本科毕业论文(设计)调研报告题 目 基于二维图形的三维构造 学生姓名 张鹏宇 指导教师 张昊 学 院 信息科学与工程学院 专业班级 电子信息工程 完成时间 2016年1月 本科生院制 1 / 1摘要三维重建是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型,是在计算机环境下对其进行处理、操作和分析其性质的基础,也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。在计算机视觉中, 三维重建是指根据单视图或者多视图的图像重建三维信息的过程. 由于单视频的信息不完全,因此三维重建需要利用经验知识. 而多视图的三维重建(类似人的双目定位)相对比较容易, 其方法是先对摄像机进行标定, 即计算出摄像机的图象坐标系与世界坐标系的关系.然后利用多个二维图象中的信息重建出三维信息。关键词：计算机图形学目录前言1第一章 脑电波概述21.1情绪的生理基础21.2脑电的基本概念31.3脑电信号的特点31.4基于脑电波的人体情绪分析的意义4第二章 设计中涉及的方法52.1情绪诱发方法保证获得所需的数据52.2脑电的采集和预处理数据采集62.3非参数谱估计法分析数据72.2.1周期图法72.2.2平均周期图法72.2.3相关图法8第三章 基于脑电波的人体情绪分析的总体设计93.1前期准备工作93.2数据采集及预处理103.4 数据分析程序编写113.3数据分析123.4得出结论12第四章 目前存在问题134.1脑电信号的采集134.2真实环境对脑电信号的影响134.3个体差异性与共同模式13结论14参考文献15-2-基于脑电波的人体情绪分析前言情绪是多种感觉、思想和行为的综合产生的心理状态和行为状态，它包括人对外界或自身刺激的心理反应，也包括伴随这种心理反应的生理反应，而脑电波反映了人体脑神经细胞的活动。神经科学和认知科学的研究结果表明，情绪的产生于生理活动，特别是与大脑皮层的活动密切先关。在产品开发的过程中，若产品能做到通过脑电波了解到用户的情绪和喜好，并作出相应调整，就能增加其用户体验，更加人性化；若医院及其护理人员等通过病人的脑电波进行情绪分析，病人能得到更好的照料，有利于治疗。由此，可以看出基于脑电波的人体情绪分析相当重要，尤其是对于人-机交互接口模块起到了理论指导意义。对于情绪的研究已久，使用的方法也各不相同。近年来，随着脑电信号采集设备的应用和推广，信号处理和及其学习技术的快熟发展，以及计算机数据处理能力的大幅提高，基于脑电的人体情绪分析研究不但是神经-科学、心理学、认知科学、计算机科学和人工智能等领域的一项重要的交叉学科研究课题，而且已经成为神经工程和生物医学工程领域觉的热门课题。在本文将对课题调研的内容逐一介绍，在第一节就情绪、脑电波进行介绍，在第二节，介绍本设计会讨论应用到的方法，如诱导情绪的方法、用于分析数据的非参数谱估计法等；在第三节，将介绍本次毕业设计的总体思路；最后，我们会就本次设计存在的问题进行讨论。 第一章 脑电波概述1.1情绪的生理基础情绪最早的定义出现于美国心理学之父James于1884 年发表的文章，他认为情绪是人们对于自己身体所发生的变化的一种感觉，先有身体的变化才有情绪的感知，任何情绪的产生都一定伴随着身体上的某些变化，如面部表情，肌肉紧张，内脏活动等。1885 年丹麦生理学家Lange也提出了类似的观点。因此，后人把他们对情绪的研究统称为James-Lange 理论，也叫情绪的外周理论。James-Lange 理论肯定了人的生理因素与情绪之间的内在联系，但将情绪的产生只归结为外周生理的变化却带有片面性。