“清華人工智能論壇”—王生進(jìn)教授《腦電識別與腦機(jī)交互》
發(fā)布于：2016-07-01 11:58 瀏覽：
導(dǎo)讀：2016年6月6日，清華人工智能論壇在清華園成功舉辦，清華大學(xué)副校長薛其坤院士與張鈸院士、馬少平、張長水教授等來自清華大學(xué)人工智能領(lǐng)域的多位權(quán)威專家、芮勇、王小川、張連毅等杰出清華校友企業(yè)代表，和學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界、資本界等社會各界近500多人相聚清華園，縱論人工智能。本屆論壇充分展現(xiàn)出了清華大學(xué)在人工智能領(lǐng)域強(qiáng)大、領(lǐng)先的學(xué)術(shù)、產(chǎn)業(yè)實(shí)力，與客觀務(wù)實(shí)、創(chuàng)新進(jìn)取的風(fēng)貌，引發(fā)了人工智能界的廣泛關(guān)注與轟動。引發(fā)了人工智能界的廣泛關(guān)注與轟動。
本文內(nèi)容選自清華大學(xué)電子工程系王生進(jìn)教授于本屆論壇上所做的題為《腦電識別與腦機(jī)交互》的演講。他認(rèn)為人類正處于人工智能的啟蒙階段，腦機(jī)交互，是人機(jī)交互的重要方向。探索人腦，發(fā)現(xiàn)感知認(rèn)知機(jī)理，解明推理決策過程，實(shí)現(xiàn)自我意識。演講全文如下：
王生進(jìn)：各位來賓、各位專家，大家下午好。很高興主辦方能給我們提供這樣一個(gè)機(jī)會，讓我們同行在一起能夠開啟探討人工智能未來發(fā)展之路。剛才張?jiān)菏康膱?bào)告非常精彩，張?jiān)菏堪讶斯ぶ悄艿倪^去、現(xiàn)在和未來做了一個(gè)全面的概述，高屋建瓴。我下面講一個(gè)人工智能應(yīng)用的具體技術(shù)，就是腦電識別和腦機(jī)交互。
我來自清華電子系智能圖文信息處理研究室，我們研究室的主任是丁曉青教授。我們研究室在過去將近20年的時(shí)間當(dāng)中一直是在從事人工智能領(lǐng)域的研究，主要是在計(jì)算機(jī)視覺和模式識別方面，也取得了一些成果。比如說我們的TH-OCR，就是剛才薛校長提到的一個(gè)文字識別的技術(shù)，授權(quán)于微軟，在微軟office2003里得到使用。我們的人臉識別技術(shù)在一些國際競賽當(dāng)中也取得了不錯(cuò)的成績。另外就是我們的人臉識別技術(shù)也在實(shí)際當(dāng)中得到了應(yīng)用。我們?nèi)四樧R別現(xiàn)在的技術(shù)水平，在LFW庫上實(shí)現(xiàn)超過99%的識別準(zhǔn)確率。另外我們構(gòu)建的時(shí)空信息行人再識別數(shù)據(jù)庫，下載達(dá)3700次，相關(guān)的成果也將發(fā)表在今年6月份的PAMI上。我們的人臉識別技術(shù)應(yīng)用在深圳口岸的自助通關(guān)，應(yīng)用的情況可以看一下這個(gè)視頻。以往海關(guān)通關(guān)都是要經(jīng)過人來看證件，然后比對通關(guān)的人。因?yàn)樯钲诹_湖口岸是香港通關(guān)口岸，人非常多，在比對準(zhǔn)確率和勞動強(qiáng)度上有很大的負(fù)擔(dān)。希望能夠通過機(jī)器代替人工去確認(rèn)通關(guān)的人。目前的通關(guān)系統(tǒng)里采用了指紋和人臉識別，人臉識別采用清華大學(xué)我們的技術(shù)，指紋采用中科院的技術(shù)。
剛才張?jiān)菏吭谌斯ぶ悄芊矫娼榻B了非常多非常好的內(nèi)容。人工智能是一門研究模擬人腦智能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器智能的一門科學(xué)，它是讓機(jī)器既能代替人類做繁重繁瑣的蠻力計(jì)算（工作），又能使得機(jī)器獨(dú)立思考，甚至在某些功能上能夠超越人類。通過信號識別（圖像、語音、腦電波等）、邏輯判斷、自然語言處理，感知和反饋，體現(xiàn)人工智能的含義。我們?nèi)祟愓幱谌斯ぶ悄艿膯⒚呻A段，探索人腦，發(fā)現(xiàn)感知認(rèn)知機(jī)理，解明推理決策過程，實(shí)現(xiàn)自我意識，也是我們?nèi)斯ぶ悄芪磥硌芯康闹匾矫妗?
