KR102594818B1 - Eigenface Electro-Encephalographic signal classification method using covariance de-centering and EEG signal classification device using the same - Google Patents
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Abstract
공분산 디센터링을 이용한 아이겐 페이스 뇌파 신호 분류방법은 각각의 채널의 뇌파 신호 중 소정의 주파수 대역에 해당하는 뇌파 신호를 각각 추출한 후, 각 채널방향에 대해 데이터 화이트닝을 적용하여 각 뇌파 채널 데이터를 독립적인 데이터로 변환하는 단계와, 각 채널방향에 대해 데이터 화이트닝이 적용된 각 뇌파 채널 데이터를 이용하여 복수의 뇌파 영상 데이터를 생성하는 단계와, 복수의 뇌파 영상 데이터에서 아이겐 페이스를 추출함에 있어서, 공분산 행렬을 통해 디센터링 과정을 통해 상기 아이겐 페이스를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The Eigenface EEG signal classification method using covariance decentering extracts each EEG signal corresponding to a predetermined frequency band among the EEG signals of each channel, then applies data whitening to each channel direction to separate each EEG channel data into independent Converting to data, generating a plurality of EEG image data using each EEG channel data to which data whitening is applied for each channel direction, and extracting the Eigen phase from the plurality of EEG image data, a covariance matrix It is characterized in that it includes the step of extracting the Eigen face through a decentering process.
Description
본 발명은 BCI(Brain Computer Interface)에서 뇌파 신호를 분류하는 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 공분산 디센터링을 이용한 아이겐 페이스 뇌파 신호 분류방법 및 이를 이용한 뇌파 신호 분류장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for classifying brain wave signals in a BCI (Brain Computer Interface), and more specifically, to an Eigenface brain wave signal classification method using covariance decentering and an brain wave signal classification device using the same.
도 1은 BCI(Brain-Computer Interface) 시스템의 개념도이다.Figure 1 is a conceptual diagram of a Brain-Computer Interface (BCI) system.
도 1을 참조하면, 뇌는 인간의 중추신경계를 관장하는 장기로 생각과 기억 뿐 아니라 사람의 신체 움직임을 관장한다. 일반적으로 신체의 움직임에 대한 신호는 손과 같이 움직임을 담당하는 말단 기관의 근육을 통해 얻을 수 있다. 이 때, 뇌 또한 움직임을 명령하기 위해 활동하며, 뇌의 뉴런들이 활동할 때 발생하는 전기적 신호를 기록한 것을 뇌파 혹은 뇌전도(Electroencephalogram, EEG)라고 한다. 이러한 뇌파를 이용해 운동을 담당하는 말초 신경계를 거치지 않고 기계 조작 등 외부장치를 이용하는 기술을 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI)라고 한다.Referring to Figure 1, the brain is an organ that controls the human central nervous system and controls not only thoughts and memories, but also human body movements. In general, signals about body movement can be obtained through the muscles of end organs responsible for movement, such as the hand. At this time, the brain is also active to command movement, and the recording of the electrical signals that occur when the neurons in the brain are active is called an electroencephalogram (EEG) or electroencephalogram (EEG). The technology that uses these brain waves to use external devices, such as mechanical manipulation, without going through the peripheral nervous system, which is responsible for movement, is called Brain-Computer Interface (BCI).
동작 상상 분류(Motor Imagery Classification)는 BCI 시스템 구현을 위한 주요 연구 분야 중 하나로, 뇌파를 분석하여 움직이고자 상상한 신체 부위를 찾아내는 과정이다. 이에 따라, 동작 상상 뇌파 신호의 분류를 위한 특징 추출 방법에 대하여 다양한 방법들이 연구되고 있다. 공통 공간 패턴(Common Spatial Pattern, CSP)은 EEG 신호 분류를 위한 대표적인 방법으로, 서로 다른 두 클래스 간의 분산 차이를 극대화시키는 공간 필터를 적용하는 방법이다. Lotte 등은 CSP를 이용해 뇌파의 동작 상상 분류가 가능함을 보였으나, 특정 피험자에 대해 우수한 성능을 보이지 못하는 경우가 있었다. 또한, 양연모 등은 Eigenface를 이용한 뇌파 분석 방법은 뇌파를 하나의 영상으로서 해석하여, 뇌파를 분류할 수 있음을 보였다. 이 방법은 채널을 중심으로 높은 정확도를 보였으나, 각 시도(트라이얼)를 중심으로 해석할 경우 낮은 정확도를 보였다.Motor Imagery Classification is one of the major research areas for implementing BCI systems. It is the process of analyzing brain waves to find the body part imagined to move. Accordingly, various methods are being studied for feature extraction methods for classifying motion imagination EEG signals. Common Spatial Pattern (CSP) is a representative method for EEG signal classification, and is a method of applying a spatial filter that maximizes the variance difference between two different classes. Lotte et al. showed that it was possible to classify brainwave motion imagination using CSP, but there were cases where excellent performance was not shown for certain subjects. In addition, Yeonmo Yang et al. showed that the EEG analysis method using Eigenface can classify EEG by interpreting EEG as a single image. This method showed high accuracy centered on the channel, but showed low accuracy when analyzed centered on each attempt (trial).
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 데이터 화이트닝 및 공분산 디센터링을 이용하여 분류성능을 향상시킨 아이겐 페이스 뇌파 신호 분류방법 및 뇌파 신호 분류장치를 제공한다.The present invention was proposed to solve the above technical problems, and provides an Eigenface EEG signal classification method and EEG signal classification device that improve classification performance using data whitening and covariance decentering.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 각각의 채널의 뇌파 신호 중 소정의 주파수 대역에 해당하는 뇌파 신호를 각각 추출한 후, 각 채널방향에 대해 데이터 화이트닝을 적용하여 각 뇌파 채널 데이터를 독립적인 데이터로 변환하는 단계와, 각 채널방향에 대해 데이터 화이트닝이 적용된 각 뇌파 채널 데이터를 이용하여 복수의 뇌파 이미지를 생성하는 단계와, 상기 복수의 뇌파 이미지에서 아이겐 페이스를 추출함에 있어서, 공분산 행렬을 통해 디센터링 과정을 통해 상기 아이겐 페이스를 추출하는 단계를 포함하는 공분산 디센터링을 이용한 아이겐 페이스 뇌파 신호 분류방법이 제공된다.According to an embodiment of the present invention to solve the above problem, after extracting the EEG signals corresponding to a predetermined frequency band among the EEG signals of each channel, data whitening is applied to each channel direction to obtain data from each EEG channel. Converting into independent data, generating a plurality of EEG images using each EEG channel data to which data whitening is applied for each channel direction, and extracting the Eigen phase from the plurality of EEG images, covariance A method of classifying Eigen face EEG signals using covariance decentering is provided, which includes extracting the Eigen face through a decentering process using a matrix.
