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DE102015217335A1 - Method for determining a classifier for determining states based on electroencephalography data - Google Patents

Method for determining a classifier for determining states based on electroencephalography data Download PDF

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DE102015217335A1
DE102015217335A1 DE102015217335.6A DE102015217335A DE102015217335A1 DE 102015217335 A1 DE102015217335 A1 DE 102015217335A1 DE 102015217335 A DE102015217335 A DE 102015217335A DE 102015217335 A1 DE102015217335 A1 DE 102015217335A1
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DE
Germany
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features
feature
weighting
determining
channel
Prior art date
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Pending
Application number
DE102015217335.6A
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German (de)
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Felix Klanner
Haoqui Sun
Olga Sourina
Cornelia Denk
Ralph Helmar Rasshofer
Yan Yang
Guangbin Huang
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Nanyang Technological University
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Abstract

Es wird ein Verfahren (300) zur Ermittlung eines Zustands-Klassifikators beschrieben. Das Verfahren (300) umfasst das Ermitteln (304) einer Vielzahl von Trainings-Datensätzen. Desweiteren umfasst das Verfahren (300) das Ermitteln (305, 306), auf Basis der Vielzahl von Trainings-Datensätzen, von Gewichtungswerten für einzelne Ursprungs-Merkmale, wobei ein Gewichtungswert für ein Ursprungs-Merkmal eine Relevanz dieses Ursprungs-Merkmals für den Zustands-Klassifikator anzeigt, und wobei die Gewichtungswerte durch Reduzieren oder Erhöhen einer Optimierungsfunktion ermittelt werden. Die Optimierungsfunktion umfasst dabei einen ersten Eliminierungs-Term, der es belohnt, wenn alle Ursprungs-Merkmale eines bestimmten Kanals (405) einer Vielzahl von unterschiedlichen Kanälen (405) eines Elektroenzephalographen (105) für den Zustands-Klassifikator irrelevant sind. Desweiteren umfasst die Optimierungsfunktion einen zweiten Eliminierungs-Term, der es belohnt, wenn ein einzelnes Ursprungs-Merkmal für den Zustands-Klassifikator irrelevant ist. Es kann so auf Basis der Gewichtungswerte eine relevante Untermenge der Vielzahl von Ursprungs-Merkmalen für den Zustands-Klassifikators ausgewählt werden.A method (300) for determining a state classifier is described. The method (300) includes determining (304) a plurality of training records. The method (300) further comprises determining (305, 306), based on the plurality of training data sets, weighting values for individual originating features, wherein a weighting value for an originating feature comprises a relevance of this originating characteristic for the status Classifier, and where the weighting values are determined by reducing or increasing an optimization function. The optimization function includes a first elimination term that rewards it if all the source features of a particular channel (405) of a plurality of different channels (405) of an electroencephalograph (105) are irrelevant to the state classifier. Furthermore, the optimization function includes a second elimination term that rewards it when a single origin feature is irrelevant to the state classifier. It is thus possible on the basis of the weighting values to select a relevant subset of the plurality of origin features for the state classifier.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Steuereinheit zur Ermittlung eines Zustands-Klassifikators zur Bestimmung des Zustands einer Person, insbesondere eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs.The invention relates to a method and a corresponding control unit for determining a state classifier for determining the state of a person, in particular a driver of a motor vehicle.

Ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug, umfasst bereits heute typischerweise eine Vielzahl von Fahrerassistenzsystemen (wie z. B. einen Spurhalteassistenten, einen automatischen Geschwindigkeitsregler (ACC), etc.), die einen Fahrer des Kraftfahrzeugs bei der Führung des Kraftfahrzeugs unterstützen. Um die Qualität der Unterstützung und/oder den Komfort eines Fahrerassistenzsystems (FAS) zu erhöhen, kann der Funktionsumfang eines FAS von einem Zustand der Fahrers, z. B. von einem Grad der Aufmerksamkeit des Fahrers, abhängig gemacht werden. Beispielsweise kann ein von dem FAS generiertes Warnsignal in Abhängigkeit von dem Zustand des Fahrers (z. B. relativ frühzeitig oder relativ spät) generiert werden.A motor vehicle, in particular a road motor vehicle, already typically comprises a large number of driver assistance systems (such as a lane departure warning system, an automatic cruise control (ACC), etc.), which assist a driver of the motor vehicle in guiding the motor vehicle. In order to increase the quality of assistance and / or comfort of a driver assistance system (FAS), the functionality of a FAS may vary from a driver's condition, e.g. B. of a degree of attention of the driver to be made dependent. For example, a warning signal generated by the FAS may be generated depending on the driver's condition (eg, relatively early or relatively late).

In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, den Zustand einer Person, insbesondere eines Fahrers eines Fahrzeugs, in zuverlässiger Weise zu ermitteln. Dabei können Sensordaten einer Vielzahl von Kanälen bzw. Elektroden eines Elektroenzephalographen (EEG) ausgewertet werden. Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, den Zustand einer Person, insbesondere eines Fahrers eines Fahrzeugs, in zuverlässiger und effizienter Weise auf Basis der Sensordaten der Kanäle eines EEGs zu ermitteln. Insbesondere befasst sich das vorliegende Dokument mit der technischen Aufgabe, einen Zustands-Klassifikator bereitzustellen, der den Zustand einer Person in zuverlässiger und effizienter Weise auf Basis von EEG-Sensordaten ermitteln kann.In this connection, it is necessary to reliably determine the condition of a person, particularly a driver of a vehicle. In this case, sensor data of a plurality of channels or electrodes of an electroencephalograph (EEG) can be evaluated. The present document deals with the technical task of determining the condition of a person, in particular a driver of a vehicle, in a reliable and efficient manner on the basis of the sensor data of the channels of an EEG. In particular, the present document addresses the technical problem of providing a state classifier that can reliably and efficiently determine a person's condition based on EEG sensor data.

Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u. a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The object is solved by the independent claims. Advantageous embodiments are u. a. in the dependent claims.

Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Zustands-Klassifikators beschrieben. Das Verfahren kann durch einen Mikroprozessor (z. B. durch einen Mikroprozessor in einem Fahrzeug) ausgeführt werden. Der Zustands-Klassifikator ist eingerichtet, einem ersten Wert eines reduzierten Merkmalsvektors einen ersten Zustand einer Person, insbesondere eines Fahrers eines Fahrzeugs (z. B. eines Straßenkraftfahrzeugs), zuzuweisen. Insbesondere kann der Zustands-Klassifikator eingerichtet sein, den aktuellen Zustand eines Fahrers eines Fahrzeugs während einer Fahrt zu bestimmten. Zu diesem Zweck kann auf Basis von aktuellen Sensordaten ein aktueller (erster) Wert des reduzierten Merkmalsvektors ermittelt werden. Der Zustands-Klassifikator ist dann eingerichtet, diesem aktuellen (ersten) Wert des reduzierten Merkmalsvektors einen aktuellen (ersten) Zustand des Fahrers zuzuweisen. So kann in zuverlässiger und effektiver Weise ein aktueller Zustand des Fahrers ermittelt werden.In one aspect, a method of determining a state classifier is described. The method may be performed by a microprocessor (eg, by a microprocessor in a vehicle). The state classifier is set up to assign a first state of a reduced feature vector to a first state of a person, in particular a driver of a vehicle (eg a road motor vehicle). In particular, the state classifier may be configured to determine the current state of a driver of a vehicle during a journey. For this purpose, a current (first) value of the reduced feature vector can be determined on the basis of current sensor data. The state classifier is then configured to assign a current (first) state of the driver to this current (first) value of the reduced feature vector. Thus, a current state of the driver can be determined in a reliable and effective manner.

Dabei ist der Zustands-Klassifikator typischerweise eingerichtet, einen Zustand einer Person aus einer Vielzahl von vordefinierten Zuständen auszuwählen. Die unterschiedlichen vordefinierten Zustände können auch als unterschiedliche Klassen betrachtet werden. Die Menge an unterschiedlichen vordefinierten Zuständen ist dabei typischerweise auf eine relativ geringe Anzahl (z. B. 10, 5, 4, 3 oder weniger) von Zuständen begrenzt. Ein Zustand einer Person kann z. B. einen Grad der Aufmerksamkeit der Person anzeigen.The state classifier is typically set up to select a state of a person from a plurality of predefined states. The different predefined states can also be considered as different classes. The set of different predefined states is typically limited to a relatively small number (eg, 10, 5, 4, 3 or less) of states. A state of a person may, for. B. indicate a degree of attention of the person.

Der reduzierte Merkmalsvektor umfasst typischerweise eine Vielzahl von unterschiedlichen Merkmalen, die auf Basis von Sensordaten von unterschiedlichen Kanälen eines Elektroenzephalographen (EEG) ermittelt werden können. Ein EEG umfasst eine Vielzahl von unterschiedlichen Elektroden (typischerweise 10 Elektroden oder mehr) die an unterschiedlichen Positionen an dem Kopf einer Person, z. B. eines Fahrers eines Fahrzeugs, befestigt werden können, um Hirnströme an den unterschiedlichen Positionen als Sensordaten zu erfassen. Die unterschiedlichen Elektroden können als unterschiedliche Kanäle eines EEG bezeichnet werden. Für jeden Kanal des EEG werden Sensordaten (d. h. Elektrodensignale) bereitgestellt.The reduced feature vector typically includes a plurality of different features that may be determined based on sensor data from different channels of an electroencephalograph (EEG). An EEG comprises a plurality of different electrodes (typically 10 electrodes or more) which are located at different positions on a person's head, e.g. As a driver of a vehicle, can be attached to detect brain waves at the different positions as sensor data. The different electrodes may be referred to as different channels of an EEG. Sensor data (i.e., electrode signals) are provided for each channel of the EEG.

Dabei können typischerweise auf Basis der Sensordaten eine relativ große Menge an unterschiedlichen Merkmalen berechnet werden (die in diesem Dokument auch als Ursprungs-Merkmale) bezeichnet werden. Insbesondere können mehrere (typischerweise entsprechende) Ursprungs-Merkmale für jeden Kanal der Vielzahl von Kanälen ermittelt werden. Beispielhafte Ursprungs-Merkmale, die auf Basis der Sensordaten eines Kanals eines EEG ermittelt werden können, sind: ein Spektrum eines zeitlichen Ausschnittes der Sensordaten eines Kanals; eine Entropie eines zeitlichen Ausschnittes der Sensordaten eines Kanals; und/oder eine fraktale Dimension eines zeitlichen Ausschnittes der Sensordaten eines Kanals.Typically, based on the sensor data, a relatively large amount of different features may be calculated (also referred to herein as originating features). In particular, multiple (typically corresponding) origin features may be determined for each channel of the plurality of channels. Exemplary source features which can be determined on the basis of the sensor data of a channel of an EEG are: a spectrum of a temporal section of the sensor data of a channel; an entropy of a temporal section of the sensor data of a channel; and / or a fractal dimension of a temporal section of the sensor data of a channel.

