一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法与流程

1.本发明属于脑电信号处理技术领域，具体涉及一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法。


背景技术：

2.颜色科学是一个研究颜色的定义、表征和应用的科学领域。色差就是两种颜色的差别对人类视觉系统的刺激。脑电波是大脑在活动时大量的神经元之间传递交换信息形成的，它记录了大脑神经元在交互信息时电压值发生的变化，是脑神经细胞及神经元在大脑活动中的总体表现。
3.目前，国内外许多学者将脑电波相关技术和方法更多的运用到颜色研究方面，并且取得了一系列的成果。作为近几十年来发展起来的一项新的研究领域，脑电波技术亦越来越多地被应用于颜色科学方面的研究，国内外的许多学者在不同的应用领域做出了自己的贡献。传统的色差评价研究都是基于人眼的观察，并记录人眼观察的抽象视觉色差结果。且对于颜色脑电的研究，国内外许多学者将脑电波相关技术和方法的研究更多的是运用到单一颜色的研究方面，并取得了一些成果。但是将脑电信号处理应用于材料色彩设计制作中的研究还未有涉及。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法，将视觉诱发的脑电信号经处理分析后，应用于材料颜色的设计和开发中，可以从理论上分析材料色彩的设计与搭配对消费者的消费心理产生的效应。
5.为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法，包括以下步骤：s1、实验范式设计及数据采集，根据oddball实验设计色差实验范式诱发被试者的脑电信号，并采集被试者的脑电信号；s2、脑电信号的噪声及伪迹去除，利用快速独立分量分析及“聚类法”和“矢量角法”相结合的方法去除脑电信号的脑电高斯噪声及伪影；s3、脑电信号基线校正及相干均值叠加，利用标准刺激的脑电信号进行基线校准，并对靶刺激的脑电信号进行叠加平均处理；s4、诱发脑电信号的erp分析，对处理后的脑电信号的p300及n200信号进行分析，比较不同颜色刺激对大脑不同区域的影响并绘制脑电地形图，构建基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型。
6.作为优选方案，所述步骤s1的具体过程为：s1.1、根据oddball实验设计色差脑电实验，并按照色差将刺激图片分为大色差组和小色差组；s1.2、随机呈现刺激图片，并采集被试者注视不同刺激图片时的脑电信号。
7.作为优选方案，所述步骤s1.1中的大色差组中图片的色差值为10，小色差组中图片的色差值为5，每组刺激图片中均包括背景灰、红色、绿色、蓝色以及灰色五种刺激图片。
8.作为优选方案，所述步骤s1.2中刺激图片呈现时，标准刺激的呈现次数占70%，各种靶刺激图片的呈现次数的占比相同，其中背景灰为标准刺激，其他四种颜色为靶刺激。
9.作为优选方案，所述每个刺激图片的呈现时间为500ms，各刺激图片呈现的间隔时间为1000ms。
10.作为优选方案，所述步骤s2的具体过程为：s2.1、用快速独立分量分析算法对采集到的脑电信号x进行独立成分分析，得到独立成分s和解混矩阵w；s2.2、根据各独立成分的峰度系数k，去除各独立成分的超高斯噪声；s2.3、采用聚类法和矢量角法相结合的方法去除脑电信号正负两个方向上的伪迹信号；s2.4、将独立成分中超高斯噪声信号和伪迹信号对应的部分置零，得到处理后的独立成分s’；s2.5、根据x’=w-1
s’还原脑电信号，得到去除脑电伪影的脑电信号x’。
11.作为优选方案，所述快速独立分量分析算法分析采集到的脑电信号x的具体步骤为：s2.1.1、对脑电信号进行中心化处理，并对中心化处理后的脑电信号进行白化处理，以得到处理后的脑电信号；s2.1.2、随机初始化一个解混矩阵，将处理后的脑电信号乘以解混矩阵得到一个估计的脑电信号；s2.1.3、选择一个非线性函数作为快速独立分量分析算法的激活函数，用激活函数对估计的脑电信号进行处理，得到一个非高斯分布的信号；s2.1.4、对非高斯分布信号的各独立分量的独立性进行度量，根据独立性度量的结果调整解混矩阵；s2.1.5、重复步骤s2.1.2~s2.1.4，直到达到收敛条件，停止迭代，得到脑电信号x的独立成分s和解混矩阵w。
