Dipl.-Ing. Peter Wiebe :

Biosignale für die Kommunikation bei Mensch-Maschine-Systemen

Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik, 2003-12-19

BetreuerIn: Prof. Dr.-Ing. Horst-Lothar Fiedler , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik

GutachterIn: Prof. Dr.-Ing. Horst-Lothar Fieldler , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik
GutachterIn: Prof. Dr.-Ing. Edmund Gerhard , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik

Schlüsselwörter in Deutsch: Biosignal, Kommunikation, realistische Mensch-Maschine-Systeme, Information, EOG-Signal, Kopfbewegung, Computermaus, willentlich beeinflussbare Biosignale, Apobetik, Human-Computer-Interface
Schlüsselwörter in Englisch: biosignal, communication, realistic man-machine systems, information, EOG signal, head movement, computer mouse, voluntarily influenceable biosignals, apobetics, HCI

  
   
 Klassifikation     
    Sachgruppe der DNB: 620 Ingenieurwissenschaften
  
   
 Abstrakt     
   

Abstrakt in Deutsch

Die vorliegende Arbeit analysiert, inwiefern sich menschliche Biosignale für die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine eignen. Ein exemplarisches Kommunikationssystem wird vorgestellt, das die Bedienung einer Computermaus mit Elektrookulographiesignalen (EOG) und Kopfbewegungen des Anwenders gestattet. Eine spezielle Brille mit integrierten Elektroden, Verstärkern und Beschleunigungssensoren erfasst die Biosignale und leitet sie an die rechnergestützte Signalverarbeitung. Hier werden die Signale aufbereitet und auf definierte Funktionen einer Computermaus abgebildet. Aufgrund der nichtorthogonalen Ableitpunkte für die EOG-Signale ist vorab eine Orhogonalisierung erforderlich. Des Weiteren sind das vertikale EOG-Signal und Lidschläge des Auges voneinander zu unterscheiden, da sie miteinander gekoppelt sind. Hierfür wird die Signalsteilheit als Entscheidungskriterium herangezogen. Mit seitlichen Kopfneigungen und Nickbewegungen kann der Benutzer den Zeiger der Computermaus auf dem Bildschirm bewegen. Dynamische Bewegung der Augen, in Zusammenhang mit Lidschlägen auf einem festgelegten Feld, emulieren Aktivitäten der linken Maustaste bzw. starten und stoppen die Aktivität der Computermaus. Für den Aufbau von Mensch-Maschine-Kommunikation ist es erforderlich, die Beziehung zwischen den Größen Biosignal und Information zu diskutieren. Diese zentralen Größen der Mensch-Maschine-Kommunikation sind daher präzise zu definieren. Solches leistet das verwendete Informationsmodell mit fünf hierarchischen Ebenen: Statistik, Syntax, Semantik, Pragmatik und Apobetik* sowie empirisch abgeleiteten Sätzen über Information. Die energetisch-stofflichen Biosignale des Individuums sind demnach nur unter bestimmten Voraussetzungen zugleich Informationsträger. Aus dem Modell folgt zwingend, dass Information nur dann vermittelt werden kann, wenn der Anwender des Mensch-Maschine-Systems über willentlich beeinflussbare Biosignale verfügt. Individuell gewichtet erfüllen dies u. a. viele bioelektrische Signale: z. B. EOG-, EMG- und EEG- Signale. Folglich sind sie potentiell für die Kommunikation bei diversen Mensch-Maschine-Systemen geeignet. Das funktionstüchtige Mensch-Maschine-System gründet auf den Prinzipien des obigen Informationsmodells und bestätigt exemplarisch dessen allgemeine Aussagen. Offenbar müssen Biosignale für realistische Mensch-Maschine-Kommunikation generell diesem Informationsmodell genügen.
(* Apobetik: Aus dem griechischen 'apobeinon' (=Ergebnis, Erfolg, Ausgang) abgeleitet).

Abstrakt in Englisch

This thesis analyzes in what respect human biosignals are suitable for communication among man and machine. An exemplary communication system is presented which provides the operation of a computer mouse by electro-oculographical signals (EOG) and head movements of the user. Special eyeglasses with integrated electrodes, amplifiers and acceleration sensors measure the biosignals and transfer them to computer-aided signal processing. In order to discuss here the relationship between 'biosignals' and 'information' it is necessary to define precisely these central quantities of man-machine communication. The applied information model with its five hierarchical levels statistics, syntax, semantics, pragmatics, and apobetics*, and empirically derived laws about information achieves this goal. Therefore, only under certain conditions the energetic-material biosignals of the individual are information carriers concurrently. It is compellingly concluded from the model that information can only be transmitted if the user of the man-machine system has voluntarily influenceable biosignals. Individually dependent, many bioelectric signals (among other biosignals) fulfil this condition: EOG, EMG and EEG signals, e. g. Therefore, they are potentially suitable for commu-nication in various man-machine systems. The operational man-machine system is based on the principles of the above information model and so exemplarily confirms the general statements. Obviously, biological signals for realistic man-machine communication must generally correspond to this information model.
(* Derived from Greek 'apobeinon' = result, success, conclusion).