1927 年Cannon 在论文中否定了James 的情绪理论，提出情绪的产生是由丘脑所决定的。认为当外界刺激传递到大脑皮层后，大脑皮层就会激活丘脑，并由此产生相应的不同情绪。Cannon 的同事Bard 也认为情绪的产生与丘脑有关，因此有人将他们的研究称为Cannon-Bard 理论。Cannon-Bard 理论肯定了丘脑在情绪产生过程中的重要作用，但完全否定了外周生理与情绪产生之间的关系，也失于片面。1937 年Papez 再次将情绪的产生与人的生理活动联系在一起，并提出了情绪产生的边缘系统机制，即Papez 环路( 如下图1所示)。图1情绪功能性解剖学的Papez 环路理论他认为，与情感刺激相关的感觉信息在传到丘脑后，会向感觉皮层( 思维流) 和下丘脑( 感觉流) 传播。Papez 提出从下丘脑到丘脑前核再到扣带皮层的连接。当扣带皮层整合从下丘脑传来的信号和从感觉皮层传来的信息时，便产生了情感体验或感觉。从扣带皮层到海马体再到下丘脑的输出产生了自上而下的情感反应皮质控制。在Papez 环路提出十几年后，心理学家Maclean 在其基础上又提出了内脏脑的概念。他认为内脏脑负责调解所有与情绪相关的器官，并通过下丘脑调解内脏和骨骼的相应反。Papez-Maclean 理论将前人对于情绪的研究结果统合在了一起，为后人对情绪的研究奠定了基础。尽管对情绪的定义至今尚未统一，还在进一步研究之中，但神经科学和认知科学的研究结果表明，情绪的产生与生理活动，特别是与大脑皮层的活动密切相关，这为通过研究大脑皮层的活动分析和识别人的情绪状态提供了理论依据。1.2脑电的基本概念脑电信号是通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性电活动。在这电现象伴随着生命的始终，一旦死亡，电现象就会随之消失。我们通常所说的脑电图是指头皮脑电图（electroencephalogram, EEG），它由大量的大脑皮层神经元突出后电位共同作用产生大脑神经活动的外部表现。按照脑电的产生方式，脑电分为自发脑电和诱发脑电。自发脑电时在没有外界刺激下，由神经元的自发活动产生，而诱发脑电时由外界刺激导致大脑皮层的某些区域产生规律的放电而产生。从频谱分析的角度来说，EEG可被分为五种节律活动：节律（0.14Hz）、节律（48Hz）、节律(813Hz)、节律（1330Hz）和节律（30100Hz）。信号的带宽为0.5100Hz，其幅值范围通常是10100V。1.3脑电信号的特点（1）脑电信号非常微弱，并且受到多种噪声的干扰。EEG的幅度为微伏(V)级，而肌电，眼电，心电都达到毫伏(mV)水平。一般的眨眼动作都会引入对脑电的干扰，因此脑电信噪比很低。脑电的采集和分析对放大器和滤波器的要求很高。（2）脑电信号是多维度，非线性，非平稳随机信号。脑电信号是同时采集于多个电极的时间序列信息，是个多维度信号，但是每个电极之间的信号可能存在冗余。脑电产于人脑这个非线性系统，因此更适合使用非线性方法进行分析。脑电是一个非平稳随机信号，它的统计特性随着时间不断变化，所以脑电分析一般需要分段，以便分段后的信号可以当作平稳信号进行处理。（3）脑电信号具有很高的时间分辨率，在研究脑电不同节律的功能时具有独特的优势。脑电的高时间分辨率弥补了功能性核磁共振的不足之处，因此它不仅被广泛应用于认知和神经科学的研究中，还应用在麻醉监护，测谎，人机交互等工程领域。1.4基于脑电波的人体情绪分析的意义随着神经科学和认知科学对情绪的深入研究和干电极技术的快速发展，基于脑电波的人体情绪分析将在不远的未来得到广泛的应用。