5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
3.1 Xác định tín hiệu điều khiển xe lăn điện
3.1.4 Kết quả thực nghiệm
3.1.4.1 Tạo tập dữ liệu mẫu
Thiết bị đo và người tham gia thu thập dữ liệu
Sử dụng cảm biến đo EEG Mindwave mobile2 của hãng Neurosky để thu dữ liệu EEG trên 5 người tham gia thu thập dữ liệu. Công việc được thực hiện tại phịng thí nghiệm ở trường trung cấp nghề Quang Trung. Sơ đồ đặt điện cực theo tiêu chuẩn quốc tế 10-20. Bản ghi gồm 1 kênh dữ liệu, với tần số lấy mẫu 512Hz.
Tổng thời gian đo là 300 giây (60 giây/người). Trong đó có 4 nam và 1 nữa, độ tuổi từ 29 đến 57 tuổi. Số lượng mẫu dữ liệu thu thập được là 300 mẫu, trong số dữ liệu này, tác giả phân chia thành 2 loại, 250 mẫu phục vụ mục đích huấn luyện, 50 mẫu còn lại phục vụ kiểm tra hoạt động của hệ thống.
Bảng 3.1 Danh sách 5 người tham gia lấy mẫu
STT Họ và tên Giới tính Tuổi Chun mơn
1 Nguyễn Hồi sa Nam 29 Kỹ sư Cơng nghệ thông tin 2 Tôn Huỳnh Quy Nữ 36 Thạc sỹ Kế toán-Kiểm toán 3 Phạm Văn Hữu Thiện Nam 41 Kỹ sư Kỹ thuật điện tử 4 Nguyễn Văn Luông Nam 45 Kỹ sư Điện công nghiệp 5 Nguyễn Quang Trung Nam 57 Phó phịng hành chính QT Tiến hành đo
Mỗi người tham gia thu thập dữ liệu đo 6 lần, mỗi lần đo 10 giây - Lần 1: đo cử chỉ hành động “mở mắt”
- Lần 2: đo cử chỉ hành động “nhắm mắt”
- Lần 3: đo cử chỉ hành động “chớp mắt 1 lần/giây” - Lần 4: đo cử chỉ hành động “chớp mắt >1 lần/giây” - Lần 5: đo cử chỉ hành đợng “nhìn lên”
- Lần 6: đo cử chỉ hành động: mở mắt: 2 giây; nhắm mắt: 2 giây; chớp mắt 1 lần/giây: 2 giây; chớp mắt >1 lần/giây: 2 giây; nhìn lên: 2 giây.
53
Trong suốt q trình đo, có kỹ thuật viên theo dõi để hỗ trợ người tham gia thu thập dữ liệu hồn thành cơng việc thu thập tốt nhất. Khi kỹ thuật nhận thấy lần đo nào mà người tham gia thực hiện chưa đúng cử chỉ hành đợng thì u cầu người tham gia gia thực hiện đo lại cử chỉ hành đợng đó. Ví dụ: lần đo cử chỉ hành động “mở mắt” trong 10 giây, nhưng người tham gia lấy mẫu lại chớp mắt mợt vài giây thì lần đo đó bị loại, phải thực hiện đo lại.
Lần đo 1 đến lần đo 5 làm dữ liệu để huấn luyện, lần đo 6 để kiểm tra đánh giá hệ thống.
Phân tích và lưu dữ liệu
Tín hiệu EEG thu thập được từ cảm biến biến được lưu vào phần mềm Matlab với đuôi .mat. Từ file .mat này, ta cho hiển thị lên Figure của Matlab trong miền thời gian để phân tích. Ở bước này, ta phân tích những mẫu bị lỗi để loại bỏ và tiến hành đo lấy mẫu lại. Ví dụ: cử chỉ chớp mắt 1 lần/giây thường hay bị lỗi, vì người tham gia thu thập chưa thực hiện đúng chớp mắt 1 lần/giây; có giây khơng chớp mắt thì nhầm lẫn sang cử chỉ mở mắt; có giây chớp mắt 2 lần thì nhầm sang cử chỉ chớp mắt >1 lần/giây hoặc cử chỉ mở mắt, nhưng mắt bị rung thì nhầm lẫn sang cử chỉ nhìn lên; những trường hợp sai này nhìn thấy rất rõ trong miền thời gian.
