基于TTS技術(shù)和腦電采集設(shè)備的精神疲勞實驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：在精神疲勞研究中，能客觀地反映精神疲勞狀態(tài)的實驗系統(tǒng)是研究的基礎(chǔ)。本文基于語音合成技術(shù)TTS，結(jié)合腦電采集設(shè)備，利用Micmsoft Speech SDK語音開發(fā)包、TTS引擎和微軟MFC基礎(chǔ)類庫，在VC++環(huán)境下設(shè)計并實現(xiàn)了精神疲勞實驗系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，將TTS技術(shù)應(yīng)用于精神疲勞實驗系統(tǒng)，大大提高了實驗的靈活性，能實現(xiàn)疲勞狀態(tài)的準確標定。
關(guān)鍵詞：TTS；腦電信號；VC開發(fā)環(huán)境；精神疲勞狀態(tài)標定；Microsoft Speech SDK

    精神疲勞是現(xiàn)代社會中的重要問題，嚴重影響了人們的生命和健康。在交通駕駛、航天航空、實時監(jiān)控、高風(fēng)險作業(yè)等行業(yè)，許多事故的發(fā)生都與精神疲勞有關(guān)，因此，對精神疲勞的分析及評價就顯得非常必要。
    自對疲勞進行研究以來，精神疲勞的測定經(jīng)歷了生理生化法、主觀評定法、生理反應(yīng)測定法等方法。這些傳統(tǒng)方法因有很大的局限性而很難做到客觀和定量化。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和醫(yī)學(xué)信號檢測與處理技術(shù)的發(fā)展，基于生理參數(shù)信號(腦電信號、心電信號等)的精神疲勞測定技術(shù)的研究受到越來越多的關(guān)注。
    在精神疲勞的研究中，受試者的精神疲勞狀態(tài)一般通過不同的精神疲勞實驗來產(chǎn)生，并對相應(yīng)的精神疲勞狀態(tài)進行量化標定。其中，讓受試者進行某種作業(yè)，通過統(tǒng)計每次的完成時間或成功率來對受試者的疲勞狀態(tài)進行標定是一種廣泛采用的方法。Atsuo Murata等在其研究中讓受試者根據(jù)CRT顯示的兩個三位數(shù)做加法，根據(jù)其完成時間和正確率給出疲勞狀態(tài)的標定，該方法中，受試者對計算機給出的操作命令需要經(jīng)過一定的心算或者判斷過程來完成。文獻中通過聽覺操作命令為實驗任務(wù)的方法，在按一定時間間隔播放的聲音序列中，隨機插入動作命令集合(上下左右)中的某一個，受試者聽到聲音命令后按下鍵盤上預(yù)先設(shè)定好的鍵，依據(jù)受試者操作正確率來標定其疲勞狀態(tài)。隨著實驗進行受試者精神達到一定疲勞狀態(tài)，由于操作命令相對簡單，這種情況下，依照操作正確率標定的疲勞狀態(tài)不能準確反映受試者的疲勞狀態(tài)。本文采用基于腦電信號的精神疲勞測定技術(shù)，將TTS技術(shù)應(yīng)用到精神疲勞實驗系統(tǒng)中，嘗試通過控制大腦認知問題的難度來提高精神疲勞實驗的可控性，為后續(xù)精神疲勞的研究提供更可信有效的數(shù)據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)總體設(shè)計
1．1 實驗系統(tǒng)總體設(shè)計思路
    TTS技術(shù)，又稱文語轉(zhuǎn)換技術(shù)，它是將計算機自己產(chǎn)生的或外部輸入的文字信息轉(zhuǎn)換為能被人理解的、流利的語言輸出的技術(shù)。Microso ft Speech SDK 5．1全面支持中文語音應(yīng)用程序的開發(fā)。SDK中的底層協(xié)議都以COM組件的形式完全獨立于應(yīng)用程序?qū)樱Z音相關(guān)的工作由COM組件來完成，程序員只需根據(jù)應(yīng)用程序的需要調(diào)用相關(guān)的語音應(yīng)用程序接口(SAPI)就可以實現(xiàn)語音功能。通過編制相應(yīng)的軟件程序，調(diào)用Microsoft Speech SDK 5．1的動態(tài)鏈接庫，利用系統(tǒng)中安裝的TTS引擎將精神疲勞實驗中隨機生成的一個等式判斷命令語句由文本轉(zhuǎn)換為語音讀出來，受試者以聽覺判斷命令為實驗任務(wù)，同時由腦電采集設(shè)備采集腦電信號，然后根據(jù)受試者完成作業(yè)的質(zhì)量對相應(yīng)腦電信號數(shù)據(jù)進行疲勞狀態(tài)的定量標定。
    基于TTS技術(shù)和腦電采集設(shè)備的精神疲勞實驗系統(tǒng)的總體設(shè)計流程如圖1所示。

