基于脑电波信号的色差评价研究

柳耀武，崔桂华，褚金金，徐 婷，蒋 兰，阮秀凯，姜罗罗，蔡启博，谈燕花

(温州大学数理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

脑电波（Electroencephalogram, EEG）是大脑在活动时，大量神经元同步发生的突触后电位经总和后形成的.它记录大脑活动时的电波变化，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映.目前，脑电波被广泛应用于脑科学的基础理论研究和临床医学实践.脑电波是诊断癫痫的必要依据[1]，对于诊断各种颅内病变，如脑中风、脑炎、脑瘤等亦有很大的帮助.事件相关电位（Event-related Potential, ERP），又称为认知电位，是特定的物理事件或心理事件在时间上相关的电压波动.它反映了认知过程中大脑的神经电生理的变化.文献[2]详细论述了不同的ERP成分，包括早期成分N1、晚期成分N2和P3等.其中P代表正相波（Positive），N代表负相波（Negative）.N1（又称N100）成分表示刺激开始后100 ms左右的最小负波，P3成分表示在刺激开始后300 ms左右出现的最大正波.在时域中，每个成分可通过波幅和潜伏期来表征，波幅表示各成分峰值电位的绝对值大小，潜伏期则表示各成分峰值出现的时刻.一般认为波幅（电位的绝对值大小）反映大脑的兴奋程度高低，潜伏期则反应的是神经活动以及加工过程的速度与评价的时间快慢.

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.Bekdash等①Bekdash M, Asirvadam V, Kamel N.Visual evoked potentials response to different colors and intensities [C]//International Conference on Biosignal Analysis, Processing and Systems, 2015: 1-4.发现颜色的亮度越大，产生的P1成分的振幅就越大，潜伏期越短.而且对于不同亮度下的同一颜色而言，亮度越高人的注意力就会越集中.曹强强等[3]比较了蓝、黄两种颜色刺激的ERP早期成分N1、P2和晚期成分N2、P3的电位和潜伏期在不同脑区的分布情况.Zakzewski等①Zakzewski D, Jouny I, Yu Y C.Statistical features of EEG responses to color stimuli [C]// Bioengineering Conference.IEEE, 2014: 1-2.通过计算8种颜色各通道脑电信号的自相关系数、能量和斜度等特征来对颜色进行分类，结果表明只有斜度可以作为区别八种颜色的特征.Wang等②Wang H, Zhang N.The analysis on vehicle color evoked EEG based on ERP method [C]// International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering, IEEE, 2010: 1-3.发现红色车辆诱发的平均电位要比蓝色车辆大.

色差是人类视觉系统对两种颜色差别刺激的响应.传统的色差研究是基于人眼的观察，并记录人眼观察的抽象视觉色差结果.以往关于颜色脑电信号的研究都是对于单一颜色刺激事件相关电位来说的，而对于色差刺激事件相关电位的研究还未有涉及.本文首次将脑电波技术引入到色差评价领域，研究大、小色差组的红、绿、蓝、灰四种颜色色差的不同视觉刺激产生的事件相关电位的区别，旨在揭示色差刺激在脑电信号中的反映及人脑处理色差刺激的主要脑部区域，为以后的色差评价研究开辟新的道路.

1 脑电实验方法

1.1 实验对象与环境

本实验征集10名（男、女各5名，平均年龄24岁）色觉正常、教育背景相似的观察者，均为温州大学生理和心理健康的在校研究生，所有受试者均具有正常或矫正后正常视力，且均为右利手.实验安排在一个相对安静、温度和湿度相对正常舒适的暗室中进行.

1.2 仪器设备与软件

本实验采用美国Neuroscan 32导联脑电波采集和分析系统，该系统分为三大部分：刺激器、放大器和多导采样器，可在一台电脑显示器（称为刺激显示器）上按预定的频率呈现刺激，并由另一台电脑控制、采集和分析32个电极上脑电信号和诱发电位.刺激器采用心理学实验软件E-prime，用来进行刺激的设置（包括刺激图像及呈现频率等），并在刺激显示器上按预定的频率呈现刺激信号.本文采用EIZO CG277液晶显示器作为刺激显示器.脑电信号的采集设备采用NuAmps 40导脑电放大器，一般情况下与用于EEG / ERP研究的SCAN软件匹配使用，SCAN软件采用Curry 7.接收被试脑电信号的穿戴设备采用电极帽.