3.1.4.2 Xử lý dữ liệu
Dữ liệu EEG thu được từ cảm biến trong một giây với tần số lấy mẫu 512hz bao gồm các tín hiệu:
- Raw wave (sóng thơ)
- Các dãy tần số và tín hiệu: Delta, Theta, Alpha, Beta, Gamma, Attention, Meditation, Asic Eeg Power,…
Trong phạm vi đề tài, chỉ xử lý Raw wave (sóng thơ), từ Raw wave này sẽ trích x́t đặc trưng và phân loại thành 5 tín hiệu để điều khiển xe lăn điện. Vậy ta cần giữ lại Raw wave để xử lý, cịn các tín hiệu khác ta loại bỏ.
54
Xử lý dữ liệu sóng thô được thực hiện trên phần mềm Matlab.
3.1.4.3 Trích xuất đặc trưng
Tín hiệu sóng thơ EEG “cử chỉ hành động mở mắt” thu trong một giây, tần số lấy mẫu 512hz như hình 3.2a.
Sau khi lọc tín hiệu EEG sử dụng phương pháp FFT, kết quả thu được là năng lượng phổ phân bố theo tần số như hình 3.2b.
Như vậy, ta tập trung vào phân tích và trích xuất đặc trưng cả trong miền thời gian và miền tần số. Việc phân tích lực chọn đặc trưng thích hợp để huấn luyện mạng ANN giảm đáng kể số lượng đầu vào mạng ANN, đồng thời không làm giảm nhiều lượng thông tin chứa trong dữ liệu.
Đặc trưng cử chỉ hành động “mở mắt”:
Cử chỉ hành đợng “mở mắt” là trạng thái bình thường (hoạt đợng nền) nên khơng có đặc trưng nổi trội. Ta dùng đặc trưng hoạt động nền này để so với đặc trưng các cử chỉ hành đợng khác. Hình 3.2 thể hiện tín hiệu sóng thơ trong miền thời gian và trong miền tần số của tín hiệu cử chỉ hành đợng “mở mắt”.
(a) (b)
Hình 3.2 Tín hiệu cử chỉ hành đợng “mở mắt” (a) Miền thời gian, (b) Miền tần số
55 Đặc trưng cử chỉ hành đợng “nhắm mắt”:
Sau khi phân tích nhiều mẫu tín hiệu, nhận thấy đặc trưng “nhắm mắt” khác biệt so với đặc trưng “mở mắt” thể hiện ở dãy tần số Alpha (8-13hz), cụ thể khác nhiều ở tần số 9-11hz như hình 3.3
(a) (b)
Hình 3.3 Tín hiệu “mở mắt” và “nhắm mắt” miền tần số 9-11hz (a) “mở mắt”, (b) “nhắm mắt” (a) “mở mắt”, (b) “nhắm mắt”
Tại tần số 9-11hz, ta trích xuất được 2 đặc trưng cho tín hiệu cử chỉ “nhắm mắt” là: biên đợ max và biên đợ trung bình của dãy tần số 9-11hz
Bảng 3.2 So sánh đặc trưng của tín hiệu “mở mắt” và “nhắm mắt”
Cử chỉ hành động Max f(9-11hz) Trung bình f(9-11hz)
Mở mắt 2,70 2,17
Mở mắt 14,09 9,80
Nhận xét: Ở cử chỉ hành động “nhắm mắt”, ta phân tích được 2 đặc trưng là: Max f(9-11hz) và trung bình f(9-11hz).
