大腦能“開鎖”

我們的大腦無時無刻不在產生腦電波。腦電波信號現今已被作為生物信號輸入用于人機交互。在醫學上，腦電波信號的人機交互可以幫助殘疾人與使用腦電波的機器進行通信。

Neumskv神念科技公司開發的ThinkGear AM模塊（簡稱TGAM）是一款非常受歡迎的腦電技術應用模塊，它利用一個干式電極就可以從人腦中檢測到微弱的腦電信號。通過該模塊可獲取腦電信號的Delta 波、Theta 波、LowAlpha波、High Alpha 波、Low Beta 波、High Beta 波、Low Gamma 波和High Gamma 波，同時獲得神念科技公司的eSense參數：專注度和放松度。其中“專注度”輸出頻率為1Hz，取值范圍為0～100，表示被測試者當前對某一事物的投入專注（興趣）的程度，注意力越集中，專注度取值越大。

本文通過對腦電波信號專注度的采集、處理、分析，研究算法、編寫程序，實現人腦“意念”對安卓手機屏幕解鎖的控制。

一、總體方案

通過腦電頭帶，采集測試者在專注解鎖狀態下（集中注意力思考某一確定的密鑰圖片，如圖1所示）的腦電信號，通過內置的ADC 轉換電路將腦電波的模擬信號轉化為相對應的數字信號，打成數據包，直接通過藍牙傳送給手機，手機基于腦電信號專注度的解鎖算法，通過程序實現手機解鎖。總體方案如圖2所示。

二、腦電信號數據流的基本格式

腦電信號采集模塊TGAM每秒發送513個數據包，其中前512個包是小包，第513 個包是大包。大包的格式如表1所示。

其中第[31]個字節0X04是專注度開始的標志，第[32]個字節0X32是專注度值。本文重點研究專注度的變化規律。

三、腦電信號專注度的采集方法

腦電頭套將腦電信號通過藍牙傳遞到電腦時，可使用Mindview和Xcom實現腦電信號的采集。Mindview采集的腦電數據圖像用于腦電信號的定性分析，Xcom采集的腦電數據用于腦電信號的定量研究。

四、腦電信號專注度的分析方法

首先進行原始數據的預處理。針對Xcom采集的十六進制原始數據文件，依據專注度所在的第513個包的頭字節特征（AA AA 20 02 C8 83 18），找出所有第513個包及專注度。

其次，統計分析專注度的變化規律。選取最能反映測試者腦電信號特征的典型數據作為研究對象，統計分析專注度的均值、方差、最大值、最小值等，繪制專注度變化曲線及專注度分布柱狀圖。

五、腦電信號專注度分析實驗

通過MindView和Xcom采集志愿者在專注解鎖狀態下的腦電信號，統計分析專注度的變化特點和規律，研究腦電解鎖的方法。本文將19名志愿者分為兩組進行了腦電波分析實驗。通過實驗得到以下結論。

結論一：專注解鎖狀態下，注意力越集中，專注度取值越高。

結論二：專注解鎖狀態下的專注度均值（μ）為57.2、均方差（σ）為17.6，專注度分布如圖3所示。

區域法適合大多數人實現腦控手機解鎖。

七、安卓手機屏幕解鎖程序的設計與實現

1.總體構架

程序的設計主要包括藍牙通信、用戶接口和手機解鎖三個模塊，如圖7所示。

藍牙通信模塊主要實現手機與腦電頭帶的通信，并獲取TGAM數據流中第513個包中的專注度。

用戶接口模塊主要通過藍牙實現腦電頭帶的搜索和鏈接，實現實時顯示采集到的專注度，清除屏幕顯示的專注度，更改、設置手機解鎖的專注度閾值。

手機解鎖模塊實現腦電波手機解鎖和手動解鎖，本文選用閾值法編寫腦電波手機解鎖程序。

2.運行流程

主流程如圖8所示。

本文實現了通過“意念”實現安卓手機的屏幕解鎖，為特殊人群或特殊目的實現手機操作提供了方法思路，為進一步深入開展腦電控制的相關研究及應用提供了理論和實踐基礎。