또한, 본 발명에서 아이겐 페이스를 추출하는 단계는, 그람-슈미트 정규직교화 과정을 거친 후 아이겐 페이스를 추출하는 것과 분류하고자 하는 데이터의 복잡도 혹은 분류할 클래스 수 등에 따라 추출된 아이겐 페이스 중 일부 혹은 전체를 선택적으로 사용할 수 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the step of extracting the Eigen face in the present invention involves extracting the Eigen face after going through the Gram-Schmidt orthonormalization process and extracting some or all of the extracted Eigen face depending on the complexity of the data to be classified or the number of classes to be classified. It is characterized by being able to be used selectively.
또한, 본 발명에서 아이겐 페이스를 이용하여 뇌파 데이터의 특징을 산출하고 뇌파 데이터의 특징(Feature)을 이용하여 합성곱 신경망 (Convolutional Neural Network, CNN)으로 머신 러닝을 수행한 결과에 따라 뇌파 신호를 분류하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 아이겐 페이스를 이용하여 산출된 뇌파 데이터의 특징은 어떠한 값(Value) 혹은 영상(Image)일 수 있으며, 사용자가 선택한 특징의 형태에 따라 뇌파 신호를 분류하는 단계는 CNN외에도 선형판별분석(Linear Discriminant Analysis, LDA) 혹은 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM) 등의 머신 러닝 방식을 수행하여도 무방하다.In addition, in the present invention, the features of the EEG data are calculated using the Eigen pace, and the EEG signals are classified according to the results of performing machine learning with a convolutional neural network (CNN) using the features of the EEG data. It is characterized in that it further includes the step of: At this time, the feature of the EEG data calculated using Eigenface can be any value or image, and the step of classifying the EEG signal according to the type of feature selected by the user is not only CNN, but also linear discriminant analysis (Linear Discriminant Analysis). You may perform machine learning methods such as Linear Discriminant Analysis (LDA) or Support Vector Machine (SVM).
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 사용자의 두피에 접촉된 복수의 전극 채널을 통해 측정된 뇌파 신호를 수신하는 뇌파 신호 수신부와, 각각의 채널의 상기 뇌파 신호 중 소정의 주파수 대역에 해당하는 뇌파 신호를 각각 필터링하는 전처리부와, 상기 전처리부에서 출력된 뇌파 신호를 각 채널 방향에 대해 데이터 화이트닝을 적용하여 각 뇌파 채널 데이터를 독립적인 데이터로 변환하고, 각 채널방향에 대해 데이터 화이트닝이 적용된 각 뇌파 채널 데이터를 이용하여 복수의 뇌파 이미지를 생성하고, 상기 복수의 뇌파 이미지에서 아이겐 페이스를 추출할 때 공분산 행렬을 통해 디센터링 과정을 통해 상기 아이겐 페이스를 추출하는 신호 처리부를 포함하는 뇌파 신호 분류장치가 제공된다. In addition, according to another embodiment of the present invention, an EEG signal receiver that receives EEG signals measured through a plurality of electrode channels in contact with the user's scalp, and a EEG signal corresponding to a predetermined frequency band among the EEG signals of each channel A preprocessor that filters each EEG signal, applies data whitening to each channel direction on the EEG signal output from the preprocessor, converts each EEG channel data into independent data, and data whitening is applied to each channel direction. EEG signal classification comprising a signal processing unit that generates a plurality of EEG images using each EEG channel data, and extracts the Eigen phase through a decentering process using a covariance matrix when extracting the Eigen phase from the plurality of EEG images. A device is provided.
또한, 본 발명에 포함되는 신호 처리부는, 그람-슈미트 정규직교화 과정을 거친 후 아이겐 페이스를 추출하는 것과 분류하고자 하는 데이터의 복잡도 혹은 분류할 클래스 수 등에 따라 추출된 아이겐 페이스 중 일부 혹은 전체를 선택적으로 사용할 수 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the signal processing unit included in the present invention extracts the Eigen faces after going through the Gram-Schmidt orthonormalization process and selectively selects some or all of the extracted Eigen faces according to the complexity of the data to be classified or the number of classes to be classified. It is characterized by being usable.
또한, 본 발명에 포함되는 신호 처리부는, 일부 혹은 전체 아이겐 페이스와 복수의 뇌파 이미지 데이터를 이용하여 수치(Value), 영상(Image) 형태의 특징을 산출하고 뇌파 데이터의 특징을 이용하여 합성곱 신경망 (Convolutional Neural Network, CNN), 선형판별분석(Linear Disciminant Analysis, LDA), 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM) 등의 방법으로 머신 러닝을 수행한 결과에 따라 뇌파 신호를 분류하는 것을 특징으로 한다.In addition, the signal processing unit included in the present invention calculates features in the form of values and images using some or all of the Eigen face and a plurality of EEG image data and uses the features of the EEG data to create a convolutional neural network. It is characterized by classifying EEG signals according to the results of machine learning using methods such as (Convolutional Neural Network, CNN), Linear Disciminant Analysis (LDA), and Support Vector Machine (SVM). .
본 발명의 실시예에 따른 뇌파 신호 분류방법 및 이를 이용한 뇌파 신호 분류장치는, 데이터 화이트닝 및 공분산 디센터링을 이용하여 뇌파 신호의 분류성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 제안하는 방법은 뇌파 신호에 데이터 화이트닝을 적용한 후 아이겐 페이스 특징 추출 과정에서 공분산 행렬을 디센터링 하는 과정을 거친 후 특징을 추출한다. 결과적으로 공분산 디센터링을 적용한 아이겐 페이스 뇌파 분석 방법은 각 시도(트라이얼)에 대해서 높은 정확도를 보이며 안정된 인식률을 보여준다.The EEG signal classification method and EEG signal classification device using the same according to an embodiment of the present invention can improve the classification performance of EEG signals by using data whitening and covariance decentering. In other words, the proposed method applies data whitening to the EEG signal and then extracts the features after going through the process of decentering the covariance matrix in the Eigen face feature extraction process. As a result, the Eigenface EEG analysis method using covariance decentering shows high accuracy for each trial and a stable recognition rate.
도 1은 BCI(Brain-Computer Interface) 시스템의 개념도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 뇌파 신호 분류장치의 구성도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공분산 디센터링을 이용한 아이겐 페이스 뇌파 신호 분류방법의 과정을 나타낸 도면
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 공분산 디센터링을 이용한 아이겐 페이스 뇌파 신호 분류방법의 과정을 나타낸 다른 도면
도 4는 화이트닝 효과를 나타낸 도면
도 4a는 왼쪽 손 데이터에 대한 화이트닝 효과를 나타낸 도면
도 4b는 오른쪽 손 데이터에 대한 화이트닝 효과를 나타낸 도면
도 4c는 왼쪽 손 및 오른쪽 손 데이터에 대한 화이트닝에 따른 공분산 비교도
도 5는 개선된 방식의 공분산 행렬의 변화를 나타낸 제1 도면이다.
