基于脑电信号的音色合成装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物医学工程领域，具体地，涉及一种基于脑电信号的音色合成装置。
【背景技术】
[0002] 现有的生物反馈系统通常进行以下操作：1、测量某种生理信号，例如心电、脑电、 肌电等，并提取其中与某些特定生理心理活动有关的特征；2、将这些特征或者它们的变动 性映射为某种视觉、听觉或者触觉刺激；3、用户接受刺激后通常会做出反应，将自己的心理 和生理状态调整到某个状态。在这类系统中，生理信号特征提取和映射算法是十分关键的 技术。
[0003] 对于将脑电（EEG)信号转换为特定声音的方案主要有以下一些。
[0004] 将脑电信号直接音频翻译。具体地，将脑电信号的波形视为声波进行播放。但是， 因为脑电信号的主要频率在30Hz以下，十分接近或低于人耳的听阈（20-20KHZ)，因此需要 在频域乘上合适的系数，将其频率提高到人类可以听到的范围。
[0005] 将脑电信号的参数映射为声音的参数。这种方法利用脑电信号的原始值或者特征 参数来控制声音或音乐合成的参数。一些方法中，首先利用单道脑波信号参数与音乐参数 的映射，得到单道音乐，然后通过节拍滤波、调式滤波等步骤得到多声部合奏音乐。一些方 法中，将脑电特定参数映射为声音的音高。一些方法中，用不同通道、不同频段的脑电信号 能量调制出来不同的音符的能量，以产生音乐。例如，采用三个通道的脑电信号（CZC3C4)， 每个通道的脑电信号采用数字滤波器滤成多个频段。对于低频段的成分，首先计算波形的 峰值，然后计算每一个峰值与之前的谷值的差值。两个相邻峰值的时间间隔的倒数被定义 为"实时频率"。对于高频段的成分，求其实时功率。该例中所使用的MIDI序列器包含11 种声音。其中声音1对应最低频段的成分，其幅度调制音高。声音2到7对应左右两边电 极（C3、C4)的中频段的成分，实时频率调制音高，峰值调制速度。声音8到11对应左右两 边电极（C3、C4)高频段成分，实时功率调制音高。一些方法中，提出了根据自发脑电信号的 幅度、相位等变化调节音乐的和弦等，以调节音乐的风格（flavor)。
[0006] 通过脑电信号调制声音出现频率。一些方法中，采用重复视觉刺激，根据诱发产生 的脑电电位调节啪嗒声出现的频率，此频率在4到20次每秒间变化。一些方法中，根据某 一频段脑电信号的特征生成等时间间隔的信号作为反馈。
[0007] 现有的上述基于脑电信号的声音合成方法和装置都试图将包含某些特定生理信 息的脑电信号转化为声音，作为反馈信息向用户播放。但是，其所生成的声音非常不悦耳， 甚至更接近杂乱的噪声。用户如果长期倾听这样的声音，容易感到疲劳和烦躁。
【发明内容】
[0008] 为了至少部分地解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种基于脑电 信号的音色合成装置，包括：
[0009] 刺激设备，配置为生成针对用户的、预定频率的刺激信号；
[0010] 脑电采集设备，配置为采集所述用户接收所述刺激信号后所生成的脑电信号并将 所采集的脑电信号进行模数转换；
[0011] 处理器，配置为获得经模数转换的脑电信号中稳态诱发响应的基频和谐波幅度， 并根据所述基频和所述谐波幅度计算基频和谐波幅度比；以及
[0012] 合成设备，配置为根据所述基频和谐波幅度比来合成音色。
[0013] 可选地，所述刺激设备是视觉刺激设备、听觉刺激设备和/或触觉刺激设备。
[0014] 可选地，所述处理器进一步包括数字滤波器，其配置为对所述经模数转换的脑电 信号进行滤波。可选地，所述数字滤波器进一步配置为利用典型相关分析方法对所述经模 数转换的脑电信号进行空间滤波。
[0015] 可选地，所述处理器进一步配置为利用直接频谱分析方法获得所述经模数转换的 脑电信号中稳态诱发响应的基频和谐波幅度。其中，所述直接频谱分析方法可以包括快速 傅里叶变换方法。
[0016] 可选地，所述处理器进一步配置为利用间接频谱分析方法获得所述经模数转换的 脑电信号中稳态诱发响应的基频和谐波幅度。其中，所述间接频谱分析方法可以包括利用 回声状态网络的方法。
[0017] 可选地，所述脑电采集设备进一步包括滤波电路，其配置为对所采集的脑电信号 进行滤波。可选地，所述脑电采集设备进一步包括放大器，其配置为对所采集的脑电信号进 行放大。
[0018] 可选地，上述基于脑电信号的音色合成装置还包括：播放器，配置为根据所述音色 播放声音。
[0019] 本发明提出的上述基于脑电信号的音色合成装置可以播放任意声音，例如用户自 己喜欢的音乐。相对于现有的装置，该装置不会破坏原有声音的音乐性，总之，有效提升了 用户体验。
[0020] 在
【发明内容】