Der reduzierte Merkmalsvektor umfasst nur eine Teilmenge der relativ großen Menge an Ursprungs-Merkmalen, die auf Basis der Sensordaten berechnet werden können. Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren ist eingerichtet, diese Teilmenge derart zu ermitteln, dass auch mit einem reduzierten Merkmalsvektor (mit einer reduzierten Menge an Merkmalen), ein Zustands-Klassifikator mit einer hohen Klassifikationsgüte bereitgestellt werden kann. Gleichzeitig wird durch die Reduzierung der Menge an Merkmalen die Rechenkomplexität des Zustands-Klassifikators reduziert, so dass ein Zustands-Klassifikator bereitgestellt werden kann, der in Echtzeit (z. B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) verwendet werden kann. The reduced feature vector includes only a subset of the relatively large set of source features that can be calculated based on the sensor data. The method described in this document is set up to determine this subset such that even with a reduced feature vector (with a reduced set of features), a state classifier with a high classification quality can be provided. At the same time, by reducing the amount of features, the computational complexity of the state classifier is reduced, so that a state classifier can be provided that can be used in real time (eg, on a control device of a vehicle).

Das Verfahren umfasst das Bereitstellen von Trainingsdaten, die Sensordaten der Vielzahl von unterschiedlichen Kanälen eines EEG umfassen. Das Verfahren umfasst weiter das Ermitteln, auf Basis der Trainingsdaten, einer Vielzahl von Trainings-Datensätzen. Dabei umfasst ein Trainings-Datensatz einen Wert eines Ursprungs-Merkmalsvektors und einen entsprechenden tatsächlichen Zustand der Person. Der Ursprungs-Merkmalsvektor umfasst eine Vielzahl von Ursprungs-Merkmalen, wobei die Vielzahl von Ursprungs-Merkmalen zumindest ein Merkmal für jeden Kanal der Vielzahl von unterschiedlichen Kanälen umfasst. Insbesondere kann die Vielzahl von Ursprungs-Merkmalen für zumindest einen Kanal der Vielzahl von unterschiedlichen Kanälen (typischerweise für alle Kanäle der Vielzahl von unterschiedlichen Kanälen) eine Vielzahl von Ursprungs-Merkmalen umfassen.The method includes providing training data that includes sensor data of the plurality of different channels of an EEG. The method further includes determining, based on the training data, a plurality of training records. In this case, a training record comprises a value of an origin feature vector and a corresponding actual state of the person. The source feature vector includes a plurality of source features, wherein the plurality of source features include at least one feature for each channel of the plurality of different channels. In particular, the plurality of origin features for at least one channel of the plurality of different channels (typically for all channels of the plurality of different channels) may include a plurality of origin features.

Außerdem umfasst das Verfahren das Ermitteln, auf Basis der Vielzahl von Trainings-Datensätzen, von Gewichtungswerten für die einzelnen Ursprungs-Merkmale. Dabei umfassen die Gewichtungswerte typischerweise zumindest einen Gewichtungswert für jedes Ursprungs-Merkmal der Vielzahl von Ursprungs-Merkmale. Desweiteren können die Gewichtungswerte zumindest einen Gewichtungswert für jeden möglichen Zustand der Vielzahl von vordefinierten Zuständen umfassen. Die Gewichtungswerte können in einer Gewichtungsmatrix zusammengefasst sein.In addition, the method includes determining, based on the plurality of training records, weighting values for the individual source features. The weighting values typically include at least one weighting value for each originating feature of the plurality of originating features. Furthermore, the weighting values may include at least one weighting value for each possible state of the plurality of predefined states. The weighting values may be summarized in a weighting matrix.

Ein Gewichtungswert für ein Ursprungs-Merkmal zeigt dabei eine Relevanz dieses Ursprungs-Merkmals für den Zustands-Klassifikator an. Beispielsweise kann ein steigender (Absolut-)Wert eines Gewichtungswertes eine steigende Relevanz des entsprechenden Ursprungs-Merkmals für den Zustands-Klassifikator anzeigen. Die Gewichtungswerte ermöglichen es somit, eine Auswahl darüber zu treffen, welche Ursprungs-Merkmale für den Zustands-Klassifikator relevant sind (und somit in den reduzierten Merkmalsvektor aufgenommen werden sollten) und welche Ursprungs-Merkmale für den Zustands-Klassifikator irrelevant sind (und somit, ohne eine substantielle Reduzierung der Klassifikationsgüte zu bewirkten, im Zustands-Klassifikator unberücksichtigt bleiben können).A weighting value for an origin characteristic indicates a relevance of this origin characteristic for the state classifier. For example, an increasing (absolute) value of a weighting value may indicate an increasing relevance of the corresponding source feature to the state classifier. The weighting values thus make it possible to make a selection as to which origin features are relevant to the state classifier (and thus should be included in the reduced feature vector) and which origin features are irrelevant to the state classifier (and thus, without causing a substantial reduction of the classification quality, can be disregarded in the state classifier).

Die Gewichtungswerte werden durch ein Reduzieren oder ein Erhöhen (bzw. durch ein Optimieren) einer Optimierungsfunktion ermittelt. Zu diesem Zweck kann z. B. ein Gradientenverfahren verwendet werden, um die Optimierungsfunktion zu minimieren bzw. zu maximieren. Die Optimierungsfunktion umfasst dabei einen ersten Eliminierungs-Term, der es belohnt, wenn alle Ursprungs-Merkmale eines bestimmten Kanals der Vielzahl von unterschiedlichen Kanälen des EEG für den Zustands-Klassifikator irrelevant sind. Insbesondere kann der erste Eliminierungs-Term einen Anreiz dafür geben, dass entweder alle Gewichtungswerte der Ursprungs-Merkmale eines bestimmten Kanals eine Irrelevanz der entsprechenden Ursprungs-Merkmale anzeigen (z. B. dass alle Gewichtungswerte null sind), oder dass alle Gewichtungswerte der Ursprungs-Merkmale eines bestimmten Kanals eine Relevanz der entsprechenden Ursprungs-Merkmale anzeigen (z. B. dass alle Gewichtungswerte substantiell von null abweichen). Der erste Eliminierungs-Term kann somit einen Anreiz dafür darstellen, einzelne Kanäle komplett zu eliminieren, und somit nicht im Zustands-Klassifikator zu berücksichtigen.The weighting values are determined by reducing or increasing (or optimizing) an optimization function. For this purpose, z. For example, a gradient method may be used to minimize or maximize the optimization function. The optimization function includes a first elimination term that rewards it if all of the source characteristics of a particular channel of the plurality of different channels of the EEG are irrelevant to the state classifier. In particular, the first elimination term may provide an incentive for either all weighting values of the source features of a particular channel to indicate irrelevancy of the corresponding source features (eg, all weighting values are zero), or all weighting values of the source Features of a particular channel indicate a relevance of the corresponding source features (eg, that all weighting values are substantially different from zero). The first elimination term can thus be an incentive to completely eliminate individual channels, and thus not to be considered in the state classifier.

Desweiteren umfasst die Optimierungsfunktion einen zweiten Eliminierungs-Term, der es belohnt, wenn ein einzelnes Ursprungs-Merkmal für den Zustands-Klassifikator irrelevant ist. Insbesondere kann der zweite Eliminierungs-Term einen Anreiz dafür geben, dass entweder alle Gewichtungswerte eines bestimmten Ursprungs-Merkmals eine Irrelevanz des entsprechenden Ursprungs-Merkmals anzeigen (z. B. dass alle Gewichtungswerte null sind), oder dass alle Gewichtungswerte dieses Ursprungs-Merkmals eine Relevanz des Ursprungs-Merkmals anzeigen (z. B. dass alle Gewichtungswerte substantiell von null abweichen). Der zweite Eliminierungs-Term kann somit einen Anreiz dafür darstellen, einzelne Ursprungs-Merkmale eindeutig zu eliminieren, und somit nicht im Zustands-Klassifikator zu berücksichtigen.Furthermore, the optimization function includes a second elimination term that rewards it when a single origin feature is irrelevant to the state classifier. In particular, the second elimination term may provide an incentive for either all weighting values of a particular source feature to indicate irrelevancy of the corresponding source feature (eg, all weighting values are zero), or all weighting values of this source feature to be one Show relevancy of the source feature (for example, that all weighting values are substantially different from zero). The second elimination term can thus be an incentive to uniquely eliminate individual origin features and thus not to be considered in the state classifier.

Die Eliminierungs-Terme können auch als Besetzungs-Terme bezeichnet werden, da sie die Besetzung einer Gewichtungsmatrix, die die Gewichtungswerte aufweist, beeinflussen. Der erste Eliminierungs-Term bewirkt dabei eine Reduzierung der Besetzung der Gewichtungsmatrix für die Gesamtzeit der Ursprungs-Merkmale einzelner Kanäle. Der zweite Eliminierungs-Term bewirkt eine Reduzierung der Besetzung der Gewichtungsmatrix für einzelne Ursprungs-Merkmale.The elimination terms may also be referred to as population terms because they affect the population of a weighting matrix having the weighting values. The first elimination term causes a reduction of the occupation of the weighting matrix for the total time of the original Characteristics of individual channels. The second elimination term causes a reduction in the population of the weighting matrix for individual origin features.

Die Optimierungsfunktion ermöglicht somit eine zeitgleiche Kanal-Auswahl und Merkmals-Auswahl in einem Optimierungsschritt. So kann ein reduzierter Merkmalsvektor bereitgestellt werden, der eine hohe Klassifikationsgüte bei geringer Rechenkomplexität ermöglicht.The optimization function thus enables a simultaneous channel selection and feature selection in one optimization step. Thus, a reduced feature vector can be provided which enables a high classification quality with low computational complexity.

Das Verfahren kann weiter umfassen, das Auswählen, auf Basis der Gewichtungswerte, einer Untermenge der Vielzahl von Ursprungs-Merkmalen für einen reduzierten Merkmalsvektor. Zu diesem Zweck kann ein Vergleich der Gewichtungswerte (oder daraus ermittelter repräsentativer Gewichtungswerte) mit einem Gewichtungs-Schwellenwert erfolgen.The method may further comprise selecting, based on the weighting values, a subset of the plurality of source features for a reduced feature vector. For this purpose, a comparison of the weighting values (or representative weighting values determined therefrom) may be performed with a weighting threshold.

Desweiteren kann das Verfahren umfassen, das Bereitstellen des Zustands-Klassifikators auf Basis der Gewichtungswerte für die ausgewählte Untermenge von Ursprungs-Merkmalen. Insbesondere können die Gewichtungswerte für die ausgewählte Untermenge von Ursprungs-Merkmalen dazu verwendet werden, Klassifikator-Werte zu ermitteln, mit denen der erste Wert des reduzierten Merkmalsvektors multipliziert werden kann, um den Zustand der Person zu ermitteln. Die Klassifikator-Werte können ggf. den Gewichtungswerten für die ausgewählte Untermenge von Ursprungs-Merkmalen entsprechen.The method may further include providing the state classifier based on the weighting values for the selected subset of source features. In particular, the weighting values for the selected subset of source features may be used to determine classifier values by which the first value of the reduced feature vector may be multiplied to determine the state of the person. The classifier values may optionally correspond to the weighting values for the selected subset of originating features.

Die Optimierungsfunktion umfasst typischerweise einen Fehler-Term, der eine mittlere Abweichung von prädizierten Zuständen der Person von tatsächlichen Zuständen der Person anzeigt. Dabei kann der Fehler-Term einen prädizierten Zustand der Person für einen Trainings-Datensatz durch Anwendung (z. B. durch Multiplikation) von zumindest einem Gewichtungswert auf den Wert des Ursprungs-Merkmalsvektors dieses Trainings-Datensatzes ermitteln.The optimization function typically includes an error term indicating an average deviation of predicted states of the person from actual states of the person. In this case, the error term can determine a predicted state of the person for a training dataset by applying (eg by multiplication) at least one weighting value to the value of the origin feature vector of this training dataset.

