摘要：在精神疲勞研究中，能客觀地反映精神疲勞狀態(tài)的實驗系統(tǒng)是研究的基礎。本文基于語音合成技術TTS，結合腦電采集設備，利用Micmsoft Speech SDK語音開發(fā)包、TTS引擎和微軟MFC基礎類庫，在VC++環(huán)境下設計并實現(xiàn)了精神疲勞實驗系統(tǒng)。實驗結果表明，將TTS技術應用于精神疲勞實驗系統(tǒng)，大大提高了實驗的靈活性，能實現(xiàn)疲勞狀態(tài)的準確標定。
關鍵詞：TTS；腦電信號；VC開發(fā)環(huán)境；精神疲勞狀態(tài)標定；Microsoft Speech SDK

精神疲勞是現(xiàn)代社會中的重要問題，嚴重影響了人們的生命和健康。在交通駕駛、航天航空、實時監(jiān)控、高風險作業(yè)等行業(yè)，許多事故的發(fā)生都與精神疲勞有關，因此，對精神疲勞的分析及評價就顯得非常必要。
自對疲勞進行研究以來，精神疲勞的測定經(jīng)歷了生理生化法、主觀評定法、生理反應測定法等方法。這些傳統(tǒng)方法因有很大的局限性而很難做到客觀和定量化。隨著現(xiàn)代電子技術和醫(yī)學信號檢測與處理技術的發(fā)展，基于生理參數(shù)信號(腦電信號、心電信號等)的精神疲勞測定技術的研究受到越來越多的關注。
在精神疲勞的研究中，受試者的精神疲勞狀態(tài)一般通過不同的精神疲勞實驗來產生，并對相應的精神疲勞狀態(tài)進行量化標定。其中，讓受試者進行某種作業(yè)，通過統(tǒng)計每次的完成時間或成功率來對受試者的疲勞狀態(tài)進行標定是一種廣泛采用的方法。Atsuo Murata等在其研究中讓受試者根據(jù)CRT顯示的兩個三位數(shù)做加法，根據(jù)其完成時間和正確率給出疲勞狀態(tài)的標定，該方法中，受試者對計算機給出的操作命令需要經(jīng)過一定的心算或者判斷過程來完成。文獻中通過聽覺操作命令為實驗任務的方法，在按一定時間間隔播放的聲音序列中，隨機插入動作命令集合(上下左右)中的某一個，受試者聽到聲音命令后按下鍵盤上預先設定好的鍵，依據(jù)受試者操作正確率來標定其疲勞狀態(tài)。隨著實驗進行受試者精神達到一定疲勞狀態(tài)，由于操作命令相對簡單，這種情況下，依照操作正確率標定的疲勞狀態(tài)不能準確反映受試者的疲勞狀態(tài)。本文采用基于腦電信號的精神疲勞測定技術，將TTS技術應用到精神疲勞實驗系統(tǒng)中，嘗試通過控制大腦認知問題的難度來提高精神疲勞實驗的可控性，為后續(xù)精神疲勞的研究提供更可信有效的數(shù)據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)總體設計
1．1 實驗系統(tǒng)總體設計思路
TTS技術，又稱文語轉換技術，它是將計算機自己產生的或外部輸入的文字信息轉換為能被人理解的、流利的語言輸出的技術。Microso ft Speech SDK 5．1全面支持中文語音應用程序的開發(fā)。SDK中的底層協(xié)議都以COM組件的形式完全獨立于應用程序層，語音相關的工作由COM組件來完成，程序員只需根據(jù)應用程序的需要調用相關的語音應用程序接口(SAPI)就可以實現(xiàn)語音功能。通過編制相應的軟件程序，調用Microsoft Speech SDK 5．1的動態(tài)鏈接庫，利用系統(tǒng)中安裝的TTS引擎將精神疲勞實驗中隨機生成的一個等式判斷命令語句由文本轉換為語音讀出來，受試者以聽覺判斷命令為實驗任務，同時由腦電采集設備采集腦電信號，然后根據(jù)受試者完成作業(yè)的質量對相應腦電信號數(shù)據(jù)進行疲勞狀態(tài)的定量標定。
基于TTS技術和腦電采集設備的精神疲勞實驗系統(tǒng)的總體設計流程如圖1所示。

1．2 硬件配置及開發(fā)環(huán)境
硬件配置條件：
1)計算機
實驗用標準配置計算機一臺，另有耳塞式耳機或音箱。
2)腦電信號采集設備
腦電信號的采集要通過專用的儀器設備完成，以實現(xiàn)安全、有效、可靠的獲取人的腦電信號數(shù)據(jù)供進一步的分析處理。腦電采集設備種類繁多，文中使用由g．tec公司生產的g．USBamp信號放大采集設備，電極位置按照國際10—20標準導聯(lián)系統(tǒng)的電極安放，詳細電極位置見文獻。
開發(fā)環(huán)境配置條件：
軟件運行環(huán)境為Win7系統(tǒng)，安裝有Microsoft Simplified Chinese語音引擎，開發(fā)工具為VC6．0。

2 實驗系統(tǒng)各模塊設計與實現(xiàn)
本實驗系統(tǒng)的目的是完成標定有相應精神疲勞狀態(tài)的腦電信號數(shù)據(jù)的采集存儲，實驗系統(tǒng)主要包括兩個部分：腦電采集和聽警覺作業(yè)。
腦電采集是通過腦電采集設備完成對受試者腦電信號的采集，聽警覺作業(yè)是讓受試者對聽到的判斷命令進行判斷選擇，同時系統(tǒng)會記下受試者每次選擇判斷的時間和正誤，最后依據(jù)作業(yè)完成質量對疲勞狀態(tài)進行量化標定。實驗首先進行腦電信號的采集，在腦電信號開始采集的初始階段，只采集受試者的腦電信號，直到聽警覺作業(yè)開始的同時才進行腦電數(shù)據(jù)的存儲。這樣即丟棄了開始采集腦電信號時因設備不穩(wěn)定而獲取的不準確數(shù)據(jù)，同時保證了存儲下來的數(shù)據(jù)是受試者在作業(yè)過程中的腦電信號數(shù)據(jù)。這兩部分工作分別由2個線程來完成。