Laboratorní úloha č. 9: Elektrookulogram ø

Transkript

1 Laboratorní úloha č. 9: Elektrookulogram Cíle úlohy: podstata a snímání EOG základní typy očních pohybů o volní a mimovolní fixace při sledování pohybujícího se objektu o skokové změny zaměření pohledu (sakadické pohyby při čtení) závislost mezi napětím a změnou úhlu pozorovaného objektu vyhodnocení prostorového pohybu očí o detekce změny o klasifikace místa bodu shluková analýza (k-means) Úvod: Elektrookulogram (EOG) zaznamenává rozdíl potenciálů mezi elektrodami umístěnými na kůži v blízkosti očí. Signál je generovaný pohybem očního bulbu a mění se vzdáleností rohovky od elektrod.. ~ mv ø Podstatou potenciálové změny je napěťový rozdíl mezi rohovkou a sítnicí. Při pohybu očního bulbu dojde ke změně potenciálu v jeho okolí Fixace: Jednou ze základních schopností okna je schopnost zaměřit se (zafixovat) na určitý předmět. Pokud je oko zafixováno na nějaký předmět, tak jeho obraz se promítá na sítnici do oblasti žluté skvrny (fovea). Okohybné svaly udržují obraz ve žluté skvrně, ať se zafixovaný předmět pohybuje nebo ne. Fixace mohou být volní (umožňují vůlí zaměřit pozornost na určitý předmět) i mimovolní (udržují zafixovaný objekt v zorném poli). Sakády jsou skokovité oční pohyby mezi řadou po sobě jdoucích fixací. Pozorujeme je při sledování rychlého pohybu nebo při čtení.

2 Pořízení biologických signálů:. Sledování pohybujícího se objektu: Sledovaným pomalu (do 3 stupňů za sekundu) pohybujícím se předmětem může být např. kyvadlo. Při napodobování sledování kyvadla oči nejsou schopny plynulého pohybu bez fixace na předmět. Elektrody jsou zapojeny bipolárně v horizontální rovině: + elektroda je u pravého oka elektroda je u levého oka zemnící elektroda je na čele. Čtení textu: Elektrody jsou umístěny jako v předchozím bodě bipolárně v horizontální rovině. Podzim na starém bělidle V okolí starého bělidla začínalo být smutno a ticho. Les byl světlejší, stráň žloutla, vítr a vlny odnášely chomáče starého listí bůh ví kam. Ozdoba sadu uschována byla v komoře. V zahrádce kvetla astra, měsíčky a umrlčí kvítky. a louce za splavem růžověly se naháčky a v noci prováděla tam světélka svoje rejdy. Když babička šla s dětmi na procházku, nezapomněli chlapci na papírové draky, které pak na vrchu pouštěli.

3 3. Změna napětí při úhlovém vychýlení oka: Elektrody jsou umístěny jako v předchozích bodech bipolárně v horizontální rovině a obrazovce se po jedné sekundě pohybuje křížek. Pohyb křížku je zleva doprava a zpět, přičemž vzdálenost mezi body se stále zvětšuje. Pro výpočet úhlu je zapotřebí znát maximální rozteč bodů a vzdálenost očí od projekce. + + Výchozí pozice sledovaného objektu Konečná pozice sledovaného objektu. Hodnocení prostorového pohybu očí: Signály pořídíme ve dvou fázích: učící a rozpoznávací. Pro snímání jsou použity horizontální i bipolární svody: + elektroda horizontálního svodu je u pravého oka + elektroda vertikálního svodu je nad pravým okem elektroda horizontálního svodu je u levého oka elektroda horizontálního svodu je pod pravým okem zemnící elektrody jsou na čele V učící fázi se postupně na projekci po jedné sekundě zobrazují referenční body v sekvenci: [,, 3,,, ]. V rozpoznávací fázi jsou na projekci postupně promítány body v sekvenci: [, 3,,,,,, 3,,, ]. Rozmístění bodů pro generování referenčního signálu v učící fázi. 3