目前脑-计算机接口已经涌现出了很多有效的应用，如基于运动想象的轮椅控制，基于脑电的情绪分析可以在现有脑-计算机接口技术的基础上，进一步满足残疾人的某些更高级的需求，如对于患有特定疾病的残疾人，可以通过脑电分析出其对事物的喜好度，比如餐食的选择、电视节目的选择和音乐的选择等，从而设计出更加友善和更加智能的脑-计算机接口，达到更好的护理效果，提高残疾人的生活质量；对于高速铁路和长途汽车司机来说，当司机处于紧张，兴奋，愤怒或焦躁等情绪时，发生事故的几率会明显上升。倘若利用脑电实时监控司机的情绪状态，并在司机出现不良情绪时发出警报，那么就可以在一定程度上避免或减少事故的发生；在战场上，通过在士兵头盔中布设电极，开发出可以实时监测士兵工作压力的可移动系统，从而指挥官可以通过该系统更好地了解士兵的状态，更合理地分配士兵的任务；在远程教育，通过基于脑电的情绪分析，教师可以远程实时地了解学生的精神状态，并根据学生的状态，适当的调整授课难度，以增强教育的人性化，使计算机作为媒介进行学习的功能达到最佳化。在各种人-机交互系统里，如果系统能通过脑电波分析出人的情绪状态，人与机器的交互就会变得更加友好和自然。第二章 设计中涉及的方法在本设计中，无论在采集数据，还是在分析数据时，都要应用到一些方法。下面分别介绍在采集数据、分析数据应用到的一些方法。2.1情绪诱发方法保证获得所需的数据 情绪研究的重要前提条件之一是诱发情绪。在采集不同情绪的脑电波时，必须确保所采集的数据仅对应某一种情绪（兴奋或平静），因此被测试者在采集数据期间保持该情绪，诱发被测试者的情绪十分重要。在实验条件下，情绪的诱发方法可以概括为以下三种:第一，在自由心理状态下产生情绪，由被测试者自身激活情绪，实验者无需提供任何情绪刺激。例如在催眠状态下，被测试者通过想象某种情绪从而产生该情绪。第二，在心理引导状态下产生情绪。被测试者先被给予某种情绪暗示的指导语，再被提供情绪刺激。或者不给予暗示指导语，只提供情绪刺激材料，如电影，图片或音乐。或者模拟某种生活场景，给予被试积极或消极的反馈来诱发情绪。第三，通过改变生理状态诱发情绪。使用药物，如肾上腺素，可以引导出某种情绪。第四，被测试者保持情绪平静，先进行数据测量；随后被测试者进行深呼吸，使大脑皮层兴奋。在上述情绪诱发方法，第一种方法对于实验人员要求过高，第三种方法存在安全隐患，第三种方法会由于个体差异而难以实现目的。其中第四种方法比较容易实现目的，而且能保证被测试者的安全。2.2脑电的采集和预处理数据采集 如下图所示，EEG的采集系统分为三部分。图2 数据采集与分析系统框图采用专用的电极从头皮可以采集到微弱的脑电信号。EEG的电极实际上是一种电压传感器，通过它来记录头皮上的电位变化。由于脑电信号十分微弱，获取后必须通过放大器、滤波器和模/数转换后才能转换成计算机识别的脑电信号。经过放大的信号还必须经过滤波器的处理，滤波的目的在于对该信号作数字处理前尽可能降低噪声背景对信号的污染，改善信噪比，保留原信号的真实性。除此之外，信号预处理还需要放置模/数变换后产生频率混叠，小初基线漂移及趋势项，滤除非研究电生理信号产生的伪迹。由可兴奋细胞组成的组织、器官在兴奋状态下都可以产生生理信号。而在脑电测试过程中，不可能停止这些组织和器官的生理活动，因此眨眼、眼动、舌动、心跳、呼吸、肌肉运动和汗腺兴奋等，就成了体内的干扰源（又称伪迹）。在研究中，所要去除的伪迹主要包括眼电、肌电、心电、工频干扰、电磁干扰和任务不相关的脑电等。一般弃用有伪迹（主要是眼动伪迹）的数据段，或者通过预处理方法去除脑电中的眼动伪迹。伪迹去除方法包括：伪迹减法、主成分分析、独立成分分析等。伪迹减法的基本假设是测量