今天我要講的是關(guān)于腦電識別和腦機(jī)交互。關(guān)于腦機(jī)交互的問題也有很多的研究報(bào)道，腦機(jī)交互是人機(jī)交互的重要方向。在科幻方面也做了相關(guān)的前瞻性的預(yù)言。我們發(fā)現(xiàn)其實(shí)多少年前的一些科幻電影里面出現(xiàn)的一些場景，到現(xiàn)在很多都變成了現(xiàn)實(shí)。比如說科幻電影《我的個(gè)神啊》，在這個(gè)影片中，外星球已經(jīng)不再是通過語言進(jìn)行交流，而是直接通過腦波交互讀取思維。心智模型構(gòu)建讓腦波交互成為可能，在人工智能領(lǐng)域?qū)⒌玫礁顚哟蔚膽?yīng)用，心智模型植入機(jī)器系統(tǒng)，將成為人工智能的一個(gè)基礎(chǔ)載體。搭載了心智模型的機(jī)器人，將使人類和機(jī)器人之間的交互更趨智能化和人性化。人機(jī)交互因人類需求升級而發(fā)展。
下面介紹一下關(guān)于腦電識別和腦機(jī)交互的相關(guān)情況。從世界范圍內(nèi)來說，關(guān)于人腦和類腦的研究已經(jīng)引起了相當(dāng)?shù)闹匾�，《科學(xué)》雜志2013年的時(shí)候提出了6個(gè)值得關(guān)注的科學(xué)領(lǐng)域，其中之一就是人腦連接組計(jì)劃。這個(gè)計(jì)劃主要目的是希望能夠使用不同的人腦分析技術(shù)，來研究活體人腦功能。另外歐盟啟動人腦工程項(xiàng)目，歐盟在2013年的時(shí)候宣布“未來和新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”，其中兩個(gè)項(xiàng)目入選了，石墨烯和人腦工程。人腦工程，希望能夠用計(jì)算機(jī)模擬的方法來研究人類大腦是如何工作的，這個(gè)研究有望促進(jìn)人工智能、機(jī)器人和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展。
奧巴馬政府宣布了一項(xiàng)致力于對人腦進(jìn)行繪圖的研究計(jì)劃。他們?nèi)咚Ｍ哪康氖遣灰粯拥模琋IH（美國國家衛(wèi)生研究院）希望這個(gè)項(xiàng)目能夠讓研究人員探索腦細(xì)胞間的協(xié)作方式，對于治愈老年癡呆癥等一些其他的疾病能夠提供幫助。DARPA（國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局）希望能夠開發(fā)出記錄和分析腦功能的方法，未來能夠?qū)υ庥瞿X損傷及創(chuàng)傷后壓力的軍人提供治療。NSF（美國國家科學(xué)基金會）則希望了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作模式，并借此開發(fā)出能夠處理海量信息的數(shù)據(jù)處理模型，就是模擬人腦。剛才張?jiān)菏恳蔡岬�，利用人腦處理數(shù)據(jù)非�？�，它希望能夠解決這樣一個(gè)工作機(jī)理。二十一世紀(jì)是腦科學(xué)與人工智能相結(jié)合的世紀(jì)�，F(xiàn)在各國政府都已經(jīng)在這方面投入了很大的人力和財(cái)力來從事這方面的研究，都將其列為未來研究的重大課題。
