Steady-state visual evoked potentials (SSVEPs) based brain-computer interface (BCI) has received considerable attention due to its high information transfer rate (ITR) and available quantity of targets. However, the performance of frequency identification methods heavily hinges on the amount of user calibration data and data length, which hinders the deployment in real-world applications. Recently, generative adversarial networks (GANs)-based data generation methods have been widely adopted to create synthetic electroencephalography (EEG) data, holds promise to address these issues. In this paper, we proposed a GAN-based end-to-end signal transformation network for data length extension, termed as TEGAN. TEGAN transforms short-length SSVEP signals into long-length artificial SSVEP signals. By incorporating a novel U-Net generator architecture and an auxiliary classifier into the network architecture, the TEGAN could produce conditioned features in the synthetic data. Additionally, we introduced a two-stage training strategy and the LeCam-divergence regularization term to regularize the training process of GAN during the network implementation. The proposed TEGAN was evaluated on two public SSVEP datasets (a 4-class dataset and a 12-class dataset). With the assistance of TEGAN, the performance of traditional frequency recognition methods and deep learning-based methods have been significantly improved under limited calibration data. And the classification performance gap of various frequency recognition methods has been narrowed. This study substantiates the feasibility of the proposed method to extend the data length for short-time SSVEP signals for developing a high-performance BCI system. The proposed GAN-based methods have the great potential of shortening the calibration time and cutting down the budget for various real-world BCI-based applications.


翻译:摘要:基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)的脑机接口(BCI)因其高信息传输速率(ITR)和可用目标数量而受到广泛关注。然而,基于频率识别方法的表现在很大程度上取决于用户校准数据和数据长度,这阻碍了其在实际应用中的部署。最近,基于生成对抗网络(GAN)的数据生成方法已被广泛采用来创建合成脑电(EEG)数据,有望解决这些问题。本文提出了一种基于GAN的端到端信号转换网络,用于数据长度扩展,称为TEGAN。TEGAN将短时SSVEP信号转换为长时人工SSVEP信号。通过将一种新颖的U-Net生成器架构和一个辅助分类器纳入网络体系结构,TEGAN能够在合成数据中产生条件特征。此外,我们引入了两阶段训练策略和LeCam-散度正则化项,在GAN的训练过程中规范化了TEGAN的实现过程。该方法在两个公共的SSVEP数据集(一个4类数据集和一个12类数据集)上进行了评估。借助TEGAN的帮助,传统的频率识别方法和基于深度学习的方法在有限的校准数据下显着改善了性能。各种频率识别方法的分类性能差距已经缩小。本研究证实了采用该方法扩展短时SSVEP信号数据以开发高性能BCI系统的可行性。所提出的基于GAN的方法有望缩短校准时间并减少各种实际BCI应用的预算。

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