도 5a는 개선된 방식의 공분산 행렬의 변화를 나타낸 제2 도면이다.
도 5b는 채널 데이터 화이트닝을 수행하지 않은 경우의 공분산 행렬의 변화를 나타낸 결과를 나타낸 도면이고,
도 5c는 채널 데이터 화이트닝을 수행한 제안된 방식의 공분산 행렬의 변화를 나타낸 도면
도 6은 도 5b의 공분산 행렬의 변화를 확대한 도면
도 7은 종래의 아이겐 페이스 뇌파 분석(Eigenface analysis for brain signal, EFA)과 제안된 방식의 결과를 나타낸 도면
도 8은 종래의 아이겐 페이스 뇌파 분석(Eigenface analysis for brain signal, EFA)의 재구성된 이미지와 제안된 방식으로 재구성된 이미지를 나타낸 결과Figure 1 is a conceptual diagram of a BCI (Brain-Computer Interface) system.
Figure 2 is a configuration diagram of an EEG signal classification device according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram showing the process of the Eigenface EEG signal classification method using covariance decentering according to an embodiment of the present invention.
Figure 3a is another diagram showing the process of the Eigenface EEG signal classification method using covariance decentering according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram showing the whitening effect
Figure 4a is a diagram showing the whitening effect on left hand data
Figure 4b is a diagram showing the whitening effect on right hand data
Figure 4c is a covariance comparison diagram according to whitening for left-hand and right-hand data.
Figure 5 is a first diagram showing the change in the covariance matrix of the improved method.
Figure 5a is a second diagram showing the change in the covariance matrix of the improved method.
Figure 5b is a diagram showing the results showing the change in the covariance matrix when channel data whitening is not performed;
Figure 5c is a diagram showing the change in covariance matrix of the proposed method performing channel data whitening.
Figure 6 is an enlarged view of the change in the covariance matrix of Figure 5b
Figure 7 is a diagram showing the results of conventional Eigenface analysis for brain signal (EFA) and the proposed method.
Figure 8 shows the results showing the reconstructed image of the conventional Eigenface analysis for brain signal (EFA) and the image reconstructed by the proposed method.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, in order to explain the present invention in detail so that a person skilled in the art can easily implement the technical idea of the present invention, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 뇌파 신호 분류장치의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공분산 디센터링을 이용한 아이겐 페이스 뇌파 신호 분류방법의 과정을 나타낸 도면이고, 도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 공분산 디센터링을 이용한 아이겐 페이스 뇌파 신호 분류방법의 과정을 나타낸 다른 도면이다.FIG. 2 is a configuration diagram of an EEG signal classification device according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a diagram showing the process of the Eigenface EEG signal classification method using covariance decentering according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3A is This is another diagram showing the process of the Eigen-Pace EEG signal classification method using covariance decentering according to an embodiment of the present invention.
본 실시예에 따른 뇌파 신호 분류장치는 제안하고자 하는 기술적인 사상을 명확하게 설명하기 위한 간략한 구성만을 포함하고 있다.The brain wave signal classification device according to this embodiment includes only a brief configuration to clearly explain the technical idea to be proposed.
도 2 내지 3a를 참조하면, 뇌파 신호 분류장치는 뇌파 신호 수신부(110), 전처리부(120) 및 신호 처리부(130)를 포함하여 구성된다.Referring to FIGS. 2 to 3A, the EEG signal classification device includes an EEG signal receiving unit 110, a preprocessing unit 120, and a signal processing unit 130.
상기와 같이 구성되는 뇌파 신호 분류장치의 주요동작을 살펴보면 다음과 같다.The main operations of the brain wave signal classification device configured as above are as follows.
뇌파 신호 수신부(110)는 사용자의 두피에 접촉된 복수의 전극 채널을 통해 측정된 뇌파 신호를 수신한다.The brain wave signal receiver 110 receives brain wave signals measured through a plurality of electrode channels in contact with the user's scalp.
뇌파 신호 수신부(110)는 뇌파 신호 측정 장비를 사용하여 사용자의 뇌파 신호를 획득한다. 즉, 뇌파 신호 측정 장비는, 복수개의 채널로부터 뇌파 신호를 측정하여 뇌파 신호 수신부(110)에 제공하며, 뇌파 신호 수신부(110)는 뇌파 신호 측정 장비로부터 측정된 뇌파를 기초로 뇌파 신호를 획득할 수 있다. 뇌파 신호 측정 장비는 최소 1초에 128개 이상의 뇌파 신호를 추출할 수 있는 장비가 사용되는 것이 바람직하다.The brain wave signal receiver 110 acquires the user's brain wave signal using brain wave signal measuring equipment. That is, the EEG signal measurement equipment measures EEG signals from a plurality of channels and provides them to the EEG signal receiver 110, and the EEG signal receiver 110 acquires EEG signals based on the EEG measured from the EEG signal measurement equipment. You can. It is desirable that the EEG signal measurement equipment be used to extract at least 128 EEG signals per second.
전처리부(120)는 각각의 채널의 뇌파 신호 중 소정의 주파수 대역에 해당하는 뇌파 신호를 각각 필터링한다.The preprocessor 120 filters the EEG signals corresponding to a predetermined frequency band among the EEG signals of each channel.
전처리부(120)는 뇌파 신호 수신부(110)로부터 뇌파 신호가 전달되면, 기본적으로 뇌파 신호 중 소정의 주파수 대역에 해당하는 뇌파 신호를 필터링한다. When the EEG signal is transmitted from the EEG signal receiver 110, the preprocessor 120 basically filters the EEG signal corresponding to a predetermined frequency band among the EEG signals.
본 실시예에서 전처리부(120)는 뇌파 신호(EEG)를 250Hz로 샘플링하고 50Hz 노치 필터와 0.5Hz와 100Hz 사이에서 필터링된 대역 통과를 적용되는데, 이는 실시예에 따라 변경될 수 있다. 이때, 전처리부(120)는 데이터 세트를 7Hz ~ 30Hz 사이의 5차 버터 워스 필터를 사용하여 필터링할 수도 있다. 이 주파수 대역에는 운동 상상과 관련된 Mu 파 및 베타파가 포함되어 있기 때문이다.In this embodiment, the preprocessor 120 samples the electroencephalographic signal (EEG) at 250Hz and applies a 50Hz notch filter and a bandpass filtered between 0.5Hz and 100Hz, which may vary depending on the embodiment. At this time, the preprocessor 120 may filter the data set using a 5th order Butterworth filter between 7Hz and 30Hz. This is because this frequency band contains Mu waves and beta waves, which are associated with motor imagination.