目前的研究情況。從腦功能的研究上來說，研究手段上分為三大類：一，侵入式，就是把電極植入到腦內(nèi)，來形成皮質(zhì)腦電圖（ECoG)）。第二，非侵入式，這鐘侵入式需要很龐大的設(shè)備，比如說MEG（腦磁信號）設(shè)備，這個(gè)設(shè)備體量是非常大的。還有一種非侵入式，就是利用腦電信號（EEG），EEG信號的特點(diǎn)是設(shè)備非常小，可以做成一個(gè)便攜式裝置，甚至非常便宜，實(shí)用性很好。它應(yīng)該是未來腦機(jī)交互的一個(gè)應(yīng)用的趨勢，它的工作原理主要是視覺驅(qū)動電勢，我們通常叫VEP和ERP。
從研究的目的上分也有三大目標(biāo)，第一就是疾病的診斷和診治，第二是感知認(rèn)知，也即人工智能的研究，第三是腦機(jī)交互的研究，就是人不用通過手，也不用通過語言，只要通過大腦的想象來和機(jī)器進(jìn)行交互。這種需求是存在的，比如說癱瘓的病人或者是手腳及語言有障礙的人，或者是老年人等。就是說我只能靠想象，包括靠思維能夠驅(qū)動機(jī)器的情況，這個(gè)是非常難的，不僅在這個(gè)地方，我們可以看到美軍在戰(zhàn)場上其實(shí)也在研究利用腦電去做目標(biāo)的探測，提高目標(biāo)探測的準(zhǔn)確性。
腦電信號（EEG）直接反映人腦活動和認(rèn)知特性，可以做情緒的監(jiān)測、疾病的檢測、腦機(jī)的交互。在應(yīng)用領(lǐng)域和前景上是非常廣闊的，比如說在人工智能領(lǐng)域，它可以探索人腦活動和認(rèn)知規(guī)律，在腦機(jī)交互上也可以幫助殘疾人來控制輪椅等設(shè)備，目標(biāo)檢測上可以借助腦電信號提高目標(biāo)檢測的性能。在情緒監(jiān)測上可以感知工作狀態(tài)、壓力和焦慮等等。另外就是在一些EEG研究上，利用EEG和對視覺的刺激上，可以研究人對視覺感知的特點(diǎn)，來啟發(fā)視覺研究等等。應(yīng)用的前景非常好。
目前主要的問題：
1、腦電信號的識別性能非常低。因?yàn)槲覀冎滥X電信號信噪比是非常低的，因此準(zhǔn)確率很難達(dá)到像剛才張?jiān)菏刻岬降娜四樆蛘哓埬樧R別的準(zhǔn)確率。因此它的準(zhǔn)確率和它的計(jì)算復(fù)雜度都難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求（目前的情況）。比如說需要15個(gè)循環(huán)識別才能達(dá)到97%的準(zhǔn)確率。
2、現(xiàn)有方法針對腦電信號多通道、強(qiáng)噪聲特點(diǎn)，有效降噪方法和分類理論尚不完善 。
3、現(xiàn)有分類模型從理論上解決通道鑒別性分析和相關(guān)通道選擇問題的思路尚不十分有效。
4、現(xiàn)有腦機(jī)接口系統(tǒng)模式單一（范式還比較單一），我后面會介紹幾個(gè)比較典型的范式，訓(xùn)練的過程也是相對比較復(fù)雜，離實(shí)用還差得比較遠(yuǎn)，但是作為研究來說，還是十分具有研究價(jià)值的方向。
科學(xué)問題和亟需要突破的技術(shù)。針對我前面提到的問題，我們提出三項(xiàng)需要解決的科學(xué)問題：
1、在這個(gè)研究當(dāng)中需要發(fā)現(xiàn)新的視覺驅(qū)動與腦電信號的相關(guān)性。就是低信噪比腦電信號下的高準(zhǔn)確識別理論。
2、尋找和探索更有效的基于思維的腦機(jī)交互范式。
3、基于人的視覺感知機(jī)理的計(jì)算模型，希望通過腦電的信號處理和腦機(jī)交互的方式，能夠發(fā)現(xiàn)和探索這樣的計(jì)算模型。
對于這三個(gè)科學(xué)問題需要解決的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)如下：