12.作为优选方案，所述步骤s2.1.1中对中心化处理后的脑电信号进行白化处理包括步骤：a)将中心化处理后的脑电信号转化到新的坐标系，使每个维度的方差相等，以消除各维度间的相关性；b)再将脑电信号进行缩放，使得每个维度的标准差为1，以消除不同维度间的比例因素。
13.作为优选方案，所述步骤s3的具体过程为：s3.1、将标准刺激图片呈现的时间段的脑电信号作为基线，并计算标准刺激图片呈现时间段脑电信号的均值，将靶刺激图片呈现时的脑电信号减去计算得到的均值，以得到基线校准后的脑电信号；s3.2、将基线校准后的脑电信号按照刺激图片的种类进行叠加平均，以得到叠加平均后的脑电信号。
14.作为优选方案，所属步骤s4中，对处理后的不同刺激下脑电信号的p300信号及n200信号的参数进行分析，比较不同刺激对大脑不同区域的影响，具体包括al、am、ar、cl、cm、cr、pl、pm、pr九个不同的区域，并绘制脑电地形图，基于脑电地形图构建基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型。
15.本发明的有益效果是：本发明将视觉诱发的脑电信号经处理分析后，比较不同颜色刺激对大脑不同区域的影响，绘制脑电地形图并构建基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型，并将模型应用于材料颜色的设计和开发中，可以根据脑电信号预测观察者对不同材料颜色的感知和反应，提高材料颜色设计和开发的效率和准确性，以满足不同观察者的感知和需求。同时可以从理论上分析材料色彩的设计与搭配对消费者的消费心理产生的效应，为材料颜色设计提供了理论依据和参考。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法的流程图。
18.图2是各种刺激图片的示意图。
19.图3是用快速独立分量分析算法对采集到的脑电信号进行独立成分分析的流程图。
20.图4是各头皮分区对应的电极位置和电极数量的示意图。
具体实施方式
21.以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
22.参照图1，一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法，包括以下步骤：s1、实验范式设计及数据采集，根据oddball实验设计色差实验范式诱发被试者的脑电信号，并采集被试者的脑电信号；这一步骤是为了获取被试者在不同颜色刺激下的脑电信号，以便于后续的分析和比较。
23.s2、脑电信号的噪声及伪迹去除，利用快速独立分量分析及“聚类法”和“矢量角法”相结合的方法去除脑电信号的脑电高斯噪声及伪影；这一步骤是为了除去脑电信号中的噪声和伪影，以提高信号的信噪比和准确性。
24.s3、脑电信号基线校正及相干均值叠加，利用标准刺激的脑电信号进行基线校准，并对靶刺激的脑电信号进行叠加平均处理；这一步骤是为了除去脑电信号中的基线噪声，
以使得不同颜色刺激下的脑电信号能够更好地比较，同时采用叠加平均的方法可以提高不同颜色刺激下信号的信噪比和稳定性。
25.s4、诱发脑电信号的erp分析，对处理后的脑电信号的p300及n200信号进行分析，比较不同颜色刺激对大脑不同区域的影响并绘制脑电地形图，构建基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型。
26.s4、诱发脑电信号的erp分析，对处理后的脑电信号的p300及n200信号进行分析，比较不同颜色刺激对大脑不同区域的影响并绘制脑电地形图，构建基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型。这一步骤是为了探索不同颜色刺激对大脑不同区域的影响，以便于理解颜色感知的神经机制。同时基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型可以进一步应用于材料颜色的设计和开发中，可以根据脑电信号预测观察者对不同材料颜色的感知和反应，以提高材料颜色设计和开发的效率和准确性，为材料颜色设计提供理论依据和参考。