신호 처리부(130)는 전처리부에서 출력된 뇌파 신호를 각 채널방향에 대해 데이터 화이트닝을 적용하여 각 뇌파 채널 데이터를 독립적인 데이터로 변환하고, 각 채널방향에 대해 데이터 화이트닝이 적용된 각 뇌파 채널 데이터를 이용하여 복수의 뇌파 이미지를 생성하고, 복수의 뇌파 이미지에서 아이겐 페이스를 추출할 때 공분산 행렬을 통해 디센터링 과정을 통해 아이겐 페이스를 추출한다.The signal processing unit 130 applies data whitening to each channel direction of the EEG signal output from the preprocessor to convert each EEG channel data into independent data, and converts each EEG channel data to which data whitening has been applied for each channel direction. When generating multiple brain wave images and extracting the Eigen face from the multiple brain wave images, the Eigen face is extracted through a decentering process using a covariance matrix.
신호 처리부(130)는 뇌파 신호를 측정한 트라이얼 별 뇌파 신호, 뇌파 신호 측정 시 사용된 전극 채널 별 뇌파 신호 및 뇌파 측정 시간, 중 적어도 하나를 이용하여 뇌파 이미지를 구성한다. 이때, 트라이얼은 뇌파 신호를 측정한 횟수 - 특정 동작을 생각하는 시도횟수 - 를 의미한다. 예를 들어, 트라이얼이 6인 경우 뇌파 신호를 측정한 횟수가 6인 것이다.The signal processing unit 130 constructs an EEG image using at least one of the EEG signal for each trial in which the EEG signal was measured, the EEG signal for each electrode channel used when measuring the EEG signal, and the EEG measurement time. At this time, trial refers to the number of times the brain wave signal is measured - the number of attempts to think of a specific movement. For example, if the number of trials is 6, the number of times the brain wave signal was measured is 6.
이와 같이 신호 처리부(130)는 뇌파 신호를 측정한 트라이얼 별 뇌파 신호, 뇌파 신호 측정 시 사용된 전극 채널 별 뇌파 신호 및 뇌파 측정 시간을 이용하여 뇌파 이미지를 구성하는 경우 뇌파 이미지는 3차원 이미지로 생성될 수 있다.In this way, when the signal processing unit 130 constructs an EEG image using the EEG signal for each trial in which the EEG signal was measured, the EEG signal for each electrode channel used when measuring the EEG signal, and the EEG measurement time, the EEG image is generated as a three-dimensional image. It can be.
3차원 뇌파 신호의 비가공 데이터(Raw data)를 그대로 이용하는 경우 혹은 3차원 이미지를 아이겐 페이스로 이용하는 경우 아이겐 페이스에서 특징을 추출하는 과정이 복잡하다면 트라이얼, 뇌파 신호 측정 시 사용된 전극 채널 및 뇌파 측정 시간 중 어느 하나의 요소를 고정시키고 나머지 두 개의 요소를 이용하여 뇌파 이미지를 구성하여 2차원 뇌파 이미지를 생성할 수 있다.If the raw data of the 3D EEG signal is used as is or the 3D image is used as the Eigen face and the process of extracting features from the Eigen face is complicated, the electrode channel and EEG measurement used in the trial and EEG signal measurement A two-dimensional brain wave image can be created by fixing one element of time and constructing the brain wave image using the remaining two elements.
실시예에서 신호 처리부(130)는 트라이얼, 뇌파 신호 측정 시 사용된 전극 채널 및 뇌파 측정 시간 중 트라이얼을 고정시키고 뇌파 측정 시간에 따른 뇌파 신호 측정 시 사용된 전극 채널 별 뇌파 신호를 이용하여 2차원 뇌파 이미지를 생성한다. 이때, 2차원 뇌파 이미지는 트라이얼의 개수만큼 생성된다. In the embodiment, the signal processing unit 130 fixes the trial during the trial, the electrode channel used when measuring the EEG signal, and the EEG measurement time, and uses the EEG signal for each electrode channel used when measuring the EEG signal according to the EEG measurement time to generate a two-dimensional EEG. Create an image. At this time, two-dimensional brain wave images are generated as many as the number of trials.
예를 들어, O번의 뇌파 신호 측정 시 트라이얼 #1, 트라이얼 #2, …, 트라이얼 #O를 수신하며, 트라이얼 #1, 트라이얼 #2, …, 트라이얼 #O는 전극 채널 #1, 전극 채널 #2, …, 전극 채널 #L에 해당하는 뇌파 신호를 포함하는 경우, 뇌파 신호 측정 시 사용된 트라이얼 #1, 트라이얼 #2, …, 트라이얼 #O을 고정시키고, 뇌파 측정 시간에 따른 전극 채널 #1, 전극 채널 #2, …, 전극 채널 #L 별 뇌파 신호를 이용하여 2차원 뇌파 이미지를 생성하며, 2차원 뇌파 이미지는 트라이얼 개수 만큼 생성될 것이다. For example, when measuring brain wave signals in number O, trial #1, trial #2, … , receives trial #O, trial #1, trial #2, … , Trial #O is electrode channel #1, electrode channel #2, … , if it contains the EEG signal corresponding to electrode channel #L, Trial #1, Trial #2, etc. used when measuring the EEG signal. , fix trial #O, electrode channel #1, electrode channel #2, … according to the EEG measurement time. , A 2D EEG image is generated using the EEG signal for each electrode channel #L, and 2D EEG images will be generated as many as the number of trials.
다른 실시예에서 신호 처리부(130)는 트라이얼, 뇌파 신호 측정 시 사용된 전극 채널 및 시간 중 뇌파 신호 측정 시 사용된 전극 채널을 고정시키고 뇌파 측정 시간에 따른 트라이얼 별 뇌파 신호를 이용하여 2차원 뇌파 이미지를 생성한다. 이때, 2차원 뇌파 이미지는 뇌파 신호 측정 시 사용된 전극 채널의 개수만큼 생성된다. In another embodiment, the signal processing unit 130 fixes the electrode channel used in the trial, the electrode channel used in measuring the EEG signal, and the electrode channel used in measuring the EEG signal during the time, and creates a two-dimensional EEG image using the EEG signal for each trial according to the EEG measurement time. creates . At this time, two-dimensional EEG images are generated as many as the number of electrode channels used when measuring EEG signals.