Insbesondere kann der Fehler-Term auf Basis folgender Formel ermittelt werden J = 1 / 2∥X ^W – Y∥ 2 / F Dabei entspricht W einer Gewichtungsmatrix, die die Gewichtungswerte umfasst. X ^ ist eine Trainingsdatenmatrix, die die Werte des Ursprungs-Merkmalsvektors aus der Vielzahl von Trainings-Datensätzen umfasst. Y ist eine Zustandsmatrix, die die tatsächlichen Zustände der Person aus der Vielzahl von Trainings-Datensätzen anzeigt. Desweiteren entspricht ∥ ∥F einer Frobenius Norm.In particular, the error term can be determined on the basis of the following formula J = 1 / 2∥X ^ W - Y∥ 2 / F In this case, W corresponds to a weighting matrix which comprises the weighting values. X ^ is a training data matrix that includes the values of the source feature vector from the plurality of training records. Y is a state matrix indicating the actual states of the person from the plurality of training records. Furthermore, ∥ ∥ F corresponds to a Frobenius norm.

Das Ermitteln von Gewichtungswerten umfasst das Ermitteln des ersten Eliminierungs-Terms und das Ermitteln des zweiten Eliminierungs-Terms. Dabei kann das Ermitteln des ersten Eliminierungs-Terms umfassen, das Ermitteln einer Vielzahl von Kanal-Normen für die entsprechende Vielzahl von Kanälen, wobei eine Kanal-Norm für einen Kanal eine L2-Norm der Gewichtungswerte der ein oder mehreren Ursprungs-Merkmale dieses Kanals umfassen kann. Desweiteren kann das Ermitteln des ersten Eliminierungs-Terms umfassen, das Ermitteln einer L1-Norm der Vielzahl von Kanal-Normen. Durch die Kombination von einer L2-Norm mit einer L1-Norm kann eine besonders effektive Eliminierung einzelner Kanäle bewirkt werden.Determining weighting values includes determining the first elimination term and determining the second elimination term. The determining of the first elimination term may include determining a plurality of channel norms for the corresponding plurality of channels, wherein a channel standard for a channel comprises an L2 norm of the weighting values of the one or more origin features of that channel can. Furthermore, determining the first elimination term may include determining an L1 norm of the plurality of channel norms. The combination of an L2 standard with an L1 standard can result in particularly effective elimination of individual channels.

Insbesondere kann der erste Eliminierungs-Term auf Basis folgender Formel ermittelt werden

Figure DE102015217335A1_0002
wobei W die Gewichtungsmatrix ist, wobei M der Anzahl von unterschiedlichen Kanälen entspricht, wobei Quellem der Menge der Ursprungs-Merkmale eines m-ten Kanals entspricht, und wobei wq eine Untermatrix der Gewichtungsmatrix ist, die nur die Gewichtungswerte der ein oder mehreren Ursprungs-Merkmale für einen bestimmten m-te Kanal umfasst.In particular, the first elimination term can be determined based on the following formula
Figure DE102015217335A1_0002
where W is the weighting matrix, where M is the number of distinct channels, where source m is the set of origin features of an mth channel, and wq is a sub-matrix of the weighting matrix containing only the weighting values of one or more origin Features for a particular mth channel.

Das Ermitteln des zweiten Eliminierungs-Terms kann umfassen, das Ermitteln einer Vielzahl von Merkmals-Normen für die entsprechende Vielzahl von Ursprungs-Merkmalen, wobei eine Merkmals-Norm für ein Ursprungs-Merkmal eine L2-Norm der ein oder mehreren Gewichtungswerte für dieses Ursprungs-Merkmal umfasst. Desweiteren kann das Ermitteln des zweiten Eliminierungs-Terms umfassen, das Ermitteln einer L1-Norm der Vielzahl von Merkmals-Normen. Durch die Kombination von einer L2-Norm mit einer L1-Norm kann eine besonders effektive Eliminierung einzelner Merkmale bewirkt werden.Determining the second elimination term may include determining a plurality of feature norms for the corresponding plurality of origin features, wherein a feature standard for an origin characteristic is an L2 norm of the one or more weight values for that originating feature. Feature includes. Furthermore, determining the second elimination term may include determining an L1 norm of the plurality of feature norms. The combination of an L2 standard with an L1 standard can result in a particularly effective elimination of individual features.

Insbesondere kann der zweite Eliminierungs-Term auf Basis folgender Formel ermittelt werden ∥W∥1,2 = Σd∥wd2 wobei wd eine Untermatrix der Gewichtungsmatrix ist, die nur die Gewichtungswerte für ein bestimmtes Ursprungs-Merkmal umfasst. In particular, the second elimination term can be determined based on the following formula ∥W∥ 1,2 = Σ d ∥w d2 where w d is a sub-matrix of the weighting matrix that includes only the weighting values for a particular origin feature.

Der erste Eliminierungs-Term und der zweite Eliminierungs-Term können über jeweilige Faktoren C1 und C2 (auch als Hyperparameter bezeichnet) in der Optimierungsfunktion berücksichtigt werden. Das Verfahren kann weiter umfassen, das Ermitteln von Werten für die Faktoren C1 und C2, so dass eine Klassifikationsgüte des ermittelten Zustands-Klassifikators erhöht (ggf. maximiert) wird. Dies kann z. B. durch ein iteratives Verfahren ermöglicht werden, bei dem anhand von unterschiedlichen Werten der Faktoren C1 und C2 unterschiedliche Zustands-Klassifikatoren bestimmt werden. Es kann dann der Zustands-Klassifikator mit der relativ höchsten Klassifikationsgüte ausgewählt werden. So kann die Güte des Zustands-Klassifikators weiter erhöht werden.The first elimination term and the second elimination term may be considered via respective factors C 1 and C 2 (also referred to as hyperparameters) in the optimization function. The method may further comprise determining values for the factors C 1 and C 2 such that a classification grade of the determined state classifier is increased (possibly maximized). This can be z. B. be made possible by an iterative method in which different state classifiers are determined based on different values of the factors C 1 and C 2 . The state classifier with the relatively highest classification quality can then be selected. Thus, the quality of the state classifier can be further increased.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuereinheit (z. B. ein Steuergerät für ein Fahrzeug) beschrieben, das eingerichtet ist, das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen. Beispielsweise kann das Verfahren während des Betriebs eines Fahrzeugs verwendet werden, um den Zustands-Klassifikator an einen Fahrer des Fahrzeugs anzupassen. So kann die Ermittlung des Zustands des Fahrers weiter verbessert werden.In another aspect, a control unit (eg, a control device for a vehicle) configured to execute the method described in this document is described. For example, the method may be used during operation of a vehicle to adapt the state classifier to a driver of the vehicle. Thus, the determination of the condition of the driver can be further improved.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug z. B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit umfasst.According to a further aspect, a vehicle (in particular a road motor vehicle, for example a passenger car, a truck or a motorcycle) is described, which comprises the control unit described in this document.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z. B. auf einem Steuergerät) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.In another aspect, a software (SW) program is described. The SW program may be set up to run on a processor (eg, on a controller) and thereby perform the method described in this document.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.In another aspect, a storage medium is described. The storage medium may include a SW program that is set up to run on a processor and thereby perform the method described in this document.

Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.It should be understood that the methods, devices and systems described herein may be used alone as well as in combination with other methods, devices and systems described in this document. Furthermore, any aspects of the methods, devices, and systems described herein may be combined in a variety of ways. In particular, the features of the claims can be combined in a variety of ways.

Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigenFurthermore, the invention will be described in more detail with reference to exemplary embodiments. Show

1 ein Blockdiagramm mit beispielhaften Komponenten eines Fahrzeugs; 1 a block diagram with exemplary components of a vehicle;

2 eine beispielhafte Extraktion eines Merkmals aus Sensordaten; 2 an exemplary extraction of a feature from sensor data;

3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ermittlung eines Klassifikators für die Bestimmung des Zustands eines Fahrers eines Fahrzeugs; und 3 a flowchart of an exemplary method for determining a classifier for determining the state of a driver of a vehicle; and

4a, 4b und 4c beispielhafte Anordnungen von Elektroden eines Elektroenzephalographen. 4a . 4b and 4c exemplary arrangements of electrodes of an electroencephalograph.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der zuverlässigen und effizienten Ermittlung des Zustands des Fahrers eines Fahrzeugs. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Fahrzeugs 100. Das Fahrzeug 100 umfasst eine Fahrerposition 102, auf der ein Fahrer des Fahrzeugs 100 sitzen kann, um das Fahrzeug 100 zu führen. Das Fahrzeug 100 kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren 103, 104, 105 umfassen, die eingerichtet sind, Sensordaten 111 bezüglich des Fahrers zu erfassen und an eine Steuereinheit 101 weiterzuleiten.As set forth above, the present document is concerned with the reliable and efficient determination of the condition of the driver of a vehicle. In this context shows 1 a block diagram of an exemplary vehicle 100 , The vehicle 100 includes a driver's position 102 on which a driver of the vehicle 100 can sit to the vehicle 100 respectively. The vehicle 100 can be a variety of different sensors 103 . 104 . 105 which are set up sensor data 111 with respect to the driver and to a control unit 101 forward.

Ein beispielhafter Sensor 103, 104, 105 ist eine Bildkamera 103 (z. B. eine Stereokamera), die eingerichtet ist, Bilddaten bezüglich des Fahrers als Sensordaten 111 bereitzustellen. Insbesondere kann eine Bildkamera 103 eingerichtet sein, einen Kopf des Fahrers zu erfassen. Ein weiterer beispielhafter Sensor 103, 104, 105 ist ein Eyetracker 104, der eingerichtet ist, zumindest ein Auge des Fahrers bildlich zu erfassen und Bilddaten bezüglich des Auges des Fahrers als Sensordaten 111 bereitzustellen. Desweiteren können ein Elektrokardiograph und/oder ein Elektroenzephalograph 105 an der Sitzposition 102 des Fahrers angeordnet sein, um z. B. Sensordaten 111 bezüglich des Herzrhythmus und/oder bezüglich der Hirnströme des Fahrers zu erfassen. An exemplary sensor 103 . 104 . 105 is a picture camera 103 (For example, a stereo camera), which is set, image data related to the driver as sensor data 111 provide. In particular, an image camera 103 be set up to capture a head of the driver. Another exemplary sensor 103 . 104 . 105 is an eye tracker 104 which is adapted to image capture at least one eye of the driver and image data relating to the eye of the driver as sensor data 111 provide. Furthermore, an electrocardiograph and / or an electroencephalograph 105 at the seating position 102 be arranged by the driver to z. B. Sensor data 111 with respect to the heart rhythm and / or with respect to the brain's flow of the driver.

