【《表面肌电信号预处理与特征提取分析案例》2000字】

表面肌电信号预处理与特征提取分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u14639表面肌电信号预处理与特征提取分析案例 1208611.1表面肌电信号预处理 1293571.2肌电信号特征提取方法 2158721.3时域特征参数 3183821.4小结 4通过采集得到的肌电数据信号，需要对其进行预处理才能在使用分类器识别时减少噪声带来的影响。本章分别介绍了预处理的方法与特征的提取方法。预处理的方法为窗口分析法。特征提取方法方面，主要对基于时域，频域，时频域的几类方法进行分析。1.1表面肌电信号预处理针对采集到的肌电数据，窗口分析法常用的预处理方法。即通过移动窗口技术对sEMG进行分割。如图3-1所示，其中w为窗口长度，t表示窗口的位移量，τ表示特征提取的处理延迟。参数τ不能人为赋值，它表示特征提取和分类所需时间的累计求和。保证肌电系统实时性必须建立在τ<t的基础上该方法将窗口中截取的信号数据进行特征提取得到特征矩阵，之后增加t的位移量重复以上步骤。窗口长度w的取值大小决定了该窗口所包含的数据量。若取得过小，特征的统计方差就会增大，分类识别准确率也会随之降低。但w过大会导致信号处理速度偏慢，影响实时性。经过查阅相关文献和试验，本文选取300ms的窗口长度和50ms的增量长度。该组合具有更高的识别准确度的同时还能保证系统处理的实时性。图3-1窗口分析法1.2肌电信号特征提取方法经过预处理后的肌电信号不能直接送入分类器进行识别，需要从数据中提取具有代表性的特征才能继续下一步的分类工作。这个过程即为特征提取。特征提取是处理分类问题中最为重要的一步。提取的特征向量的好坏会直接影响到分类器识别手势的准确率。因此对特征分析方法的研究有助于我们对特征参数的选取。目前对表面肌电信号特征的分析方法主要有时域分析法、频域分析法、时频分析法等。通过采集设备得到的波形信号随时间或样本数变化的关系就是原始的肌电信号，时域分析法就是对表面肌电信号进行时域上分析处理，最后得到一些统计特征。如均方根值、方差、绝对平均值、过零点数等。时域特征提取简单，计算量小，内含的意义也十分直观，易于理解。因此在肌电信号领域得到广泛的应用。频域分析法通过傅里叶变换将信号从时域转换到频域上进行分析，该分析主要是针对频谱的分析。相比于时域分析，频域分析引导我们深入信号的本质，了解信号的组成成分，由此能看到从时域角度看不到的东西。但频域分析法也具有难以理解，计算量较大等缺点。时域和频域分析针对的是平稳信号，对于非平稳信号，只取时域或频域二者之一来研究都无法准确的分析它的特性，因此将时间和频率结合起来表达信号，即为信号的时频处理方法。时频分析法能够得到信号频谱与时间的函数，常见的时频分析方法有小波变换(Wavelettransform)、短时傅里叶变换（short-timeFouriertransform)、希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huangtransform)、CWD分布（Choi-Williamsdistribution)等。综上所述，时域分析法由于出现较早，计算方便，易于实现的特点获得了很多研究学者的应用。频域分析法能解决时域分析法提取的特征易随着肌肉力变化而波动的缺点，但计算量较为复杂，因此本文不予采用。时频域分析法能同时解决时域特征不稳定和频域特征无法考虑时域信息的问题，在处理非平稳信号方面有着独特的优势。1.3时域特征参数本文主要研究时域特征在不同分类器下的识别准确率，因此介绍几种时域特征参数的含义和计算表达式。（1）绝对平均值（MAV）因为表面肌电信号的平均值十分接近于0，所以单纯用平均值来做特征值是不可行的。因此，先对肌电信号取绝对值，再计算平均值，最后得到的就是绝对平均值。绝对平均值记录了具体采样点的平均幅值，也在某些情况下反映肌肉在做出动作时的强度。其表达式为：（3-1）其中N表示采样窗口的长度，表示第i个采样点的幅值。（2）均方根（RMS）均方根在物理上也称作效值，可用于说明样本的离散度，在肌电信号中可用于表示功率和幅值的大小，也体现了肌肉的收缩程度。其表达式为：(3-2)（3）波形长度（WL）波形长度通过计算相邻两个样本点的幅值之差，将这些差值累加起来。该特征值体现了信号的复杂度。其表达式为：（3-3）（4）方差（VAR）方差在统计学中表示一组数据的离散程度，在肌电信号中作为能量的度量指标。其主要通过每个样本与全体样本的平均值的差值平方求均值得出。因为肌电信号平均值可忽略不计，所以该表达式可转换成以下公式：（3-4）（5）过零点数(ZC)肌电信号的波形穿过零点的次数就是过零点数，该特征值可表示肌电信号中各种频率成分的变化趋势。过零点数的增大意味着高频成分的增加，若低频成分增加就表示过零点数减少。过零点数的数学表达式为：（3-5）其中为阈值，设置的目的是为了防止背景噪声的干扰。（6）积分肌电值（IEMG）积分肌电值可通过计算肌电信号在一个区间的所有样本的绝对值之和得到，可用来表达该段时间内信号的强度。其表达式如下：（3-6）1.