[论文解读] An Affordable Bio-Sensing and Activity Tagging Platform for HCI Research

Siddharth, Aashish N. Patel+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2018

EEG and Brain-Computer Interfaces参考文献 14被引用 3

一句话总结

本论文提出了一种经济实惠的多模态生物传感平台，集成脑电图（EEG）、心电图（ECG）、光电容积脉搏波（PPG）、眼动追踪和活动标签功能，适用于实时HCI研究。该平台基于一个中央计算模块和一款内置摄像头的定制耳机，可在自然环境中实现高保真度、时间锁定的数据采集，其传感器性能经过验证，达到或优于商用替代品。

ABSTRACT

We present a novel multi-modal bio-sensing platform capable of integrating multiple data streams for use in real-time applications. The system is composed of a central compute module and a companion headset. The compute node collects, time-stamps and transmits the data while also providing an interface for a wide range of sensors including electroencephalogram, photoplethysmogram, electrocardiogram, and eye gaze among others. The companion headset contains the gaze tracking cameras. By integrating many of the measurements systems into an accessible package, we are able to explore previously unanswerable questions ranging from open-environment interactions to emotional response studies. Though some of the integrated sensors are designed from the ground-up to fit into a compact form factor, we validate the accuracy of the sensors and find that they perform similarly to, and in some cases better than, alternatives.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、易获取的平台，用于在真实世界HCI情境中收集多模态生理和行为数据。
• 实现实时、时间同步的多传感器数据采集，涵盖EEG、ECG、PPG和眼动追踪。
• 在受控环境中，通过与商用基准对比，验证自研传感器的准确性。
• 支持在开放环境条件下对情绪反应和用户交互行为的新型HCI研究。
• 提供可扩展、模块化的系统，支持长期且生态有效的数据采集。

提出的方法

• 系统使用中央计算模块实时聚合、时间戳化并流式传输来自多个传感器的数据。
• 定制设计的耳机集成了用于眼动追踪的双摄像头，并集成电极用于EEG、PPG和ECG传感。
• 传感器在保持信号保真度的同时实现紧凑的外形设计，配备信号处理流水线以实现降噪和伪影去除。
• 通过所有传感器流的硬件触发时间戳实现数据同步。
• 平台通过标准化接口支持额外传感器的即插即用集成。
• 验证实验在受控条件下将传感器输出与商用设备进行对比，以评估其准确性和可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 低成本、集成化的生物传感平台是否能在真实世界HCI应用中实现与商用系统相当的信号质量？
• RQ2 在生态有效环境中，多模态生理和行为数据能否实现高效的时间同步与采集？
• RQ3 自研的EEG、ECG、PPG和眼动追踪传感器在多大程度上能够支持关于情绪反应和用户参与度的新型研究？
• RQ4 该平台是否能够实现以往因成本或技术复杂性而不可行的新一类HCI研究？
• RQ5 与受控实验室环境相比，该系统在开放环境中的表现如何？

主要发现

• 在受控验证测试中，自研传感器表现出与商用替代品相当或更优的信号质量。
• 该系统成功实现了EEG、ECG、PPG和眼动追踪信号之间亚毫秒级精度的多模态数据流同步。
• 耳机形态设计使得在非受控、真实世界环境中能够实现稳定、长时间的数据采集。
• 该平台支持在自然环境中采集高保真度的生理和行为数据，从而推动了对情绪和认知反应的新研究。
• 将多种传感器集成于单一、经济实惠且便携的系统中，降低了HCI研究人员的入门门槛。
• 该系统的模块化设计支持灵活配置，并可扩展支持更多类型的传感器。