Die Sensordaten 111 können von der Steuereinheit 101 ausgewertet werden, um den Zustand des Fahrers zu bestimmen. Zu diesem Zweck kann ggf. auf gespeicherte Daten (z. B. auf einen vorbestimmten Zustands-Klassifikator) aus einer Speichereinheit 109 zugegriffen werden. Insbesondere kann den Sensordaten 111 mittels eines vorbestimmten Zustands-Klassifikators ein Zustand des Fahrers zugeordnet werden. Desweiteren kann ggf. eine Wahrscheinlichkeit bestimmt werden, mit der der Fahrer den ermittelten Zustand aufweist. Beispielhafte Zustands-Klassifikatoren sind ein Bayes-Klassifikator, ein Expectation Maximization-Klassifikator, ein K-Means-Klassifikator, und/oder ein Support Vector Machine-Klassifikator.The sensor data 111 can from the control unit 101 be evaluated to determine the condition of the driver. For this purpose, it may be possible to access stored data (eg to a predetermined state classifier) from a memory unit 109 be accessed. In particular, the sensor data 111 be assigned a state of the driver by means of a predetermined state classifier. Furthermore, if appropriate, a probability can be determined with which the driver has the determined state. Exemplary state classifiers are a Bayes classifier, an Expectation Maximization classifier, a K-Means classifier, and / or a Support Vector Machine classifier.

Ein Zustands-Klassifikator ist typischerweise eingerichtet, einer Ausprägung (in diesem Dokument auch als Wert bezeichnet) eines Merkmalsvektors xi zum Zeitpunkt i eine Klasse yi zum Zeitpunkt i zuzuordnen. Die Ausprägung des Merkmalsvektors xi zum Zeitpunkt i kann dabei auf Basis der Sensordaten 111 am bzw. um den Zeitpunkt i ermittelt werden. Insbesondere können auf Basis der Sensordaten 111 die Ausprägungen für eine Vielzahl von unterschiedlichen Merkmalen xdi, mit d = 1, ..., D, ermittelt werden, wobei D die Gesamtzahl der ermittelten Merkmale ist. Die Ausprägung des Merkmalsvektors xi ergibt sich aus den Ausprägungen der Vielzahl von Merkmalen xdi als xi = [x1i, ..., xDi]T.A state classifier is typically arranged to associate a feature (also referred to herein as a value) of a feature vector x i at time i, a class y i at time i. The expression of the feature vector x i at the time i can be based on the sensor data 111 be determined at or about the time i. In particular, based on the sensor data 111 the expressions for a plurality of different features x di , where d = 1, ..., D, are determined, where D is the total number of features determined. The expression of the feature vector x i results from the occurrences of the plurality of features x di as x i = [x 1i ,..., X Di ] T.

Beispielhafte Merkmale sind:

  • • Ein Deskriptor der, durch eine Bildkamera 103 erfassten, Bilddaten. Dabei kann der Deskriptor z. B. gemäß einem HOG(Histogram of Oriented Gradients)-Modell, einem LBP(Local Binary Patterns)-Modell, und/oder einem Wavelet-Modell ermittelt werden. Der Deskriptorwert für einen bestimmten Satz von Bilddaten stellt dabei eine Ausprägung des Deskriptors dar.
  • • Eine Blinkrate, eine Blickrichtung, etc., die auf Basis der Sensordaten 111 eines Eyetrackers 104 ermittelt werden können. Ein bestimmter Wert der Blinkrate und/oder ein bestimmter Blickwinkel stellen dabei eine Ausprägung dieser Merkmale dar.
  • • Eine Herzfrequenz, eine Varianz der Herzfrequenz, etc., die auf Basis der Sensordaten 111 eines Elektrokardiographen 105 ermittelt werden können. Ein bestimmter Wert der Herzfrequenz und/oder der Varianz stellen dabei Ausprägungen dieser Merkmale dar.
  • • Die Energie in einem bestimmten Frequenzbandes eines EEG-Kanals, die Entropie in einem EEG-Kanal, etc., die auf Basis der Sensordaten 111 eines Elektroenzephalographen 105 ermittelt werden. Die auf Basis der Sensordaten ermittelten Werte dieser Merkmale stellen dabei Ausprägungen dieser Merkmale dar.
Exemplary features are:
  • • A descriptor of, through a picture camera 103 captured, image data. In this case, the descriptor z. B. according to a HOG (Histogram of Oriented Gradients) model, a LBP (Local Binary Patterns) model, and / or a wavelet model are determined. The descriptor value for a specific set of image data represents an expression of the descriptor.
  • • A blinking rate, a viewing direction, etc. based on the sensor data 111 an eyetracker 104 can be determined. A specific value of the blink rate and / or a specific angle of view represent an expression of these features.
  • • A heart rate, a variance of the heart rate, etc. based on the sensor data 111 an electrocardiograph 105 can be determined. A specific value of the heart rate and / or the variance represent characteristics of these features.
  • • The energy in a given frequency band of an EEG channel, the entropy in an EEG channel, etc., based on the sensor data 111 an electroencephalograph 105 be determined. The values of these features determined on the basis of the sensor data represent characteristics of these features.

2 veranschaulicht bildlich die Ermittlung einer Ausprägung eines Merkmals 203 auf Basis der Sensordaten 111 eines Sensors 103, 104, 105. Die Sensordaten 111 umfassen typischerweise eine zeitliche Sequenz von Abtastwerten 201 (oder Messwerten), die an einer entsprechenden Sequenz von Zeitpunkten 204 erfasst wurde. Typischerweise wird ein Fenster 202 von Abtastwerten 201 aus der Sequenz von Abtastwerten 201 betrachtet, um die Ausprägung eines Merkmals 203 zu einem bestimmten Zeitpunkt 204 zu ermitteln. Das Fenster 202 kann dabei wie in 2 dargestellt einen bestimmten zeitlichen Ausschnitt vor einem aktuellen Zeitpunkt 204 umfassen. Das Fenster 202 kann schrittweise verschoben werden, um eine Sequenz von Ausprägungen des Merkmals 203 für eine entsprechende Sequenz von Zeitpunkten 204 zu ermitteln. 2 Illustratively illustrates the determination of an expression of a feature 203 based on the sensor data 111 a sensor 103 . 104 . 105 , The sensor data 111 typically include a temporal sequence of samples 201 (or readings) that are at a corresponding sequence of times 204 was recorded. Typically, a window 202 of samples 201 from the sequence of samples 201 considered to be the characteristic of a feature 203 at a certain time 204 to investigate. The window 202 can do it like in 2 represent a specific time segment before a current time 204 include. The window 202 can be gradually shifted to a sequence of occurrences of the feature 203 for a corresponding sequence of times 204 to investigate.

Es kann somit auf Basis der Sensordaten 111 zu jedem Zeitpunkt i 204 eine Ausprägung eines Merkmalsvektors xi mit einer Vielzahl von Merkmalen 203 ermittelt werden. Mittels eines Zustands-Klassifikators (d. h. mittels einer vordefinierten Zuweisungsfunktion) kann dieser Ausprägung des Merkmalsvektors xi eine Klasse yi aus einer Vielzahl von vorbestimmten Klassen {1, ..., K}, wobei K die Anzahl von vorbestimmten Klassen ist, zugewiesen werden. Dabei können die unterschiedlichen Klassen unterschiedliche Zustände (z. B. einen unterschiedlichen Grad der Aufmerksamkeit) des Fahrers anzeigen.It can thus be based on the sensor data 111 at any time i 204 an expression of a feature vector x i with a variety of features 203 be determined. By means of a state classifier (ie by means of a predefined assignment function), this characteristic of the feature vector x i can be assigned a class y i from a multiplicity of predetermined classes {1,..., K}, where K is the number of predetermined classes , The different classes may indicate different states (eg, a different degree of attention) of the driver.

Die Ermittlung einer Vielzahl von unterschiedlichen Merkmals-Ausprägungen für eine Vielzahl von unterschiedlichen Merkmalen 203 auf Basis von Sensordaten 111 einer Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren bzw. Datenquellen 103, 104, 105 kann sehr rechenintensiv sein. Insbesondere kann der erforderliche Rechenaufwand ggf. nicht durch den Prozessor einer Steuereinheit 101 eines Fahrzeugs 100 in Echtzeit erbracht werden. Um eine Echtzeit-Anwendung in einem Fahrzeug 100 zu ermöglichen, sollte daher die Anzahl D von Merkmalen 203 beschränkt werden. Es stellt sich dann die Frage, welche Merkmale 203 ausgewählt werden sollten, um auch bei einer begrenzten Anzahl D von Merkmalen 203 den Zustand des Fahrers in möglichst präziser Weise ermitteln zu können. Insbesondere stellt sich die Frage, welche Merkmale 203 und welche Sensoren (d. h. Datenquellen) 103, 104, 105 für die Bestimmung des Zustands des Fahrers herangezogen werden sollen. Mit anderen Worten, es soll eine möglichst optimale Kombination von Merkmalen 203 und Datenquellen 103, 104, 105 für die Zustandsbestimmung ausgewählt werden. Im Folgenden wird ein Verfahren beschrieben, durch das zeitgleich in effizienter und präziser Weise die Merkmale 203 und die zugrundeliegenden Datenquellen 103, 104, 105 für einen zuverlässigen Zustands-Klassifikator ermittelt werden können.The determination of a multiplicity of different feature variants for a multiplicity of different features 203 based on sensor data 111 a plurality of different sensors or data sources 103 . 104 . 105 can be very compute-intensive. In particular, the required computation may not be possible by the processor of a control unit 101 of a vehicle 100 delivered in real time become. To have a real-time application in a vehicle 100 Therefore, the number D of features should be allowed 203 be limited. It then raises the question of what features 203 should be selected even with a limited number D of features 203 be able to determine the condition of the driver in the most precise way possible. In particular, the question arises what characteristics 203 and which sensors (ie data sources) 103 . 104 . 105 should be used to determine the condition of the driver. In other words, it should be the best possible combination of features 203 and data sources 103 . 104 . 105 be selected for the determination of state. The following describes a method by which, at the same time, the features in an efficient and precise manner 203 and the underlying data sources 103 . 104 . 105 can be determined for a reliable state classifier.

Insbesondere wird ein Verfahren beschreiben, mit dem gleichzeitig die Merkmale 203 und die Datenquellen 103, 104, 105 derart ausgewählt werden können, dass ein mittleres (quadratisches) Fehlermaß für die Klassifikation reduziert (insbesondere minimiert) wird. Zu diesem Zweck wird eine (lineare) Diskriminanzanalyse (auf Englisch, Linear Discriminant Analysis) verwendet, wobei folgendes Optimierungsproblem für die Auswahl von Merkmalen 203 zugrundegelegt werden kann:

Figure DE102015217335A1_0003
wobei {(xi, yi)} N / i=1 gelabelte Trainings-Datensätze sind, bei denen eine tatsächliche Ausprägung eines Merkmalsvektors xi einer tatsächlichen Zustandsklasse yi des Fahrers zugeordnet ist. Die Ausprägungen des Merkmalsvektors xi werden in der Matrix X ^ (die auch als Trainingsdatenmatrix bezeichnet wird) zusammengefasst, so dass jede Zeile der Matrix X ^ eine Ausprägung des Merkmalsvektors xi umfasst und so dass jede Spalte der Matrix X ^ ein unterschiedliches Merkmal xdi umfasst. Die Matrix X ^ ist somit eine N×D Matrix.In particular, a method is described, with the same features 203 and the data sources 103 . 104 . 105 can be selected such that a mean (square) error measure for the classification is reduced (in particular minimized). For this purpose, a (linear) discriminant analysis (English, Linear Discriminant Analysis) is used, with the following optimization problem for the selection of features 203 can be based on:
Figure DE102015217335A1_0003
in which {(x i , y i )} N / i = 1 labeled training data sets, in which an actual occurrence of a feature vector x i of an actual state of class y i is assigned to the driver. The occurrences of the feature vector x i are summarized in the matrix X 1 (which is also referred to as the training data matrix), so that each row of the matrix X 1 comprises an expression of the feature vector x i and so that each column of the matrix X 1 has a different feature x di includes. The matrix X ^ is thus an N × D matrix.

