張青堯 蔣方遒
在腦機(jī)接口(BCI)連接虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中,使用者通過(guò)腦機(jī)接口(BCI)實(shí)現(xiàn)進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)世界。腦機(jī)接口(BCI)直接與使用者大腦皮層連接,同時(shí)腦機(jī)接口與外部設(shè)備具有雙向交換功能,既可以通過(guò)腦機(jī)接口(BCI)將使用者的大腦皮層活動(dòng)變化的腦電波轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)傳入外部設(shè)備,也可以將外部的電子信號(hào)通過(guò)腦機(jī)接口(BCI)直接輸入大腦皮層,從而達(dá)到讓使用者獲得來(lái)自虛擬現(xiàn)實(shí)世界的感官刺激效果。本文將簡(jiǎn)要講解該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
一、總體結(jié)構(gòu)
腦機(jī)接口(BCI)連接虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),由三個(gè)主要部分組成,分別為:用戶腦機(jī)接口(BCI)終端,中樞服務(wù)器(CS-CENTRAL SERVER),基站(BS-BASE STATION)信息傳輸裝置。使用該系統(tǒng)時(shí),用戶佩戴非侵入式腦機(jī)接口設(shè)備,該設(shè)備將用戶腦電波轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)即時(shí)傳輸?shù)街袠蟹?wù)器(CS)中,由中樞服務(wù)器(CS)自動(dòng)做出分析與判斷,將來(lái)源用戶的要求信息打包,由基站(BS)做出相應(yīng)的反饋信息,反饋信息由基站(BS)發(fā)送出去,輸入到來(lái)源用戶的連接腦機(jī)接口(BCI)外部設(shè)備中,并由腦機(jī)接口(BCI)終端轉(zhuǎn)換為腦電信號(hào),輸送回大腦皮層。此時(shí),用戶就能得到來(lái)源于中樞服務(wù)器(CS)虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的虛擬感官信息,進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)世界。
由用戶腦機(jī)接口(BCI)終端、中樞服務(wù)器(CS)、基站(BS)信息傳輸裝置,這三種設(shè)備營(yíng)造出的虛擬現(xiàn)實(shí)(VR-VIRTUAL REALITY)世界中,用戶大腦對(duì)接收到的各種刺激,做出相應(yīng)的反饋活動(dòng),以達(dá)到逼近真實(shí)世界刺激的效果。此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖:
二、腦機(jī)接口(BCI)終端設(shè)備
腦機(jī)接口(BCI)終端設(shè)備原理與顱磁刺激(TMS-TRANSCRANIAL MAGNETIC STIMULATION)技術(shù)原理類似,通過(guò)顱磁刺激(TMS)來(lái)感知大腦刺激部位神經(jīng)異常的活動(dòng),并將這種異常興奮的活動(dòng)信息輸出,同時(shí)對(duì)大腦輸出的腦電波信號(hào)進(jìn)行分析整理,壓縮傳輸(雙向),經(jīng)由無(wú)線線路無(wú)損地傳入總服務(wù)器。在信號(hào)返回時(shí)也必須反向重復(fù)上述環(huán)節(jié)。
由Gabriel Gonzalez-Escamilla等人的實(shí)驗(yàn),即結(jié)合腦電圖神經(jīng)電上的指示恐懼類型興奮范式,對(duì)事件相關(guān)電位和顳下頜關(guān)節(jié)誘發(fā)電位進(jìn)行分析。然后再進(jìn)一步將興奮性調(diào)節(jié)模式與個(gè)體核磁共振成像衍生的恐懼網(wǎng)絡(luò)灰質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性聯(lián)系起來(lái),與無(wú)威脅相比,皮質(zhì)興奮性增強(qiáng),對(duì)威脅處理的能力更強(qiáng),其表現(xiàn)為誘發(fā)電位振動(dòng)幅度增加。此外,顱磁刺激(TMS)增強(qiáng)了威脅處理過(guò)程中的誘發(fā)反應(yīng),而背內(nèi)側(cè)前額葉皮層和杏仁核的結(jié)構(gòu)完整性預(yù)測(cè)了恐懼處理的興奮性調(diào)節(jié)模式。而人類腦部活動(dòng)的其它情緒與此恐懼情緒相類似,所以理論上可通過(guò)顱磁刺激(TMS)技術(shù)為依托,最終實(shí)現(xiàn)該腦機(jī)接口(BCI)終端設(shè)備。
三、中樞服務(wù)器(CS)
中樞服務(wù)器(CS)負(fù)責(zé)整理、分析、傳輸來(lái)源于腦機(jī)接口(BCI)終端的信號(hào),并從龐大的虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出有用信息,將這些相關(guān)信息壓縮打包,形成合適的電子信號(hào),傳輸給用戶周圍的基站(BS)。中樞服務(wù)器(CS)是中央處理器與分配發(fā)送系統(tǒng)信息的核心。
四、基站(BS)
基站(BS)系統(tǒng)與現(xiàn)有的語(yǔ)音通話傳輸系統(tǒng)類似。由中樞服務(wù)器(CS)傳輸回的虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)信號(hào)需要被用戶外部設(shè)施接受,再由腦機(jī)接口(BCI)終端設(shè)備進(jìn)行分析與翻譯,轉(zhuǎn)化為腦電波信號(hào),對(duì)人類大腦形成刺激,感知來(lái)自中樞服務(wù)器(CS)所要實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)世界。作為中轉(zhuǎn)跳板,基站(BS)最好是同步衛(wèi)星與地面部分配合共同實(shí)現(xiàn)。
五、結(jié)論
腦機(jī)接口(BCI)終端設(shè)備與虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)連接的系統(tǒng)在理論上可行。該技術(shù)可被應(yīng)用于新型完全體感虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)游戲開(kāi)發(fā),軍事模擬訓(xùn)練,完全潛入式深度學(xué)習(xí),模擬現(xiàn)實(shí)生活,旅游業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。使用該系統(tǒng)可以擺脫傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)設(shè)備的不協(xié)調(diào)性與眩暈感,有效提升虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)的模擬現(xiàn)實(shí)程度。
六、討論
此系統(tǒng)在腦機(jī)接口(BCI)終端設(shè)備的穩(wěn)定性,延遲度上仍需技術(shù)突破,在中樞服務(wù)器(CS)中的虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立,基站(BS)的設(shè)置也是兩項(xiàng)浩大的工程。如果沒(méi)有腦機(jī)接口(BCI)終端設(shè)備的技術(shù)突破,實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)仍需以十年為單位的時(shí)間去完成。一旦此技術(shù)突破,將會(huì)給未來(lái)的科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)顛覆的變革。
參考文獻(xiàn)
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