1、低信噪比腦電信號高準(zhǔn)確率識別方法。
2、面向多種范式的思維腦控技術(shù)。重點(diǎn)研究就是VEP，現(xiàn)在一個(gè)比較有效的就是SSVEP，這是清華生醫(yī)提出來的。還有運(yùn)動想象腦控技術(shù)和方法，以及更多的范式的研究，希望能夠發(fā)現(xiàn)。
3、基于腦電信號的有效視覺特性分析。我通過給你看什么東西，人類會有什么樣的反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)通過腦電的識別，我能夠發(fā)現(xiàn)這種反應(yīng)，把這種特點(diǎn)找到，把這種規(guī)律找到，用于我們的人工智能研究。
對未來驅(qū)動我們是這樣看，腦電信號分析研究對本領(lǐng)域未來的推動：1、結(jié)合信號處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論，實(shí)行強(qiáng)干擾、極低信噪比下的高準(zhǔn)確度腦電信號識別理論。2、利用VEP、ERP范式，探索和掌握通用環(huán)境下穩(wěn)定、魯棒的基于思維腦電的腦機(jī)接口方法。3、通過探索人腦視覺感知的工作機(jī)理，改進(jìn)視覺認(rèn)知計(jì)算模型，啟發(fā)人工智能與計(jì)算機(jī)視覺研究和發(fā)展。
目前的一些研究的情況。這個(gè)方面國外走得比較快，美國在這方面處于領(lǐng)先地位。剛才我提到利用腦電信號做的目標(biāo)探測來提高目標(biāo)探測的性能。這個(gè)是DARPA開發(fā)的CT2WS系統(tǒng)，是利用腦電波識別和認(rèn)知的范圍來進(jìn)行戰(zhàn)場目標(biāo)檢測，主要是通過腦電波的圖像篩選來把戰(zhàn)場的虛警目標(biāo)信號能夠快速地篩選掉。因?yàn)槲覀冎滥壳暗哪Ｊ阶R別，做圖像的目標(biāo)探測其實(shí)是虛警率非常高的，特別是在戰(zhàn)場環(huán)境非常惡劣，目標(biāo)并不明顯的情況下，任何一個(gè)算法，人工智能的算法或者是模式識別算法，拿到戰(zhàn)場，虛景都是非常高的，虛景高了以后，不可能每個(gè)虛景目標(biāo)都打一個(gè)炮彈，這個(gè)時(shí)候利用腦電的識別，這個(gè)腦電的識別其實(shí)用的就是P300范式，用非�？斓乃俣劝烟摼靶盘栕屓巳タ矗嗽跓o意識當(dāng)中就能產(chǎn)生一種腦電波，這種腦電波對于真正目標(biāo)信號和非目標(biāo)信號能夠產(chǎn)生一種有差別的信號模式。腦電識別可以通過這樣一種腦電波的差別來把這些虛景里面的真正目標(biāo)提取出來，把這些真正的虛景剔掉，這樣就提高了目標(biāo)識別的準(zhǔn)確率。給人看的速度是非�？斓�，在幾十毫秒，這時(shí)的腦電是人的一種本能的反應(yīng)。主要目的是提高戰(zhàn)場上戰(zhàn)士的目標(biāo)探測準(zhǔn)確率，這就是人機(jī)結(jié)合的方式。這個(gè)例子，是明尼蘇達(dá)大學(xué)研究，利用腦電波掃描系統(tǒng)，網(wǎng)上也有相應(yīng)的視頻，有機(jī)會大家可以去網(wǎng)站上看一下這個(gè)視頻，控制得還是相當(dāng)不錯(cuò)的。