27.进一步，步骤s1的具体过程为：s1.1、根据oddball实验设计色差脑电实验，并按照色差将刺激图片分为大色差组和小色差组；s1.2、随机呈现刺激图片，并采集被试者注视不同刺激图片时的脑电信号。
28.具体地：本实验征集10名（男女各5人，年龄范围20~30岁）的观察者，均为燕山大学身体和心理健康的在校研究生，所有观察者均具有正常或矫正后正常的视觉和色觉，且均为右利手。
29.大色差组中图片的色差值为10，小色差组中图片的色差值为5，每组刺激图片中均包括背景灰、红色、绿色、蓝色以及灰色五种刺激图片，各种刺激图片参照图2所示。
30.每组刺激共200张图片，刺激图片中，标准刺激的呈现次数占70%，各种靶刺激图片的呈现次数的占比相同，均为7.5%，其中背景灰为标准刺激，其他四种颜色为靶刺激。五种刺激图片随机呈现在屏幕上，观察者不需要采取按键反应，只需要注视刺激图片并辨认色差。每个刺激的呈现时间为500ms，各刺激呈现的间隔时间为1000ms。每次实验大概为3分钟，每名观察者重复试验两次。整个实验中，每个电极上每个色差刺激共记录300组脑电信号。
31.进一步，步骤s2的具体过程为：s2.1、用快速独立分量分析算法对采集到的脑电信号x进行独立成分分析，得到独立成分s和解混矩阵w；s2.2、根据各独立成分的峰度系数k，去除各独立成分的超高斯噪声；s2.3、采用聚类法和矢量角法相结合的方法去除脑电信号正负两个方向上的伪迹信号；s2.4、将独立成分中超高斯噪声信号和伪迹信号对应的部分置零，得到处理后的独立成分s’；s2.5、根据x’=w-1
s’还原脑电信号，得到去除脑电伪影的脑电信号x’。
32.进一步，参照图3，快速独立分量分析算法分析采集到的脑电信号x的具体步骤为：s2.1.1、对脑电信号进行中心化处理，并对中心化处理后的脑电信号进行白化处理，以得到处理后的脑电信号；
s2.1.2、随机初始化一个解混矩阵，将处理后的脑电信号乘以解混矩阵得到一个估计的脑电信号；s2.1.3、选择一个非线性函数作为快速独立分量分析算法的激活函数，用激活函数对估计的脑电信号进行处理，得到一个非高斯分布的信号；s2.1.4、对非高斯分布信号的各独立分量的独立性进行度量，根据独立性度量的结果调整解混矩阵；s2.1.5、重复步骤s2.1.2~s2.1.4，直到达到收敛条件，停止迭代，得到脑电信号x的独立成分s和解混矩阵w。
33.具体地：当解混矩阵的更新值达到一个预定义的收敛标准，或者独立成分的估计值不再发生显著变化，达到收敛的条件。这是算法的终止条件，表明算法已经找到了最优的解混矩阵和独立成分。
34.进一步，步骤s2.1.1中对中心化处理后的脑电信号进行白化处理包括步骤：a)将中心化处理后的脑电信号转化到新的坐标系，使每个维度的方差相等，以消除各维度间的相关性；b)再将脑电信号进行缩放，使得每个维度的标准差为1，以消除不同维度间的比例因素。白化处理可以去除信号中的冗余信息，并减少脑电信号不同通道之间的相关性，提高信号可靠性。
35.进一步，步骤s3的具体过程为：s3.1、将标准刺激图片呈现的时间段的脑电信号作为基线，并计算标准刺激图片呈现时间段脑电信号的均值，将靶刺激图片呈现时的脑电信号减去计算得到的均值，以得到基线校准后的脑电信号；这一步骤是为了除去脑电信号中的基线噪声，以使得不同刺激下的脑电信号能够更好地比较。
36.s3.2、将基线校准后的脑电信号按照刺激图片的种类进行叠加平均，以得到叠加平均后的脑电信号。这一步骤是为了得到每种刺激图片呈现时的平均脑电响应，以便于后续的分析和比较。将同一类刺激图片呈现时的多个脑电信号进行叠加平均，以提高每一类刺激图片对应的脑电信号的信噪比和稳定性。
37.在视觉诱发脑电信号实验中，我们关心的是这个刺激事件带给观察者带来什么样的变化，因此需要有一个比较。而在事件发生之前的时间里，我们认为观察者是处于一个相对平静的状态，此时的脑电活动，代表了一个平静状态下的脑电活动，所以我们将这段时间内的脑电活动当成一个基线，拿事件发生之后的活动去跟它做比较，来分辨刺激事件到底让观察者产生了什么样的活动。在实验中，背景灰图片为标准刺激，因此将背景灰出现的时间段的脑电信号作为基线。
38.进一步，步骤s4中，对处理后的不同刺激下脑电信号的p300信号及n200信号的参数进行分析，比较不同刺激对大脑不同区域的影响，具体包括al、am、ar、cl、cm、cr、pl、pm、pr九个不同的区域，并绘制脑电地形图，基于脑电地形图构建基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型。
