一种基于脑电信号的光环境对大脑情绪影响的测评方法与流程

1.本发明属于环境测评技术领域，特别涉及一种基于脑电信号的光环境对大脑情绪影响的测评方法。


背景技术：

2.脑电信号是指由大脑活动产生的电信号，可以清楚的反应大脑当前活动信息，脑电信号的采集方式分为侵入式脑电和非侵入式脑电，其中侵入式脑电是采取手术的方式将采集端电极植入实验对象的大脑皮层中，直接记录大脑皮层的电位变化，其优点是记录的电信号清晰，失真度较小，但由于其危险性较高，并不适用于人脑电信号的采集；而非侵入式脑电又称头皮脑电，通过贴附在实验对象头皮处的电极，记录其电位变化，虽然危险程度大大降低，但由于隔着颅骨和头皮进行采集，导致采集到的电信号较弱，同时存在较强的背景噪声。
3.光作为一种自然现象，是人类赖以生存和工作的必要条件，随着电学的发展和照明设备兴起，人类获得光源的手段不仅仅局限于太阳的光照和燃烧发光，这大大解放了环境对人类工作生活的限制，提高了人类的生产能力，现代社会发展，离不开照明设备这一块基石。现有研究表明，光照不仅影响人类对外界信息的感知，同时还参与和影响人的多种生理活动，而人所处的光环境，其光照波长、频率以及光强的不同，均会对人的情绪和心理变化产生不同的效果。
4.目前对光环境的测评方法较少，有的方法还停留在较为原始的形式，具体为问卷调查的形式，通过问卷调查确实可以反应一部分光照对脑电信号的影响，但更多信息的基于人的主观感受和个体差异，存在较大的局限性，很难收集到准确和完整的数据，所以采用问卷调查方式的光环境测评局限性较大。同时cn113229830a中公布的光环境测评方法，设置不同的光照参数下的认知实验，分析采集到的数据，得出暖-冷环境以及不同光照强度对测试人员工作学习效率的影响，该种方法虽然采用脑电信号对光照环境进行测评，但是观测的目标具有一定的局限性，光照环境并不仅仅对学习工作效率有影响。
5.本发明针对目前缺少情绪方面的光环境测评，以及针对光环境科学客观评价方法较少的问题，采用包含情绪因素的素材进行引导，通过脑电信号评估不同光照环境对情绪的影响作用。