1.3 刺激设置

整个心理物理实验按色差大小分成两组小实验：一组为大色差（根据CIELAB[4]色差公式计算色差大约为10，色差刺激如图1所示），另一组为中小色差（大约为5，色差刺激如图2所示）.每组实验包含五种：（a）背景灰、（b）红色、（c）绿色、（d）蓝色及（e）灰色刺激图片（CIELAB值见表1）.其中（a）背景灰为标准刺激，总共呈现140次（占70%），其他四种颜色色差为靶刺激，分别呈现15次（各占7.5%）.四种靶刺激按预定频率随机呈现在刺激显示器屏幕上，标准刺激出现在两种靶刺激之间.每个靶刺激的呈现时间是500 ms，标准刺激（刺激间隔）呈现的时间为1 000 ms.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.大、小色差组的CIELAB空间数据及CIELAB色差如表1所示.每名观察者分别重复大、小色差实验两次，整个实验每个电极上每种色差刺激共记录300组（10人×2次重复×15次 / 每组）脑电信号数据.

图1 色差为10的刺激图Fig 1 The Stimuli Diagram with 10-class Color-difference

图2 色差为5的刺激图Fig 2 The Stimuli Diagram with 5-class Color-difference

表1 颜色刺激CIELAB坐标及色差值Table 1 The CIELAB Coordinate of Color Stimuli and Its Color-difference Value

从表1中可以看出：对于不同颜色的色差，色差的组成成分不尽相同.红色色差主要成分是彩度差（ΔC）和色相差（ΔH），绿色色差的主要成分是色相差（ΔH），蓝色色差的主要成分是彩度差（ΔC），而灰色色差的主要成分是明度差（ΔL）.说明造成色差刺激的是不同色差成分.

1.4 实验流程

实验前先检查所有设备及软件是否运行正常，保持实验室环境安静，与实验无关人员不得进入实验室.同时告知观察者实验方法及一些注意事项，要求观察者坐在距离刺激显示器正前方1 m处，双目平行注视屏幕的中央，并尽量调整坐姿到舒服的位置，穿戴好数据采集电极帽，由主试把导电膏打入到电极帽中并将阻抗降到5 kΩ以下，然后接受一段时间的实验训练，熟悉实验的过程.

实验过程中，要求观察者尽量减少眼睛及身体的运动，降低实验数据的噪声.脑电信号记录流程如下：由其中一台电脑上运行的E-prime软件显示预设的色差刺激，观察者注视显示器上的色差刺激产生脑电信号，由电极帽上的32个电极采集脑电信号并将其传递给NuAmps 40导脑电放大器进行放大，最后由另一台电脑上的Curry 7软件接收并记录下来.整个过程中两台电脑是同步进行的.具体实验流程如图3所示.

图3 脑电实验流程图Fig 3 The Flow-process Diagram of EEG Experiment

1.5 脑电记录与信号处理

本研究采用Neuroscan认知事件相关电位记录仪同步记录32个（the International 10/20 System of Electrode Placement）电极（如图4所示）的脑电信号，同时记录水平以及垂直眼动电位（EOG），以左、右耳后两乳突的平均电位作为参考电位、中央前额为接地电极（GND）.将脑电记录仪的所有电极阻抗均设置为5 kΩ以下，NuAmps 40导脑电放大器的带通频率设为100 Hz，Curry 7软件的信号采样频率设为1 000 Hz.

将每组实验记录的同一色差刺激的15次脑电信号在Curry 7软件中进行叠加平均得到该色差刺激的ERP，然后将得到的色差刺激ERP再经过一次0-30 Hz的低通滤波，去除工频干扰.使用刺激前的200 ms平均数据做基线校正，EEG分析时程定位从刺激呈现前200 ms至刺激呈现后的500 ms.最后将数据保存在Curry 7中.

1.6 脑电分析方法

本研究主要从时域分析脑电信号，研究不同色差刺激诱发脑电信号的N1成分和P3成分的电位和潜伏期及其头皮分布情况.以往的研究表明N1成分与视觉辨别过程[5]以及人的注意力有密切关系[6-7]，N1波幅表现为当人集中精力观察某种刺激的时候注意力会提升，波幅就会增大.N1潜伏期则受某些视觉参数、注意需求以及任务的难易程度等因素的影响[8-9]，N1潜伏期随着处理努力的增加而增加.具体而言，随着任务复杂或困难程度的增加，需要的关注或努力变多，潜伏期就会变长.P3是与注意、辨认、决策、记忆等认知功能相关的ERP成分[10]，其波幅与刺激的物理属性及注意等因素有关，一般情况下刺激越强烈，P3波幅越大，潜伏期越长.