39.研究表明不同的头皮区域有不同的认知功能，左右半球和中间区域的大脑活动通常用来进行比较研究，前中后部的大脑活动通常用来进行比较研究。为了分析不同色彩图
片对大脑不同区域活动的影响，将头皮分为9个区域，包括3个横向位置和三个纵向区域，参照图4所示，各头皮区域分别用al、am、ar、cl、cm、cr、pl、pm、pr表示。其中，al、ar分别包括7个电极，cl、cr、pl、pr分别包括6个电极，am、cm、pm分别包括2个电极。为了减少来自脸、脖子、眼睛等肌肉运动对脑电信号的污染，只分析44个电极采集到的脑电信号。
40.通过对p300信号、n200信号的潜伏期以及振幅等参数进行分析，比较颜色变化对大脑不同区域p300信号和n200信号的影响，绘制脑电地形图并构建基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型。
41.p300信号和n200信号的参数，可以反映大脑对于视觉刺激的认知和反应。对于每个颜色刺激，比较不同通道的p300信号、n200信号参数之间的差异，可以探索颜色变化对大脑不同区域的影响。
42.脑电地形图是将脑电信号在头皮上的空间分布进行可视化后得到的结果，可以更直观地展示不同颜色刺激对大脑不同区域的影响。脑电地形图中不同颜色代表的是脑电信号的强度或频率等信息，反映了脑电信号的分布区域和强度变化，可以用来研究不同颜色刺激对脑电信号的影响。
43.基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型，将脑电信号应用于材料颜色的设计和开发中，可以根据脑电信号预测观察者对不同材料颜色的感知和反应，可以提高材料颜色设计和开发的效率和准确性，以满足不同观察者的感知和需求。
44.本发明将视觉诱发的脑电信号经处理分析后，应用于材料颜色的设计和开发中，可以从理论上分析材料色彩的设计与搭配对消费者的消费心理产生的效应，为材料的颜色设计提供了理论依据和参考。
45.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、实验范式设计及数据采集，根据oddball实验设计色差实验范式诱发被试者的脑电信号，并采集被试者的脑电信号；s2、脑电信号的噪声及伪迹去除，利用快速独立分量分析及“聚类法”和“矢量角法”相结合的方法去除脑电信号的脑电高斯噪声及伪影；s3、脑电信号基线校正及相干均值叠加，利用标准刺激的脑电信号进行基线校准，并对靶刺激的脑电信号进行叠加平均处理；s4、诱发脑电信号的erp分析，对处理后的脑电信号的p300及n200进行分析，比较不同颜色刺激对大脑不同区域的影响并绘制脑电地形图，构建基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型。2.根据权利要求1所述的一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法，其特征在于，所述步骤s1的具体过程为：s1.1、根据oddball实验设计色差脑电实验，并按照色差将刺激图片分为大色差组和小色差组；s1.2、随机呈现刺激图片，并采集被试者注视不同刺激图片时的脑电信号。3.根据权利要求2所述的一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法，其特征在于，所述步骤s1.1中的大色差组中图片的色差值为10，小色差组中图片的色差值为5，每组刺激图片中均包括背景灰、红色、绿色、蓝色以及灰色五种刺激图片。4.根据权利要求2所述的一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法，其特征在于，所述步骤s1.2中刺激图片呈现时，标准刺激的呈现次数占70%，各种靶刺激图片的呈现次数的占比相同，其中背景灰为标准刺激，其他四种颜色为靶刺激。5.根据权利要求4所述的一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法，其特征在于，所述每个刺激图片的呈现时间为500ms，各刺激图片呈现的间隔时间为1000ms。6.根据权利要求1所述的一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法，其特征在于，所述步骤s2的具体过程为：s2.1、用快速独立分量分析算法对采集到的脑电信号x进行独立成分分析，得到独立成分s和解混矩阵w；s2.2、根据各独立成分的峰度系数k，去除各独立成分的超高斯噪声；s2.3、采用聚类法和矢量角法相结合的方法去除脑电信号正负两个方向上的伪迹信号；s2.4、将独立成分中超高斯噪声信号和伪迹信号对应的部分置零，得到处理后的独立成分s’；s2.5、根据x’=w-1