예를 들어, O번의 뇌파 신호 측정 시 트라이얼 #1, 트라이얼 #2, …, 트라이얼 #O를 수신하며, 트라이얼 #1, 트라이얼 #2, …, 트라이얼 #O는 시간의 변화에 따라 전극 채널 #1, 전극 채널 #2, …, 전극 채널 #L에 해당하는 뇌파 신호를 포함하는 경우, 뇌파 신호 측정 시 사용된 전극 채널 #1, #2, …, #L 을 고정시키고, 뇌파 측정 시간에 따른 트라이얼 트라이얼 #1, 트라이얼 #2, …, 트라이얼 #O 별 뇌파 신호를 이용하여 2차원 뇌파 이미지를 생성하며, 2차원 뇌파 이미지는 사용된 전극 채널 전극 채널의 개수인 L개만큼 생성될 것이다. For example, when measuring brain wave signals in number O, trial #1, trial #2, … , receives trial #O, trial #1, trial #2, … , Trial #O is electrode channel #1, electrode channel #2, … according to the change in time. , If it contains EEG signals corresponding to electrode channel #L, electrode channels #1, #2, … used when measuring EEG signals. , #L is fixed, and trials according to the EEG measurement time: Trial #1, Trial #2, … , A 2D EEG image is generated using the EEG signal for each trial #O, and 2D EEG images will be generated as many as L, which is the number of electrode channels used.
이와 같이 신호 처리부(130)는 트라이얼, 뇌파 신호 측정 시 사용된 전극 채널 및 뇌파 측정 시간 중 어느 하나의 요소를 고정시키고 나머지 두 개의 요소를 이용하여 뇌파 이미지를 구성하여 2차원 뇌파 이미지를 생성함으로써 2차원 뇌파 이미지를 아이겐 페이스로 사용하여 아이겐 페이스에서 특징을 추출할 수 있다.In this way, the signal processing unit 130 fixes one element of the trial, the electrode channel used when measuring the EEG signal, and the EEG measurement time, and constructs the EEG image using the remaining two elements to generate a two-dimensional EEG image, thereby generating a two-dimensional EEG image. By using a dimensional EEG image as an Eigen face, features can be extracted from the Eigen face.
이때, 신호 처리부(130)는 복수의 뇌파 이미지를 아이겐 페이스 기술을 활용하여 아이겐 페이스 중 특정 아이겐 페이스를 추출한다. 신호 처리부(130)는 아이겐 페이스 중 아이겐 밸류가 임계 값 이상인 특정 아이겐 페이스를 추출할 수 있다.At this time, the signal processor 130 extracts a specific Eigen face from among the Eigen faces using Eigen face technology from a plurality of brain wave images. The signal processor 130 may extract a specific Eigen face whose Eigen value is greater than or equal to a threshold value.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공분산 디센터링을 이용한 아이겐 페이스 뇌파 신호 분류방법의 과정을 나타낸 도면이고, 도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 공분산 디센터링을 이용한 아이겐 페이스 뇌파 신호 분류방법의 과정을 나타낸 다른 도면이다.Figure 3 is a diagram showing the process of the Eigenface EEG signal classification method using covariance decentering according to an embodiment of the present invention, and Figure 3a is a diagram showing the process of the Eigenface EEG signal classification method using covariance decentering according to an embodiment of the present invention. This is another drawing showing the process.
도 3 및 도 3a를 참조하여 뇌파 신호 분류장치에서 처리되는 공분산 디센터링을 이용한 아이겐 페이스 뇌파 신호 분류방법에 대해서 설명하면 다음과 같다.Referring to FIGS. 3 and 3A, the Eigenface EEG signal classification method using covariance decentering processed in the EEG signal classification device will be described as follows.
뇌파 신호 분류장치는 뇌파 신호를 분석하여 움직이고자 상상한 신체 부위를 찾아내는 과정을 진행하기 위해,The brain wave signal classification device analyzes brain wave signals to proceed with the process of finding the body part imagined to move.
우선, 각각의 채널의 뇌파 신호 중 소정의 주파수 대역에 해당하는 뇌파 신호를 각각 추출하는 단계를 진행한다.First, a step is performed to extract the EEG signals corresponding to a predetermined frequency band among the EEG signals of each channel.
다음으로, 각 채널방향에 대해 데이터 화이트닝을 적용하여 각 뇌파 채널 데이터를 독립적인 데이터로 변환하는 단계를 진행한다. 데이터 화이트닝을 진행함으로서, 각 뇌파 채널 데이터는 서로 더 작은 상관관계와 단위분산을 갖게 된다.Next, data whitening is applied to each channel direction to convert each EEG channel data into independent data. By performing data whitening, each EEG channel data has smaller correlation and unit variance.
도 4는 화이트닝 효과를 나타낸 도면이고, 도 4a는 왼쪽 손 데이터에 대한 화이트닝 효과를 나타낸 도면이고, 도 4b는 오른쪽 손 데이터에 대한 화이트닝 효과를 나타낸 도면이고, 도 4c는 왼쪽 손 및 오른쪽 손 데이터에 대한 화이트닝에 따른 공분산 비교도이다.Figure 4 is a diagram showing the whitening effect, Figure 4A is a diagram showing the whitening effect on left hand data, Figure 4B is a diagram showing the whitening effect on right hand data, and Figure 4C is a diagram showing the whitening effect on left hand and right hand data. This is a comparison of covariance according to whitening.
도 4 내지 도 4c를 참조하면, 화이트닝 변환은 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA)을 적용하는 전처리 방식이다. 화이트닝 된 데이터는 회전하기 때문에 화이트닝을 “Sphering” 이라고 지칭하기도 한다. 화이트닝은 데이터가 서로 더 작은 상관관계와 단위분산을 갖도록 하며, 기본적으로 데이터 X의 화이트닝 계산은 하기와 같이 정의된다.Referring to FIGS. 4 to 4C, whitening transformation is a preprocessing method that applies principal component analysis (PCA). Because whitened data is rotated, whitening is sometimes referred to as “Sphering.” Whitening allows data to have smaller correlations and unit variances with each other, and basically, the whitening calculation of data X is defined as follows.
여기에서 Λ는 아이겐 벨류이고 P는 아이겐 벡터이다.Here, Λ is the eigenvalue and P is the eigenvector.
본 실시예에서 데이터 화이트닝은 M 시간, N 채널, L 트라이얼에 대해 하기와 같은 식을 통해 계산될 수 있다.In this embodiment, data whitening can be calculated using the following equation for M time, N channel, and L trial.
여기에서 IO 는 뇌파 신호 이다.Here, I O is the brain wave signal.
도 4a 및 도 4b와 같이 같은 방향 데이터(왼손 데이터 또는 오른손 데이터)임에도 채널간 상관성이 강하게 나타나는 부분이 서로 다르다. 즉, 채널 데이터간의 화이트닝을 적용하지 않으면, 데이터간의 공분산 행렬은 매우 다양하게 나타나게 된다. 따라서 화이트닝을 통해 채널 데이터간의 상관성을 지울 수 있으며, 공분산을 0으로 분산을 1로 만드는 과정을 진행한다. 즉, 화이트닝을 통해 각 채널 단위로 상관관계가 없게 서로 독립적으로 의존성을 줄이는 효과를 달성할 수 있다.As shown in FIGS. 4A and 4B, although the data is in the same direction (left-hand data or right-hand data), the parts where the correlation between channels is strong are different. In other words, if whitening between channel data is not applied, the covariance matrix between data appears very diverse. Therefore, the correlation between channel data can be erased through whitening, and the process of making the covariance to 0 and the variance to 1 is performed. In other words, through whitening, it is possible to achieve the effect of reducing dependency independently of each other so that each channel has no correlation.
