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基于改进EMD的运动想象脑电信号识别算法研究
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更新于2023-05-29
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针对现有的单一特征提取算法对运动想象脑电信号识别率不高的问题,提出一种以相关系数改进的经验模态分解(EMD)的特征提取算法。对已有的BCI竞赛数据中C3、C4两个通道脑电数据进行预处理,之后通过EMD对脑电信号进行分解,得到IMF分量。通过计算原始信号与各阶IMF分量之间的相关系数,选择具有较大相关系数的IMF作为特征,由这些IMF分量的能量特征和平均幅值差来组成脑电信号的特征。使用支撑矢量机分类器(SVM)对左右手运动想象脑电信号进行分类。实验结果表明,基于相关系数改进的EMD脑电信号的处理方法明显优于只用EMD的脑电处理方法,得到的最高正确识别率为88.57%。从而证明了该方法的有效性。
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基于改进基于改进EMD的运动想象脑电信号识别算法研究的运动想象脑电信号识别算法研究
针对现有的单一特征提取算法对运动想象脑电信号识别率不高的问题,提出一种以相关系数改进的经验模态分
解(EMD)的特征提取算法。对已有的BCI竞赛数据中C3、C4两个通道脑电数据进行预处理,之后通过EMD对
脑电信号进行分解,得到IMF分量。通过计算原始信号与各阶IMF分量之间的相关系数,选择具有较大相关系数
的IMF作为特征,由这些IMF分量的能量特征和平均幅值差来组成脑电信号的特征。使用支撑矢量机分类器
(SVM)对左右手运动想象脑电信号进行分类。实验结果表明,基于相关系数改进的EMD脑电信号的处理方法
明显优于只用EMD的脑电处理方法,得到的最高正确识别率为88.57%。从而证明了该方法的有效性。
于路,薄华
(上海海事大学 信息工程学院,上海 201306)
摘要摘要:针对现有的单一
关键词关键词: 脑电信号;经验模态分解;相关系数;特征提取
0引言引言
头皮脑电(Electroenc EphaloGraph,EEG)信号是一种产生机理相当复杂且非常微弱的随机信号,它反映了大脑阻止的
脑电活动及大脑的功能状态。不同的思维状态在大脑皮层有不同的反映[1]。
脑机接口(BrainComputer Interface,BCI)不依赖于大脑外周神经与肌肉系统,是大脑与计算机或其他电子设备之间建
立可直接交流和控制的通道,可以有效增强身体严重残疾的患者与外界交流或控制外部环境的能力,提高患者的生活质量,同
时也在娱乐电竞等领域有着巨大的应用前景[2-5]。
目前EEG特征提取的常用方法有FFT、SFT、AR[5]、AAR[6]、ICA、小波分析[7]、特定频带的功率谱等方法。
经典的FFT在分析确定信号和平稳信号时发挥了重要作用,但利用FFT分析突变信号的频谱存在局限性。SFT在一定程度上克服
了标准FFT不具有局部分析能力的缺陷,在某些信号处理中发挥了一定的作用,但也存在不可克服的缺陷。SFT是时间窗内信号
特征的平均,时间窗内信号越短,获得的时间分辨率就越高。根据信号测不准原理,时间局域化性质和频率局域化性质是矛盾的。
AAR模型参数随每一样本点的输入而改变,因而更好地反映了大脑的状态。但是,该方法更适合分析平稳信号,对包含高度非
平稳信号的运动想象EEG,该模型达不到理想效果。小波变换和小波包变换分解信号时,要预先设好分层数和小波函数,不
具备对信号自适应的分解能力。因此需要采用一种非线性分析的方法,该方法同时具有对信号自适应的分解能力,能通过度量
脑电信号的复杂度来反映脑电的特征。本文中采用的是用相关系数改进经验模态分解的脑电信号处理方法,可以获得一系列固
有模态函数分量(Intrinsic Mode Function,IMF)。将这种方法应用到脑电信号的处理过程中能得到较好的效果。
1EMD算法算法
经验模式分解算法(Empirical Mode Decomposition,EMD)[8]是一种自适应的数据处理或挖掘方法,非常适合非线性非
平稳的时间序列。其本质是通过数据的时间尺度来获得本征波动模式,然后分解数据。这种分解过程可以形象地称之为“筛选
(sifting)”过程。
在理论上,EMD可以应用于任何类型的时间序列(信号)的分解,因而在处理非平稳及非线性数据上,比之前的方法具
有更明显的优势。所以,EMD[9-10]方法一经提出就在不同的工程领域得到了迅速有效的应用。
该方法的关键是它能使复杂信号分解为有限个本征模函数,所分解出来的各IMF分量包含了原信号的不同时间尺度的局部
特征信号。EMD分解方法基于以下假设条件:
(1)数据至少有两个极值,一个最大值和一个最小值;
(2)数据的局部时域特性是由极值点间的时间尺度来唯一确定;
(3)如果数据没有极值点但有拐点,则可以通过对数据微分一次或多次求得极值,然后再通过积分来获得分解结果。
设原始信号为X(t),EMD算法的计算步骤如下:
(1)找出原数据序列X(t)的所有极大值点和极小值点,将其用三次样条函数拟合为原序列的上、下包络线,分别为u(t)和
v(t),可得包络线的平均值m11:
m11=1/2(u(t)+v(t))(1)
(2)将原数据序列减去包络平均值m11,得到一个减去低频的新序列h11:
h11=X(t)-m11(t)(2)
(3)h11不一定是平稳数据序列,用h11(t)代替原始信号X(t),重复上述过程k次,直到所得包络趋近于零,这样可以得到第
一个本征模函数(IMF)。分量c1=h1k(t),它表示信号数据序列最高频率的成分。
(4)用X(t)减去c1,得到一个去掉高频成分的新数据序列r1;对r1再进行上述分解,得到第二个本征模函数(IMF)分量
c2;如此重复:

















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