1．2 硬件配置及開發(fā)環(huán)境
    硬件配置條件：
    1)計算機
    實驗用標準配置計算機一臺，另有耳塞式耳機或音箱。
    2)腦電信號采集設(shè)備
    腦電信號的采集要通過專用的儀器設(shè)備完成，以實現(xiàn)安全、有效、可靠的獲取人的腦電信號數(shù)據(jù)供進一步的分析處理。腦電采集設(shè)備種類繁多，文中使用由g．tec公司生產(chǎn)的g．USBamp信號放大采集設(shè)備，電極位置按照國際10—20標準導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)的電極安放，詳細電極位置見文獻。
    開發(fā)環(huán)境配置條件：
    軟件運行環(huán)境為Win7系統(tǒng)，安裝有Microsoft Simplified Chinese語音引擎，開發(fā)工具為VC6．0。
 
2 實驗系統(tǒng)各模塊設(shè)計與實現(xiàn)
    本實驗系統(tǒng)的目的是完成標定有相應(yīng)精神疲勞狀態(tài)的腦電信號數(shù)據(jù)的采集存儲，實驗系統(tǒng)主要包括兩個部分：腦電采集和聽警覺作業(yè)。
    腦電采集是通過腦電采集設(shè)備完成對受試者腦電信號的采集，聽警覺作業(yè)是讓受試者對聽到的判斷命令進行判斷選擇，同時系統(tǒng)會記下受試者每次選擇判斷的時間和正誤，最后依據(jù)作業(yè)完成質(zhì)量對疲勞狀態(tài)進行量化標定。實驗首先進行腦電信號的采集，在腦電信號開始采集的初始階段，只采集受試者的腦電信號，直到聽警覺作業(yè)開始的同時才進行腦電數(shù)據(jù)的存儲。這樣即丟棄了開始采集腦電信號時因設(shè)備不穩(wěn)定而獲取的不準確數(shù)據(jù)，同時保證了存儲下來的數(shù)據(jù)是受試者在作業(yè)過程中的腦電信號數(shù)據(jù)。這兩部分工作分別由2個線程來完成。
2．1 腦電采集模塊
    腦電信號采集部分由數(shù)據(jù)采集線程來完成，其主要實現(xiàn)過程如圖2所示。

    m_EEGRunFlag為數(shù)據(jù)采集狀態(tài)標志，開始腦電采集后，開啟腦電數(shù)據(jù)采集線程。腦電信號的獲取是由g．tec公司提供的API函數(shù)編程實現(xiàn)的，創(chuàng)建overlapped結(jié)構(gòu)事件對象的目的是避免阻塞線程，系統(tǒng)調(diào)用獲取數(shù)據(jù)的函數(shù)時可以立即返回，但是直到overlapped結(jié)構(gòu)中事件被觸發(fā)數(shù)據(jù)才是有效的，用WaitForSingleObject()函數(shù)來判斷數(shù)據(jù)傳輸是否結(jié)束，用GetOvedappedResuk()函數(shù)來檢索獲取的有效字節(jié)數(shù)目。此時在線程中只獲取而不存儲腦電數(shù)據(jù)，直到m_RunFlag為TRUE才開始腦電數(shù)據(jù)的存儲。
2．2 聽警覺作業(yè)模塊
    聽警覺作業(yè)部分由作業(yè)線程來完成，其主要實現(xiàn)過程如圖3所示。