技术实现要素：

6.本发明的技术目的在于，目前对光环境的测评方法较少，同时脑电信号的光环境测评方法，对情绪的影响测评还有欠缺，本发明对光环境测评方法进行一个补充。
7.为实现上述技术目的，本发明提供以下技术方案，一种基于脑电信号的光环境对大脑情绪影响的测评方法，其步骤为：
8.步骤1、选取一组光环境参数，所有参与测试的待测人员适应该光照条件一段时间；
9.步骤2、使用包含有情绪因素的素材对待测人员进行刺激，同时使用采集设备记录待测的脑电信号；
10.步骤3、测试完毕的待测人员的对素材中包含的情绪进行量化评价；
11.步骤4、更换测试对象重复步骤2，直至所有待测人员均完成测试；
12.步骤5、更换光环境参数，重复步骤2至步骤4的操作，直至所有环境参数均测试完毕；
13.步骤6、将采集的电信号提取特征值后进行计算，通过对比计算数据，分析不同光环境对情绪的影响，从而得出光环境测评结果；
14.进一步地，所述步骤1中的光环境参数包括光源数量、波长、光强、亮度等；
15.进一步地，所述步骤1中待测人员适应光环境时间为2～5min；
16.进一步地，所述步骤2中包含情绪因素的素材包括但不限于图片、音乐、文字片段和音乐视频，具体包括国际感情图片系统(iaps)、中国感情图片系统(caps)与国际情感数码声音系统等；
17.进一步地，所述步骤2中脑电信号采集方法包括干电极采集法和湿电极采集法，脑电信号采集方法根据国际通用的“10-20系统”标准脑电位置采集，该系统电极位置与大脑皮层解剖结构对应，以从鼻根到枕外隆突的矢状线与两外耳道之间连线的冠状线作为基准，电极以其所处的位置英文缩写与标号命名，其中fp(frontal pole)指代前额，f(frontal)指代额，c(central)指代中央，p(parietal)指代顶，o(occipital)指代枕，标号规则是中央左侧使用奇数，右侧使用偶数，由中央向两侧增大；
18.进一步地，所述步骤3中的量化评价方式包括正性负性情绪测量表(panas)和自我评价模型(sam)等；
19.进一步地，所述步骤6中包括：
20.步骤6.1、对脑电信号的预处理，使用带通滤波器对电信号滤波，去除工频噪音和肌电噪音等；
21.步骤6.2、对采集的脑电信号从时域、频域、时频域等角度提取具有代表性的特征值，基于一定分类准则构建情绪识别计算模型，对情绪信息进行分类；
22.步骤6.3、对脑电信号进行小波变换，计算当前光环境下该测试对象不同频段的平均波幅，将该平均波幅与当前光环境下不同测试对象的同一频段平均波幅进进行求平均计算；
23.步骤6.4、对比不同光环境下同一频段的平均波幅，从而得出光环境评测结果；
24.进一步地，所述步骤6.1中使用50hz的陷波电路消除设备的工频噪音，使用带通滤波器将信号滤波至4-45hz，去除肌电噪声与心电噪声等；
25.进一步地，所诉步骤6.2中的情绪计算模型，选用deap数据库；
26.进一步地，所述步骤6.3中将脑电信号分为多个频段：theta波的频率范围为4～7hz；alpha波的频率范围为8～13hz；beta波的频率为14～30hz；gamma波的频率大于30hz；
27.本发明的有益效果在于：
28.1、本发明采用脑电信号采集和sam量化评价相结合的方式，较为准确的反应了光环境对大脑情绪活动的影响；
29.2、本发明设置多组对照测试组，可以准确的了解具体某一种光环境对大脑不同情
绪的具体作用表现；
30.3、本发明通过对不同频段的脑电信号进行处理，将该光照条件下对大脑情绪的作用完整、直观的显示出来，对相关光环境测评方法做了一个补充。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为一种基于脑电信号的光环境测评方法流程图；
33.图2为数据处理流程图；
34.图3为根据国际通用的“10-20系统”标准脑电采集电极位置图；
35.图4为sam量化评价维度图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.本发明提供了一种基于脑电信号的光环境对大脑情绪影响的测评方法，由于脑电信号采集的方式采用非入侵式，其电信号十分微弱，通常只有几十到一百微伏；所以采集设备中会预设前置放大电路，对脑电信号进行放大，外界的轻微干扰会产生大量噪声，所以需要保持测试过程中环境安静，环境温度不能过冷或者过热，避免环境因素对测试造成影响，同时要求测试人员再实验中保持放松状态，坐姿平稳，尽量不要进行肢体活动和眨眼等面部活动，以避免参杂不必要的人为干扰。