Đặc trưng cử chỉ hành đợng “chớp mắt 1 lần/giây”:
Tín hiệu “chớp mắt 1 lần/giây” thể hiện rất rõ ở tần số thấp từ 1-7hz trong miền tần số và cũng thể hiện rất rõ trong miền thời gian.
56 Trong miền tần số 1-7hz như hình 3.4
(a) (b)
Hình 3.4 Tín hiệu “mở mắt” và “chớp mắt 1 lần/giây” miền tần số 1-7hz (a) “mở mắt”, (b) “chớp mắt 1 lần/giây” (a) “mở mắt”, (b) “chớp mắt 1 lần/giây”
Khi phân tích cử chỉ hành đợng “chớp mắt 1 lần/giây” ở dãy tần số 1-7hz, nhận thấy biên độ Max f(1-7hz) và trung bình f(1-7hz) lớn hơn nhiều so với tín hiệu “mở mắt”, tần số fmax thường trong khoảng 2-4hz. Tín hiệu “chớp mắt 1 lần/giây” cũng nhìn thấy rất rõ trong miền thời gian như hình 3.5
(a) (b)
Hình 3.5 Tín hiệu “mở mắt” và “chớp mắt 1 lần/giây” miền thời gian (a) “mở mắt”, (b) “chớp mắt 1 lần/giây” (a) “mở mắt”, (b) “chớp mắt 1 lần/giây”
57
Bảng 3.3 So sánh đặc trưng của tín hiệu “mở mắt” và “chớp mắt 1 lần/giây”
Cử chỉ hành động Max f(1-7hz) Trung bình f(1-7hz) fmax
Mở mắt 42,65 10,27 1hz
Chớp mắt 1 lần/giây 72,54 44,23 3hz
Nhận xét: Ở cử chỉ hành động “chớp mắt 1 lần/giây”, ta phân tích được 3 đặc trưng là: Max f(1-7hz), trung bình f(1-7hz) và fmax.
Đặc trưng cử chỉ hành đợng “chớp mắt >1 lần/giây”:
Tín hiệu “chớp mắt >1 lần/giây” cũng thể hiện rất rõ ở tần số thấp từ 1-7hz trong miền tần số và cũng thể hiện rất rõ trong miền thời gian.
Trong miền tần số 1-7hz như hình 3.6
(a) (b)
Hình 3.6 Tín hiệu “mở mắt” và “chớp mắt >1 lần/giây” miền tần số 1-7hz (a) “mở mắt”, (b) “chớp mắt >1 lần/giây” (a) “mở mắt”, (b) “chớp mắt >1 lần/giây”
Khi phân tích cử chỉ hành đợng “chớp mắt >1 lần/giây” ở dãy tần số 1-7hz, nhận thấy biên đợ Max f(1-7hz) và trung bình f(1-7hz) lớn hơn nhiều so với tín hiệu “mở mắt”, tần số fmax thường trong khoảng 5-7hz
Để phân tích đặc trưng tín hiệu “chớp mắt” phong phú hơn, ta phân tích thêm đặc trưng tín hiệu “chớp mắt” trong miền thời gian.
58
Tín hiệu “chớp mắt >1 lần/giây” trong miền thời gian như hình 3.7
(a) (b)
Hình 3.7 Tín hiệu “mở mắt” và “chớp mắt >1 lần/giây” miền thời gian (a) “mở mắt”, (b) “chớp mắt >1 lần/giây” (a) “mở mắt”, (b) “chớp mắt >1 lần/giây”
Phân tích hình 3.7, nhận thấy: có thể phân tích thêm đặc trưng cho tín hiệu “chớp mắt” ở miền thời gian như: biên độ Max, Min và Average; để đặc trưng thêm phong phú, dễ nhận dạng.