哈佛大學(xué)實(shí)現(xiàn)了利用腦電波控制老鼠的運(yùn)動。其實(shí)希望能夠利用這樣一種原理，實(shí)驗(yàn)人員在老鼠上做的實(shí)驗(yàn)，是希望通過這樣一種方式使他們的病人恢復(fù)運(yùn)動的機(jī)能，使截肢的人能夠更好控制假肢，也是帶著這樣一個(gè)傳感器，但是這個(gè)傳感器是非常小型化的傳感器，所以非常實(shí)用。另外還有一個(gè)就是美國科羅拉多州的一個(gè)人（Easton LaChappelle）開發(fā)了腦電波控制的機(jī)械手臂（Anthromod）。它的目的也是幫助殘疾人士能夠完成最基本的動作，這個(gè)人不僅獲得了國際科學(xué)工程大賽的二等獎(jiǎng)，更是收到了NASA的Offer，也受到了美國奧巴馬總統(tǒng)的接見。這是國際的情況。我們國內(nèi)也有很多成果。
我們這個(gè)組在腦電信號識別和腦機(jī)交互方面做的成果。我們聚焦的傳感器不是像剛才戴的這種電極帽的形式，電極帽的形式在科學(xué)研究里面適用，電極帽的通道非常多（64導(dǎo)或者128導(dǎo)），但是我們考慮到今后能夠真正用到普通的生活當(dāng)中，電極帽的方式不是很方便，我們希望能夠有一個(gè)非常簡便的儀器，我們聚焦的是干電極式腦電信號以及腦機(jī)交互的研究。我們建立這樣一個(gè)研究室，也收集了很多的腦電信號。首先在這個(gè)領(lǐng)域，第一個(gè)要解決的問題就是低信噪比問題，因?yàn)槟X電信號信噪非常差，怎么樣通過降噪、預(yù)處理等等，能夠把噪聲抑制掉，能夠把真正的腦電信號提取出來，是關(guān)鍵課題。這樣我們才能進(jìn)行后面的腦電識別。我們做了一些相關(guān)的工作，這是第一個(gè)，就是降噪、信號處理。
第二個(gè)要做的工作，我們戴的電極帽也好，還是干電極也好，通道是很多的，比如現(xiàn)在14個(gè)通道，電極帽最少是64通道或者128通道，在這些通道里面，哪些通道是有效的？哪些通道是無效的，甚至哪些通道是其反作用的，我們必須把它了解清楚。我們做了一些通道選擇方法的研究，在通道里面找出最有效的通道，在什么樣的范式下，哪些通道最有效，我們在這方面做了一些研究工作，我們就利用這樣的一個(gè)識別的方法去做腦機(jī)的交互。第一個(gè)做的是利用P300的范式去做腦機(jī)交互的打字。P300的范式就是偶然發(fā)生的這樣一個(gè)視覺事件，在300毫秒以后能夠產(chǎn)生一個(gè)特殊的腦電信號這樣一個(gè)范式。利用這樣一種范式就可以做一些工作，P300打字就是這樣一個(gè)研究，比如說它可以顯示這么多的字母。當(dāng)你看到你要打的字母亮起來的時(shí)候，你的腦電在你看到這個(gè)字母的時(shí)候，這個(gè)腦電信號是有差別的。通過這樣一個(gè)方式最后打出這樣的字。我們可以通過腦電控制一些運(yùn)動。比如說我們做運(yùn)動想象，就是通過腦電的方式控制屏幕上的鼠標(biāo)，這是通過運(yùn)動想象去控制。我們做了一個(gè)腦控機(jī)器人系統(tǒng)，我們希望通過腦電的識別和腦機(jī)交互的方式，能夠去讓機(jī)器人知道，比如說我的殘疾人想要去做什么，讓機(jī)器人去拿一個(gè)東西，我首先要讓機(jī)器人知道我想要去拿什么，然后驅(qū)動機(jī)器人走到這個(gè)物體前面，我再讓機(jī)器人認(rèn)識它要拿的東西，然后再把它拿回來，這個(gè)系統(tǒng)正在開發(fā)。可以看一下中間的過程。
