基于TTS技術(shù)和腦電采集設(shè)備的精神疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)驗(yàn)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了精神疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將TTS技術(shù)應(yīng)用于精神疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，大大提高了實(shí)驗(yàn)的靈活性，能實(shí)現(xiàn)疲勞狀態(tài)的準(zhǔn)確標(biāo)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(biāo)定；Microsoft Speech SDK

精神疲勞是現(xiàn)代社會中的重要問題，嚴(yán)重影響了人們的生命和健康。在交通駕駛、航天航空、實(shí)時(shí)監(jiān)控、高風(fēng)險(xiǎn)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(jià)就顯得非常必要。
自對疲勞進(jìn)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(shí)驗(yàn)來產(chǎn)生，并對相應(yīng)的精神疲勞狀態(tài)進(jìn)行量化標(biāo)定。其中，讓受試者進(jìn)行某種作業(yè)，通過統(tǒng)計(jì)每次的完成時(shí)間或成功率來對受試者的疲勞狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)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(shí)間和正確率給出疲勞狀態(tài)的標(biāo)定，該方法中，受試者對計(jì)算機(jī)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(xiàn)中通過聽覺操作命令為實(shí)驗(yàn)任務(wù)的方法，在按一定時(shí)間間隔播放的聲音序列中，隨機(jī)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(biāo)定其疲勞狀態(tài)。隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行受試者精神達(dá)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(biāo)定的疲勞狀態(tài)不能準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，嘗試通過控制大腦認(rèn)知問題的難度來提高精神疲勞實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1．1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路
TTS技術(shù)，又稱文語轉(zhuǎn)換技術(shù)，它是將計(jì)算機(jī)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(dú)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(shí)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(shí)驗(yàn)中隨機(jī)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(shí)驗(yàn)任務(wù)，同時(shí)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(jìn)行疲勞狀態(tài)的定量標(biāo)定。
基于TTS技術(shù)和腦電采集設(shè)備的精神疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)
實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)配置計(jì)算機(jī)一臺，另有耳塞式耳機(jī)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(shí)現(xiàn)安全、有效、可靠的獲取人的腦電信號數(shù)據(jù)供進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)的電極安放，詳細(xì)電極位置見文獻(xiàn)。
開發(fā)環(huán)境配置條件：
軟件運(yùn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的目的是完成標(biāo)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行判斷選擇，同時(shí)系統(tǒng)會記下受試者每次選擇判斷的時(shí)間和正誤，最后依據(jù)作業(yè)完成質(zhì)量對疲勞狀態(tài)進(jìn)行量化標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)首先進(jìn)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(shí)才進(jìn)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(shí)因設(shè)備不穩(wěn)定而獲取的不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，同時(shí)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。