s’还原脑电信号，得到去除脑电伪影的脑电信号x’。7.根据权利要求6所述的一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法，其特征在于，所述快速独立分量分析算法分析采集到的脑电信号x的具体步骤为：s2.1.1、对脑电信号进行中心化处理，并对中心化处理后的脑电信号进行白化处理，以得到处理后的脑电信号；
s2.1.2、随机初始化一个解混矩阵，将处理后的脑电信号乘以解混矩阵得到一个估计的脑电信号；s2.1.3、选择一个非线性函数作为快速独立分量分析算法的激活函数，用激活函数对估计的脑电信号进行处理，得到一个非高斯分布的信号；s2.1.4、对非高斯分布信号的各独立分量的独立性进行度量，根据独立性度量的结果调整解混矩阵；s2.1.5、重复步骤s2.1.2~s2.1.4，直到达到收敛条件，停止迭代，得到脑电信号x的独立成分s和解混矩阵w。8.根据权利要求7所述的一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法，其特征在于，所述步骤s2.1.1中对中心化处理后的脑电信号进行白化处理包括步骤：a)将中心化处理后的脑电信号转化到新的坐标系，使每个维度的方差相等，以消除各维度间的相关性；b)再将脑电信号进行缩放，使得每个维度的标准差为1，以消除不同维度间的比例因素。9.根据权利要求1所述的一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法，其特征在于，所述步骤s3的具体过程为：s3.1、将标准刺激图片呈现的时间段的脑电信号作为基线，并计算标准刺激图片呈现时间段脑电信号的均值，将靶刺激图片呈现时的脑电信号减去计算得到的均值，以得到基线校准后的脑电信号；s3.2、将基线校准后的脑电信号按照刺激图片的种类进行叠加平均，以得到叠加平均后的脑电信号。10.根据权利要求1所述的一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法，其特征在于，所述步骤s4中，对处理后的不同刺激下脑电信号的p300信号及n200信号的参数进行分析，比较不同刺激对大脑不同区域的影响，具体包括al、am、ar、cl、cm、cr、pl、pm、pr九个不同的区域，并绘制脑电地形图，基于脑电地形图构建基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型。

技术总结
本发明属于脑电信号处理技术领域，具体涉及一种基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型构建方法，包括步骤：实验范式设计及脑电信号采集；利用快速独立分量分析、“聚类法”和“矢量角法”相结合的方法去除脑电信号的噪声及伪影；利用标准刺激的脑电信号进行基线校准，并对靶刺激的脑电信号进行叠加平均处理；对处理后的脑电信号的P300及N200进行分析，比较不同颜色刺激对大脑不同区域的影响并绘制脑电地形图，构建基于视觉诱发脑电信号的材料颜色设计模型。本发明将视觉诱发的脑电信号经处理分析后应用于材料颜色的设计和开发中，可以从理论上分析材料色彩的设计与搭配对消费者的消费心理产生的效应，有效提高材料颜色设计、开发的效率和准确性。开发的效率和准确性。开发的效率和准确性。


技术研发人员：王浩 付荣荣 谢姣 郑晗 路斌 冯晓蕾 余耀 唐军 岳保山 李利伟 余婷婷 余振华 张莹 詹建波 温佛生
受保护的技术使用者：云南中烟工业有限责任公司
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/14