Die Matrix Y (die auch als Zustandsmatrix bezeichnet wird) ist eine N×K Matrix, die die Zustandsklassen für die verschiedenen Ausprägungen des Merkmalsvektors anzeigen. Die einzelnen Einträge Yij der Matrix Y können wie folgt ermittelt werden

Figure DE102015217335A1_0004
wobei nj die Anzahl von Trainings-Datensätzen mit der Zustandsklasse j ist, und wobei N der Gesamtzahl der Traings-Datensätze entspricht.The matrix Y (also called the state matrix) is an N × K matrix that displays the condition classes for the different occurrences of the feature vector. The individual entries Y ij of the matrix Y can be determined as follows
Figure DE102015217335A1_0004
where n j is the number of training records having the class of condition j, and where N is the total number of training records.

Die Matrix W ist eine D×K Matrix, die in einer Zeile, K Gewichtungswerte wdk für ein bestimmtes Merkmal 203 anzeigt. Der Gewichtungswert wdk zeigt an, wie relevant ein bestimmtes Merkmal d 203 für die Erkennung einer bestimmten Zustandsklasse k ist.The matrix W is a D × K matrix that is in a row, K weighting values w dk for a given feature 203 displays. The weighting value w dk indicates how relevant a particular feature d 203 for recognizing a particular condition class k.

∥ ∥F entspricht der Frobenius Norm. Es kann gezeigt werden, dass das o. g. Optimierungsproblem zwar ein Problem darstellt, welches einen mittleren quadratischen Fehler reduziert (insbesondere minimiert), welches aber dennoch in Bezug auf eine mittlere quadratische Diskriminanzanalyse optimal ist. Anhand des o. g. Optimierungsproblems (insbesondere Minimierungsproblems) können somit Gewichtungswerte wdk für die einzelnen Merkmale 203 ermittelt werden, die die Relevanz der einzelnen Merkmale 203 für einen Zustands-Klassifikator anzeigen. In der Praxis können jedoch typischerweise auf Basis der Gewichtungswerte wdk keinen klaren Entscheidungen darüber getroffen werden, welche Merkmale 203 von welchen Datenquellen 103, 104, 105 in einem Zustands-Klassifikator berücksichtigt werden sollten. Insbesondere ermöglichen die ermittelten Gewichtungswerte wdk typischerweise keine klare Trennung in eine erste Gruppe von relevanten Merkmalen 203 und in eine zweite Gruppe von nicht relevanten Merkmalen 203. Dies liegt daran, dass die ermittelte Matrix W typischerweise nicht schwachbesetzt (auf Englisch, sparse) ist, d. h. dass die Matrix W typischerweise keine oder nur wenige Gewichtungswerte wdk aufweist, die (nahezu) null sind bzw. die substantiell kleiner sind als andere Gewichtungswerte.∥ ∥ F corresponds to the Frobenius norm. Although it can be shown that the above optimization problem is a problem that reduces (in particular minimizes) a mean square error, it is nevertheless optimal with respect to a mean square discriminant analysis. On the basis of the above-mentioned optimization problem (in particular minimization problem), weighting values w dk can therefore be used for the individual features 203 to determine the relevance of each feature 203 for a state classifier. However, in practice, based on the weighting values w dk , it is typically not possible to make clear decisions about which features 203 from which data sources 103 . 104 . 105 should be considered in a state classifier. In particular, the determined weighting values w dk typically do not permit a clear separation into a first group of relevant features 203 and a second group of non-relevant characteristics 203 , This is because the determined matrix W is typically not sparse, ie, the matrix W typically has no or only a few weighting values w dk that are (nearly) zero, or that are substantially smaller than other weighting values ,

Das Optimierungsproblem kann durch ein oder mehrere weitere Terme ergänzt werden, durch die der Besetzungsgrad der Matrix W beeinflusst werden kann. Insbesondere können ein oder mehrere Terme zugefügt werden, die es belohnen, wenn die ermittelte Matrix W schwachbesetzt ist. Bevorzugt wird ein erster Besetzung-Term dazu verwendet, eine schwache Besetzung in Bezug auf die Gesamtheit der Merkmale 203 einer bestimmten Datenquelle 103, 104, 105 zu belohnen. Desweiteren kann ein zweiter Besetzungs-Term dazu verwendet werden, eine schwache Besetzung in Bezug auf einzelne Merkmale 203 zu belohnen (unabhängig davon, auf welcher Datenquelle 103, 104, 105 die jeweiligen Merkmale 203 basieren).The optimization problem can be supplemented by one or more further terms by which the occupancy rate of the matrix W can be influenced. In particular, one or more terms which reward it when the determined matrix W is weakly occupied. Preferably, a first population term is used, a weak population with respect to the set of features 203 a specific data source 103 . 104 . 105 to reward. Furthermore, a second population term can be used, a weak population in terms of individual characteristics 203 to reward (regardless of which data source 103 . 104 . 105 the respective characteristics 203 based).

Der erste Besetzungs-Term (zur Auswahl einzelner Datenquellen 103, 104, 105) kann wie folgt formuliert werden: J1 = C1∥W∥Quelle,2 wobei C1 ein Hyperparameter ist, durch den ein Fokus auf den ersten Besetzungs-Term, relativ zu anderen Termen des Optimierungsproblems, verändert werden kann. Dabei ist die Norm ∥W∥Quelle,2 bevorzugt wie folgt definiert:

Figure DE102015217335A1_0005
The first staffing term (to select individual data sources 103 . 104 . 105 ) can be formulated as follows: J 1 = C 1 ∥W∥ source, 2 where C 1 is a hyperparameter by which a focus on the first population term, relative to other terms of the optimization problem, can be changed. The standard ∥W∥ source, 2 is preferably defined as follows:
Figure DE102015217335A1_0005

Diese Norm ermittelt das quadratische Mittel der Gewichtungswerte wdk für alle Merkmale q einer bestimmten Datenquelle m (d. h. für alle q ∊ Quellem) und anschließend die Summe dieser quadratischen Mittel über alle M Datenquellen, d. h. für m = 1, ..., M. Dabei ist Wm eine Teilmatrix der Gewichtungsmatrix W, die die Zeilen der Gewichtungswerte wdk für die Merkmale q der Datenquelle m umfasst. Es gilt dabei, dass die Anzahl D aller betrachteten Merkmale 203, der Anzahl M der betrachteten Datenquellen 103, 104, 105 multipliziert mit der Anzahl Qm der Merkmale 203 der einzelnen betrachteten Datenquellen 103, 104, 105 entspricht, mit m = 1, ..., M.This standard determines the root mean square of the weighting values w dk for all features q of a given data source m (ie for all q ε source m ) and then the sum of these quadratic means over all M data sources, ie for m = 1, ..., M Where W m is a sub-matrix of the weighting matrix W which comprises the lines of the weighting values w dk for the features q of the data source m. It is true that the number D of all features considered 203 , the number M of the considered data sources 103 . 104 . 105 multiplied by the number Q m of the features 203 the individual data sources considered 103 . 104 . 105 corresponds, with m = 1, ..., M.

Der erste Besetzungs-Term kann dadurch reduziert werden, dass wenn (ohne Berücksichtigung des ersten Besetzungs-Terms) die Gewichtungswerte wdk der Merkmale 203 einer ersten Datenquelle 103, 104, 105 tendenziell klein wären und die Gewichtungswerte wdk der Merkmale 203 einer zweiten Datenquelle 103, 104, 105 tendenziell groß wären, alle Gewichtungswerte wdk der Merkmale 203 der ersten Datenquelle 103, 104, 105 auf null gesetzt werden. Der erste Besetzungs-Term bewirkt somit eine Selektion von relevanten Datenquellen 103, 104, 105.The first population term can be reduced if (not including the first population term) the weighting values w dk of the features 203 a first data source 103 . 104 . 105 would tend to be small and the weighting values w dk of the features 203 a second data source 103 . 104 . 105 would tend to be large, all weighting values w dk of the features 203 the first data source 103 . 104 . 105 set to zero. The first population term thus causes a selection of relevant data sources 103 . 104 . 105 ,

Der zweite Besetzungs-Term kann dazu verwendet werden, einzelne Merkmale 203 für den Zustands-Klassifikator zu selektieren (unabhängig davon, auf welcher Datenquelle 103, 104, 105 ein Merkmal 203 basiert). Der zweite Besetzungs-Term kann wie folgt formuliert werden: J2 = C2∥W∥1,2 wobei C2 ein Hyperparameter ist, durch den ein Fokus auf den zweiten Besetzungs-Term, relativ zu anderen Termen des Optimierungsproblems, verändert werden kann. Die Norm ∥W∥1,2 kann definiert werden als ∥W∥1,2 = Σd∥wd2 wobei wd der d-ten Zeile der Gewichtungsmatrix W (und damit dem d-ten Merkmal 203) entspricht. Der zweite Besetzungs-Term bewirkt, dass bevorzugt alle Gewichtungswerte für ein Merkmal 203 null sind oder alle Gewichtungswerte für ein Merkmal 203 signifikant unterschiedlich von null sind. Der zweite Besetzungs-Term ermöglicht somit eine eindeutige Auswahl von Merkmalen 203 für einen Zustands-Klassifikator.The second staffing term can be used to describe individual characteristics 203 for the state classifier (regardless of which data source 103 . 104 . 105 a feature 203 based). The second appointment term can be formulated as follows: J 2 = C 2 ∥W∥ 1,2 where C 2 is a hyperparameter by which a focus on the second population term, relative to other terms of the optimization problem, can be changed. The standard ∥W∥ 1,2 can be defined as ∥W∥ 1,2 = Σ d ∥w d2 where w d is the d-th row of the weighting matrix W (and thus the d-th feature 203 ) corresponds. The second population term preferably causes all weighting values for a feature 203 are zero or all weighting values for a feature 203 are significantly different from zero. The second staffing term thus enables a clear selection of features 203 for a state classifier.

Die o. g. Besetzungs-Terme können auch als Lasso(aus dem Englischen, Least Absolute Shrinkage and Selection Operator)-Terme bezeichnet werden.The o. G. Casting terms can also be referred to as Lasso (Least Absolute Shrinkage and Selection Operator) terms.

In Summe ergibt sich somit folgendes Optimierungsproblem:

Figure DE102015217335A1_0006
In sum, this results in the following optimization problem:
Figure DE102015217335A1_0006

Durch Lösen dieses Optimierungsproblems kann eine schwachbesetzte Gewichtungsmatrix W ermittelt werden, aus der sich in eindeutiger Weise die relevanten und die nicht-relevanten Merkmale 203 und/oder Datenquellen 103, 104, 105 ergeben. By solving this optimization problem, it is possible to determine a sparse weighting matrix W which unambiguously identifies the relevant and non-relevant characteristics 203 and / or data sources 103 . 104 . 105 result.

