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通過(guò) Java 的 BCI 應(yīng)用開(kāi)發(fā)了解腦機(jī)接口

來(lái)源: 責(zé)編: 時(shí)間:2023-11-16 09:40:21 319觀看
導(dǎo)讀腦機(jī)接口(BCI)指在人或動(dòng)物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接,實(shí)現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。目前腦機(jī)接口已經(jīng)成為一種顛覆性技術(shù),有可能徹底改變醫(yī)療、教育、游戲、輔助駕駛等各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)。馬斯克曾表示:“人類只有主動(dòng)

腦機(jī)接口(BCI)指在人或動(dòng)物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接,實(shí)現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。目前腦機(jī)接口已經(jīng)成為一種顛覆性技術(shù),有可能徹底改變醫(yī)療、教育、游戲、輔助駕駛等各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

馬斯克曾表示:“人類只有主動(dòng)接入腦機(jī)接口,未來(lái)才能在與AI的競(jìng)賽中不至于被淘汰出局”。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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實(shí)際上人類不管是通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤、自然語(yǔ)言還是腦機(jī)接口技術(shù)與計(jì)算機(jī)交互,很重要的目的是追求能夠毫不費(fèi)力地與“技術(shù)”進(jìn)行交互。這里的“技術(shù)”我想未來(lái)應(yīng)該不局限于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)或者AI,也包括人類身體之外的一切。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

因此,BCI將為我們帶來(lái)前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn),讓我們能夠超越自身的限制,開(kāi)創(chuàng)出一個(gè)全新的人機(jī)交互時(shí)代。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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BCI系統(tǒng)的功能包括獲取、處理大腦信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為可以控制外部設(shè)備的命令的系統(tǒng)。主要組成部分包括:tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  • 信號(hào)采集:使用非侵入性或侵入性方法捕獲大腦信號(hào)。非侵入性技術(shù),如腦電圖(EEG),由于其易于使用和風(fēng)險(xiǎn)較低而被普遍使用。侵入性技術(shù),如皮質(zhì)電圖(ECoG),提供更高的信號(hào)質(zhì)量,但需要手術(shù)植入。
  • 信號(hào)處理:通過(guò)濾波和放大等預(yù)處理技術(shù)提高采集到的大腦信號(hào)的質(zhì)量。然后使用各種算法從信號(hào)中提取相關(guān)特征。
  • 分類與轉(zhuǎn)換:采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)提取的特征進(jìn)行分類,并將其轉(zhuǎn)換為可以控制外部設(shè)備的命令。
  • 設(shè)備控制:將翻譯的命令發(fā)送到目標(biāo)設(shè)備,范圍從計(jì)算機(jī)光標(biāo)到機(jī)器人肢體。

下面是BIC的一個(gè)流程圖:tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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作為開(kāi)發(fā)人員,我們理解事物總是習(xí)慣性地從實(shí)踐開(kāi)始,為了便于理解BCI,下面我們使用Java寫一個(gè)簡(jiǎn)單BCI應(yīng)用例子。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

可用于BCI開(kāi)發(fā)的Java庫(kù)

可以用于BCI各個(gè)環(huán)節(jié)Java開(kāi)發(fā)的庫(kù)包括:tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(1) JNNF:JNNF是一個(gè)開(kāi)源Java神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架,可用于創(chuàng)建、訓(xùn)練和部署人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BCI應(yīng)用開(kāi)發(fā)中可以用于特征提取、分類和翻譯。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(2) Encog:Encog是一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)框架,支持各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、遺傳算法和支持向量機(jī)等。在BCI應(yīng)用開(kāi)發(fā)中可用于信號(hào)處理、特征提取和分類。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(3) jDaq:jDaq是一個(gè)數(shù)據(jù)采集Java庫(kù),可為數(shù)據(jù)采集硬件(如EEG設(shè)備)提供高級(jí)接口。在BCI應(yīng)用開(kāi)發(fā)中它可以用于實(shí)時(shí)獲取大腦信號(hào)。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(4) Java OpenCV:OpenCV是一個(gè)流行的計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù),Java可以綁定OpenCV,調(diào)用它的功能。可用于腦機(jī)接口應(yīng)用中的腦信號(hào)數(shù)據(jù)處理和分析。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