4 Praktické úkoly: ) Analyzujte vlastní nebo vybrané signály EOG při sledování pohybujícího se předmětu: - vykreslete průběh EOG, označte úsek sledování předmětu a napodobování pohybu ) Analyzujte vlastní nebo vybraný signál EOG při čtení textu: - vykreslete průběh EOG do textu (přibližně) 3) Analyzujte vlastní nebo vybraný signál EOG sledující změnu napětí na úhlovém vychýlení oka: - detekujte jednotlivá vychýlení, spočtěte napětí špička-špička - generujte úhly vychýlení jednotlivých sekvencí projekce při záznamu EOG - porovnejte průběh napětí špička-špička s odpovídajícími úhly vychýlení ) Analyzujte vlastní nebo vybraný signál prostorového pohybu EOG: - detekujte změny polohy oka v trénovacích datech - rozpoznejte z EOG sekvenci čísel (bonusová úloha) Pozn.: Studenti zpracovávají signály odpovídající součtu číslic pořadového čísla (3 +3=) Teoretické úkoly: ) Definujte euklidovskou vzdálenost dvou bodů v n-dimenzionálním prostoru ) Kde všude a jakým způsobem se dá EOG využít? (v medicíně, v reklamě,...)

5 ápověda k úkolům: Vykreslení průběhu EOG při čtení do textu: - Uložte si text jako obrázek (print-screen). - Pomocí funkce imread načtěte obrázek, a imshow jej vykreslete. - Z EOG signálu vyřízněte úsek, který odpovídá čtení textu. ormujte signál mezi a. - ormovaný signál vynásobte horizontálním rozlišením textu. - Vytvořte si pseudo-časovou osu signálu, která bude na intervalu až vertikální rozlišení obrázku - za pomoci hold on překreslete obrázek signálem. Generování úhlů vychýlení při projekci: - s_s detekované napětí špička-špička (rozdíl mezi výchylkami) - d maximální rozteč bodů <- L P -> x detekce výchylek. -. EOG [mv] n [-] x realizace d n [m] vzdalenost=linspace(,d/,length(s_s)).*(-).^((:length(s_s))+); Ze vzdálenosti od projekce přepočítejte na úhly. Změna polohy oka: - Spočítejte euklidovskou vzdálenost dvou vždy po sobě jdoucích vzorků, tj. diferenci polohy - Přefiltrujte klouzavými průběhy, detekujte velké změny Rozpoznávání číselné sekvence dle EOG při prostorovém pohybu očí (bonusová úloha): ) Dle euklidovské vzdálenosti: - v trénovacích signálech nalezněte výrazné změny polohy oka - pro vzniklé úseky s malým pohybem spočtěte průměrné hodnoty horizontálního a vertikálního signálu, tj. pro každý úsek (číslo) je získán bod o dvou souřadnicích (centroid) - u rozpoznávaného signálu je počítána vzdálenost od všech centroidů, nejmenší vzdálenost určuje číslo, na které se v dané chvíli osoba dívá ) Dle euklidovské vzdálenosti shlukové analýzy - ejprve pochopte algoritmus k-means! (viz níže) - Pokud budeme znát souřadnice promítaných bodů mapované ve -D prostoru reprezentované napětím EOG, můžeme spočítat euklidovskou vzdálenosti okamžitého signálu od všech bodů. ejmenší vzdálenost signálu k bodu bude i odpovídat tomu, kam se oko dívá.