這完全是通過腦電來控制機(jī)器人。這是現(xiàn)場腦電信號，我們從里面去分析腦電信號的作用。訓(xùn)練過程我們要讓腦電系統(tǒng)能夠知道我要選擇哪個(gè)東西，這個(gè)是通過視覺，同樣，這個(gè)用的還是P300的模式，就是你選這個(gè)物體，當(dāng)它亮起的時(shí)候，你的腦電信號和暗下去時(shí)的腦電信號是不一樣的，當(dāng)它亮起的時(shí)候，我們這個(gè)時(shí)候可以識別出它的信號，這個(gè)時(shí)候我們知道你選的是這樣一個(gè)杯子，由于信號非常低，至少要進(jìn)行15次的循環(huán)才能達(dá)到97%的準(zhǔn)確率。測試的時(shí)候也是同樣的方式，輪回地閃爍，當(dāng)你要選擇的物體亮起的時(shí)候，腦電信號仍然是有區(qū)別的，我們通過分類器可以把信號區(qū)別出來。這個(gè)是驅(qū)動機(jī)器人的行走，機(jī)器人行走有這么多個(gè)方向，中間的符號是讓機(jī)器人去取這個(gè)東西。經(jīng)過這樣的訓(xùn)練，這是訓(xùn)練的過程，然后就可以驅(qū)動這個(gè)機(jī)器人運(yùn)動。
這個(gè)工作就是腦電信號來告訴他要取什么。走了幾步以后還沒有到的話就要繼續(xù)走。剛才我們講因?yàn)橐h(huán)很多次，所以時(shí)間比較長。走到這個(gè)地方以后再去選擇拐彎的信號，通過腦電識別，然后它就可以轉(zhuǎn)身，然后走向要取的物體方向，走路的過程就是腦電在驅(qū)動。走到這個(gè)地方以后，應(yīng)該擺出東西，通過剛才介紹的圖像識別的方式去認(rèn)出那個(gè)東西，但是后面我們還沒有做到那一步，所以只能這一步先到這兒。
腦電信號分析是腦機(jī)接口的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，它可以提供一種直接的人機(jī)交互方式，這一方式是依靠人的腦波信號，把它識別翻譯成對機(jī)器的指令，腦電識別和腦機(jī)交互將會對人機(jī)交互方式產(chǎn)生革命性的影響。腦電信號分析是人工智能研究的一個(gè)重要部分，通過腦電識別，可以為我們探索人腦，發(fā)現(xiàn)感知認(rèn)知機(jī)理，解明邏輯推理過程，提供有效的人工智能研究手段和技術(shù)途徑，二十一世紀(jì)是腦電識別和腦機(jī)交互的世紀(jì)。這是我們團(tuán)隊(duì)部分腦電方面的研究成員照片。
以上就是我的報(bào)告，謝謝大家的聆聽。
本次論壇由清華校友人工智能聯(lián)盟、清華靈云人工智能研究中心、北京捷通華聲科技股份有限公司等承辦。
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本文內(nèi)容選自清華大學(xué)電子工程系王生進(jìn)教授于本屆論壇上所做的題為《腦電識別與腦機(jī)交互》的演講。他認(rèn)為人類正處于人工智能的啟蒙階段，腦機(jī)交互，是人機(jī)交互的重要方向。探索人腦，發(fā)現(xiàn)感知認(rèn)知機(jī)理，解明推理決策過程，實(shí)現(xiàn)自我意識。演講全文如下：
剛才張?jiān)菏吭谌斯ぶ悄芊矫娼榻B了非常多非常好的內(nèi)容。人工智能是一門研究模擬人腦智能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器智能的一門科學(xué)，它是讓機(jī)器既能代替人類做繁重繁瑣的蠻力計(jì)算（工作），又能使得機(jī)器獨(dú)立思考，甚至在某些功能上能夠超越人類。通過信號識別（圖像、語音、腦電波等）、邏輯判斷、自然語言處理，感知和反饋，體現(xiàn)人工智能的含義。我們?nèi)祟愓幱谌斯ぶ悄艿膯⒚呻A段，探索人腦，發(fā)現(xiàn)感知認(rèn)知機(jī)理，解明推理決策過程，實(shí)現(xiàn)自我意識，也是我們?nèi)斯ぶ悄芪磥硌芯康闹匾矫妗?