本研究希望通过比较不同色差刺激产生的N1成分及P3成分的波幅和潜伏期的大小差异及其头皮分布情况来找出色差刺激在脑电信号中的反映及人脑处理色差刺激的主要脑部区域.

2 实验结果

为了分析不同色差视觉刺激诱发的脑电信号，将Curry 7软件中的色差刺激ERP数据导入到MATLAB的脑电处理工具EEGLAB中转化为电位随时间变化的数据，然后分别将10名观察者的20组大色差脑电数据和20组小色差脑电数据在32个电极上的同一颜色色差刺激数据进行叠加平均.图5所示为枕区Oz电极上红色大、小色差刺激10人20组脑电数据的叠加平均信号，其中横坐标为脑电信号时程，从刺激呈现前200 ms开始直到刺激呈现后500 ms为止，纵坐标为刺激诱发的电位.然后分别找出大、小色差组四种颜色色差在32个电极上各自诱发的N1成分和P3成分的电位和潜伏期，结果分别如表2和表3所示.

图4 10/20系统电极放置示意图Fig 4 The Schematic Diagram of 10/20 System Electrode Placement

图5 枕区Oz电极的红色大（实线）、小色差（虚线）刺激10人20组脑电数据叠加平均信号Fig 5 The Average EEG Data Signal for Red-large (Solid Line) and Red-small (Broken Line) Color Differences Recorded at the Occipital Region Oz Electrode with 10 Persons in 20 Groups

表2 所有人大、小色差N1平均电位及潜伏期Table 2 The Average N1 Potential of All Major or Minor Color-difference and Its Incubation Period

大色差 小色差红 绿 蓝 灰 红 绿 蓝 灰N1电极 电位/ μV潜伏期/ ms电位/ μV潜伏期/ ms电位/ μV潜伏期/ ms电位/ μV潜伏期/ ms电位/ μV潜伏期/ ms电位/ μV潜伏期/ ms电位/ μV潜伏期/ ms电位/ μV潜伏期/ ms TP7-0.85 211-0.89 220-1.48 233-0.60 241-1.05 223-0.55 214-1.17 224-1.14 233 CP3-0.97 188-0.72 169-0.92 184-0.48 128-0.76 199-0.67 209-0.89 211-0.96 132 CPz-1.01 126-0.55 106-0.69 131-0.66 107-0.74 128-0.57 155-0.52 138-1.00 135 CP4-0.99 195-1.02 208-1.15 175-1.44 168-1.20 171-1.14 220-1.10 174-1.04 160 TP8-2.25 234-2.09 249-2.09 244-1.53 224-2.05 240-1.42 212-0.96 173-1.89 207 A1 0.52 176-0.42 212-2.20 249 0.19 104-0.02 123-0.35 137 0.82 177-0.49 204 T5-0.71 172-1.15 228-1.81 247-0.59 242-0.84 224-0.63 221-0.48 106-1.07 224 P3-1.40 169-0.86 177-1.05 164-0.63 216-1.16 160-0.95 203-1.06 154-1.24 176 Pz-1.45 127-0.53 107-1.23 132-0.93 135-1.29 126-0.72 173-1.09 142-1.16 139 P4-1.70 164-1.89 196-1.82 163-2.56 171-2.13 168-1.80 194-1.92 162-2.18 181 T6-1.52 232-2.02 203-1.97 246-2.12 181-2.19 169-2.00 192-1.67 169-2.72 199 A2 0.42 182 0.64 141 0.63 100 0.22 187-2.30 244-0.51 180 0.33 174-1.54 249 O1-2.20 111-1.66 212-1.52 115-1.60 201-2.89 112-2.10 204-1.54 116-2.49 202 Oz-2.85 113-1.50 115-1.73 118-1.02 188-4.11 113-1.51 118-1.94 117-1.96 193 O2-2.56 112-1.57 212-1.51 116-1.19 187-3.82 112-1.45 202-1.73 117-2.23 192

表3 所有人大、小色差平均P3电位及潜伏期Table 3 The Average P3 Potential of All Major or Minor Color-difference and Its Incubation Period