6 - K namapování promítaných bodů do EOG slouží trénovací sekvence. Oko postupně sleduje bodů, na kterých se cca po sekundu fixuje. Tyto fixace vytvoří shluky v okolí mapovaných bodů. - K určení výchozí souřadnice mapovaných bodů je výhodné využít shlukových analýz, které najdou optimální místo centroidu ( těžiště shluku ). Využijte např. algoritmus k-means. - V trénovacích datech nalezněte centroidy shluků ( bodů). V případě, že známe předběžně místa shluků, použijte startovací centroidy dle předpokládaného rozmístění bodů, body v rozích a jeden uprostřed mapovaného prostoru EOG-y EOG-y EOG-x EOG-x - Po výpočtu centroidů ověřte, zda správně reprezentují pořadová čísla bodů; dle potřeby opravte. - Při rozpoznávání již stačí spočítat vzdálenost okamžitého EOG signálu od těchto centroidů a určit, ke kterému bodu je nejblíže a přiřadit ho tak do třídy. Vzhledem k časovému odstupu trénovací a rozpoznávací sekvence může dojít k stejnosměrnému posunu signálu (vliv pohybu elektrod, filtrů zesilovačů). Proto doporučuji podrobit rozpoznávaný signál shlukové analýze ještě jednou s použitím startovacích centroidů z výsledku trénování.. trénovací centroidy. přetrénování EOG-y. EOG-y EOG-x EOG-x x - při počítání euklidovské vzdálenosti signálu od centroidů se pokuste vyvarovat použití forcyklů, např.: centroid=repmat(centroid,size(eog,),); % vzdálenost EOG od jednoho centroidu vzdalenost=sqrt(sum((eog-centroid).^,)); - napište si vlastní algoritmus k-means nebo využijte implementovanou atlab funkci 6 8 x 6

7 Algoritmus k-means: - metoda hledající k shluků podle průměrné pozice těžiště (centroidu) - popis algoritmu: ) v datovém prostoru jsou zvoleny startovací centroidy (náhodně nebo předem definovaně) ) dle vzdálenosti od centroidu jsou data zařazeny do tříd 3) spočítají se těžiště každé třídy (nové centroidy) ) dle vzdálenosti od nového centroidu jsou data znova zařazena do tříd ) opět se spočítají těžiště každé třídy 6) dle vzdálenosti od nového centroidu jsou data znova zařazena do tříd KOEC) V další iteraci již nedochází k posunu centroidu Př.: hledání shluků ve -D prostoru - - ) ) 3) ) ) 6) Užitečné funkce: repmat, reshape, sign, kmeans 7

8 Datum ázev úlohy Příjmení a jméno Odpovědi na teoretické otázky: ) ) Analýza: figure.: Průběh EOG při sledování kyvadla a napodobování stejného pohybu sledování kyvadla. EOG [mv] -. sledování napodobení vzorky [-] figure.: Pohyb oka při čtení textu 8

9 figure 3.: Průběh EOG při změně úhlového vychýlení, detekce špiček. detekce výchylek x EOG [mv] n [-] 6 x figure.: Genorované vychýlení, přepočet na úhlové vychýlení, porovnání celkového úhlového vychýlení a napětí špička-špička <- L P -> <- L P -> celkový úhel X EOG špička-špička 6 realizace 3 3 celkový úhel d n [m] - úhel [ ] 3 realizace figure.: Detekce změny polohy oka x - změna polohy za jednotku času okamžitá změna polohy n [-] x 9

10 BOUS figure 6.: Průběh EOG při rozpoznávací sekvenci, zjištěné centroidy. Porovnání generované sekvence čísel a rozpoznání z EOG...3 přetrénování 6 vzor rozpoznání EOG-y.. promítané číslo EOG-x 6 8 n [-] x Závěr: imo jiné zhodnoťte: - plynulost pohybu okna při fixaci na pohybující se předmět - sakadycké pohyby očí při čtení textu; najděte slova, která dělaly čtenáři problém - vztah mezi napětím EOG a úhlovým vychýlením očí - schopnost detekovat změnu polohy oka - schopnost rozpoznat z EOG čísla, na které se osoba dívá - výhody a nevýhody samoshlukové metody k-means