格拉斯哥大学中国博士生提出计算鬼成像架构，可以连接人脑和计算机

计算鬼成像（computational ghost imaging, CGI），使用关联计算获得物体信息，已被广泛用于生物医学、遥感、安防等领域，且已取得许多重要的成果。

脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI），是一种将人类大脑与外部计算机或机器连接起来的技术，通过识别和解析大脑发出的电信号，来控制计算机或机器的行为，以及读取或监测大脑的活动状态。目前，该技术正在为增强人类能力开启一系列新的可能性和途径。

(相关资料图)

近日，英国格拉斯哥大学物理学博士生王高，提出了一种连接人脑和计算机实现简单 CGI 的架构[1]。该研究有望实现对人体视觉感知的增强，也为增强现实、人机交互等领域的发展提供了新思路。

图 | 王高（来源：王高）

例如，该成果可以对人眼的视线之外的物体进行成像，从而实现感知的增强。研究中，该团队利用人类视觉系统，来检测包含场景信息的强度信号，然后通过脑电波读取并传递给计算机进行图像重建。

另外，该研究也提供了一种探索大脑神经学的技术路线，为理解人类视觉系统的神经物理学机制提供了新线索，可被用于研究有意识和非意识下的脑电状态差异。

日前，相关论文以《用人脑进行计算鬼成像》（Computational Ghost Imaging with the Human Brain）为题发在Intelligent Computing 上，王高是第一作者，英国格拉斯哥大学丹尼尔·法乔（Daniele Faccio）教授担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Intelligent Computing）

该成果有多个潜在具体应用：

其一，在人体增强方面，使用脑机接口实现计算成像可以扩展人类的感知能力，例如实现对人的视线之外的场景进行成像。

其二，在人机交互方面，通过人眼实现对所注视区域的成像，有望增强残疾人与外界的交互能力。

其三，在神经物理学方面，本次成果提供了一种探索大脑神经学的技术路线，例如在有意识和非意识状态下脑电差异的表征。

其四，在医学方面，该技术可以为检查人脑的视觉通路的功能，提供一个潜在的框架和方法。

其五，在脑机结合方面，该技术可潜在地使用人类大脑强大的数据处理能力，来处理外部环境中的视觉刺激，并通过读取 BCI 所记录的脑电信号来完成复杂任务。例如，使用人类大脑识别或分类图像。

（来源：Intelligent Computing）

在王高的硕士阶段，他就开始研究计算鬼成像技术，他发现算法中的累加过程可以通过人眼的视觉暂留来实现，即裸眼鬼成像技术[2][3][4]。在博士阶段，他把人类视觉系统当成探测器，将计算鬼成像和人脑结合，提出了基于脑机接口的计算鬼成像技术[1]。

为了实现基于脑机接口的计算鬼成像技术，他学习了相关的脑机接口技术知识，尤其是视觉诱发信号。

后来，他在研究中调研了脑机接口中常用的视觉诱发信号，选取了稳态视觉诱发电位（SSVEP，steady-state visual evoked potential）作为成像探测的一部分。

通过大量实验，他研究了光学刺激输入和 SSVEP 输出之间的强度关系，绘制了相应的热力图，为后续的成像提供了基础。

接着，王高提出自适应计算循环，将 SSVEP 信号对光学散斑进行实时反馈调控，借此来加快成像速度、减少探测次数、以及缩短成像所需的时间。

然后，他构建了计算鬼成像的深度神经网络，针对 SSVEP 实现了从强度探测序列到物体图像的成像映射，也降低了噪声的影响、提高了成像的质量。

最后，他在有意识和非意识状态下进行成像重构，结果发现当被试对象在被要求有意识地口述、或键入感知到的光强度时，基于脑电重建的图像质量会降低。

在初学脑机设备时，王高使用了一款 14 通道的商用脑机接口设备来采集脑电信号，但这需要每年付费订阅才能全面使用。每个通道需要一定时间进行预处理后才能佩戴在头上，即加盐水增强导电性。

而他的研究重点在视觉皮层的脑电上，而该设备的 14 个电极中只有两个在这个区域，因此很多通道用处不大。

（来源：Intelligent Computing）

为了简化操作，他决定自己制作一个只采集视觉皮层脑电信号的三电极脑机设备。经过选购芯片、设计电极、3D 打印模型、搭建线路、使用电脑声卡进行信号采集、编写基于 MATLAB 的软件控制代码等步骤，最终完成了软硬件的搭建。整个过程中，主要花费在芯片购买上（约 200 元人民币）。

他的目标是制作一个可以快速佩戴进行实验的低成本设备，相比之下上述商用设备的年订阅费就超过七千元人民币。他说：“这次 DIY 的经历，也让我想起在西安交通大学读研时使用几块钱的材料进行实验的经历[2][3]。”

另据悉，大脑在有意识和非意识的状态之间，大脑的工作状态存在着更多需要探索之处。目前，他在论文里使用简单的周期性光强变化作为输入，在这两种状态下发现脑电的输出会有不同。

而在后续研究里，他将使用更加复杂的视觉刺激作为输入，进而观察脑电的输出在两种状态下的差异。以及进一步研究和应用大脑的非线性效应。

据介绍，王高本硕均毕业于西安交通大学。他说：“本科期间我把时间和精力投入到学习 MATLAB 中，通过阅读 MATLAB 的帮助文档，我学习了许多数据处理算法和硬件控制的相关知识。因为我认识到做理工科的科研，数据采集和处理是非常重要的一环。这为我在硕士阶段的研究打下了坚实的基础。”

在硕士阶段，王高的主要研究方向是计算鬼成像。硕士期间他参与了不少项目，涉猎了光路设计与搭建、机械制图与制造、以及电路绘图与制版等多个方面的知识。

“因此，在光机电的各个方向，我得到了较为全面的发展。此外，也通晓了各种工程软件的使用以及各种光机电设备的使用。”他说。

目前，王高在英国格拉斯哥大学攻读物理学博士，主要研究方向是：用人脑进行计算成像。其还表示：“我计划博士毕业后，在海外做三年的博士后，然后回国找工作。”

参考资料：

1.G. Wang and D. Faccio, “Computational ghost imaging with the human brain,” Intell. Comput., p. icomputing.0014, Jan. 2023, doi: 10.34133/icomputing.0014.

2.G. Wang et al., “All-Optical Naked-Eye Ghost Imaging,” Sci. Rep., vol. 10, no. 1, p. 2493, Dec. 2020, doi: 10/ggn9qv.

3.G. Wang et al., “Naked-eye ghost imaging via photoelectric feedback,” Chin. Opt. Lett., vol. 18, no. 9, p. 091101, 2020, doi: 10/gjnwbt.

4.A. Boccolini, A. Fedrizzi, and D. Faccio, “Ghost imaging with the human eye,” Opt. Express, vol. 27, no. 6, p. 9258, Mar. 2019, doi: 10/gf7pc4.

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