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Chernof f加权分类器框架在运动想象脑-机接口中的应用

谭平 刘利枚 郭璠 周开军

谭平, 刘利枚, 郭璠, 周开军. Chernof f加权分类器框架在运动想象脑-机接口中的应用[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(2): 488-494. doi: 10.11999/JEIT181132
引用本文: 谭平, 刘利枚, 郭璠, 周开军. Chernof f加权分类器框架在运动想象脑-机接口中的应用[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(2): 488-494. doi: 10.11999/JEIT181132
Ping TAN, Limei LIU, Fan GUO, Kaijun ZHOU. Applying Chernoff Weighted Classification Frame Method to MotorImagery Brain Computer Interface[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(2): 488-494. doi: 10.11999/JEIT181132
Citation: Ping TAN, Limei LIU, Fan GUO, Kaijun ZHOU. Applying Chernoff Weighted Classification Frame Method to MotorImagery Brain Computer Interface[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(2): 488-494. doi: 10.11999/JEIT181132

Chernof f加权分类器框架在运动想象脑-机接口中的应用

doi: 10.11999/JEIT181132
基金项目: 国家自然科学基金(61502537),国家社科基金(19BGL111),湖南省教育厅科学研究优秀青年项目(18B338),湖南省重点实验室开放研究基金项目(2017TP1026),教育部人文社科基金(14YJCZH099)
详细信息
    作者简介:

    谭平:男,1981年生,讲师,主要研究方向为脑电信号处理、计算智能、模式识别

    刘利枚:女,1975年生,教授,主要研究方向为人工智能、机器人

    郭璠:女,1982年生,副教授,主要研究方向为图像增强、机器视觉、模式识别

    周开军:男,1978年生,副教授,主要研究方向为机器视觉、模式识别

    通讯作者:

    郭璠 guofancsu@163.com

  • 中图分类号: R741.044; TP391

Applying Chernoff Weighted Classification Frame Method to MotorImagery Brain Computer Interface

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61502537), The National Social Science Foundation of China (19BGL111), The Scientific Research Project of the Education Department of Hunan Province (18B338), The Open Fund of Key Laboratory of Hunan Province (2017TP1026), The Foundation of Ministry of Education Humanities and Social Sciences (14YJCZH099)
  • 摘要:

    针对现有脑机接口(BCI)分类器与大脑认知过程结合不够紧密的问题,该文提出一种基于Chernoff加权的分类器集成框架方法,并用于同步运动想象脑机接口中。通过对训练数据进行统计分析,获得各时刻脑电信号(EEG)的统计特性,并建立基于大脑认知过程的高斯概率模型。然后利用Chernoff边界特性得到该概率模型的最小误差,并以此确定该时刻分类器的权重,通过对各时刻分类器的加权,实现同步脑机接口的信号分类。以脑机接口竞赛数据作为测试,并与线性判决分析、支持向量机和极限学习方法分别结合构成新的集成方法。由实验结果可知,加权集成框架方法的分类性能比原独立分类方法有显著提高。

  • 图  1  Chernoff加权框架方法的结构框图

    图  2  每次试验的时序示意图

    图  3  各个时刻的特征统计概率分布图

    图  4  数据集1的互信息图

    图  5  数据集2的互信息图

    图  6  数据集3的互信息图

    图  7  数据集4的互信息图

    图  8  各算法分类精度结果图

    图  9  dout的统计均值和方差变化图

    表  1  算法1 Chernoff框架方法的训练过程

     输入:EEG训练数据
     输出:独立分类器模型参数和概率权重w
     步骤 1 对EEG数据进行预处理,提取特征向量;
     步骤 2 利用独立分类器训练得到模型参数;
     步骤 3 利用式(1)得到特征向量的均值和方差;
     步骤 4:利用式(8)得到权重w
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    表  2  算法2 Chernoff框架方法的测试过程

     输入:t 时刻的测试 EEG 数据,独立分类器参数和权重w
     输出:分类结果和判定值dout(t)
     步骤 1 对EEG数据进行预处理,提取特征向量;
     步骤 2 通过独立分类器的训练模型得到yc(t);
     步骤 3 利用式(11)和式(12)将yc转化到p(t)∈[0, 1];
     步骤 4 利用式(9)计算pout(t);
     步骤 5 利用式(10)将pout(t) 变换到dout(t)∈[–1, 1];
     步骤 6 通过dout(t)的符号获得分类结果。
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    表  3  实验中的数据集

    序号数据集来源训练集个数(试验次数)测试集个数(试验次数)类别
    1BCI II (III)1 (140)1 (140)2
    2BCI III (IIIb)1 (320)1 (320)2
    3BCI IV (IIb)3 (400)2 (320)2
    4BCI IV (IIb)3 (400)2 (320)2
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    表  4  数据集1的最大互信息(bit)

    分类方法最大互信息
    ELM0.524/0.051
    LDA0.414
    SVM0.471
    LSTM0.511
    ELM-CF0.680/0.020
    LDA-CF0.631
    SVM-CF0.662
    第II届BCI竞赛的第1名0.61
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-07
  • 修回日期:  2019-07-20
  • 网络出版日期:  2019-09-11
  • 刊出日期:  2020-02-19

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