文合肥市第七中學李云昊朱奇

大腦能“開鎖”
——如何實現(xiàn)安卓手機的腦控屏幕解鎖

文合肥市第七中學李云昊朱奇

我們的大腦無時無刻不在產(chǎn)生腦電波。腦電波信號現(xiàn)今已被作為生物信號輸入用于人機交互。在醫(yī)學上，腦電波信號的人機交互可以幫助殘疾人與使用腦電波的機器進行通信。

Neumskv神念科技公司開發(fā)的ThinkGear AM模塊（簡稱TGAM）是一款非常受歡迎的腦電技術(shù)應用模塊，它利用一個干式電極就可以從人腦中檢測到微弱的腦電信號。通過該模塊可獲取腦電信號的Delta波、Theta波、LowAlpha波、High Alpha波、Low Beta波、High Beta波、Low Gamma波和High Gamma波，同時獲得神念科技公司的eSense參數(shù)：專注度和放松度。其中“專注度”輸出頻率為1Hz，取值范圍為0～100，表示被測試者當前對某一事物的投入專注（興趣）的程度，注意力越集中，專注度取值越大。

本文通過對腦電波信號專注度的采集、處理、分析，研究算法、編寫程序，實現(xiàn)人腦“意念”對安卓手機屏幕解鎖的控制。

一、總體方案

通過腦電頭帶，采集測試者在專注解鎖狀態(tài)下（集中注意力思考某一確定的密鑰圖片，如圖1所示）的腦電信號，通過內(nèi)置的ADC轉(zhuǎn)換電路將腦電波的模擬信號轉(zhuǎn)化為相對應的數(shù)字信號，打成數(shù)據(jù)包，直接通過藍牙傳送給手機，手機基于腦電信號專注度的解鎖算法，通過程序?qū)崿F(xiàn)手機解鎖?？傮w方案如圖2所示。

圖1測試者的專注解鎖狀態(tài)

圖2腦電信號手機解鎖的總體方案

二、腦電信號數(shù)據(jù)流的基本格式

腦電信號采集模塊TGAM每秒發(fā)送513個數(shù)據(jù)包，其中前512個包是小包，第513個包是大包。大包的格式如表1所示。

表1大包數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示例

其中第[31]個字節(jié)0X04是專注度開始的標志，第[32]個字節(jié)0X32是專注度值。本文重點研究專注度的變化規(guī)律。

三、腦電信號專注度的采集方法

腦電頭套將腦電信號通過藍牙傳遞到電腦時，可使用Mindview和Xcom實現(xiàn)腦電信號的采集。Mindview采集的腦電數(shù)據(jù)圖像用于腦電信號的定性分析，Xcom采集的腦電數(shù)據(jù)用于腦電信號的定量研究。

四、腦電信號專注度的分析方法

首先進行原始數(shù)據(jù)的預處理。針對Xcom采集的十六進制原始數(shù)據(jù)文件，依據(jù)專注度所在的第513個包的頭字節(jié)特征（AA AA 20 02 C8 83 18），找出所有第513個包及專注度。

其次，統(tǒng)計分析專注度的變化規(guī)律。選取最能反映測試者腦電信號特征的典型數(shù)據(jù)作為研究對象，統(tǒng)計分析專注度的均值、方差、最大值、最小值等，繪制專注度變化曲線及專注度分布柱狀圖。

五、腦電信號專注度分析實驗

通過MindView和Xcom采集志愿者在專注解鎖狀態(tài)下的腦電信號，統(tǒng)計分析專注度的變化特點和規(guī)律，研究腦電解鎖的方法。本文將19名志愿者分為兩組進行了腦電波分析實驗。通過實驗得到以下結(jié)論。

結(jié)論一：專注解鎖狀態(tài)下，注意力越集中，專注度取值越高。

結(jié)論二：專注解鎖狀態(tài)下的專注度均值（μ）為57.2、均方差（σ）為17.6，專注度分布如圖3所示。

圖3專注度分布柱狀圖

結(jié)論三：根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論，專注解鎖狀態(tài)下腦電信號專注度A的分布近似服從正態(tài)分布，專注度A的分布記作N（μ，σ2），且μ=57.2，σ=17.6。

六、基于腦電信號專注度的手機解鎖方法

通過對腦電信號專注度實驗數(shù)據(jù)的分析，本文提出閾值法和區(qū)域法兩種解鎖方法。

1.閾值法

首先給定解鎖閾值b，當專注度A能達到或超過b，即落在（b，100）區(qū)間時，可實現(xiàn)手機解鎖，否則無法實現(xiàn)，如圖4所示。

腦電信號專注度A分布與手機解鎖概率之間的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，隨著專注度的不斷提高，手機解鎖概率不斷降低。

閾值法具有實現(xiàn)簡單、保密性較好的特點。當設(shè)定了與手機主人專注度相匹配的閾值后，只有手機主人和與手機主人相似的專注度才可以實現(xiàn)解鎖。手機主人可通過訓練不斷提高自己的專注度，進而設(shè)置較高閾值，提高手機解鎖的難度和安全性。

圖4閾值法原理示意圖

圖5專注度分布曲線與專注度識別概率曲線

2.區(qū)域法

區(qū)域法即通過設(shè)定區(qū)間（a，b），只有當用戶腦電信號專注度落在區(qū)間（a，b）內(nèi)時，才可以實現(xiàn)手機解鎖，如圖6所示。

圖6區(qū)域法原理示意圖

例如，專注度服從正態(tài)分布N（57.2，17.62），假設(shè)預設(shè)專注度區(qū)間閾值為（50，60），則手機在該區(qū)間內(nèi)的解鎖概率

區(qū)域法適合大多數(shù)人實現(xiàn)腦控手機解鎖。

七、安卓手機屏幕解鎖程序的設(shè)計與實現(xiàn)

1.總體構(gòu)架

程序的設(shè)計主要包括藍牙通信、用戶接口和手機解鎖三個模塊，如圖7所示。

藍牙通信模塊主要實現(xiàn)手機與腦電頭帶的通信，并獲取TGAM數(shù)據(jù)流中第513個包中的專注度。

圖7程序的功能結(jié)構(gòu)

用戶接口模塊主要通過藍牙實現(xiàn)腦電頭帶的搜索和鏈接，實現(xiàn)實時顯示采集到的專注度，清除屏幕顯示的專注度，更改、設(shè)置手機解鎖的專注度閾值。

手機解鎖模塊實現(xiàn)腦電波手機解鎖和手動解鎖，本文選用閾值法編寫腦電波手機解鎖程序。

2.運行流程

主流程如圖8所示。

圖8腦電解鎖程序的主流程圖

本文實現(xiàn)了通過“意念”實現(xiàn)安卓手機的屏幕解鎖，為特殊人群或特殊目的實現(xiàn)手機操作提供了方法思路，為進一步深入開展腦電控制的相關(guān)研究及應用提供了理論和實踐基礎(chǔ)。