開(kāi)發(fā)BCI應(yīng)用程序的步驟

(1) 獲取大腦信號(hào):將EEG設(shè)備連接到計(jì)算機(jī),并使用jDaq等庫(kù)實(shí)時(shí)獲取大腦信號(hào)。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(2) 信號(hào)預(yù)處理與過(guò)濾:使用Java OpenCV或者Encog等庫(kù),對(duì)采集的大腦信號(hào)進(jìn)行去除噪聲、消除偽影、屏蔽其他不需要的元素。應(yīng)用合適的濾波器隔離相關(guān)頻帶,如:帶通濾波器或陷波濾波器。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(3) 提取特征:實(shí)現(xiàn)特征提取算法,如快速傅立葉變換(FFT)或小波變換,從預(yù)處理后的信號(hào)中提取相關(guān)特征。可以使用JNNF或Encog等庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(4) 訓(xùn)練分類器:將提取的特征拆分為訓(xùn)練和測(cè)試數(shù)據(jù)集。使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法,如:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等,在樣本數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練出分類器。像JNNF和Encog這樣的庫(kù)可以用于此任務(wù)。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(5) 翻譯大腦信號(hào):實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng),整合上面幾個(gè)步驟的功能,獲取大腦信號(hào),對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理,提取特征,并使用訓(xùn)練好的分類器對(duì)其進(jìn)行分類。將分類結(jié)果轉(zhuǎn)換為可以控制外部設(shè)備的命令。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(6) 控制外部設(shè)備:使用適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議(如藍(lán)牙、Wi-Fi或USB)將轉(zhuǎn)換后的命令發(fā)送到目標(biāo)設(shè)備。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

Java代碼實(shí)現(xiàn)

下面是一個(gè)Java代碼開(kāi)發(fā)BCI的簡(jiǎn)單示例。在這個(gè)例子中,我們使用一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)集來(lái)模擬大腦信號(hào)采集,并使用Encog庫(kù)進(jìn)行特征提取和分類分析。該示例的前提是假設(shè)您已經(jīng)訓(xùn)練了一個(gè)分類器并模型其保存為文件。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(1) 導(dǎo)入必要的類tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

需要將Encog庫(kù)添加到項(xiàng)目中。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

可以從官方網(wǎng)站(http://www.heatonresearch.com/encog/)下載jar包,或者使用Maven或Gradle等工具構(gòu)建。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

import org.encog.enginework.activation.ActivationSigmoid;import org.encog.ml.data.MLData;import org.encog.ml.data.MLDataPair;import org.encog.ml.data.basic.BasicMLData;import org.encog.ml.data.basic.BasicMLDataSet;import org.encog.neuralworks.BasicNetwork;import org.encog.neuralworks.layers.BasicLayer;import org.encog.persist.EncogDirectoryPersistence;

(2) 定義預(yù)處理和特征提取的方法。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

private static double[] preprocessAndExtractFeatures(double[] rawBrainSignal) {      double[] extractedFeatures = new double[rawBrainSignal.length];      //TODO 處理特征邏輯代碼      return extractedFeatures;}

(3) 分類模型tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

從文件中加載訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器模型,并創(chuàng)建一個(gè)方法來(lái)對(duì)提取的特征進(jìn)行分類:tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

//加載分類器private static BasicNetwork loadTrainedClassifier(String classifierFilePath) {    BasicNetwork network = (BasicNetwork) EncogDirectoryPersistence.loadObject(new File(classifierFilePath));    return network;}//特征分類private static int classifyFeatures(double[] extractedFeatures, BasicNetwork network) {      MLData input = new BasicMLData(extractedFeatures);      MLData output = network.compute(input);      // 根據(jù)最高分,找出分類      int predictedClass = 0;      double maxOutputValue = output.getData(0);      for (int i = 1; i < output.size(); i++) {          if (output.getData(i) > maxOutputValue) {            maxOutputValue = output.getData(i);            predictedClass = i;        }      }      return predictedClass;}