大色差 小色差红 绿 蓝 灰 红 绿 蓝 灰P3电极 电位/ μV潜伏期/ ms电位/ μV潜伏期/ ms电位/ μV潜伏期/ ms电位/ μV潜伏期/ ms电位/ μV潜伏期/ ms电位/ μV潜伏期/ ms电位/ μV潜伏期/ ms电位/ μV潜伏期/ ms FT8 0.04 328 0.37 388 0.36 400-0.01 378-0.49 298-0.28 380 0.22 392-0.02 381 T3 0.15 308 0.45 362 0.31 384 0.56 365 0.52 388 0.33 295 0.70 341 0.50 381 C3 0.71 279 0.68 355 1.17 263 0.68 252 0.80 363 0.88 315 1.07 265 0.63 315 Cz 1.77 261 1.50 256 2.06 257 1.04 278 1.48 247 1.20 254 1.66 260 1.14 262 C4 0.86 359 0.61 380 0.70 383 0.92 282 0.65 328 0.90 358 0.63 280 0.76 367 T4 0.47 367 0.79 388-0.29 311-0.55 284 0.11 335 0.39 392 0.77 387-0.35 290 TP7 0.33 309 0.72 362 0.45 321 0.47 363 0.91 384 0.27 384 0.97 342 0.77 382 CP3 0.96 372 0.92 352 0.85 335 0.72 337 1.14 358 0.93 322 0.80 267 0.82 318 CPz 1.65 258 1.02 344 1.54 269 1.56 300 1.29 259 1.60 359 1.35 263 1.42 290 CP4 0.96 360 1.08 380 0.89 377 0.96 285 1.01 344 1.29 361 0.65 322 1.03 274 TP8 0.77 346 1.17 388 1.12 396 0.27 346 0.91 337 0.66 380 0.59 388 0.09 296 A1-0.25 330-0.01 346-0.69 358-0.17 394-0.22 297-0.19 308 0.16 353 0.20 395 T5 0.67 341 0.66 360 0.72 350 0.23 343 0.95 349 0.35 380 1.14 348 0.74 386 P3 1.13 379 1.21 350 1.16 335 1.07 304 1.38 357 1.09 324 1.15 342 0.79 314 Pz 1.66 254 1.32 343 1.58 272 1.64 277 1.45 258 1.85 362 1.30 257 1.67 271 P4 1.07 336 1.34 340 1.24 327 1.66 281 1.38 333 1.59 361 0.92 323 1.64 263 T6 1.35 329 0.83 337 1.11 321 0.71 283 1.48 339 0.95 354 0.84 329 0.68 363 A2-0.06 325-0.80 333-2.46 252 0.34 382 0.33 396-0.85 375-0.08 379-1.06 315 O1 0.73 336 0.90 340 0.26 323 1.13 269 0.81 248 0.43 343 0.21 397 1.36 272 Oz 0.91 245 0.59 341-0.25 319 1.06 268 1.51 243 0.59 269-0.42 397 1.27 274 O2 1.16 246 0.79 339-0.10 321 1.08 268 1.43 246 0.69 269-0.38 398 1.35 274

3 分析与讨论

3.1 N1成分

图6 所有人平均（a）脑部中线和（b）脑部右侧N1电位Fig 6 The Average Potential of N1 for (a) Midline and (b) Right-side of Brain

从表2中可以看出N1成分在人脑右侧F4-P4五个电极以及枕区的O1、Oz、O2三个电极（表2中加黑数据，其电极具体位置参见图4）上表现显著.为了更好地比较与分析脑区不同位置的N1成分，将其中规律较好的脑部中线和脑部右侧的N1电位和潜伏期数据分别以折线图形式给出，如图6、图7所示.从图6中可以看出大、小色差组四种颜色色差的N1电位从脑前部（F区）到脑后部（P区）逐渐减小（波幅逐渐增大），尤其在右侧脑区F4-P4五个电极上尤为明显，表明人眼在观察色差时脑部的反应从前到后逐渐增强.而图7中的潜伏期较乱，看不出明显规律.

图7 所有人平均（a）脑部中线和（b）脑部右侧N1潜伏期Fig 7 The Average Incubation Period of N1 for (a) Midline and (b) Pight-side of Brain

枕（O）区N1成分的电位及潜伏期如图8（a）和（b）所示.

