[發明專利]多任務視覺認知中腦負荷測定的實驗系統和方法

有效

• 申請號: 201210006069.6
• 申請日: 2012-01-10
• 公開（公告）號: CN102551741A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 李曉玲;洪軍;姜穎;徐楓;姚磊
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: A61B5/16
• 分類號: A61B5/16;A61B5/0476
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 田洲

【技術領域】

本發明屬于人機工程學技術領域，涉及一種實驗系統，以及利用該實驗系統進行多任務視覺信息測試，得出評定腦負荷的實驗方法。

【背景技術】

多任務視覺信息的準確認知在人機界面交互系統中，是監控裝備運行狀態與獲取外界環境信息的重要手段，多任務視覺信息最直接的體現就是圖形或文字，而能將監控不同任務和狀態的圖形或文字綜合在一起集中體現的就是儀表，因此儀表的認知在多任務視覺信息獲取中非常具有典型性。隨著自動化水平的提高，很多大型設備的機械式儀表都被圖形化、交互式的虛擬儀表取代，視覺信息量也較以前大幅增加，在高密度、高強度信息量條件下，若儀表信息的顯示形式、顯示數量及顯示時機設計不合理，往往會造成儀表信息顯示特征超出操作人員的生理及心理承受能力，腦負荷也相應增大，引起操作人員的認知疲勞，對人員與裝備的安全造成威脅。

目前，許多研究機構都對人體視覺特性與認知特性進行了研究，如美國羅切斯特大學通過對電子游戲玩家與非電子游戲玩家對游戲中復雜程度(如形狀、顏色等屬性)不同的顯示信息進行對比辨識，如2010年美國范德堡大學研究了不同類型動態信息刺激下的人體大腦神經網絡電信號，該研究主要通過對人體大腦目標辨識反射信號與外界干擾刺激反射信號的對比實驗研究，依據不同反應機制下神經網絡電位活躍范圍、強度的分析，獲取表征不同類型動態信息刺激下人體視覺特性與認知特性的生物特征響應信號(EEG/EOG)特征。雖然上述研究以信息正確辨識率及與之對應的人體生物特征響應信號(EEG/EOG)為切入點，對不同信息刺激下視覺敏銳度特性與認知特性進行了研究，但并未考慮多任務、多信息刺激條件下由于人眼視覺特性與認知特性所引起的腦負荷變化情況，更未對二者之間的關聯和響應進行系統實驗和分析。

查新的資料可知，測定腦負荷的方法主要有主觀評價法和生理測量法，主觀評價法主要包括Cooper-Harper評價法、SWAT量表、NASA-TLX量表以及任務指標測量等。這些方法都將時間要求、體力需求及努力程度作為基本要素，主要以反應時間、反應速度和準確率作為評價指標，不足之處是主觀評價法受短時記憶消退的局限，且任務性質各不相同，不可能提出一種廣泛適用的績效參數，因此各操作之間的腦力負荷狀況無法進行對比。關于生理測量也有一些研究成果，主要集中在將眼電、呼吸信號、心率、肌電和腦電活動作為檢測腦負荷的客觀手段。Stern等人認為眨眼持續時間、眨眼率和眨眼幅度與腦疲勞有關；Mascord?D?J等人用心率變異性來評價腦負荷程度。盡管許多生理學指標被用于描述個人的腦疲勞狀態，但腦電信號一直都被認為是監測腦負荷最可靠標準。

基于EEG/EOG的視覺信息顯示模式識別主要包括信號預處理、特征提取、模式分類等技術。常用的特征提取方法包括FFT、相關性分析、AR參數估計、公共空間模式、Butterworth低通濾波、遺傳算法、小波變換等，算法的選擇與所利用的信號特征及電極位置有關。基于上述方法，可以實現多任務顯示信息屬性參數與人體視覺特性、認知特性的關系推導，即得出信息視覺顯示條件下顯示時機、顯示信息量與人體生理、心理負荷及認知可靠度相匹配的原則，為視覺信息屬性選擇、人機界面設計與布局、作業人員狀態評價提供重要參考。

【發明內容】

針對現有多任務視覺信息下對認知特性研究的需要，本發明提供了一種能模擬多任務視覺信息和不同操控環境的測定腦負荷變化的實驗系統和方法，該系統由一個多任務視覺信息認知測試與控制實驗臺和交互式測試系統構成，可通過對測試系統下腦電信號的采集、提取與處理，得出腦負荷變化對認知特性的影響規律。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種多任務視覺認知中腦負荷測定的實驗系統，包括可調節座椅、虛擬視覺界面顯示裝置以及腦電信號采集處理設備；

可調節座椅包括座墊、靠背、角度調節機構和水平位移調節機構；水平位移調節機構固定于平臺基板上，座墊安裝于水平位移調節機構上；座墊和靠背之間安裝有角度調節機構；

虛擬視覺界面顯示裝置包括第一計算機、輸入設備、組合支架和顯示器；組合支架包括滑筒，顯示器支架通過插銷式螺栓固定于滑筒上；顯示器支架上固定有三個顯示器，該三個顯示器包括正對可調節座椅的主顯示器和傾斜的設置于主顯示器兩側的側翼顯示器；側翼顯示器與主顯示器之間的夾角為135°～360°；第一計算機連接三個顯示器，三個顯示器動態的顯示第一計算機輸出的儀表圖像；

腦電信號采集處理設備包括依次連接的電極帽、腦電放大器和第二計算機。