大脑能“开锁”——如何实现安卓手机的脑控屏幕解锁

文合肥市第七中学李云昊朱奇

大脑能“开锁”
——如何实现安卓手机的脑控屏幕解锁

文合肥市第七中学李云昊朱奇

我们的大脑无时无刻不在产生脑电波。脑电波信号现今已被作为生物信号输入用于人机交互。在医学上，脑电波信号的人机交互可以帮助残疾人与使用脑电波的机器进行通信。

Neumskv神念科技公司开发的ThinkGear AM模块（简称TGAM）是一款非常受欢迎的脑电技术应用模块，它利用一个干式电极就可以从人脑中检测到微弱的脑电信号。通过该模块可获取脑电信号的Delta波、Theta波、LowAlpha波、High Alpha波、Low Beta波、High Beta波、Low Gamma波和High Gamma波，同时获得神念科技公司的eSense参数：专注度和放松度。其中“专注度”输出频率为1Hz，取值范围为0～100，表示被测试者当前对某一事物的投入专注（兴趣）的程度，注意力越集中，专注度取值越大。

本文通过对脑电波信号专注度的采集、处理、分析，研究算法、编写程序，实现人脑“意念”对安卓手机屏幕解锁的控制。

一、总体方案

通过脑电头带，采集测试者在专注解锁状态下（集中注意力思考某一确定的密钥图片，如图1所示）的脑电信号，通过内置的ADC转换电路将脑电波的模拟信号转化为相对应的数字信号，打成数据包，直接通过蓝牙传送给手机，手机基于脑电信号专注度的解锁算法，通过程序实现手机解锁。总体方案如图2所示。

图1测试者的专注解锁状态

图2脑电信号手机解锁的总体方案

二、脑电信号数据流的基本格式

脑电信号采集模块TGAM每秒发送513个数据包，其中前512个包是小包，第513个包是大包。大包的格式如表1所示。

表1大包数据结构示例

其中第[31]个字节0X04是专注度开始的标志，第[32]个字节0X32是专注度值。本文重点研究专注度的变化规律。

三、脑电信号专注度的采集方法

脑电头套将脑电信号通过蓝牙传递到电脑时，可使用Mindview和Xcom实现脑电信号的采集。Mindview采集的脑电数据图像用于脑电信号的定性分析，Xcom采集的脑电数据用于脑电信号的定量研究。

四、脑电信号专注度的分析方法

首先进行原始数据的预处理。针对Xcom采集的十六进制原始数据文件，依据专注度所在的第513个包的头字节特征（AA AA 20 02 C8 83 18），找出所有第513个包及专注度。

其次，统计分析专注度的变化规律。选取最能反映测试者脑电信号特征的典型数据作为研究对象，统计分析专注度的均值、方差、最大值、最小值等，绘制专注度变化曲线及专注度分布柱状图。

五、脑电信号专注度分析实验

通过MindView和Xcom采集志愿者在专注解锁状态下的脑电信号，统计分析专注度的变化特点和规律，研究脑电解锁的方法。本文将19名志愿者分为两组进行了脑电波分析实验。通过实验得到以下结论。

结论一：专注解锁状态下，注意力越集中，专注度取值越高。

结论二：专注解锁状态下的专注度均值（μ）为57.2、均方差（σ）为17.6，专注度分布如图3所示。

图3专注度分布柱状图

结论三：根据数理统计理论，专注解锁状态下脑电信号专注度A的分布近似服从正态分布，专注度A的分布记作N（μ，σ2），且μ=57.2，σ=17.6。

六、基于脑电信号专注度的手机解锁方法

通过对脑电信号专注度实验数据的分析，本文提出阈值法和区域法两种解锁方法。

1.阈值法

首先给定解锁阈值b，当专注度A能达到或超过b，即落在（b，100）区间时，可实现手机解锁，否则无法实现，如图4所示。

脑电信号专注度A分布与手机解锁概率之间的关系如图5所示。

由图5可知，随着专注度的不断提高，手机解锁概率不断降低。

阈值法具有实现简单、保密性较好的特点。当设定了与手机主人专注度相匹配的阈值后，只有手机主人和与手机主人相似的专注度才可以实现解锁。手机主人可通过训练不断提高自己的专注度，进而设置较高阈值，提高手机解锁的难度和安全性。

图4阈值法原理示意图

图5专注度分布曲线与专注度识别概率曲线

2.区域法

区域法即通过设定区间（a，b），只有当用户脑电信号专注度落在区间（a，b）内时，才可以实现手机解锁，如图6所示。

图6区域法原理示意图

例如，专注度服从正态分布N（57.2，17.62），假设预设专注度区间阈值为（50，60），则手机在该区间内的解锁概率

区域法适合大多数人实现脑控手机解锁。

七、安卓手机屏幕解锁程序的设计与实现

1.总体构架

程序的设计主要包括蓝牙通信、用户接口和手机解锁三个模块，如图7所示。

蓝牙通信模块主要实现手机与脑电头带的通信，并获取TGAM数据流中第513个包中的专注度。

图7程序的功能结构

用户接口模块主要通过蓝牙实现脑电头带的搜索和链接，实现实时显示采集到的专注度，清除屏幕显示的专注度，更改、设置手机解锁的专注度阈值。

手机解锁模块实现脑电波手机解锁和手动解锁，本文选用阈值法编写脑电波手机解锁程序。

2.运行流程

主流程如图8所示。

图8脑电解锁程序的主流程图

本文实现了通过“意念”实现安卓手机的屏幕解锁，为特殊人群或特殊目的实现手机操作提供了方法思路，为进一步深入开展脑电控制的相关研究及应用提供了理论和实践基础。