Analyse der Navigation und Steuerung von 3D-Bewegungen via Brain-Computer-Interface

Abstract

Brain-Computer-Interfaces (BCIs) sind ein junges Themengebiet, deren Aufgabe das Ableiten und Interpretieren von Gehirnströmen ist, welche meist mittels Elektroenzephalografie (EEG) erfasst werden. Die ersten Studien, welche die Grundlage heutiger BCI-Anwendungen bilden, wurden in den 1970er Jahren publiziert. Ein Anwendungsgebiet von BCIs ist die Realisierung einer Steuerung durch Gedanken. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse gängiger Modelle zur Steuerung und Navigation in virtuellen 3D-Umgebungen via BCI. Auf Basis einer prototypischen Experimentreihe soll aufgezeigt werden, welche konkreten Anwendungsmöglichkeiten kommerzielle Hardware zum heutigen Zeitpunkt bietet. Um eine Steuerung via BCI zu realisieren, muss ein Anwender der dem Headset beigelegten Software antrainieren, die von dem Anwender gedachten Kommandos entsprechend zu interpretieren. Dazu muss dieser seine Gedanken eine gewisse Zeitspanne lang auf ein spezifisches Kommando fokussieren, welche das BCI aufzeichnet und algorithmisch eingrenzt und filtert. Ist ein adäquater Trainingslevel erreicht, können die erlernten Kommandos dann mit Hilfe einer Software auf Steuerungsbefehle wie zum Beispiel Tastaturanschläge abgebildet werden. Dieser Vorgang wird als Mapping bezeichnet. In Experimenten wurde eine Steuerung von kommerziellen 3D-Computerspielen via BCI realisiert und anschließend vergleichend analysiert. Getestet wurden Computerspiele verschiedener Genres, zum einen aus dem Genre Shooter und zum anderen ein Computerspiel aus dem Genre Rennsimulation. Es konnte dabei gezeigt werden, dass die Möglichkeiten einer zufriedenstellenden Realisierung von derartigen Steuerungen via BCI mit Hilfe eines kommerziellen Headsets noch begrenzt sind. In einem weiteren Versuch, welcher einen alternativen bewegungsbasierten Steuerungsansatz verfolgt, konnte eine Verbesserung erzielt werden. Die Arbeit konnte das Potential von BCIs für den Forschungsbereich in der Medizin als auch für den Industriesektor klar aufzeigen, jedoch stellt die Ansteuerung von wenigen Freiheitsgraden noch eine Einschränkung für den effektiven Einsatz in diesen Bereichen dar.

The field of Brain-Computer Interfaces (BCIs) is young and can offer a new modality for control. The first studies, which provide the basis for further investigations, where published in the 1970s. A BCI establishes a direct connection between the brain and a computer by gathering brain signals and interpreting certain brainwaves. The signal acquisition is often accomplished by using EEG-Headsets or EEG-Braincaps. This thesis analyses common control modalities for navigating through a virtual 3D-Environment via BCI. A series of experiments will show the application potential of consumer grade EEG-Hardware at the present. To realize a control via BCI users have to train a user specific classifier first, because brain signals differ from user to user. In this training the user has to focus his mind on a specific command during a short period of time, which will be measured and filtered by the BCI Software. After accomplishing an adequate level of training, the trained BCI command can be mapped to control modalities like a key on the keyboard. In a series of experiments controls for commercial 3D video games will be realised and analysed. The first game is a shooter and the second game a racing simulation. The experiments show that the possibilities of realising a satisfying BCI control by using a consumer grade headset are limited. A third experiment using a movement based BCI control performed better. The experiments show the potential of BCIs, but also proof that because of the limitation of multiple degrees of freedom, further investigation and study is necessary in this field.