3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zur Ermittlung eines Zustands-Klassifikators. In Schritt 301 werden Sensordaten 111 von einer Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren 103, 104, 105 (d. h. Datenquellen) bereitgestellt. Diese Daten 111 können ggf. vorverarbeitet werden (Schritt 302) und es kann ein erster Teil der Daten 111 als Trainingsdaten zur Ermittlung des Zustands-Klassifikators und ein zweiter Teil der Daten 111 als Testdaten zur Verifizierung des Zustands-Klassifikators verwendet werden (Schritt 303). Aus den Trainingsdaten kann dann eine Vielzahl von Trainings-Datensätzen {(xi, yi)} N / i=1 ermittelt werden (Schritt 304). Zu diesem Zweck können auf Basis der Sensordaten 111 einer Datenquelle 103, 104, 105 Ausprägungen von ein oder mehreren Merkmalen 203 ermittelt werden. Insgesamt können so für jede Datenquelle 103, 104, 105 Ausprägungen für jeweils ein oder mehrere Merkmale 203 ermittelt werden. Diese Merkmale 203 werden in diesem Dokument auch als Ursprungs-Merkmale bezeichnet. 3 shows a flowchart of an exemplary method 300 for determining a state classifier. In step 301 become sensor data 111 from a variety of different sensors 103 . 104 . 105 (ie data sources) provided. These dates 111 can be preprocessed if necessary (step 302 ) and it can be a first part of the data 111 as training data for determining the state classifier and a second part of the data 111 be used as test data for the verification of the state classifier (step 303 ). From the training data can then a variety of training records {(x i , y i )} N / i = 1 be determined (step 304 ). For this purpose, based on the sensor data 111 a data source 103 . 104 . 105 Characteristics of one or more characteristics 203 be determined. Overall, this way for every data source 103 . 104 . 105 Characteristics for one or more characteristics 203 be determined. These features 203 are also referred to as originating features in this document.

Aus den Trainings-Datensätzen {(x1, y1)} N / i=1 können wie oben dargelegt die Trainingsdatenmatrix X ^ und die Zustandsmatrix Y ermittelt werden. Desweiteren können Werte für die Hyperparameter C1 und C2 gewählt werden (Schritt 305). Es kann dann, z. B. mittels eines Gradientenverfahrens, das o. g. Optimierungsproblem

Figure DE102015217335A1_0007
Jtotal gelöst werden, um eine optimierte Gewichtungsmatrix Wopt zu bestimmen (Schritt 305). Auf Basis der optimierten Gewichtungsmatrix Wopt können dann die relevanten Merkmale 203 und/oder Datenquellen 103, 104, 105 bestimmt werden (Schritt 306). Zu diesem Zweck kann auf Basis der Gewichtungswerte wd einer Zeile d ein repräsentativer Gewichtungswert w d für das entsprechende Merkmal 203 ermittelt werden, (z. B. als Mittelwert, insbesondere als quadratisches Mittel, der einzelnen Gewichtungswerte wdk, mit k = 1, ..., K, der Zeile d oder durch Auswahl von ein oder mehreren signifikanten Gewichtungswerten wdk der Zeile d). Es können z. B. alle Merkmale d ausgewählt werden, für die der repräsentative Gewichtungswert w d größer als ein vordefinierter Gewichtungs-Schwellenwert ist.From the training records {(x 1 , y 1 )} N / i = 1 As described above, the training data matrix X ^ and the state matrix Y can be determined. Furthermore, values for the hyperparameters C 1 and C 2 can be selected (step 305 ). It can then, for. B. by means of a gradient method, the above optimization problem
Figure DE102015217335A1_0007
Jtotal to determine an optimized weighting matrix W opt (step 305 ). On the basis of the optimized weighting matrix W opt then the relevant features 203 and / or data sources 103 . 104 . 105 be determined (step 306 ). For this purpose, based on the weighting values w d of a row d, a representative weighting value w d for the corresponding feature 203 (eg as a mean, in particular as a quadratic mean, of the individual weighting values w dk , k = 1, ..., K, row d, or by selecting one or more significant weighting values w dk of row d ). It can z. For example, all features d for which the representative weighting value is selected w d is greater than a predefined weighting threshold.

Ggf. kann optional die ermittelte Gewichtungsmatrix Wopt rechtsseitig mit einer zentrierten Trainingsdatenmatrix X ^ multipliziert werden, um den Merkmalsraum in einen Teilraum der Diskriminatenanalyse zu transformieren (Schritt 308).Possibly. Optionally, the determined weighting matrix W opt can be multiplied on the right side by a centered training data matrix X 1 in order to transform the feature space into a subspace of the discriminant analysis (step 308 ).

Mittels der Gewichtungsmatrix Wopt kann eine Untermenge der D Merkmale 203 für einen Zustands-Klassifikator ausgewählt werden. Desweiteren kann der Zustands-Klassifikator auf Basis der Gewichtungswerte wdk der selektierten Merkmale 203 bestimmt werden. Insbesondere können die Gewichtungswerte wdk dazu verwendet werden, eine aktuell ermittelte Ausprägung bzw. einen aktuell ermittelten Wert eines (reduzierten) Merkmalsvektors zu gewichten und einen gewichteten Merkmalswert zu ermitteln (analog zu der Matrixoperation X ^W). Der gewichtete Merkmalswert kann für alle möglichen Klassen k = 1, ..., K ermittelt werden (mittels der jeweiligen Gewichtungswerte wdk). Durch Vergleich der gewichteten Merkmalswerte ergibt sich Information darüber, welche Klasse am wahrscheinlichsten ist (analog zu der o. g. Klassenmatrix Y). Es können die wahrscheinlichste Klasse (und der entsprechende Fahrerzustand) ausgewählt werden.By means of the weighting matrix W opt , a subset of the D features 203 be selected for a state classifier. Furthermore, the state classifier can be based on the weighting values w dk of the selected features 203 be determined. In particular, the weighting values w dk can be used to weight a currently determined expression or a currently determined value of a (reduced) feature vector and to determine a weighted feature value (analogous to the matrix operation X 1, W). The weighted feature value can be determined for all possible classes k = 1,..., K (by means of the respective weighting values w dk ). By comparing the weighted feature values, information is obtained about which class is most likely (analogous to the above class matrix Y). The most likely class (and corresponding driver state) can be selected.

Es kann anschließend eine Kreuzvalidierung des ermittelten Zustands-Klassifikators durchgeführt werden (Schritt 310), wobei zu diesem Zweck ggf. geeignete Hyperparameter ausgewählt werden (Schritt 309). Für die Kreuzvalidierung kann ein Teil der Trainingsdaten verwendet werden. Auf Basis der Kreuzvalidierung kann ein Gütemaß des Zustands-Klassifikators ermittelt werden.Subsequently, a cross-validation of the determined state classifier can be carried out (step 310 ), where appropriate suitable hyperparameters are selected for this purpose (step 309 ). For the cross validation part of the training data can be used. Based on the cross-validation, a quality measure of the state classifier can be determined.

Die o. g. Schritte 305, 306, 307, 308, 309, 310 können für unterschiedliche Werte der Hyperparameter C1 und C2 wiederholt werden (z. B. für unterschiedliche Werte aus einem vorbestimmten Werteintervall). Es können somit die Werte der Hyperparameter C1 und C2 ermittelt werden, für die das Gütemaß des Zustands-Klassifikators (d. h. für die die Klassifikationsgüte) maximiert wird. Es kann folglich eine weitere Optimierung der Auswahl der Merkmale 203 durchgeführt werden (Schritt 311).The above steps 305 . 306 . 307 . 308 . 309 . 310 can be repeated for different values of the hyperparameters C 1 and C 2 (eg for different values from a predetermined value interval). It is therefore possible to determine the values of the hyperparameters C 1 and C 2 for which the quality measure of the state classifier (ie for the classification quality) is maximized. It can therefore further optimize the selection of features 203 be carried out (step 311 ).

Abschließend kann eine Validierung des optimalen Zustands-Klassifikators (der auf Basis der optimalen Werte der Hyperparameter C1 und C2 ermittelt wurde) anhand der Testdaten durchgeführt werden (Schritte 312, 313, 314). Zu diesem Zweck können auf Basis der Testdaten Testdatensätze {(x ~i, yi)} T / i=1 ermittelt werden (Schritt 312). Dabei entspricht x ~i einer Ausprägung des reduzierten Merkmalsvektors (mit einer reduzierten Anzahl von Merkmalen 203). T entspricht der Anzahl von Testdatensätzen. Ggf. kann optional eine Transformation in den Teilraum der Diskriminatenanalyse erfolgen (Schritt 313). Desweiteren kann anhand der Testdatensätze ein Gütemaß für den ermittelten Zustands-Klassifikator ermittelt werden (Schritt 314).Finally, a validation of the optimal state classifier (which was determined on the basis of the optimal values of the hyperparameters C 1 and C 2 ) can be performed on the basis of the test data (steps 312 . 313 . 314 ). For this purpose, based on the test data test records {(x ~ i , y i )} T / i = 1 be determined (step 312 ). It corresponds x ~ i an expression of the reduced feature vector (with a reduced number of features 203 ). T equals the number of test records. Possibly. Optionally, a transformation into the subspace of the discriminant analysis can take place (step 313 ). Furthermore, based on the test data sets, a quality measure for the determined state classifier can be determined (step 314 ).

Das oben beschriebene Verfahren 300 kann in analoger Weise verwendet werden, um relevante Kanäle einer Datenquelle 105 mit einer Vielzahl von Sensor-Kanälen auszuwählen. Insbesondere umfasst ein Elektroenzephalograph 105 eine Vielzahl von Elektroden bzw. Kanäle 405 (z. B. 10–20, insbesondere 14 oder 19, Elektroden), die an unterschiedlichen Punkten am Schädel 400 eines Fahrers angebracht werden können (siehe 4a). Die einzelnen Elektroden 405 können als separate Datenquellen (im Sinne des in diesem Dokument beschriebenen Verfahrens) betrachtet werden. Insbesondere kann von jeder Elektrode 405 (siehe 4a) ein separates Sensorsignal 111 erfasst und bereitgestellt werden. Jedes Sensorsignal 111 umfasst dabei ein bestimmtes Stromsignal. Auf Basis jedes Sensorsignals 111 können ein oder mehrere Merkmale 203 ermittelt werden. Beispielhafte Merkmale 203 für die Elektrodensignale 111 eines Elektroenzephalographen sind dabei

  • • ein Spektrum eines zeitlichen Ausschnittes 202 eines Elektrodensignals 111;
  • • die Entropie eines zeitlichen Ausschnittes 202 eines Elektrodensignals 111; und/oder
  • • eine fraktale Dimension eines zeitlichen Ausschnittes 202 eines Elektrodensignals 111.
The method described above 300 can be used in an analogous way to identify relevant channels of a data source 105 to select with a variety of sensor channels. In particular, an electroencephalograph includes 105 a plurality of electrodes or channels 405 (eg, 10-20, especially 14 or 19, electrodes) that are at different points on the skull 400 of a driver can be attached (see 4a ). The individual electrodes 405 may be considered as separate data sources (as defined in the procedure described in this document). In particular, from each electrode 405 (please refer 4a ) a separate sensor signal 111 recorded and provided. Every sensor signal 111 includes a certain current signal. Based on each sensor signal 111 can have one or more characteristics 203 be determined. Exemplary features 203 for the electrode signals 111 of an electroencephalograph are included
  • • a spectrum of a temporal excerpt 202 an electrode signal 111 ;
  • • the entropy of a temporal excerpt 202 an electrode signal 111 ; and or
  • • a fractal dimension of a temporal section 202 an electrode signal 111 ,

Für M Elektroden 505 eines Elektroenzephalographen (die als M Datenquellen bzw. als M Kanäle betrachtet werden können) können so jeweils Q Merkmale 203 ermittelt werden, so dass insgesamt auf Basis der Elektrodensignale 111 eines Elektroenzephalographen D = M·Q Merkmale 203 ermittelt werden können.For M electrodes 505 of an electroencephalograph (which may be considered M data sources or M channels, respectively) may each have Q characteristics 203 be determined, so that in total on the basis of the electrode signals 111 an electroencephalograph D = M · Q characteristics 203 can be determined.