다음으로, 각 채널방향에 대해 데이터 화이트닝이 적용된 각 뇌파 채널 데이터를 이용하여 복수의 뇌파 이미지를 생성하는 단계를 진행한다.Next, the step of generating a plurality of EEG images is performed using each EEG channel data to which data whitening has been applied for each channel direction.
다음으로, 복수의 뇌파 이미지에서 아이겐 페이스를 추출함에 있어서, 공분산 행렬을 통해 디센터링 과정을 통해 아이겐 페이스를 추출하는 단계를 진행한다.Next, in extracting the Eigen face from a plurality of EEG images, the step of extracting the Eigen face through a decentering process using a covariance matrix is performed.
즉, 공분산 디센터링 후 아이겐 페이스를 구축하는데 센터링은 변수 간의 상관관계를 줄이는 방법이다.In other words, the Eigenface is constructed after covariance decentering, and centering is a method of reducing the correlation between variables.
랜덤 변수 X의 센터링은 하기와 같이 계산될 수 있다.The centering of the random variable X can be calculated as follows.
제안된 디센터링은 상관 관계를 확대하기 위해 역방향으로 중심을 맞춘다.The proposed decentering centers backwards to magnify the correlation.
본 발명에서는 아이겐 페이스를 이용한 뇌파 분류 방법의 성능 향상을 위해 공분산 디센터링(Covariance de-centering, CDC) 기법을 제안하였다. 아이겐 페이스획득을 위해 계산되는 공분산은 데이터간의 상관성을 나타내는 값이다. 제안하는 공분산 디센터링은 공분산 행렬에 대해 각 열의 평균을 더해 주는 방식으로 공분산 행렬을 디센터링해 재구성한다. 공분산 행렬의 디센터링 방법은 다음과 같다.In the present invention, a covariance de-centering (CDC) technique was proposed to improve the performance of the EEG classification method using Eigen pace. The covariance calculated to obtain the Eigen face is a value that represents the correlation between data. The proposed covariance decentering reconstructs the covariance matrix by decentering it by adding the average of each column to the covariance matrix. The decentering method of the covariance matrix is as follows.
여기에서 C는 입력, C‘는 출력이다.Here, C is input and C’ is output.
공분산 행렬의 평균을 더해 디센터링함으로서 다른 데이터들과의 상관성이 큰 데이터에 가중치를 줄 수 있으며, 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA)에 기반하는 아이겐 페이스 방법은 영상 벡터들로부터 구한 공분산 행렬을 이용해 구한 기저벡터를 큰 순서대로 이용하기 때문에 특징을 더욱 강조할 수 있다.By decentering by adding the average of the covariance matrix, weight can be given to data with high correlation with other data, and the Eigenface method based on Principal Component Analysis (PCA) uses the covariance matrix obtained from image vectors. Because the obtained basis vectors are used in increasing order, features can be further emphasized.
이 때, 디센터링 되면 공분산 행렬의 대칭성이 사라져 고유벡터가 서로 직교하지 않게 되므로, 그람-슈미트 정규직교화 과정을 거친 후 아이겐 페이스를 추출한다.At this time, when decentering occurs, the symmetry of the covariance matrix disappears and the eigenvectors become non-orthogonal to each other, so the Eigen phase is extracted after going through the Gram-Schmidt orthogonalization process.
마지막으로, 아이겐 페이스를 이용하여 뇌파 데이터의 특징을 산출하고 뇌파 데이터의 특징을 이용하여 합성곱 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)으로 머신 러닝을 수행한 결과에 따라 뇌파 신호를 분류하는 단계를 진행한다.Lastly, we proceed with the step of calculating the features of the EEG data using the Eigen pace and classifying the EEG signals according to the results of performing machine learning with a convolutional neural network (CNN) using the features of the EEG data. .
이 때, 특징 산출에 사용되는 아이겐 페이스는 뇌파 데이터의 복잡도 혹은 분류할 클래스 수 등에 따라 전체 아이 페이스 혹은 데이터의 특징을 잘 나타내는 일부 아이겐 페이스를 선택적으로 사용할 수 있다. 또한, 산출되는 특징(Feature)은 수치(Value) 혹은 영상(Image) 등의 형태가 가능하며, 수치 형태의 경우 특정한 값 혹은 n차원 유클리드 공간(Euclidean Space)에서의 좌표(Coordinate)가 될 수 있다. 산출한 특징의 형태에 따라 합성곱 신경망 외에도 선형판별분석(Linear Disciminant Analysis, LDA), 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM) 등의 머신러닝 방법을 뇌파 신호의 분류를 위하여 사용할 수 있다.At this time, the Eigenface used to calculate features can selectively use the entire Eigenface or some Eigenfaces that well represent the characteristics of the data, depending on the complexity of the EEG data or the number of classes to be classified. Additionally, the calculated feature can be in the form of a value or an image, and in the case of a numeric form, it can be a specific value or a coordinate in n-dimensional Euclidean Space. . Depending on the type of calculated features, in addition to convolutional neural networks, machine learning methods such as Linear Disciminant Analysis (LDA) and Support Vector Machine (SVM) can be used to classify EEG signals.
다시 도 3a를 참조하면, 공분산 디센터링을 이용한 아이겐 페이스 뇌파 신호 분류방법은,Referring again to FIG. 3A, the Eigenface EEG signal classification method using covariance decentering is,
트라이얼을 고정한 상태로 2차원 데이터를 채널 화이트닝 하는 단계와, 공분산 과정을 통해 첫 번째 아이겐 페이스를 구하는 단계와, 공분산 디센터링(Covariance de-centering, CDC)을 통해 아이겐 페이스를 3차원 데이터로 처리하는 단계와, 두 번째 아이겐 페이스를 구하는 단계와, 훈련 뇌파 데이터를 아이겐 페이스에 투영하여 훈련 계수를 구하는 단계와, 테스트 뇌파 데이터를 아이겐 페이스에 투영하여 테스트 계수를 구하는 단계와, 훈련 계수가 있는 이미지를 통한 CNN 훈련 단계와, 훈련 계수가 있는 이미지를 통한 CNN 테스트 단계와, 뇌파 데이터 평가결과를 분류하는 단계를 통해서 처리될 수 있다.Channel whitening of two-dimensional data with the trial fixed, obtaining the first Eigen face through a covariance process, and processing the Eigen face into three-dimensional data through covariance de-centering (CDC). a step of obtaining a second Eigen face, a step of obtaining a training coefficient by projecting the training EEG data onto the Eigen face, a step of obtaining a test coefficient by projecting the test EEG data onto the Eigen face, and obtaining an image with the training coefficient. It can be processed through a CNN training step through a CNN training step, a CNN testing step through images with training coefficients, and a step of classifying the EEG data evaluation results.
