一般为15次,存在的问题是,一方面被试易感到疲劳,另一方面输出一个字符需要较多时间,从而降低了字符传输速率。
[0003] 由于P300成分主要存在于低频部分,目前已发表的利用小波变换的一些论文,一般是对脑电数据进行多层小波变换。例如在论文《Off-line analysis of the P300 event-related potential using discrete wavelet transform》中对脑电数据进行6层离散小波变换,将得到小波系数的近似部分作为特征。或是对脑电信号去噪再重构信号,提取特征。但是两者的实用性都不高。

发明内容

[0004] 为解决了现有技术中脑电信号特征提取不明确、实用性不高的缺陷,本发明提供一种基于小波变换与Fisher准则相结合的P300特征提取方法,该方法通过提取恰当特征,使分类器的效果得到提升,在满足准确率要求的前提下,能够达到减少刺激重复次数、提高字符传输速率的目的。
[0005] 本发明采用以下技术方案实现:一种基于小波变换与Fisher准则的P300特征提取方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤S1:对EEG数据经过预处理后,根据用户设定的传输通道,提取每个刺激后长度为 的数据段,记为向量e;把给定小波所对应的低通滤波器记为向量h,其长度为 ;设置相关参数:小波分解层数L、单通道特征个数r;步骤S2:根据L、、和h确定 矩阵W;步骤S3:把所有的e延拓为n维向量,仍用e表示;步骤S4:根据Fisher准则,由W和r为每个通道分别确定一个 矩阵M;步骤S5:对所有EEG数据段e按通道求特征向量: ,v为r维向量;步骤S6:将各传输通道得到的特征向量拼接构成总特征向量。
[0006] 进一步的,所述步骤S2包括以下具体步骤:步骤S21:k=1, , ;初始化W:    ,先令   ,  ,   ,再令
, , ;步骤S22:若k等于L,则输出W;否则进入下一步;步骤
S23:  , , m=p;步骤S24:把W延拓为 矩阵,仍记为W;步骤S25:
生成矩阵A:   ,先令   , , ,再令
, , ;步骤S26:用 更新W,k=k+1,返回步骤S22。
[0007] 在本发明一实施例中,步骤S4包括以下具体步骤:步骤S41:把该通道的所有e分为目标组G+和非目标组G-,其中G+中的N+个e为目标刺激对应的数据段,G-中的N-个e为非目标刺激对应的数据段;步骤S42:利用公式 把所有的e转化为d,相应地,d分属于G+和G-;步骤S43:计算  , , , ,
 ,  , 为m维向量;步骤S44:将 按绝对值由大到
小排序,得到 ,其中 ,表示 中各元素的原位置;步骤S45:根据设定
的单通道特征个数r,取出W的第 , , , 行,构成 特征提取矩阵M,其中 。
[0008] 与现有技术相比,本发明具有以下优点:结合了小波变换与Fisher准则两种方法来确定特征。通过利用小波变换,将原始EEG数据映射到小波域上,在小波域上应用Fisher准则寻找能将两类数据很好地区分开的投影轴,并只取两类差异最大的r维投影空间,作为最终特征空间,从而实现了对高维特征空间的降维,此外所得到的特征空间,是能明显表现出两类数据的差别,有利于分类器性能的提高,减少刺激重复次数,提高字符传输速率。并且通过小波变换矩阵来为每个传输通道构造对应特征提取矩阵,采用特征提取矩阵求各通道特征,具有在线运算速度快的优点,使本发明能够适于实际应用。附图说明
[0009] 图1为本发明的主要步骤流程图

具体实施方式

[0010] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
[0011] 本发明提供一种基于小波变换与Fisher准则的P300特征提取方法,用于P300 Speller特征提取,对每个刺激对应的EEG数据段提取恰当特征,提高准确率,减少刺激重复次数,提高字符传输速率。
[0012] 本发明的主要步骤流程图参见图1。该方法包括以下步骤:
[0013] 步骤S1:对EEG数据经过预处理后,根据用户设定的传输通道,提取每个刺激后长度为 的数据段,记为向量e;把给定小波所对应的低通滤波器记为向量h,其长度为 ;设置相关参数:小波分解层数L、单通道特征个数r;
[0014] 步骤S2:根据L、、和h确定 矩阵W;
[0015] 步骤S3:把所有的e延拓为n维向量,仍用e表示;
[0016] 步骤S4:根据Fisher准则,由W和r为每个通道分别确定一个 矩阵M;
[0017] 步骤S5:对所有EEG数据段e按通道求特征向量: ,v为r维向量;
[0018] 步骤S6:将各传输通道得到的特征向量拼接构成总特征向量。
[0019] 进一步的,步骤S2包括以下具体步骤:
[0020] 步骤S21:k=1,  , ;初始化W
[0021]  ,先令  ,  ,  ,
[0022] 再令 , , ;
[0023] 步骤S22:若k等于L,则输出W;否则进入下一步;
[0024] 步骤S23:  , ,m=p;
[0025] 步骤S24:把W延拓为 矩阵,仍记为W;
[0026] 步骤S25:生成矩阵A
[0027]  ,先令  , , ,
[0028] 再令 , , ;
[0029] 步骤S26:用 更新W,k=k+1,返回步骤S22。
[0030] 在本发明一实施例中步骤S4包括以下具体步骤:
[0031] 步骤S41:把该通道的所有e分为目标组G+和非目标组G-,其中G+中的N+个e为目标刺激对应的数据段,G-中的N-个e为非目标刺激对应的数据段;
[0032] 步骤S42:利用公式 把所有的e转化为d,相应地,d分属于G+和G-;
[0033] 步骤S43:计算  , , ,,  ,  , 为m维向量;
[0034] 步骤S44:将 按绝对值由大到小排序,得到 ,其中,表示 中各元素的原位置;
[0035] 步骤S45:根据设定的单通道特征个数r,取出W的第 , , , 行,构成 特征提取矩阵M,其中 。
[0036] 在本发明一实施例中,选择小波为“db4”小波,即可确定对应的低通滤波器h及其长度 ,对参数L、、r可按如下设定:L=4,=800,r=15。
[0037] 以上仅为本发明的较佳实施方式,不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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