Bảng 3.4 So sánh đặc trưng của tín hiệu “mở mắt”, “chớp mắt 1 lần/giây” và “chớp mắt >1 lần/giây”
Cử chỉ hành động
Miền tần số f(1-7hz) Miền thời gian (biên độ) Max Average fmax Max Min Average
Mở mắt 42,65 10,27 1hz 106,00 -13,00 42,65 Chớp mắt 1 lần/giây 72,54 44,23 3hz 440,00 -280,00 44,39 Chớp mắt >1 lần/giây 264,98 64,62 6hz 551,00 -297,00 47,51
Nhận xét: Ở cử chỉ hành động “chớp mắt >1 lần/giây”, ta phân tích thêm được 3 đặc trưng trong miền thời gian nữa là: biên đợ Max, biên đợ Min, biên đợ trung bình.
59 Đặc trưng cử chỉ hành đợng “nhìn lên”:
Tín hiệu “nhìn lên” phân tích trong miền tần số thì khơng thấy sự thay đổi rõ ràng, tín hiệu gần giống với tín hiệu “mở mắt”. Ở tín hiệu “nhìn lên” này, ta phân tích trong miền thời gian như hình 3.8
Phân tích hình 3.8, nhận thấy: biên độ tập trung ở dãy tần số >30hz của tín hiệu “nhìn lên” lớn hơn nhiều so với tín hiệu “mở mắt”. Ở đặc trưng của tín hiệu “nhìn lên” này, ta dùng bợ lọc highpass filter để loại bỏ tín hiệu có tần số >30hz. Sau khi lọc xong, ta tính tổng trung bình bình phương của tín hiệu; đây là đặc trưng của tín hiệu “nhìn lên”.
(a) (b)
Hình 3.8 Tín hiệu “mở mắt” và “nhìn lên” miền thời gian (a) “mở mắt”, (b) “nhìn lên” (a) “mở mắt”, (b) “nhìn lên”
Bảng 3.5 So sánh đặc trưng của tín hiệu “mở mắt” và “nhìn lên”
Cử chỉ hành động RMS
Mở mắt 141,96
Nhìn lên 1817,51
Nhận xét: Ở cử chỉ hành đợng “nhìn lên”, ta phân tích thêm 1 đặc trưng trong miền thời gian là: tổng trung bình bình phương của tín hiệu >30hz
60
Kết luận: Trong phần trích xuất đặc trưng, ta phân tích cả trong miền thời gian và miền tần số để tìm được 9 đặc trưng cho 5 tín hiệu cử chỉ hành động: “mở mắt”, “nhắm mắt”, “chớp mắt 1 lần/giây”, “chớp mắt >1 lần/giây” và “nhìn lên”. 9 đặc trưng này được đưa đến ngõ vào của mạng nơ rơn ANN để phân loại thành 5 tín hiệu điều khiển cho xe lăn điện.
Bảng 3.6 So sánh 9 đặc trưng của 5 tín hiệu cử chỉ hành đợng “mở mắt”, “nhắm mắt”, “chớp mắt 1 lần/giây”, “chớp mắt >1 lần/giây” và “nhìn lên”.
STT Đặc trưng Mở mắt Nhắm mắt Chớp mắt 1 lần/giây Chớp mắt >1 lần/giây Nhìn lên I Miền tần số 1 Max f(9-11hz) 2,70 14,09 19,74 86,62 10,61 2 Average f(9-11hz) 2,18 9,81 16,65 60,15 7,62 3 Max f(1-7hz) 42,65 49,07 72,54 264,98 49,81 4 Average f(1-7hz) 10,27 12,01 44,23 64,62 15,78 5 Max (hz) f(1-7hz) 1,00 1,00 3,00 6,00 1,00 II Miền thời gian 6 Max 106,00 155,00 440,00 551,00 182,00 7 Min -13,00 -50,00 -280,00 -297,00 -162,00 8 Average 42,65 49,07 44,39 47,51 49,81 9 RMS 141,96 685,44 177,08 218,70 1817,51