基于TTS技術(shù)和腦電采集設備的精神疲勞實(shí)驗系統設計

摘要：在精神疲勞研究中，能客觀(guān)地反映精神疲勞狀態(tài)的實(shí)驗系統是研究的基礎。本文基于語(yǔ)音合成技術(shù)TTS，結合腦電采集設備，利用Micmsoft Speech SDK語(yǔ)音開(kāi)發(fā)包、TTS引擎和微軟MFC基礎類(lèi)庫，在VC++環(huán)境下設計并實(shí)現了精神疲勞實(shí)驗系統。實(shí)驗結果表明，將TTS技術(shù)應用于精神疲勞實(shí)驗系統，大大提高了實(shí)驗的靈活性，能實(shí)現疲勞狀態(tài)的準確標定。
關(guān)鍵詞：TTS；腦電信號；VC開(kāi)發(fā)環(huán)境；精神疲勞狀態(tài)標定；Microsoft Speech SDK

精神疲勞是現代社會(huì )中的重要問(wèn)題，嚴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)監控、高風(fēng)險作業(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(lái)，精神疲勞的測定經(jīng)歷了生理生化法、主觀(guān)評定法、生理反應測定法等方法。這些傳統方法因有很大的局限性而很難做到客觀(guān)和定量化。隨著(zhù)現代電子技術(shù)和醫學(xué)信號檢測與處理技術(shù)的發(fā)展，基于生理參數信號(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(lái)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(guò)不同的精神疲勞實(shí)驗來(lái)產(chǎn)生，并對相應的精神疲勞狀態(tài)進(jìn)行量化標定。其中，讓受試者進(jìn)行某種作業(yè)，通過(guò)統計每次的完成時(shí)間或成功率來(lái)對受試者的疲勞狀態(tài)進(jìn)行標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CRT顯示的兩個(gè)三位數做加法，根據其完成時(shí)間和正確率給出疲勞狀態(tài)的標定，該方法中，受試者對計算機給出的操作命令需要經(jīng)過(guò)一定的心算或者判斷過(guò)程來(lái)完成。文獻中通過(guò)聽(tīng)覺(jué)操作命令為實(shí)驗任務(wù)的方法，在按一定時(shí)間間隔播放的聲音序列中，隨機插入動(dòng)作命令集合(上下左右)中的某一個(gè)，受試者聽(tīng)到聲音命令后按下鍵盤(pán)上預先設定好的鍵，依據受試者操作正確率來(lái)標定其疲勞狀態(tài)。隨著(zhù)實(shí)驗進(jìn)行受試者精神達到一定疲勞狀態(tài)，由于操作命令相對簡(jiǎn)單，這種情況下，依照操作正確率標定的疲勞狀態(tài)不能準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)應用到精神疲勞實(shí)驗系統中，嘗試通過(guò)控制大腦認知問(wèn)題的難度來(lái)提高精神疲勞實(shí)驗的可控性，為后續精神疲勞的研究提供更可信有效的數據。

1 實(shí)驗系統總體設計
1．1 實(shí)驗系統總體設計思路
TTS技術(shù)，又稱(chēng)文語(yǔ)轉換技術(shù)，它是將計算機自己產(chǎn)生的或外部輸入的文字信息轉換為能被人理解的、流利的語(yǔ)言輸出的技術(shù)。Microso ft Speech SDK 5．1全面支持中文語(yǔ)音應用程序的開(kāi)發(fā)。SDK中的底層協(xié)議都以COM組件的形式完全獨立于應用程序層，語(yǔ)音相關(guān)的工作由COM組件來(lái)完成，程序員只需根據應用程序的需要調用相關(guān)的語(yǔ)音應用程序接口(SAPI)就可以實(shí)現語(yǔ)音功能。通過(guò)編制相應的軟件程序，調用Microsoft Speech SDK 5．1的動(dòng)態(tài)鏈接庫，利用系統中安裝的TTS引擎將精神疲勞實(shí)驗中隨機生成的一個(gè)等式判斷命令語(yǔ)句由文本轉換為語(yǔ)音讀出來(lái)，受試者以聽(tīng)覺(jué)判斷命令為實(shí)驗任務(wù)，同時(shí)由腦電采集設備采集腦電信號，然后根據受試者完成作業(yè)的質(zhì)量對相應腦電信號數據進(jìn)行疲勞狀態(tài)的定量標定。
基于TTS技術(shù)和腦電采集設備的精神疲勞實(shí)驗系統的總體設計流程如圖1所示。

1．2 硬件配置及開(kāi)發(fā)環(huán)境
硬件配置條件：
1)計算機
實(shí)驗用標準配置計算機一臺，另有耳塞式耳機或音箱。
2)腦電信號采集設備
腦電信號的采集要通過(guò)專(zhuān)用的儀器設備完成，以實(shí)現安全、有效、可靠的獲取人的腦電信號數據供進(jìn)一步的分析處理。腦電采集設備種類(lèi)繁多，文中使用由g．tec公司生產(chǎn)的g．USBamp信號放大采集設備，電極位置按照國際10—20標準導聯(lián)系統的電極安放，詳細電極位置見(jiàn)文獻。
開(kāi)發(fā)環(huán)境配置條件：
軟件運行環(huán)境為Win7系統，安裝有Microsoft Simplified Chinese語(yǔ)音引擎，開(kāi)發(fā)工具為VC6．0。

2 實(shí)驗系統各模塊設計與實(shí)現
本實(shí)驗系統的目的是完成標定有相應精神疲勞狀態(tài)的腦電信號數據的采集存儲，實(shí)驗系統主要包括兩個(gè)部分：腦電采集和聽(tīng)警覺(jué)作業(yè)。
腦電采集是通過(guò)腦電采集設備完成對受試者腦電信號的采集，聽(tīng)警覺(jué)作業(yè)是讓受試者對聽(tīng)到的判斷命令進(jìn)行判斷選擇，同時(shí)系統會(huì )記下受試者每次選擇判斷的時(shí)間和正誤，最后依據作業(yè)完成質(zhì)量對疲勞狀態(tài)進(jìn)行量化標定。實(shí)驗首先進(jìn)行腦電信號的采集，在腦電信號開(kāi)始采集的初始階段，只采集受試者的腦電信號，直到聽(tīng)警覺(jué)作業(yè)開(kāi)始的同時(shí)才進(jìn)行腦電數據的存儲。這樣即丟棄了開(kāi)始采集腦電信號時(shí)因設備不穩定而獲取的不準確數據，同時(shí)保證了存儲下來(lái)的數據是受試者在作業(yè)過(guò)程中的腦電信號數據。這兩部分工作分別由2個(gè)線(xiàn)程來(lái)完成。