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웨이블릿 특징 벡터 기반 SVM을 이용한 ERP 검출 알고리즘에 관한 연구
Study on ERP Detection Algorithm Using SVM with wavelet feature vector 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.10 no.1, 2017년, pp.9 - 15  

이영석 (Dept. of Electronic Eng., Chungwoon University)

초록
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본 연구에서는 웨이블릿 평면에서 대역 분할된 데이터를 특징 벡터로 하는 SVM을 이용한 ERP 검출 실험을 하였다. 뇌파 신호는 SCSD의 SCCN 뇌파 데이터베이스에 있는 시각적 자극(visual stimulus)을 이용하여 발생한 ERP를 사용하였다. 검출 알고리즘을 이용한 실험은 기존의 뇌파의 주파수 분석 데이터를 특징 벡터로 하는 방법과 웨이블릿 평면에서 전개된 뇌파 데이터를 특징 벡터로 하는 SVM 검출 방식을 비교하였다. 실험 결과는 기존의 특징 벡터를 이용하는 방법에 비하여 웨이블릿 평면에서 전개된 특징 벡터를 이용하는 SVM 방식이 EPR의 검출 율에서 약 10%의 향상된 성능을 나타내었다. 실험 결과에 대한 분석에서 웨이블릿 평면 특징 벡터를 적용한 SVM 실험 결과에서 검출율이 향상된 이유로서 대뇌 피질 활동이 ERP의 주파수 대역에 따른 활동성의 증감 특성과 ERP의 웨이블릿 평면 대역별 특성에 대한 비교 분석을 수행하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study we performed the experiment to detect the ERP using SVM with wavelet features. The EEG signal that is generated visual stimulated ERP database in SCCN applied for the experiment. The feature vectors for experiment are categorized frequency and continuous wavelet- based vectors. In expe...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • SVM 분류기의 원리는 결정경계(decisionboundary)와 훈련 데이터 사이의 거리가 최대 여유(margin)를 갖도록 초평면(hyperplane)을 설계하는 것이 목적이다. 초평면에서 가장 가까운 데이터 벡터를 구하기 위한 함수는 초평면에 직각인 법선벡터 간의 거리를 최대화하기 위한 식 (1)의 초평면 결정 함수에 의해 나타낼 수 있다 [5].
  • 이와 같은 결과는 웨이블릿 변환이 시간의 함수를 시간-주파수 평면상에서 전개하는 것이기 때문에 주파수 성분만을 이용하여 특징 벡터를 표현하는 기존의 방법에 비하여 ERP의 특징을 명확히 표현할 수 있는 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서는 시각적 자극에 반응하는 전극에서 점점 멀어지는 전극들에 대하여 동일한 실험을 실시하고 검출 율을관찰하였다. 표 4는 전극의 위치가 아래로 내려가면 내려갈수록 시각적 자극에 반응하는 전극으로부터 멀어지도록 배치한 것이다.
  • 본 논문에서는 시각적 자극에 의해 발생하는 ERP를 검출하는 방법에 대하여 제안하고 실험을 통하여 성능을 분석하였다. ERP 반응을 포함한 뇌전도 신호는 USSD의 SCCN의 데이터베이스를 실험을 위한 데이터로 사용하였다.
  • 본 연구에서는 수집된 뇌파 신호로부터 뇌파를 검출하는 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 수집된 뇌파에 이산 웨이블릿 변환을 수행하고 웨이블릿 대역의 뇌파 신호들을 특징 벡터로 하는 SVM(support vector machine)을 이용한 검출 알고리즘을 수행하였다.
  • 제안한 방법의 검출 율이 기존의 방법에 비하여 약 10%의 향상된 것을 관찰할 수 있었다. 본 연구의 실험 결과에 대하여 동일한 SVM 알고리즘을 적용하고 특징 벡터의 종류만 바꾸어 향상된 검출 율에 대한 논의를 하였다. 제안한 특징 벡터는 웨이블릿 변환된 뇌전도 신호이므로 뇌전도 신호의 주파수 대역별 신호를 표현한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
인간과 컴퓨터간의 의사소통 기술은 어떤 방향으로 발전하고 있는가? 최근 인간과 컴퓨터간의 의사소통 기술은 앞서 기술한 고전적인 방법에서 근육의 운동성을 배제한 뇌와 컴퓨터 간의 직접적인 의사소통으로 발전하고 있다. 즉 인간의 두뇌에서 발생한 감정, 의지 등을 직접 컴퓨터에 전달함으로서 보다 정확히 인간의 의사를 컴퓨터에게 전달을 하려는 의도이다.
뇌와 컴퓨터 간의 직접적인 의사소통으로 발전하는 의도는 무엇인가? 최근 인간과 컴퓨터간의 의사소통 기술은 앞서 기술한 고전적인 방법에서 근육의 운동성을 배제한 뇌와 컴퓨터 간의 직접적인 의사소통으로 발전하고 있다. 즉 인간의 두뇌에서 발생한 감정, 의지 등을 직접 컴퓨터에 전달함으로서 보다 정확히 인간의 의사를 컴퓨터에게 전달을 하려는 의도이다. 이와 같은 의도에 의해 발전하고 있는 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술(brain -computer interface technology)은 두뇌에 발생하는 뇌파를 수집하고 의미 있는 정보를 검출하고 해석 및 분류하는 모든 기술로 정의할 수 있다.
뇌-컴퓨터 인터페이스 기술을 적용하는데 한계가 있는 이유는 무엇인가? 뇌는 인간의 인지와 감정 및 운동과 같이 인간의 전 영역에 걸친 정보를 처리하는 인체의 중심기관이다. 뇌의 활동은 자기공명영상 (MRI)나 뇌자도(MEG)를 이용하여 측정하는 방법들이 있으나 중후한 장비 특성 및 측정 환경이 제한되어 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술을 적용하는 데에는 한계가 있다.
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참고문헌 (7)

  1. Schalk, Gerwin, "BCI2000: a general-purpose brain-computer interface (BCI) system." IEEE Transactions on biomedical engineering, Vol. 51, No. 6, pp. 1034-1043, 2004. 

  2. Website: UCSD SCCN, https://sccn.ucsd.edu/-arno/fam2data/publicly_available_ EEG_data.html 

  3. Eimer, Martin, Amanda Holmes, and Francis P. McGlone. "The role of spatial attention in the processing of facial expression: an ERP study of rapid brain responses to six basic emotions." Cognitive, Affective, & Behavioral Neuroscience 3. pp. 97-110, No. 2, 2003. 

  4. Tsochantaridis, Ioannis,. "Support vector machine learning for interdependent and structured output spaces." Proceedings of the twenty-first international conference on Machine learning. ACM, 2004. 

  5. Bostanov, Vladimir. "BCI competition 2003-data sets Ib and IIb: feature extraction from event-related brain potentials with the continuous wavelet transform and the t-value scalogram." IEEE Transactions on Biomedical engineering, pp. 1057-1061. Vol. 51, No. 6, 2004. 

  6. H. J. Lee, D. I. Shin, , D. K. Shin, "The Classification Algorithm of Users' Emotion Using Brain-Wave, J-KICS, pp. 122-129, Vol. 39-c, No. 2, 2014. 

  7. Mueller, Andreas. "Discriminating between ADHD adults and controls using independent ERP components and a support vector machine: a validation study." Nonlinear biomedical physics 5. Vol. 1, 2011. 

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