Mittels des oben beschriebenen Verfahrens 300 können in einem Schritt die Merkmale 203 und/oder die Elektroden bzw. Kanäle 405 identifiziert werden, die für einen Zustands-Klassifikator relevant sind. So kann die Qualität eines auf EEG-Daten basierenden Zustands-Klassifikators erhöht und/oder der Rechenaufwand reduziert werden.By means of the method described above 300 can in one step the characteristics 203 and / or the electrodes or channels 405 be identified, which are relevant for a state classifier. Thus, the quality of an EEG data-based state classifier can be increased and / or the computational effort can be reduced.

4a, 4b und 4c veranschaulichen den Effekt der gemeinsamen Merkmals/Datenquellen Auswahl am Beispiel eines Elektroenzephalographen 105. 4a veranschaulicht den Fall, bei dem eine reine Merkmals-basierte Selektion erfolgt (dies entspricht dem Fall, bei dem der erste Hyperparameter C1 = 0 ist). Es ergibt sich eine relativ gleichmäßige Verteilung der selektierten Merkmale 203 über eine relativ große Menge von selektierten Elektroden bzw. Kanälen 415 des Elektroenzephalographen 105 (und einem damit verbundenen relativ hohen Rechenaufwand). 4b veranschaulicht den Fall, bei dem eine reine Datenquellen-basierte, insbesondere Elektroden/Kanal-basierte, Selektion erfolgt (dies entspricht dem Fall, bei dem der zweite Hyperparameter C2 = 0 ist). In diesem Fall werden relativ wenige Elektroden/Kanäle 415 ausgewählt, wobei für jede ausgewählte Elektrode alle möglichen Q Merkmale 203 berücksichtigt werden. Eine Datenquellen-basierte Selektion führt typischerweise zu einem reduzierten Rechenaufwand, kann aber möglicherweise mit einer reduzierten Güte des ermittelten Zustands-Klassifikators einhergehen. 4a . 4b and 4c illustrate the effect of common feature / data sources selection using the example of an electroencephalograph 105 , 4a illustrates the case where a pure feature-based selection occurs (this corresponds to the case where the first hyperparameter C 1 = 0). This results in a relatively uniform distribution of the selected features 203 over a relatively large amount of selected electrodes or channels 415 of the electroencephalograph 105 (and a relatively high amount of computation involved). 4b illustrates the case where a pure data source-based, in particular electrode / channel-based, selection takes place (this corresponds to the case in which the second hyperparameter C 2 = 0). In this case, relatively few electrodes / channels 415 selected, with all possible Q characteristics for each selected electrode 203 be taken into account. A data source-based selection typically results in a reduced computation effort, but may possibly be accompanied by a reduced quality of the determined state classifier.

4c zeigt beispielhaft das Selektionsergebnis der beschriebenen kombinierten Merkmals- und Datenquellen-Selektion (bei denen weder der erste noch der zweite Hyperparameter null sind, d. h. C1 ≠ 0 und C2 ≠ 0). Durch die kombinierte Merkmals- und Datenquellen-Selektion kann ein optimaler Kompromiss zwischen Rechenaufwand und Güte des Zustands-Klassifikators bereitgestellt werden. 4c shows by way of example the selection result of the described combined feature and data source selection (in which neither the first nor the second hyperparameter are zero, ie C 1 ≠ 0 and C 2 ≠ 0). Due to the combined feature and data source selection, an optimal compromise between computational effort and quality of the state classifier can be provided.

Zum Anlernen des Zustands-Klassifikators können Trainingsdaten verwendet werden, die für einen bestimmten Fahrer erfasst wurden. So kann ein Zustands-Klassifikator mit einer hohen Güte für einen bestimmten Fahrer bereitgestellt werden. Alternativ oder ergänzend können die Trainingsdaten während des Betriebs eines Fahrzeugs 100 von der Steuereinheit 101 ermittelt werden. Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren 300 kann dann auf Basis der im tatsächlichen Betrieb erfassten Sensordaten 111 angewendet werden, um den Zustands-Klassifikator anzupassen. So kann ein adaptiver Zustands-Klassifikator bereitgestellt werden, der sich an den Fahrer des Fahrzeugs 100 anpasst.To train the state classifier, training data collected for a particular driver may be used. Thus, a state classifier with a high quality can be provided for a particular driver. Alternatively or additionally, the training data during the operation of a vehicle 100 from the control unit 101 be determined. The procedure described in this document 300 can then be based on the sensor data acquired during actual operation 111 be applied to adjust the state classifier. Thus, an adaptive state classifier can be provided which is addressed to the driver of the vehicle 100 adapts.

Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren 300 ermöglicht es, in Recheneffizienter Weise Sensordaten 111 von einer Vielzahl von Datenquellen 103, 104, 105, 405 für eine Zustandsermittlung auszuwerten. So kann der Zustand eines Fahrers in zuverlässiger Weise ermittelt werden.The procedure described in this document 300 allows sensor data in a computationally efficient manner 111 from a variety of data sources 103 . 104 . 105 . 405 to evaluate for a state determination. Thus, the condition of a driver can be reliably determined.

Wie oben dargelegt, wird im Rahmen des beschriebenen Verfahrens eine Gewichtungsmatrix Wopt ermittelt, die unterschiedliche Gewichtungswerte wdk für unterschiedliche Klassen (d. h. für unterschiedliche Zustände) des Fahrers umfasst. Anhand dieser Gewichtungswerte wdk wird es ermöglicht, unterschiedliche Zustände bzw. Zustandskomponenten eines Fahrers gleichzeitig zu ermitteln. Insbesondere können die unterschiedlichen Klassen unterschiedliche Komponenten eines Zustands des Fahrers beschreiben, wie z. B. eine Zustandskomponente, die einen Grad der Aufmerksamkeit des Fahrers auf den Verkehr anzeigt, und eine Zustandskomponente, die einen Grad der Zufriedenheit bzw. des Komforts des Fahrers anzeigt. Durch die Bereitstellung von entsprechenden Klassen und durch die Ermittlung der Gewichtungsmatrix Wopt können auf Basis der Gewichtungswerte wdk für die einzelnen Klassen zeitgleich für mehrere Zustandskomponenten Informationen gewonnen werden.As explained above, in the context of the described method, a weighting matrix W opt is determined which comprises different weighting values w dk for different classes (ie for different states) of the driver. On the basis of these weighting values w dk , it is possible to determine different states or state components of a driver at the same time. In particular, the different classes may describe different components of a driver's condition, such as: For example, a state component indicating a degree of driver's attention to the traffic and a state component indicating a degree of satisfaction of the driver. By providing corresponding classes and by determining the weighting matrix W opt , information can be obtained for the individual classes at the same time for a plurality of state components on the basis of the weighting values w dk .

Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren 300 ermöglicht es, in zuverlässiger und automatischer Weise verrauschte Datenquellen 103, 104, 105, 405 zu identifizieren und für die Ermittlung des Fahrerzustands auszuschließen. Dies wird insbesondere durch die Berücksichtigung des ersten Besetzungs-Terms bewirkt, durch den Datenquellen m 103, 104, 105, 405 mit tendenziell niedrigen Gewichtungswerten Wm automatisch ausgeschlossen werden.The procedure described in this document 300 allows reliable and automatically noisy data sources 103 . 104 . 105 . 405 be identified and excluded for the determination of the driver's condition. This is effected in particular by the consideration of the first occupation term, by which data sources m 103 . 104 . 105 . 405 with low low weighting values W m are automatically excluded.

Durch das beschriebene Verfahren 300 können in einem einzigen Optimierungsschritt eine Merkmals-Auswahl und eine Datenquellen-Auswahl erfolgen. Diese zeitgleiche Auswahl von Merkmalen und Datenquellen ermöglicht die Ermittlung eines globalen Optimums.By the method described 300 In a single optimization step, a feature selection and a data source selection can be made. This simultaneous selection of features and data sources enables the determination of a global optimum.

Desweiteren ermöglicht es das beschriebene Verfahren 300, die Anzahl der tatsächlich berücksichtigen Merkmale auf wirklich relevante Merkmale zu reduzieren. So kann ohne substantiellen Güteverlust der Rechenaufwand reduziert werden, um Echtzeit-Anwendungen in einem Fahrzeug 100 zu ermöglichen. Desweiteren können durch eine Reduzierung der berücksichtigten Anzahl von Datenquellen 103, 104, 105, 405 die Kosten reduziert werden.Furthermore, it allows the described method 300 To reduce the number of actually consider features to really relevant features. Thus, without substantial loss of quality, the computational effort can be reduced to real-time applications in a vehicle 100 to enable. Furthermore, by reducing the number of data sources considered 103 . 104 . 105 . 405 the costs are reduced.

Desweiteren wird durch die Auswahl von relevanten Kanälen/Elektroden 405 bei einem Elektroenzephalographen 105 eine verbesserte Auswertung der Hirnaktivitäten für die Zustandsermittlung eines Fahrers ermöglicht.Furthermore, the selection of relevant channels / electrodes 405 in an electroencephalograph 105 an improved evaluation of brain activity for the determination of a driver's state allows.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.The present invention is not limited to the embodiments shown. In particular, it should be noted that the description and figures are intended to illustrate only the principle of the proposed methods, apparatus and systems.