도 5는 개선된 방식의 공분산 행렬의 변화를 나타낸 제1 도면이다.Figure 5 is a first diagram showing the change in the covariance matrix of the improved method.
도 5를 참조하면, time: 7, channel: 3, trial:4 조건에서 좌 트라이얼 2개, 우 트라이얼 2개의 모의 데이터로 진행 과정 중 공분산(covariance) 행렬의 변화가 도시되어 있다.Referring to Figure 5, the change in the covariance matrix during the process with simulated data of two left trials and two right trials under the conditions of time: 7, channel: 3, trial: 4 is shown.
상단은 기존 방식에 따라 구한 공분산 행렬이고, 중단은 화이트닝 단계를 거친 데이터를 이용해 변화한 공분산 행렬이고, 하단은 중단의 공분산행렬이 공분산 디센터링(Covariance de-centering, CDC)를 통해 변화한 공분산 행렬을 나타낸다.The top is a covariance matrix obtained according to the existing method, the break is a covariance matrix changed using data that has gone through the whitening step, and the bottom is a covariance matrix of the break changed through covariance de-centering (CDC). represents.
도 5a는 개선된 방식의 공분산 행렬의 변화를 나타낸 제2 도면이다.Figure 5a is a second diagram showing the change in the covariance matrix of the improved method.
도 5a를 참조하면, 왼쪽은 기존 방식을 통해 생성한 특징(Feature)이고, 오른쪽은 제안하는 방식을 통해 생성한 특징(Feature)을 나타낸다. 붉은 점은 왼쪽 데이터, 푸른 점은 오른쪽 데이터를 나타낸다. 푸른 점 또한 2개의 점이지만, 오른쪽 데이터 두개가 같은 데이터이므로 동일한 곳에 중복 생성 되었다. 본 데이터는 임의로 생성한 모의 데이터로서 공분산 행렬의 변화를 확인할 수 있다.Referring to Figure 5a, the left side represents a feature generated through the existing method, and the right side represents a feature created through the proposed method. Red dots represent left data, blue dots represent right data. The blue dots are also two dots, but since the two data on the right are the same, they were created in duplicate in the same place. This data is randomly generated simulated data, and changes in the covariance matrix can be confirmed.
도 5b는 채널 데이터 화이트닝을 수행하지 않은 경우의 공분산 행렬의 변화를 나타낸 결과를 나타낸 도면이고, 도 5c는 채널 데이터 화이트닝을 수행한 제안된 방식의 공분산 행렬의 변화를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5b의 공분산 행렬의 변화를 확대한 도면이다.Figure 5b is a diagram showing the results of the change in the covariance matrix when channel data whitening is not performed, Figure 5c is a diagram showing the change in the covariance matrix of the proposed method in which channel data whitening is performed, and Figure 6 is a This is an enlarged view of the change in the covariance matrix in 5b.
도 5b 내지 도 6을 참조하면, 채널 데이터 화이트닝을 수행하지 않은 경우와, 채널 데이터 화이트닝을 수행한 경우의 공분산 행렬의 변화를 나타낸 결과가 도시되어 있다.Referring to FIGS. 5B to 6 , results showing changes in the covariance matrix are shown when channel data whitening is not performed and when channel data whitening is performed.
즉, 오른쪽의 결과는 왼쪽의 공분산 행렬에 대해 공분산 디센터링(Covariance de-centering, CDC)을 수행한 결과를 나타낸다.In other words, the result on the right represents the result of performing covariance de-centering (CDC) on the covariance matrix on the left.
도 6은 공분산 디센터링(Covariance de-centering, CDC) 단계 수행을 통해 변화한 공분산 행렬을 확대하여 나타낸 것으로서, x축 및 y축은 트라이얼 수에 따르며 z축은 공분산을 계산한 값을 나타낸다.Figure 6 is an enlarged view of the covariance matrix changed through performing the covariance de-centering (CDC) step. The x-axis and y-axis represent the number of trials, and the z-axis represents the calculated covariance value.
공분산 디센터링(Covariance de-centering, CDC)에 의한 변화는 공분산 행렬 전체에서 발생하며, 붉은색 원 안의 공분산 값에서 가시적인 변화 확인이 가능하다.Changes due to covariance de-centering (CDC) occur throughout the covariance matrix, and visible changes can be confirmed in the covariance values within the red circle.
도 7은 종래의 아이겐 페이스 뇌파 분석(Eigenface analysis for brain signal, EFA)과 제안된 방식의 결과를 나타낸 도면이다.Figure 7 is a diagram showing the results of the conventional Eigenface analysis for brain signal (EFA) and the proposed method.
도 7을 참조하면, 머신러닝을 위한 훈련 데이터와 시험 데이터의 분포가 나타나 있으며, 제안된 방식이 “ 왼쪽 손 - 오른쪽 손의 생각“의 뇌파 신호에 대해 구분할 수 있는 좋은 특징을 생성해 낼 수 있는 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 7, the distribution of training data and test data for machine learning is shown, and the proposed method can generate good features that can distinguish between “left hand and right hand thinking” EEG signals. You can check that.
즉, 제안된 방식인 데이터 화이트닝을 수행하고, 공분산 디센터링을 이용한 아이겐 페이스 뇌파 신호 분류방법을 적용할 경우, 뇌파 신호의 분류를 위한 특징 생성에 있어 종래보다 좋은 특징을 생성할 수 있는 것을 확인할 수 있다.In other words, when performing data whitening, which is the proposed method, and applying the Eigen-Pace EEG signal classification method using covariance decentering, it can be confirmed that better features than before can be generated in generating features for classifying EEG signals. there is.
도 8은 종래의 아이겐 페이스 뇌파 분석(Eigenface analysis for brain signal, EFA)의 재구성된 이미지와 제안된 방식으로 재구성된 이미지를 나타낸 결과이다.Figure 8 shows the results showing the reconstructed image of the conventional Eigenface analysis for brain signal (EFA) and the image reconstructed by the proposed method.
도 8을 참조하면, 제안된 CDC-EFA의 재구성된 영상은 종래의 EFA의 영상과 분명히 구별된다.Referring to Figure 8, the reconstructed image of the proposed CDC-EFA is clearly distinguished from the image of the conventional EFA.
제안된 방식으로 재구성된 영상은 왼쪽 및 오른쪽 클래스에 해당하는 밝은 부분과 어두운 부분이 뚜렷하며, 이에 비해 종래의 EFA의 경우 선명하지 않은 영상이 흐릿하거나 덜 대조적이다.In the image reconstructed using the proposed method, the bright and dark parts corresponding to the left and right classes are clear, whereas in the case of the conventional EFA, the unclear image is blurred or has less contrast.
