文合肥市第七中學(xué)李云昊朱奇

大腦能“開鎖”
——如何實(shí)現(xiàn)安卓手機(jī)的腦控屏幕解鎖

文合肥市第七中學(xué)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(jī)交互。在醫(yī)學(xué)上，腦電波信號的人機(jī)交互可以幫助殘疾人與使用腦電波的機(jī)器進(jìn)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(yīng)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(dāng)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(shí)現(xiàn)人腦“意念”對安卓手機(jī)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(yīng)的數(shù)字信號，打成數(shù)據(jù)包，直接通過藍(lán)牙傳送給手機(jī)，手機(jī)基于腦電信號專注度的解鎖算法，通過程序?qū)崿F(xiàn)手機(jī)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(jī)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(biāo)志，第[32]個字節(jié)0X32是專注度值。本文重點(diǎn)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(lán)牙傳遞到電腦時，可使用Mindview和Xcom實(shí)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(jìn)行原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理。針對Xcom采集的十六進(jìn)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(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)

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(jì)分析專注度的變化特點(diǎn)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(jìn)行了腦電波分析實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jī)解鎖方法

通過對腦電信號專注度實(shí)驗(yàn)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(dāng)專注度A能達(dá)到或超過b，即落在（b，100）區(qū)間時，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)解鎖，否則無法實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

腦電信號專注度A分布與手機(jī)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(jī)解鎖概率不斷降低。

閾值法具有實(shí)現(xiàn)簡單、保密性較好的特點(diǎn)。當(dāng)設(shè)定了與手機(jī)主人專注度相匹配的閾值后，只有手機(jī)主人和與手機(jī)主人相似的專注度才可以實(shí)現(xiàn)解鎖。手機(jī)主人可通過訓(xùn)練不斷提高自己的專注度，進(jìn)而設(shè)置較高閾值，提高手機(jī)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(dāng)用戶腦電信號專注度落在區(qū)間（a，b）內(nèi)時，才可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)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(yù)設(shè)專注度區(qū)間閾值為（50，60），則手機(jī)在該區(qū)間內(nèi)的解鎖概率

區(qū)域法適合大多數(shù)人實(shí)現(xiàn)腦控手機(jī)解鎖。

七、安卓手機(jī)屏幕解鎖程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.總體構(gòu)架

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

藍(lán)牙通信模塊主要實(shí)現(xiàn)手機(jī)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(lán)牙實(shí)現(xiàn)腦電頭帶的搜索和鏈接，實(shí)現(xiàn)實(shí)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(jī)解鎖的專注度閾值。

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

2.運(yùn)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(shí)現(xiàn)了通過“意念”實(shí)現(xiàn)安卓手機(jī)的屏幕解鎖，為特殊人群或特殊目的實(shí)現(xiàn)手機(jī)操作提供了方法思路，為進(jìn)一步深入開展腦電控制的相關(guān)研究及應(yīng)用提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。