中引入了一系列简化形式的概念，这将在【具体实施方式】部分中进一步 详细说明。本
【发明内容】
部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和 必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
[0021] 以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。
【附图说明】
[0022] 本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发 明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
[0023] 图1是根据本发明一个具体实施例的基于脑电信号的音色合成装置的示意性框 图。
【具体实施方式】
[0024] 在下文的描述中，提供了大量的细节以便能够彻底地理解本发明。然而，本领域技 术人员可以了解，如下描述仅涉及本发明的较佳实施例，本发明可以无需一个或多个这样 的细节而得以实施。此外，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未 进行描述。
[0025] 脑电信号是通过放置在人头皮表面的电极采集到的生物电位，该信号通常十分微 弱。脑电信号能够反映大脑的电活动情况。脑电信号包含许多成分。根据频率的不同，可 将脑电信号分为alpha频段（8-15Hz)，beta频段（16-31H Z)，Gamma频段（32Hz以上）等几 个成分。根据脑电诱发方式的不同，可将其分为自发脑电信号、事件相关电位、稳态诱发电 位等。其中稳态诱发电位通常由指定频率的刺激诱发。稳态诱发电位通常具有较为稳定的 频率特征，如稳态视觉诱发电位（SSVEP)响应通常会包含与刺激频率相同频率的基频信号 和若干次谐波信号。每个个体的稳态视觉诱发响应的基频和谐波的能量比一般都不同，且 它们的能量会受到不同生理或心理状态的调制。
[0026] 音色（timbre)是指声音的感觉特性。不同乐器或者人具有不同音色。音色的不同 取决于不同的泛音，每一种乐器、不同的人以及所有能发声的物体发出的声音，除了一个基 音外，还有许多不同频率（振动的速度）的泛音伴随，正是这些泛音决定了其不同的音色。 泛音是基音的整数倍频的谐波。通过调节谐波的能量及其比例，就可以产生各种不同的音 色。现代电子技术的发展，使得人们几乎可以任意生成各种不同音色。许多专门的音乐合 成器或软件都可以合成音色，并且利用特定音色演奏音乐。
[0027] 本发明所提供的装置主要根据脑电信号合成期望的音色。用户可以根据自己的喜 好选择声音，例如音乐。电子乐器或专门的软件可以用该音色播放任意乐曲。
[0028] 图1示出了根据本发明一个具体实施例的基于脑电信号的音色合成装置100。如 图1所示，该基于脑电信号的音色合成装置100包括刺激设备110、脑电采集设备120、处理 器130和合成设备140。
[0029] 刺激设备110配置为生成针对用户的、预定频率的刺激信号。预定频率的刺激信 号可以使接收该刺激信号的用户的脑电中产生稳态诱发响应。其中，刺激信号的频率可以 是提前任意指定的。
[0030] 该刺激设备110可以是视觉刺激设备，例如显示器或者LED灯。可以用计算机控 制显示器按照某一特定频率闪烁。或者，可以用单片机或嵌入式系统控制LED灯按照某一 特定频率闪烁。
[0031] 该刺激设备110也可以是听觉刺激装置，例如扬声器。可以用计算机、嵌入式系统 或者单片机控制扬声器发出按照某一特定频率幅度调制的正弦信号。
[0032] 该刺激设备110还可以是触觉刺激装置，例如振动器。可以用计算机、嵌入式系统 或者单片机控制振动器按照某一特定频率振动。
[0033] 视觉刺激设备、听觉刺激设备和触觉刺激设备实现简单，能够有效刺激用户。本领 域普通技术人员可以理解，可以同时使用多个刺激设备来进行组合刺激，其中各个刺激设 备所生成的刺激信号的频率不同，以获得合适的脑电信号。
[0034] 脑电采集设备120配置为采集用户接收刺激信号后所生成的脑电信号并将所采 集的脑电信号进行模数转换。
[0035] 用户接收刺激设备110生成的预定频率的刺激信号后，会在脑电信号中产生相应 的稳态诱发响应。脑电采集设备可以包括各种电极，以采集该脑电信号。在采集脑电信号 时，将电极安放在用户头部的合适位置，例如，与头皮紧密接触，以准确采集用户的脑电信 号。优选地，脑电采集单元包括非侵入式干电极。非侵入式干电极采用微针技术、超高输入 阻抗放大器以及光电传感技术。相对于传统脑电采集电极，非侵入式干电极摆脱了对导电 介质的依赖性，使用方便、便携、灵敏度高、不易受环境制约，从而保证所采集脑电信号准确