    m_RunFlag為聽警覺作業(yè)狀態(tài)標志，開始作業(yè)后，開啟作業(yè)線程。開始聽警覺作業(yè)的同時開始數(shù)據(jù)采集線程中數(shù)據(jù)的存儲。受試者聽到聲音后，對判斷命令進行選擇判斷，兩次朗讀判斷命令時間間隔由定時器控制，受試者操作結(jié)束后，等待定時器被觸發(fā)系統(tǒng)朗讀下一次判斷命令。當判斷命令達到50次時，m_RunFlag置為FAISE，同時數(shù)據(jù)采集線程中不再存儲數(shù)據(jù)，保存受試者作業(yè)信息，作業(yè)線程結(jié)束。其中，TTS朗讀判斷命令和受試者選擇操作的實現(xiàn)過程如圖4所示。

    a、b、c為隨機生成的整數(shù)，a、b、c的范圍可自由調(diào)整，通過調(diào)整a、b的范圍可以調(diào)整作業(yè)的復(fù)雜度，圖4中選擇進行20以內(nèi)整數(shù)的加法。c由a、b隨機得到，最終生成的文本內(nèi)容可能正確可能錯誤(如：可能是3+5=8或者15+7=19)。受試者在聽到判斷命令后，經(jīng)過心算判斷系統(tǒng)讀出的判斷命令的正誤，然后按下鍵盤上預(yù)先設(shè)定好的鍵(如：錯誤按←，正確按→)。受試者在聽到判斷命令后的1．5 s內(nèi)按鍵視為有效操作，如果受試者沒有在有效時間內(nèi)按鍵或者沒有按鍵視為此次操作錯誤。如果判斷正確，對應(yīng)正確操作次數(shù)m_Tnum加1。
2．3 實驗系統(tǒng)實現(xiàn)
    基于以上實驗系統(tǒng)各個模塊實現(xiàn)，利用微軟MFC基礎(chǔ)類庫，添加相應(yīng)控件，編寫代碼，生成精神疲勞實驗系統(tǒng)界面如圖5所示。

    每次實驗設(shè)定50次判斷命令任務(wù)，在一天中的不同時刻重復(fù)進行實驗。每次實驗結(jié)束后，受試者在實驗中的按鍵正確率和反應(yīng)時間都被記錄下來?？偟膶嶒灲Y(jié)束后，統(tǒng)計受試者在各次實驗中的按鍵正確率和反應(yīng)時間(平均反應(yīng)時間)，求出正確率和反應(yīng)時間的比值，記為RT，根據(jù)這個比值大小確定精神疲勞狀態(tài)。具體來講，對每一個受試者，將個人RT的范圍(最大值到最小值)平均分為5個部分，分別對應(yīng)疲勞狀態(tài)1到5。受試者每次實驗對應(yīng)的疲勞狀態(tài)分別由RT的值落在哪個范圍來確定，至此完成了腦電信號數(shù)據(jù)對應(yīng)精神疲勞狀態(tài)的標定。

3 實驗系統(tǒng)部分關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)
    文中使用文語轉(zhuǎn)換技術(shù)TTS。用聽警覺作業(yè)設(shè)計實驗來標定受試者精神疲勞狀態(tài)時，通常需要加入預(yù)先設(shè)定好的聲音命令。將TTS技術(shù)應(yīng)用到精神疲勞實驗系統(tǒng)中，通過調(diào)用TTS引擎，將文本內(nèi)容用近似于人的聲音“讀”出來，系統(tǒng)不需要大量聲音文件的支持，并且，TTS引擎只有幾兆字節(jié)，因此，它可以節(jié)省很大的存儲空間。
    TTS關(guān)鍵實現(xiàn)代碼如下：
   
   

4 結(jié)論
    文中利用TTS技術(shù)和腦電采集設(shè)備設(shè)計并實現(xiàn)了精神疲勞實驗系統(tǒng)，同以往的精神疲勞實驗系統(tǒng)相比，有明顯的優(yōu)勢。相較于固定的聽覺操作命令，本系統(tǒng)的實現(xiàn)過程更加靈活，可把隨機生成的一個文本等式朗讀出來。并且，可根據(jù)受試者的反饋或?qū)嶒炐枰杂烧{(diào)整實驗難度。實驗證明，這種情況下得到的操作正確率和反應(yīng)時間，對疲勞狀態(tài)的標定更加準確，為后續(xù)精神疲勞的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。