下面介紹一下關(guān)于腦電識別和腦機(jī)交互的相關(guān)情況。從世界范圍內(nèi)來說，關(guān)于人腦和類腦的研究已經(jīng)引起了相當(dāng)?shù)闹匾�，《科學(xué)》雜志2013年的時(shí)候提出了6個(gè)值得關(guān)注的科學(xué)領(lǐng)域，其中之一就是人腦連接組計(jì)劃。這個(gè)計(jì)劃主要目的是希望能夠使用不同的人腦分析技術(shù)，來研究活體人腦功能。另外歐盟啟動人腦工程項(xiàng)目，歐盟在2013年的時(shí)候宣布“未來和新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”，其中兩個(gè)項(xiàng)目入選了，石墨烯和人腦工程。人腦工程，希望能夠用計(jì)算機(jī)模擬的方法來研究人類大腦是如何工作的，這個(gè)研究有望促進(jìn)人工智能、機(jī)器人和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展。
奧巴馬政府宣布了一項(xiàng)致力于對人腦進(jìn)行繪圖的研究計(jì)劃。他們?nèi)咚Ｍ哪康氖遣灰粯拥模琋IH（美國國家衛(wèi)生研究院）希望這個(gè)項(xiàng)目能夠讓研究人員探索腦細(xì)胞間的協(xié)作方式，對于治愈老年癡呆癥等一些其他的疾病能夠提供幫助。DARPA（國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局）希望能夠開發(fā)出記錄和分析腦功能的方法，未來能夠?qū)υ庥瞿X損傷及創(chuàng)傷后壓力的軍人提供治療。NSF（美國國家科學(xué)基金會）則希望了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作模式，并借此開發(fā)出能夠處理海量信息的數(shù)據(jù)處理模型，就是模擬人腦。剛才張?jiān)菏恳蔡岬�，利用人腦處理數(shù)據(jù)非�？�，它希望能夠解決這樣一個(gè)工作機(jī)理。二十一世紀(jì)是腦科學(xué)與人工智能相結(jié)合的世紀(jì)�，F(xiàn)在各國政府都已經(jīng)在這方面投入了很大的人力和財(cái)力來從事這方面的研究，都將其列為未來研究的重大課題。
目前的研究情況。從腦功能的研究上來說，研究手段上分為三大類：一，侵入式，就是把電極植入到腦內(nèi)，來形成皮質(zhì)腦電圖（ECoG)）。第二，非侵入式，這鐘侵入式需要很龐大的設(shè)備，比如說MEG（腦磁信號）設(shè)備，這個(gè)設(shè)備體量是非常大的。還有一種非侵入式，就是利用腦電信號（EEG），EEG信號的特點(diǎn)是設(shè)備非常小，可以做成一個(gè)便攜式裝置，甚至非常便宜，實(shí)用性很好。它應(yīng)該是未來腦機(jī)交互的一個(gè)應(yīng)用的趨勢，它的工作原理主要是視覺驅(qū)動電勢，我們通常叫VEP和ERP。
腦電信號（EEG）直接反映人腦活動和認(rèn)知特性，可以做情緒的監(jiān)測、疾病的檢測、腦機(jī)的交互。在應(yīng)用領(lǐng)域和前景上是非常廣闊的，比如說在人工智能領(lǐng)域，它可以探索人腦活動和認(rèn)知規(guī)律，在腦機(jī)交互上也可以幫助殘疾人來控制輪椅等設(shè)備，目標(biāo)檢測上可以借助腦電信號提高目標(biāo)檢測的性能。在情緒監(jiān)測上可以感知工作狀態(tài)、壓力和焦慮等等。另外就是在一些EEG研究上，利用EEG和對視覺的刺激上，可以研究人對視覺感知的特點(diǎn)，來啟發(fā)視覺研究等等。應(yīng)用的前景非常好。
目前主要的問題：
1、腦電信號的識別性能非常低。因?yàn)槲覀冎滥X電信號信噪比是非常低的，因此準(zhǔn)確率很難達(dá)到像剛才張?jiān)菏刻岬降娜四樆蛘哓埬樧R別的準(zhǔn)確率。因此它的準(zhǔn)確率和它的計(jì)算復(fù)雜度都難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求（目前的情況）。比如說需要15個(gè)循環(huán)識別才能達(dá)到97%的準(zhǔn)確率。
2、現(xiàn)有方法針對腦電信號多通道、強(qiáng)噪聲特點(diǎn)，有效降噪方法和分類理論尚不完善 。
3、現(xiàn)有分類模型從理論上解決通道鑒別性分析和相關(guān)通道選擇問題的思路尚不十分有效。
