论文总字数：28301字

摘 要

人机交互（Human-Computer Interaction, HCI）是指人与计算机之间使用某种对话语言，以一定的交互方式，为了完成确定任务，而进行的一种信息交换过程。随着计算机技术的不断发展，计算机的操作命令越来越多，功能也越来越完善。同时，由于模式识别，如语音、指纹等输入设备的发展，使得操作员和计算机之间能产生更多的交互方式。

本文首先探讨了脑-机接口技术的组成，并对其实现手段进行了归类，之后列举了一些国内外的研究成果，分析了其今后所面临的挑战。随后，对脑电信号方面的内容进行了简要的概述，并且通过对MindWave脑电耳机进行开发，设计信号采集程序，实现了对脑电信号的采集，接着使用OpenGL图像编辑工具来完成虚拟场景的编辑，最后，阐述了一个简单的基于脑电的人机交互系统设计的过程。

关键词：脑电信号，脑-机接口，OpenGL，MindWave耳机

Abstract

Human-Computer Interaction, HCI refers to using conversational language and interactive mode between human and computer to finish information exchange for certain task. With the evolving computer science, computer operating commands and functions enrich themselves. Besides, due to the development of pattern recognition, i.e. voice and finger print input devices, computer operators are able to interact with computers in more ways.

Fristly, this paper discusses the part of BCI system and classified. Aftre that, I listed a bit of research results and analyzed the challenges it faces in the future. Then I gived a brief summary of EEG.Then some developments were made to an EEG device: Mind Wave. A control program of the signal gather was designed to gather the brain wave. Next I used the OpenGL image editing tools to edit the virtual scene.Finally, we describe a simple Human-Computer interaction system’s design processbased on EEG.

Keyword : EEG，BCI，OpenGL，MindWave earphone

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2本文的研究内容与结构安排 3

第二章 脑-机接口技术 4

2.1脑-机接口系统的组成 4

2.2 脑-机接口的实现手段 4

2.2.1 植入式与非植入式 4

2.2.2 同步式与异步式 5

2.2.3 诱发式与自发式 5

2.3 国内外研究动态 5

2.3.1国外研究动态 5

2.3.2国内研究动态 6

2.4 脑-机接口所面临的挑战 7

第三章 脑电信号概述 9

3.1脑电信号产生的神经机理 9

3.2脑电信号的特点 9

3.3脑电信号分类 9

3.4脑电信号采集 10

3.5脑电信号的特征提取 11

3.5.1 自回归（AR）模型 11

3.5.1 功率谱密度 11

3.6分类器简介 12

3.6.1 K近邻分类器 12

第四章 基于脑电信号的人机交互系统的开发 13

4.1脑-机接口 13

4.1.1 MindWave Mobile脑电耳机简介 13

4.1.2Think Gear ASIC 芯片 14

4.1.3MindWave 设备通讯及采集 14

4.2 其他设备 17

4.3 OpenGL图形编程工具 17

4.3.1 OpenGL简介 17

4.4 人机交互系统设计 23

4.4.1人机交互系统简介 23

4.4.2界面设计 23

第五章 总结与展望 28

5.1课题总结 28

5.2 工作展望 28

致谢 29

参考文献 30

附录 31

附录1 31

附录2 33

附录3 35

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

人机交互是当今时代电子消费产品都需要实现的功能，随着脑-机接口（BCI）技术的发展与完善，越来越多的领域将会用到脑-机接口设备，通过脑电信号来进行人机交互将成为一个极具挑战性的课题。

前几年，3D电影《阿凡达》的上映，使得人们对影片中的“意念控制”产生了浓厚的兴趣。根据美国国防部相关部门透露，美军计划将来设计出通过“意念控制”的机器人，这些机器人将成为美国士兵的完美替身，承担站岗放哨，沙场鏖战等职责^[1]。这项被称为“阿凡达”的研究项目主要属于脑-机接口的范畴。目前，美国有很多研发脑-机接口的实验室都得到了军方资助。由于脑-机接口技术改进了大脑信息与外界交互的方式，将极大的推动人们对意识形成机制的理解，有助于解释人类活动的本质；同时，该技术还促进了脑生物学领域的研究，丰富了大脑认知科学与神经学的内容。因为脑-机接口是人为产生的通讯控制系统，是一种不会依赖大脑外周神经和肌肉活动的通路。这给一些脑功能健全但身体残疾或者语言有障碍的人群带来了福音。在除了机器人控制方面的研究之外，脑-机接口技术在康复医学工程方面有重要意义，随着人们对脑功能的深入了解，脑-机接口技术的研究意义主要体现在以下几个方面：

（1）康复医学工程方面：由于疾病突发、自然灾害或者一些意外情况而带来残疾的情况屡有发生，但是对于那些只是肌肉功能受损但脑功能健全的患者来说，一套合适的脑-机接口系统就极具意义。该系统通过读取患者的脑电波信号，来实现一些简单的控制，例如开关灯、接听电话、轮椅控制等，同时，也可以通过脑-机接口与康复机器人的结合使用来帮助患者进行康复训练。这样一套系统在一定程度上扩大了残疾人的活动范围，并且提高了及自理能力，由于在康复机器人的康复训练下，还能提高康复概率。因此，脑-机接口技术在康复医学工程方面具有良好的应用前景。

（2）脑认知方面：脑认知科学与脑-机接口技术的发展是相互促进的。由于脑电信号是由大脑皮层的大量神经细胞受到刺激而产生的生物电信号，能够直观并且有效的反应大脑的即时状态，所以，对脑-机接口技术的研究可以使人们对大脑输出信号的特点产生更深刻的理解。因此，脑-机接口技术对人类了解大脑、开发大脑具有促进作用。

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