通过 Java 的 BCI 应用开发了解脑机接口

马斯克曾表示：“人类只有主动接入脑机接口，未来才能在与AI的竞赛中不至于被淘汰出局”。

实际上人类不管是通过鼠标键盘、自然语言还是脑机接口技术与计算机交互，很重要的目的是追求能够毫不费力地与“技术”进行交互。这里的“技术”我想未来应该不局限于传统的计算机或者AI，也包括人类身体之外的一切。

因此，BCI将为我们带来前所未有的机遇和挑战，让我们能够超越自身的限制，开创出一个全新的人机交互时代。

BCI系统的功能包括获取、处理大脑信号并将其转换为可以控制外部设备的命令的系统。主要组成部分包括：

• 信号采集：使用非侵入性或侵入性方法捕获大脑信号。非侵入性技术，如脑电图(EEG)，由于其易于使用和风险较低而被普遍使用。侵入性技术，如皮质电图(ECoG)，提供更高的信号质量，但需要手术植入。
• 信号处理：通过滤波和放大等预处理技术提高采集到的大脑信号的质量。然后使用各种算法从信号中提取相关特征。
• 分类与转换：采用机器学习算法对提取的特征进行分类，并将其转换为可以控制外部设备的命令。
• 设备控制：将翻译的命令发送到目标设备，范围从计算机光标到机器人肢体。

下面是BIC的一个流程图：

作为开发人员，我们理解事物总是习惯性地从实践开始，为了便于理解BCI，下面我们使用Java写一个简单BCI应用例子。

可用于BCI开发的Java库

可以用于BCI各个环节Java开发的库包括：

(1) JNNF：JNNF是一个开源Java神经网络框架，可用于创建、训练和部署人工神经网络。BCI应用开发中可以用于特征提取、分类和翻译。

(2) Encog：Encog是一个机器学习框架，支持各种神经网络架构、遗传算法和支持向量机等。在BCI应用开发中可用于信号处理、特征提取和分类。

(3) jDaq：jDaq是一个数据采集Java库，可为数据采集硬件(如EEG设备)提供高级接口。在BCI应用开发中它可以用于实时获取大脑信号。

(4) Java OpenCV：OpenCV是一个流行的计算机视觉库，Java可以绑定OpenCV，调用它的功能。可用于脑机接口应用中的脑信号数据处理和分析。

开发BCI应用程序的步骤

(1) 获取大脑信号：将EEG设备连接到计算机，并使用jDaq等库实时获取大脑信号。

(2) 信号预处理与过滤：使用Java OpenCV或者Encog等库，对采集的大脑信号进行去除噪声、消除伪影、屏蔽其他不需要的元素。应用合适的滤波器隔离相关频带，如：带通滤波器或陷波滤波器。

(3) 提取特征：实现特征提取算法，如快速傅立叶变换(FFT)或小波变换，从预处理后的信号中提取相关特征。可以使用JNNF或Encog等库来实现。

(4) 训练分类器：将提取的特征拆分为训练和测试数据集。使用机器学习算法，如：神经网络、支持向量机等，在样本数据集上训练出分类器。像JNNF和Encog这样的库可以用于此任务。

(5) 翻译大脑信号：实现一个实时系统，整合上面几个步骤的功能，获取大脑信号，对其进行预处理，提取特征，并使用训练好的分类器对其进行分类。将分类结果转换为可以控制外部设备的命令。

(6) 控制外部设备：使用适当的通信协议(如蓝牙、Wi-Fi或USB)将转换后的命令发送到目标设备。

Java代码实现

下面是一个Java代码开发BCI的简单示例。在这个例子中，我们使用一个测试数据集来模拟大脑信号采集，并使用Encog库进行特征提取和分类分析。该示例的前提是假设您已经训练了一个分类器并模型其保存为文件。

(1) 导入必要的类

需要将Encog库添加到项目中。

可以从官方网站(http：//www.heatonresearch.com/encog/)下载jar包，或者使用Maven或Gradle等工具构建。

import org.encog.engine.network.activation.ActivationSigmoid;
import org.encog.ml.data.MLData;
import org.encog.ml.data.MLDataPair;
import org.encog.ml.data.basic.BasicMLData;
import org.encog.ml.data.basic.BasicMLDataSet;
import org.encog.neural.networks.BasicNetwork;
import org.encog.neural.networks.layers.BasicLayer;
import org.encog.persist.EncogDirectoryPersistence;