图8 所有人平均枕区N1（a）电位和（b）潜伏期Fig 8 The Average (a) Potential and (b) Incubation Period of N1 for Occipital Region of Brain

从图8（a）中可以看出枕区O1、Oz、O2电极上小色差组四种颜色色差的N1波幅都要大于大色差组对应颜色色差的N1波幅，特别是在Oz电极上表现得最为明显.大色差组四种颜色色差的N1波幅大小有：红色＞蓝色＞绿色＞灰色，小色差组四种颜色色差的N1波幅大小有：红色＞灰色＞蓝色＞绿色，大、小色差组N1波幅大小排序不同，规律性较差.由于N1成分与视觉辨别过程及注意力有密切关系，N1波幅会随着注意力的提升而增大.也就是说，对于不同色差大小而言，一般情况下色差越小，注意力提升得越快，N1波幅就会越大.由此可以推断：对于同一颜色的大、小色差而言，人眼在评价色差时观察小色差所投入的注意力要大于大色差，这与N1波幅和注意力的关系一致.而对同一色差大小的四种不同颜色色差进行评价时，大、小色差组的色差排序不同，对于同一色差组的四种颜色色差评价的规律性较差.图8（b）中四种颜色大色差产生的潜伏期与对应颜色小色差产生的潜伏期相近，规律性也较差.综上可得：对于同一颜色大、小色差脑电信号来说规律性较强，而对于同一色差组的四种颜色色差脑电信号的规律性较差，可能与不同色差成分相关（见表1）.灰色色对主要是明度差，绿色色对仅有色相差，蓝色色对仅有彩度差，而红色色对兼有彩度差和色相差.对于本研究而言，不同色差成分形成的色差，即使色差大小相同也可能会对评价色差脑电的结果产生影响.未来应采用同样色差成分的不同颜色样对进行实验，以避免不同色差成分对色差评价脑电信号的影响.

3.2 P3成分

从表3中可以看出色差刺激诱发的P3成分在人脑中线Fz-Pz五个电极上（表3中加黑数据，其电极具体位置参见图4）表现显著.同样为了更好地分析P3成分，将脑部中线P3成分的电位和潜伏期数据以折线图形式给出，如图9所示.

图9 所有人平均大脑中线P3成分(a)电位和（b）潜伏期Fig 9 The Average (a) Potential and (b) Incubation Period of P3 for Midline of Brain

从图9可以看出：与N1成分呈现的良好规律性相比较，色差刺激诱发的P3成分的规律相对较弱.不过从图9（a）仍然可以看出在脑部中线前部的Fz、FCz、Cz三个电极上，红，绿，蓝三种颜色大色差的P3波幅均要大于对应颜色小色差的P3波幅，灰色正好相反.而在CPz、Pz两电极上红色大、小色差和蓝色大、小色差还能满足此规律，但是绿色大、小色差和灰色大、小色差却正好相反，总的来说规律性较差.在Fz、FCz、Cz三个电极上大、小色差组四种颜色色差的P3波幅都有：蓝色＞红色＞绿色＞灰色，而在CPz、Pz两电极上较混乱.由于P3成分的波幅与刺激的物理属性及注意等因素相关，刺激越强，波幅越大.由此可以推测：无论是大色差组还是小色差组，在Fz、FCz、Cz三个电极上都有蓝色色差最大，灰色最小，红色和绿色居中.而图9（b）中的潜伏期较混乱，找不到明显的规律.

综上，从时域分析中我们可以看出色差刺激诱发的N1成分较P3成分规律性更强.

4 结 论

通过记录和分析色觉正常、生理和心理健康、年龄和教育背景相近的10名观察者的32个电极上的20组数据，可以看出N1电位从脑前到脑后呈现逐渐减小的趋势，其中在大脑右侧F4-P4电极上最为明显，说明人在观察色差时，注意力从脑前到脑后逐渐提升.尤其在枕区，四种颜色小色差的N1波幅比相同颜色大色差的N1波幅要大（电位相反），说明人在评价小色差时的注意力比大色差更集中；P3成分的规律性虽然相对N1成分较弱，但是无论对于大色差组还是小色差组，在大脑前部的Fz、FCz、Cz三个电极上都有蓝色色差最大，灰色最小，红色和绿色居中.这或许给大、小色差组四种颜色的色差大小排序提供一个参考依据.