본 발명의 실시예에 따른 뇌파 신호 분류방법 및 이를 이용한 뇌파 신호 분류장치는, 데이터 화이트닝 및 공분산 디센터링을 이용하여 분류성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 제안하는 방법은 뇌파 신호에 데이터 화이트닝을 적용한 후 아이겐 페이스 특징 추출 과정에서 공분산 행렬을 디센터링 하는 과정을 거친 후 특징을 추출한다. 결과적으로 공분산 디센터링을 적용한 아이겐 페이스 뇌파 분석 방법은 각 시도(트라이얼)에 대해서 높은 정확도를 보이며 안정된 인식률을 보여준다.The brain wave signal classification method and the brain wave signal classification device using the same according to an embodiment of the present invention can improve classification performance by using data whitening and covariance decentering. In other words, the proposed method applies data whitening to the EEG signal and then extracts the features after going through the process of decentering the covariance matrix in the Eigen face feature extraction process. As a result, the Eigenface EEG analysis method using covariance decentering shows high accuracy for each trial and a stable recognition rate.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As such, a person skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential features. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.
110 : 뇌파 신호 수신부
120 : 전처리부
130 : 신호 처리부110: EEG signal receiving unit
120: preprocessing unit
130: signal processing unit
Claims (6)
상기 신호 처리부가 각 채널방향에 대해 아이겐 벨류 및 아이겐 벡터를 이용한 연산처리를 통한 데이터 화이트닝이 적용된 각 뇌파 채널 데이터를 이용하여 복수의 뇌파 이미지를 생성하는 단계;
상기 신호 처리부가 상기 복수의 뇌파 이미지에서 아이겐 페이스를 추출함에 있어서, 공분산 행렬을 통해 디센터링 과정을 통해 상기 아이겐 페이스를 추출하는 단계; 및
상기 신호 처리부가 상기 아이겐 페이스를 기초로 n차원 유클리드 공간에서의 좌표로 뇌파 데이터의 수치 또는 영상 또는 좌표 형태의 특징을 산출하고 상기 뇌파 데이터의 수치 또는 영상 또는 좌표 형태의 특징을 합성곱 신경망(CNN)의 입력으로 하여 머신 러닝을 수행한 결과에 따라 뇌파 신호를 분류하는 단계;를 포함하고,
상기 아이겐 페이스를 추출하는 단계는, 그람-슈미트 정규직교화 과정을 거친 후 상기 아이겐 페이스를 추출하는 것을 특징으로 하는 공분산 디센터링을 이용한 아이겐 페이스 뇌파 신호 분류방법.
After the pre-processing unit extracts the EEG signals corresponding to a predetermined frequency band among the EEG signals of each channel, the signal processing unit applies data whitening through computational processing using the Eigen value and Eigen vector for each channel direction to each EEG channel. converting data into independent data;
The signal processing unit generating a plurality of EEG images using each EEG channel data to which data whitening has been applied through computational processing using Eigen values and Eigen vectors for each channel direction;
When the signal processor extracts the Eigen face from the plurality of EEG images, extracting the Eigen face through a decentering process using a covariance matrix; and
The signal processing unit calculates features in the form of numbers, images, or coordinates of the EEG data with coordinates in n-dimensional Euclidean space based on the Eigenface, and calculates features in the form of numbers, images, or coordinates of the EEG data using a convolutional neural network (CNN). ) and classifying the EEG signal according to the results of performing machine learning as an input;
The step of extracting the Eigen face is an Eigen face EEG signal classification method using covariance decentering, characterized in that the Eigen face is extracted after going through a Gram-Schmidt orthogonalization process.
각각의 채널의 상기 뇌파 신호 중 소정의 주파수 대역에 해당하는 뇌파 신호를 각각 필터링하는 전처리부; 및
상기 전처리부에서 출력된 뇌파 신호를 각 채널방향에 대해 아이겐 벨류 및 아이겐 벡터를 이용한 연산처리를 통한 데이터 화이트닝을 적용하여 각 뇌파 채널 데이터를 독립적인 데이터로 변환하고, 각 채널방향에 대해 아이겐 벨류 및 아이겐 벡터를 이용한 연산처리를 통한 데이터 화이트닝이 적용된 각 뇌파 채널 데이터를 이용하여 복수의 뇌파 이미지를 생성하고, 상기 복수의 뇌파 이미지에서 아이겐 페이스를 추출할 때 공분산 행렬을 통해 디센터링 과정을 통해 상기 아이겐 페이스를 추출하며, 상기 아이겐 페이스를 기초로 n차원 유클리드 공간에서의 좌표로 뇌파 데이터의 수치 또는 영상 또는 좌표 형태의 특징을 산출하고 상기 뇌파 데이터의 수치 또는 영상 또는 좌표 형태의 특징을 합성곱 신경망(CNN)의 입력으로 하여 머신 러닝을 수행한 결과에 따라 뇌파 신호를 분류하는 신호 처리부;를 포함하고,
상기 신호 처리부는, 그람-슈미트 정규직교화 과정을 거친 후 상기 아이겐 페이스를 추출하는 것을 특징으로 하는 뇌파 신호 분류장치.An EEG signal receiving unit that receives EEG signals measured through a plurality of electrode channels in contact with the user's scalp;
a preprocessor that filters brain wave signals corresponding to a predetermined frequency band among the brain wave signals of each channel; and
Data whitening is applied to the EEG signal output from the preprocessor through computational processing using Eigen values and Eigen vectors for each channel direction to convert each EEG channel data into independent data, and Eigen values and Eigen values for each channel direction. A plurality of EEG images are generated using data from each EEG channel to which data whitening has been applied through computational processing using Eigen vectors, and when extracting the Eigen phase from the plurality of EEG images, the Eigen phase is decentered through a covariance matrix. Extract the face, calculate the features in the form of numbers, images, or coordinates of the EEG data with coordinates in n-dimensional Euclidean space based on the Eigen face, and calculate the features in the form of numbers, images, or coordinates of the EEG data through a convolutional neural network ( It includes a signal processing unit that classifies the brain wave signal according to the results of machine learning as an input to (CNN),
The signal processing unit is a brain wave signal classification device characterized in that the Eigen phase is extracted after going through the Gram-Schmidt orthonormalization process.
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Title |
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Yeon-Mo Yang, Wansu Lim, ByeongMan Kim, "Eigenface analysis for brain signal classification : a novel algorithm", International Journal of Telemedicine and Clinical Practices, Vol. 2, No. 2, 2017 |
박정훈, 양연모, 공분산 디센터링을 이용한 Eigenface 뇌파 분석 방법의 개선 연구 (2020) |
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