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立体深度运动感知的脑电信号研究.docx
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立体深度运动感知的脑电信号研究.docx
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如今,3D 显示技术十分火热,且被广泛用于电影、游戏和工业可视化等领域。然
而,在观看 3D 影像时,观众时常会出现眼睛不适、视力模糊、头晕等症状。有学者认
为,造成 3D 观看舒适度与疲劳的因素有失真、串扰、辐辏调节冲突等
[1]
。文献[2]研究了
立体场景中运动目标的尺寸、速度、视差对舒适度的影响,发现相比视差,运动物体的速
度更易引起观看不适;视差的变化率和立体运动物体通过零视差面的频率是影响不舒适度
的关键因素。文献[3]研究立体运动视频后发现,深度运动对立体观看舒适有重要影响。研
究表明,静态图像的舒适视差范围为±1°,视差超过该范围时,将发生频繁的眼动效应且视
觉不舒适与眼动密切相关
[4]
。对于运动影像来说,即使视差在舒适范围内,快速深度运动
带来的辐辏调节不匹配仍会产生不舒适感。但是深度运动对视觉感知的影响方面,尚无充
分的研究。
传统舒适度评价方法主要是主观方法,该方法费时费力且易受被试影响
[5-6]
。除主观评
价外,还有许多客观方法,如脑电 EEG、心电、核磁共振等
[3]
。其中,EEG 作为一种被广
泛使用,具有发展前景的立体疲劳与舒适度检测方式,包含许多生理心理信息,可以实时
地反映出神经的改变
[7]
。文献[8]分析了 EEG 中的暂稳态视觉诱发电位,发现水平方向的视
差会使神经传导延迟。文献[9]中的研究表明,脑电辐辏调节冲突量会影响平均大脑活动
量,猜测脑电能够反映立体视觉认知活动。文献[10]通过观看立体视频前后的功率谱对 3D
视疲劳进行估算。立体场景中常出现深度运动,所以有必要结合 EEG 进行立体深度运动舒
适与否的认知研究。
本文基于 EEG 采用客观实验对两类立体深度运动场景进行探究。文章充分提取 EEG
的空域、频域和时频特征,在频域和时频域中分别计算 r
2
值用于衡量两类场景的差异,分
析两类 r
2
值脑电分布图,发现刺激后的 0.5~2 s 时间段,顶区的 α 频带具有差异性;通过
共空间模式(common spatial pattern, CSP)提取大脑 α 频带空域特征,并用支持向量机
(support vector machines, SVM)进行分类。结果表明,顶区、中央区以及枕区的分类率高于
其他脑区。
1. 实验设置
首先通过主观实验找到可区分的两类立体深度运动视频(舒适与否),然后用于脑电实
验。
1.1 主观实验
参与主观实验的被试共 19 名,其中男生 11 名,年龄在 20~25 岁之间,具有正常或
矫正正常的视力。所有被试实验前均签署了协议,实验结束后获得相应报酬。
本实验采用 Maya 软件来模拟立体深度运动场景刺激视频。素材包括 7 种不同速度模
式的立体视频,分别为:96、128、192、256、312、390、512 cm/s,刺激时长均为 4 s。视
频背景是蓝天白云,零视差面标记为浅灰色环状物,目标石头通过环中央做前后往复地匀
速周期运动,1°和−1°的视差位置分别为起始和终止点。
在主观实验中,采用脑电实验的呈现软件 E-prime 进行实验,共包含 70 个试次,分
为 10 个部分,每一部分都随机地呈现一次上文所述的 7 种模式。在每一部分完成后,被试
依次对问卷中眼睛酸痛情况及舒适度情况进行评分
[11]
,之后进入下一部分。
1.2 脑电实验
从主观试验的被试中选出 10 人,男女各半参与 EEG 实验。他们实验前被要求禁止在
24 h 内喝咖啡、食用含有酒精的食物、服用对精神状态造成影响的药物等。整个脑电实验
的实验设备、所处环境均与主观试验相同,脑电数据的采集使用嵌入式 64 导联脑电帽和
Neuroscan 国际系统。实验将左耳的脑电电极作为参考电极,系统采样频率为 1 000 Hz。
EEG 实验一共包含 30 个部分,每个部分包含 8 个试次(4 种速度模式各两次),共 240
个试次,其中每两个试次之间有 3 s 间隔,每个部分间有 2 min 间隔以保证被试休息。
2. 方法与计算
2.1 主观数据处理与分析
每个试次分值为两个问题评分的均值,如下所示:
Mos=12(Mos1+Mos2)Mos=12(Mos1+Mos2)
(1)
式中,Mos 代表每个试次判断分值;Mos1 和 Mos2 分别代表眼睛酸痛情况、舒适度
状况。所有被试在第 k 个速度模式的最终分值如下式:
Mosk=∑p=119∑q=110Mosq,pMosk¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯=Mosk/190Mosk=∑p=119∑q=110Mosq,pMosk¯=Mosk/190
(2)
式中,k=1, 2, ···, 7,代表速度模式;p 代表被试;q 代表主观实验子部分。
本文研究发现,舒适度和立体深度运动速度成反比,即快速立体深度运动更易引起不
适。本文结论与文献[2]一致,这种现象的产生或许与快速运动物体更难被眼动系统捕捉有
关。观察图 1 可知,在速度 96、128 cm/s 的模式下,舒适度分值高于 4 分;在速度 390,
512 cm/s 的模式下,舒适度分值低于 2 分。可见,两种模式下评分具有显著性差异。
图 1 立体深度运动舒适度主观评分
下载: 全尺寸图片 幻灯片
2.2 脑电数据处理
脑电信号极其微弱且采集时会混入伪迹与噪声,因此需要对 EEG 信号进行预处理,
步骤为:1) 1~40 Hz 带通滤波器对 EEG 信号滤波,以去除 50 Hz 的工频干扰和一些噪
声;2) 采用 EEG lab 工具箱中的独立成分分析去肌电、眼电等伪迹;3) 对 EEG 信号进行
空间滤波,去除空间模糊,突出空间差异性特征
[12]
,如下:
Uq=Uq−∑p=160Up/60Uq=Uq−∑p=160Up/60
(3)
式中,U
q
表示电极 q 处幅值,q=1, 2, ···, 60。
单试次的脑电信号分为休息、刺激两个阶段。休息信号为运动场景呈现前 2 s 的 EEG
数据,刺激信号为运动场景呈现的 4 s EEG 数据。对每个被试所有试次两阶段的 EEG 数据
做快速傅里叶变换,谱分辨率为 1 Hz,得到 3 个频带 θ(4~8 Hz)、α(8~13 Hz)、β(13~22
Hz)。δ(0.5~4 Hz)频带脑电波发生在深度睡眠期间,含有各种伪迹,不在本文考虑范围。
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