38.在优选的实施例中，设置的光环境光源为四个矩阵设置的led光源，共设置2类4组光照环境，分别为强黄光(585nm，400cd/m2)、弱黄光(585nm，300cd/m2)、强蓝光(495nm，400cd/m2)以及弱蓝光(495nm，300cd/m2)。
39.包含情绪因素的素材选用与中国人情绪特点更为接近中国感情图片系统(caps)，更容易得到情绪认同，测试过程中也很容易对情绪进行诱发；
40.优选实施例
41.参阅图1，本发明提供的光环境测评方法，包括以下步骤：
42.步骤1、选取一组光环境参数，所有参与测试的待测人员适应该光照条件时间为2min；
43.步骤2、使用包含有情绪因素的caps图片对待测人员进行刺激，同时使用采集设备记录待测的脑电信号；
44.参阅图3，其电极共设置17个，包括1个接地电极gnd，2个参考电极a1、a2和14个记录电极fp1、fp2、fz、f1、f2、cz、c1、c2、pz、p1、p2、oz、o1、o2，采样频率为128hz以上，16位a/d分辨率；
45.具体的，将待测人员的情绪按照维度理论进行分类为愉悦、愤怒、悲伤与放松四个
区间，将其作为识别标准，根据4种情绪标准取用caps内图片各4张，将16张图片分为4个对照组，每个对照组内包括愉悦、愤怒、悲伤与放松各一张图片，图片均不重复，待测人员选用一组照片进行观看，每一张图片注视20秒后间隔5秒钟更换下一张图片，直至一组图片均观看完毕；
46.步骤3、测试完毕的待测人员的对素材中包含的情绪采用sam自我评价模型进行量化评价；
47.参阅图4，具体的，所述sam分别在效价(valance)、唤醒度(arousal)、优势度(domain)以及喜欢程度(liking)四个维度进行打分，分值为1-9的连续值；
48.步骤4、更换测试对象重复步骤2，直至所有待测人员均完成测试，共设置4名待测人员；
49.步骤5、更换光环境参数，重复步骤2至步骤4的操作，直至所有环境参数均测试完毕；
50.步骤6、将采集的电信号提取特征值后进行计算，通过对比计算数据，分析不同光环境对情绪的影响，从而得出光环境测评结果；
51.参阅图2，所述步骤6包括以下步骤；
52.步骤6.1、对脑电信号的预处理，使用带通滤波器对电信号滤波，去除工频噪音和肌电噪音等；
53.步骤6.2、对采集的脑电信号从时域、频域、时频域等角度提取具有代表性的特征值，基于一定分类准则构建情绪识别计算模型，对情绪信息进行分类；
54.具体的，脑电信号的时域特征直接从信号中取用，频域信号通过傅里叶变化得到其频域特征，时频域特征提取采取小波包变换，由于脑电信号是典型的非线性、非平稳随机信号，在本优选的实施例中采取时频域特征提取，通过提取到的特征值，与申请授权的deap数据库中愉悦、愤怒、悲伤和放松情绪的特征值进行对比，完成对脑电信号的情绪分类，对比分类过程中参考量化评价表；
55.步骤6.3、对脑电信号进行小波变换，计算当前光环境下该测试对象不同频段的平均波幅，将该平均波幅与当前光环境下不同测试对象的同一频段平均波幅进行求平均计算；
56.步骤6.4、对比不同光环境下同一频段的平均波幅，从而得出光环境评测结果；
57.具体的，通过对不同条件下的theta波、alpha波、beta波和gamma波的波幅平均值得到的结果进行对比，分析该光照条件下对具体情绪的作用；
58.本发明是通过外界刺激待测人员，诱发大脑内情绪来对光环境进行测评，本发明的测评结果表示：
59.在高光强、黄色光的光环境下，波幅变化最大的脑电信号特征值与deap数据库中表示愤怒的特征信号相似，表明高光强、黄色光容易引导实验人员产生愤怒情绪；
60.在低光强、黄色光的光环境下，波幅变化最大的脑电信号特征值与deap数据库中表示愉悦的特征信号相似，表明低光强、黄色光容易引导实验人员产生愉悦情绪；
61.在高光强、蓝色光的光环境下，波幅变化最大的脑电信号特征值与deap数据库中表示悲伤的特征信号相似，表明高光强、蓝色光容易引导实验人员产生悲伤情绪；
62.在低光强、蓝色光的光环境下，波幅变化最大的脑电信号特征值与deap数据库中
表示放松的特征信号相似，表明低光强、蓝色光容易引导实验人员产生放松情绪；
63.以上详细描述了本发明的较具体实施方式。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。