(2) 定义预处理和特征提取的方法。

private static double[] preprocessAndExtractFeatures(double[] rawBrainSignal) {
      double[] extractedFeatures = new double[rawBrainSignal.length];
      //TODO 处理特征逻辑代码
      return extractedFeatures;
}

(3) 分类模型

从文件中加载训练好的神经网络分类器模型，并创建一个方法来对提取的特征进行分类：

//加载分类器
private static BasicNetwork loadTrainedClassifier(String classifierFilePath) {
    BasicNetwork network = (BasicNetwork) EncogDirectoryPersistence.loadObject(new File(classifierFilePath));
    return network;
}
//特征分类
private static int classifyFeatures(double[] extractedFeatures, BasicNetwork network) {
      MLData input = new BasicMLData(extractedFeatures);
      MLData output = network.compute(input);
      // 根据最高分，找出分类
      int predictedClass = 0;
      double maxOutputValue = output.getData(0);
      for (int i = 1; i < output.size(); i++) {
          if (output.getData(i) > maxOutputValue) {
            maxOutputValue = output.getData(i);
            predictedClass = i;
        }
      }
      return predictedClass;
}

(4) 整合

最后，创建一个main方法，模拟整合大脑信号采集、预处理和特征提取，并使用训练好的分类器进行分类的过程。

public static void main(String[] args) {
    // 加载分类器
    String classifierFilePath = "path/to/your/trained/classifier/file.eg";
    BasicNetwork network = loadTrainedClassifier(classifierFilePath);

    // 读取大脑信号，这里只是模拟，真实系统需要替换成从EEG设备读取。
    double[] rawBrainSignal = new double[]{0.5, 0.3, 0.8, 0.2, 0.9};

    // 预处理信号，获得特征向量
    double[] extractedFeatures = preprocessAndExtractFeatures(rawBrainSignal);

    // 特征分类
    int predictedClass = classifyFeatures(extractedFeatures, network);

    //输出分类预测结果
    System.out.println("Predicted class: " + predictedClass);

    //最后就是将分类结果转化为一个控制指令，去控制一些外部设备。
}

这个例子简单演示了使用Java与Encog库开发BCI应用程序的基本逻辑。结合BCI应用程序需求，可以使用真实EEG设备的SDK读取大脑信号，进一步实现预处理和特征提取程序，最后结合要控制的设备进行指令调用开发。

相关脑信号数据资源分享

(1)SCCN EEG/ERP数据列表：https://sccn.ucsd.edu/~arno/fam2data/publicly_available_EEG_data.html

(2)Meagmohit的EEG数据集列表：https://github.com/meagmohit/EEG-Datasets

(3)儿童心智研究所MIPDB数据集：http://fcon_1000.projects.nitrc.org/indi/cmi_eeg/

(4)MindBigData MNIST：https://mindbigdata.com/opendb/index.html

(5)BNCI Horizon数据集：http://bnci-horizon-2020.eu/database/data-sets

(6)BigEEG联盟EEG原始研究数据：http://ww25.studycatalog.org/?subid1=20231115-1742-43b1-b7b5-f8a8bff09b30

面临的挑战

尽管BCI对于人类社会的技术发展有着巨大的潜力，但就目前而言，仍需要解决以下几个挑战：

• 信号质量：采用非侵入式的脑信号采集方法相对安全，但以目前的技术水平，脑信号的质量和采集可靠性仍然有待提高。
• 用户训练：通常需要对用户进行广泛的训练才能生成一致且可区分的大脑信号，才能实现准确的BCI控制。
• 道德和隐私问题：BCI的开发和使用容易导致数据隐私和技术滥用等相关的伦理问题。

总结

脑机接口通过实现人脑与外部设备之间的直接通信，在改变各个领域方面具有着巨大的潜力。然而，越是突破性的技术越是困难重重，解决与信号质量、用户训练和道德问题相关的挑战对于这项技术的成功应用和推广至关重要。