4、現(xiàn)有腦機(jī)接口系統(tǒng)模式單一（范式還比較單一），我后面會介紹幾個(gè)比較典型的范式，訓(xùn)練的過程也是相對比較復(fù)雜，離實(shí)用還差得比較遠(yuǎn)，但是作為研究來說，還是十分具有研究價(jià)值的方向。
科學(xué)問題和亟需要突破的技術(shù)。針對我前面提到的問題，我們提出三項(xiàng)需要解決的科學(xué)問題：
1、在這個(gè)研究當(dāng)中需要發(fā)現(xiàn)新的視覺驅(qū)動與腦電信號的相關(guān)性。就是低信噪比腦電信號下的高準(zhǔn)確識別理論。
2、尋找和探索更有效的基于思維的腦機(jī)交互范式。
3、基于人的視覺感知機(jī)理的計(jì)算模型，希望通過腦電的信號處理和腦機(jī)交互的方式，能夠發(fā)現(xiàn)和探索這樣的計(jì)算模型。
對于這三個(gè)科學(xué)問題需要解決的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)如下：
1、低信噪比腦電信號高準(zhǔn)確率識別方法。
2、面向多種范式的思維腦控技術(shù)。重點(diǎn)研究就是VEP，現(xiàn)在一個(gè)比較有效的就是SSVEP，這是清華生醫(yī)提出來的。還有運(yùn)動想象腦控技術(shù)和方法，以及更多的范式的研究，希望能夠發(fā)現(xiàn)。
3、基于腦電信號的有效視覺特性分析。我通過給你看什么東西，人類會有什么樣的反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)通過腦電的識別，我能夠發(fā)現(xiàn)這種反應(yīng)，把這種特點(diǎn)找到，把這種規(guī)律找到，用于我們的人工智能研究。
對未來驅(qū)動我們是這樣看，腦電信號分析研究對本領(lǐng)域未來的推動：1、結(jié)合信號處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論，實(shí)行強(qiáng)干擾、極低信噪比下的高準(zhǔn)確度腦電信號識別理論。2、利用VEP、ERP范式，探索和掌握通用環(huán)境下穩(wěn)定、魯棒的基于思維腦電的腦機(jī)接口方法。3、通過探索人腦視覺感知的工作機(jī)理，改進(jìn)視覺認(rèn)知計(jì)算模型，啟發(fā)人工智能與計(jì)算機(jī)視覺研究和發(fā)展。
我們這個(gè)組在腦電信號識別和腦機(jī)交互方面做的成果。我們聚焦的傳感器不是像剛才戴的這種電極帽的形式，電極帽的形式在科學(xué)研究里面適用，電極帽的通道非常多（64導(dǎo)或者128導(dǎo)），但是我們考慮到今后能夠真正用到普通的生活當(dāng)中，電極帽的方式不是很方便，我們希望能夠有一個(gè)非常簡便的儀器，我們聚焦的是干電極式腦電信號以及腦機(jī)交互的研究。我們建立這樣一個(gè)研究室，也收集了很多的腦電信號。首先在這個(gè)領(lǐng)域，第一個(gè)要解決的問題就是低信噪比問題，因?yàn)槟X電信號信噪非常差，怎么樣通過降噪、預(yù)處理等等，能夠把噪聲抑制掉，能夠把真正的腦電信號提取出來，是關(guān)鍵課題。這樣我們才能進(jìn)行后面的腦電識別。我們做了一些相關(guān)的工作，這是第一個(gè)，就是降噪、信號處理。
這完全是通過腦電來控制機(jī)器人。這是現(xiàn)場腦電信號，我們從里面去分析腦電信號的作用。訓(xùn)練過程我們要讓腦電系統(tǒng)能夠知道我要選擇哪個(gè)東西，這個(gè)是通過視覺，同樣，這個(gè)用的還是P300的模式，就是你選這個(gè)物體，當(dāng)它亮起的時(shí)候，你的腦電信號和暗下去時(shí)的腦電信號是不一樣的，當(dāng)它亮起的時(shí)候，我們這個(gè)時(shí)候可以識別出它的信號，這個(gè)時(shí)候我們知道你選的是這樣一個(gè)杯子，由于信號非常低，至少要進(jìn)行15次的循環(huán)才能達(dá)到97%的準(zhǔn)確率。測試的時(shí)候也是同樣的方式，輪回地閃爍，當(dāng)你要選擇的物體亮起的時(shí)候，腦電信號仍然是有區(qū)別的，我們通過分類器可以把信號區(qū)別出來。這個(gè)是驅(qū)動機(jī)器人的行走，機(jī)器人行走有這么多個(gè)方向，中間的符號是讓機(jī)器人去取這個(gè)東西。經(jīng)過這樣的訓(xùn)練，這是訓(xùn)練的過程，然后就可以驅(qū)動這個(gè)機(jī)器人運(yùn)動。
以上就是我的報(bào)告，謝謝大家的聆聽。
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