(4) 整合tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

最后,創(chuàng)建一個(gè)main方法,模擬整合大腦信號(hào)采集、預(yù)處理和特征提取,并使用訓(xùn)練好的分類器進(jìn)行分類的過(guò)程。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

public static void main(String[] args) {    // 加載分類器    String classifierFilePath = "path/to/your/trained/classifier/file.eg";    BasicNetwork network = loadTrainedClassifier(classifierFilePath);    // 讀取大腦信號(hào),這里只是模擬,真實(shí)系統(tǒng)需要替換成從EEG設(shè)備讀取。    double[] rawBrainSignal = new double[]{0.5, 0.3, 0.8, 0.2, 0.9};    // 預(yù)處理信號(hào),獲得特征向量    double[] extractedFeatures = preprocessAndExtractFeatures(rawBrainSignal);    // 特征分類    int predictedClass = classifyFeatures(extractedFeatures, network);    //輸出分類預(yù)測(cè)結(jié)果    System.out.println("Predicted class: " + predictedClass);    //最后就是將分類結(jié)果轉(zhuǎn)化為一個(gè)控制指令,去控制一些外部設(shè)備。}

這個(gè)例子簡(jiǎn)單演示了使用Java與Encog庫(kù)開(kāi)發(fā)BCI應(yīng)用程序的基本邏輯。結(jié)合BCI應(yīng)用程序需求,可以使用真實(shí)EEG設(shè)備的SDK讀取大腦信號(hào),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)預(yù)處理和特征提取程序,最后結(jié)合要控制的設(shè)備進(jìn)行指令調(diào)用開(kāi)發(fā)。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

相關(guān)腦信號(hào)數(shù)據(jù)資源分享

(1)SCCN EEG/ERP數(shù)據(jù)列表:https://sccn.ucsd.edu/~arno/fam2data/publicly_available_EEG_data.htmltZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(2)Meagmohit的EEG數(shù)據(jù)集列表:https://github.com/meagmohit/EEG-DatasetstZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(3)兒童心智研究所MIPDB數(shù)據(jù)集:http://fcon_1000.projects.nitrc.org/indi/cmi_eeg/tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(4)MindBigData MNIST:https://mindbigdata.com/opendb/index.htmltZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(5)BNCI Horizon數(shù)據(jù)集:http://bnci-horizon-2020.eu/database/data-setstZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(6)BigEEG聯(lián)盟EEG原始研究數(shù)據(jù):http://ww25.studycatalog.org/?subid1=20231115-1742-43b1-b7b5-f8a8bff09b30tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

面臨的挑戰(zhàn)

盡管BCI對(duì)于人類社會(huì)的技術(shù)發(fā)展有著巨大的潛力,但就目前而言,仍需要解決以下幾個(gè)挑戰(zhàn):tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  • 信號(hào)質(zhì)量:采用非侵入式的腦信號(hào)采集方法相對(duì)安全,但以目前的技術(shù)水平,腦信號(hào)的質(zhì)量和采集可靠性仍然有待提高。
  • 用戶訓(xùn)練:通常需要對(duì)用戶進(jìn)行廣泛的訓(xùn)練才能生成一致且可區(qū)分的大腦信號(hào),才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的BCI控制。
  • 道德和隱私問(wèn)題:BCI的開(kāi)發(fā)和使用容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)隱私和技術(shù)濫用等相關(guān)的倫理問(wèn)題。

總結(jié)

腦機(jī)接口通過(guò)實(shí)現(xiàn)人腦與外部設(shè)備之間的直接通信,在改變各個(gè)領(lǐng)域方面具有著巨大的潛力。然而,越是突破性的技術(shù)越是困難重重,解決與信號(hào)質(zhì)量、用戶訓(xùn)練和道德問(wèn)題相關(guān)的挑戰(zhàn)對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的成功應(yīng)用和推廣至關(guān)重要。tZk28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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