Claims (10)

Verfahren (300) zur Ermittlung eines Zustands-Klassifikators, wobei der Zustands-Klassifikator eingerichtet ist, einem ersten Wert eines reduzierten Merkmalsvektors einen ersten Zustand einer Person zuzuweisen; wobei das Verfahren (300) umfasst, – Bereitstellen (301, 302, 303) von Trainingsdaten, die Sensordaten (111) einer Vielzahl von unterschiedlichen Kanälen (405) eines Elektroenzephalographen (105) umfassen; – Ermitteln (304), auf Basis der Trainingsdaten, einer Vielzahl von Trainings-Datensätzen; wobei ein Trainings-Datensatz einen Wert eines Ursprungs-Merkmalsvektors und einen entsprechenden tatsächlichen Zustand der Person umfasst; wobei der Ursprungs-Merkmalsvektor eine Vielzahl von Ursprungs-Merkmalen umfasst; wobei die Vielzahl von Ursprungs-Merkmalen zumindest ein Merkmal für jeden Kanal (405) der Vielzahl von unterschiedlichen Kanälen (405) umfasst; – Ermitteln (305, 306), auf Basis der Vielzahl von Trainings-Datensätzen, von Gewichtungswerten für die einzelnen Ursprungs-Merkmale; wobei ein Gewichtungswert für ein Ursprungs-Merkmal eine Relevanz dieses Ursprungs-Merkmals für den Zustands-Klassifikator anzeigt; wobei die Gewichtungswerte durch Reduzieren oder Erhöhen einer Optimierungsfunktion ermittelt werden; wobei die Optimierungsfunktion umfasst, – einen ersten Eliminierungs-Term, der es belohnt, wenn alle Ursprungs-Merkmale eines bestimmten Kanals (405) der Vielzahl von unterschiedlichen Kanälen (405) für den Zustands-Klassifikator irrelevant sind; und – einen zweiten Eliminierungs-Term, der es belohnt, wenn ein einzelnes Ursprungs-Merkmal für den Zustands-Klassifikator irrelevant ist; – Auswählen (307), auf Basis der Gewichtungswerte, einer Untermenge der Vielzahl von Ursprungs-Merkmalen für einen reduzierten Merkmalsvektor; und – Bereitstellen (307) des Zustands-Klassifikators auf Basis der Gewichtungswerte für die ausgewählte Untermenge von Ursprungs-Merkmalen.Procedure ( 300 ) for determining a state classifier, the state classifier configured to assign a first state of a person to a first value of a reduced feature vector; the method ( 300 ), - providing ( 301 . 302 . 303 ) of training data, the sensor data ( 111 ) a plurality of different channels ( 405 ) of an electroencephalograph ( 105 ); - Determine ( 304 ), based on the training data, a plurality of training records; wherein a training record comprises a value of an origin feature vector and a corresponding actual condition of the person; wherein the source feature vector comprises a plurality of source features; wherein the plurality of source features at least one feature for each channel ( 405 ) of the plurality of different channels ( 405 ); - Determine ( 305 . 306 ), based on the plurality of training records, of weighting values for each originating feature; wherein a weighting value for an originating feature indicates a relevance of that originating feature to the state classifier; wherein the weighting values are determined by reducing or increasing an optimization function; wherein the optimization function comprises, - a first elimination term that rewards it if all the source characteristics of a particular channel ( 405 ) of the plurality of different channels ( 405 ) are irrelevant to the state classifier; and a second elimination term that rewards it when a single origin feature is irrelevant to the state classifier; - Choose ( 307 ), based on the weighting values, a subset of the plurality of source features for a reduced feature vector; and - providing ( 307 ) of the state classifier based on the weighting values for the selected subset of source features. Verfahren (300) gemäß Anspruch 1, wobei – die Optimierungsfunktion einen Fehler-Term umfasst, der eine mittlere Abweichung von prädizierten Zuständen der Person von tatsächlichen Zuständen der Person anzeigt; und – der Fehler-Term einen prädizierten Zustand der Person für einen Trainings-Datensatz durch Anwendung von zumindest einem Gewichtungswert auf den Wert des Ursprungs-Merkmalsvektors dieses Trainings-Datensatzes ermittelt.Procedure ( 300 ) according to claim 1, wherein - the optimization function comprises an error term indicating an average deviation of predicted states of the person from actual states of the person; and - the error term determines a predicted state of the person for a training dataset by applying at least one weighting value to the value of the origin feature vector of that training dataset. Verfahren (300) gemäß Anspruch 2, wobei – der Fehler-Term auf Basis folgender Formel ermittelt wird: J = 1 / 2∥X ^W – Y∥ 2 / F – W eine Gewichtungsmatrix ist, die die Gewichtungswerte umfasst; – X ^ eine Trainingsdatenmatrix ist, die die Werte des Ursprungs-Merkmalsvektors aus der Vielzahl von Trainings-Datensätzen umfasst; – Y eine Zustandsmatrix ist, die die tatsächlichen Zustände der Person aus der Vielzahl von Trainings-Datensätzen anzeigt; und – ∥ ∥F einer Frobenius Norm entspricht.Procedure ( 300 ) according to claim 2, wherein - the error term is determined based on the following formula: J = 1 / 2∥X ^ W - Y∥ 2 / F W is a weighting matrix comprising the weighting values; - X ^ is a training data matrix comprising the values of the source feature vector from the plurality of training records; Y is a state matrix indicating the actual states of the person from the plurality of training records; and - ∥ ∥ F corresponds to a Frobenius norm. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – das Ermitteln (305, 306) von Gewichtungswerten umfasst, das Ermitteln des ersten Eliminierungs-Terms und das Ermitteln des zweiten Eliminierungs-Terms; – die Gewichtungswerte zumindest einen Gewichtungswert für jedes Ursprungs-Merkmal der Vielzahl von Ursprungs-Merkmale umfassen; – das Ermitteln des ersten Eliminierungs-Terms umfasst, Ermitteln einer Vielzahl von Kanal-Normen für die entsprechende Vielzahl von Kanälen (405), wobei eine Kanal-Norm für einen Kanal (405) eine L2-Norm der Gewichtungswerte der ein oder mehreren Ursprungs-Merkmale dieses Kanals (405) umfasst; und – das Ermitteln des zweiten Eliminierungs-Terms umfasst, Ermitteln einer Vielzahl von Merkmals-Normen für die entsprechende Vielzahl von Ursprungs-Merkmalen, wobei eine Merkmals-Norm für ein Ursprungs-Merkmal eine L2-Norm der ein oder mehreren Gewichtungswerte für dieses Ursprungs-Merkmal umfasst.Procedure ( 300 ) according to any one of the preceding claims, wherein - determining ( 305 . 306 ) of weighting values, determining the first elimination term and determining the second elimination term; The weighting values comprise at least one weighting value for each originating feature of the plurality of originating features; Determining the first elimination term comprises determining a plurality of channel norms for the corresponding plurality of channels ( 405 ), where a channel standard for a channel ( 405 ) an L2 norm of the weighting values of the one or more source features of that channel ( 405 ); and determining the second elimination term comprises determining a plurality of feature norms for the corresponding plurality of origin features, wherein a feature standard for an origin feature is an L2 norm of the one or more weight values for that origin feature. Feature includes. Verfahren (300) gemäß Anspruch 4, wobei – das Ermitteln des ersten Eliminierungs-Terms weiter umfasst, Ermitteln einer L1-Norm der Vielzahl von Kanal-Normen; und – das Ermitteln des zweiten Eliminierungs-Terms weiter umfasst, Ermitteln einer L1-Norm der Vielzahl von Merkmals-Normen.Procedure ( 300 ) according to claim 4, wherein determining the first elimination term further comprises determining an L1 norm of the plurality of channel norms; and further comprising determining the second elimination term, determining an L1 norm of the plurality of feature norms. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – der erste Eliminierungs-Term auf Basis folgender Formel ermittelt wird
Figure DE102015217335A1_0008
– W eine Gewichtungsmatrix ist, die die Gewichtungswerte umfasst; – M der Anzahl von unterschiedlichen Kanälen (405) des Elektroenzephalographen (105) entspricht; – Quellem der Menge der Ursprungs-Merkmale eines m-ten Kanals (405) entspricht; und – wq eine Untermatrix der Gewichtungsmatrix ist, die nur die Gewichtungswerte der ein oder mehreren Ursprungs-Merkmale für einen bestimmten m-ten Kanal (405) umfasst; und/oder – der zweite Eliminierungs-Term auf Basis folgender Formel ermittelt wird ∥W∥1,2 = Σd∥wd2 – wd eine Untermatrix der Gewichtungsmatrix ist, die nur die Gewichtungswerte für ein bestimmtes Ursprungs-Merkmal umfasst.
Procedure ( 300 ) according to one of the preceding claims, wherein - the first elimination term is determined on the basis of the following formula
Figure DE102015217335A1_0008
W is a weighting matrix comprising the weighting values; M of the number of different channels ( 405 ) of the electroencephalograph ( 105 ) corresponds; Source m of the set of original features of an mth channel ( 405 ) corresponds; and - w q is a sub-matrix of the weighting matrix (only the weighting values of the one or more origin features for a particular m-th channel 405 ); and / or - the second elimination term is determined based on the following formula ∥W∥ 1,2 = Σ d ∥w d2 W d is a sub-matrix of the weighting matrix that includes only the weighting values for a particular origin feature.
Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – der erste Eliminierungs-Term und der zweite Eliminierungs-Term über jeweilige Faktoren C1 und C2 in der Optimierungsfunktion berücksichtigt werden; und – das Verfahren (300) weiter umfasst, Ermitteln (305, 309, 310, 311) von Werten für die Faktoren C1 und C2, so dass eine Güte des ermittelten Zustands-Klassifikators erhöht wird.Procedure ( 300 ) according to one of the preceding claims, wherein - the first elimination term and the second elimination term are taken into account via respective factors C 1 and C 2 in the optimization function; and - the method ( 300 ), determining ( 305 . 309 . 310 . 311 ) of values for the factors C 1 and C 2 , so that a quality of the determined state classifier is increased. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – der Elektroenzephalograph (105) 10 oder mehr Kanäle (405) umfasst; und/oder – die Sensordaten (111) eines Kanals (405) Hirnströme der Person anzeigen.Procedure ( 300 ) according to one of the preceding claims, wherein - the electroencephalograph ( 105 ) 10 or more channels ( 405 ); and / or the sensor data ( 111 ) of a channel ( 405 Show brainwaves of the person. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die Gewichtungswerte zumindest einen Gewichtungswert für jedes Ursprungs-Merkmal der Vielzahl von Ursprungs-Merkmale umfasst; und/oder – die Gewichtungswerte zumindest einen Gewichtungswert für jeden möglichen Zustand einer Vielzahl von vordefinierten Zuständen umfasst.Procedure ( 300 ) according to one of the preceding claims, wherein The weighting values comprise at least one weighting value for each origin characteristic of the plurality of originating features; and / or - the weighting values comprise at least one weighting value for each possible state of a plurality of predefined states. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von Ursprungs-Merkmalen – mehrere Ursprungs-Merkmale für jeden Kanal (405) der Vielzahl von Kanälen (405) umfasst; – entsprechende Ursprungs-Merkmale für die unterschiedlichen Kanäle (405) umfasst; und/oder – ein oder mehrere der folgenden Ursprungs-Merkmale umfasst: – ein Spektrum eines zeitlichen Ausschnittes (202) der Sensordaten (111) eines Kanals (405); – eine Entropie eines zeitlichen Ausschnittes (202) der Sensordaten (111) eines Kanals (405); und/oder – eine fraktale Dimension eines zeitlichen Ausschnittes (202) der Sensordaten (111) eines Kanals (405).Procedure ( 300 ) according to one of the preceding claims, wherein the plurality of source features - multiple source features for each channel ( 405 ) of the plurality of channels ( 405 ); - corresponding source characteristics for the different channels ( 405 ); and / or - one or more of the following characteristics of origin: - a spectrum of a temporal excerpt ( 202 ) of the sensor data ( 111 ) of a channel ( 405 ); - an entropy of a temporal excerpt ( 202 ) of the sensor data ( 111 ) of a channel ( 405 ); and / or - a fractal dimension of a temporal section ( 202 ) of the sensor data ( 111 ) of a channel ( 405 ).
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