３１卷４期
２０１２年８月
中國生物醫學工程學報
基於漢英語碼轉換的ｅｒｐ訊號特徵提取研究
謝津邱天爽摘馬徵
ｌ１６０２４）
（大連理工大學電子資訊與電氣工程學部，大連
要：本研究的目的是應用事件相關電位（ｅｒｐ）技術，探索漢英語碼轉換的機制，以提高漢英雙語表達和雙語教
學的水平。首先，採用一種基於時間間隔因素的語碼轉換正規化和腦電訊號採集技術，提取了漢英語碼轉換的ｅｒｐ訊號；隨後，對預處理後的ｅｒｐ訊號提取了５種特徵：潛伏期、波峰值、功率譜、小波子帶能量和小波熵；其中，前兩
種特徵是大多數語碼轉換的研究中主要提取的特徵，後３種是結合隨機訊號的特徵提取演算法提取的新特徵；最後，採用特徵分布圖和三因素重複測量方差分析表對５種特徵分析討論。３種新特徵的結果表明，長間隔的ｎ２效應大
於短間隔的，且時間間隔因素的零假設成立的概率均小於０．０５，主效應達到顯著水平；但潛伏期、波峰值的分析中
未出現前面現象，說明３種新特徵比潛伏期、波峰值更有效。通過分析３種新特徵，可得出結論：長間隔的ｎ２效應比短間隔的顯著，驗證了盛行的抑制假說。
關鍵詞：語碼轉換；ｅｒｐ訊號；特徵提取；三因素重複測量方差分析；抑制假說中圖分類號
ｒ３１８
文獻標誌碼
ｄ文章編號
引言國際化發展的社會，致使越來越多的中國人成為漢英非平衡雙語者（漢語比英語更熟練）。而非平衡雙語者在使用相對弱勢的二語時，需要克服來自母語的自動反應的干擾…，故其在使用一種語言
時更容易受到另一種語言的干擾。因此，研究非平衡雙語者如何快速有效地完成雙語的選擇即語碼
下的語碼轉換研究較少 。目前，越來越多的國外研究者將ｅｒｐ技術應用於語碼轉換研究中，國外最新研究成果是由ｖｅｒｈｏｅｆ等提供的 ，他們在實驗中首創性地加入了時間間隔因素，並揭示了語言切換中的抑制作用；而國內應用ｅｒｐ技術研究語碼轉換的研究較少，仍處於初級階段，其中王慧莉等
人使用由數字構成的簡單**作為實驗刺激**，
得到了一些初步結論。國內外關於語言切換的主要理論有：語言切換代價 、語言特異性選擇機制和語言非特異性選擇機制 ，其中假定非特異
轉換問題，對提高雙語表達和雙語教學都有非常重
要的意義。
２ｏ世紀５０年代中期以來國內外語碼轉換研究
理論的發展和運用，奠定了語碼轉換的研究基礎。
性選擇機制的理論為抑制控制理論或抑制假說；且相關研究中將ｎ２成分作為語言抑制的指示。
針對國內語碼轉換研究存在的不足，本研究採用一種基於時間間隔因素的漢英語碼轉換實驗，提取了漢英語碼轉換ｅｒｐ訊號的３種新特徵：功率譜、小波子帶能量和小波熵。通過對比分析特徵分
近幾年來，國外語碼轉換研究主要通過跨學科視
角，綜合運用社會學、心理學及人類學等學科理論
研究語碼轉換 ；國內對語碼轉換的研究比國外晚
很多，研究成果仍顯單薄，特別是對國內語言環境
收稿日期錄用日期
**專案：國家自然科學**通訊作者
４期謝津，等：基於漢英語碼轉換的ｅｒｐ訊號特徵提取研究
｛蟋堅ｇｕ娶１
圖２預處理後的波形
共提取了５種特徵：功率譜、小波子帶能量、小波熵、潛伏期及波峰值，後文分別用特徵１至５簡代之。其中，潛伏期指刺激開始與波峰點之間的時間
間隔，波峰值是指潛伏期時間點對應的波幅值。採
用ｗｅｌｃｈ法估計ｎ２成分的功率譜。功率譜圖顯示漢英語碼轉換ｅｒｐ訊號主要分布在１～８ ｈｚ範圍
內，對此頻段內的功率譜求均值，即為功率譜特
徵值。３．１．１小波子帶能量特徵
選用ｄｂ４小波函式對訊號進行４層分解，輸出
的分解結構包含小波分解係數向量ｃ和係數長度向量￡。
從能量角度看，小波變換將訊號的能量分解到不同的時頻平面上。小波變換幅度平方的積分同訊號的能量成正比。選取第ｊ級各子帶中，子帶頻率在１～８ ｈｚ範圍內子帶能量ｅ 作為特徵，ｅ 表示為ｍｎ
：，ｊｉ式中，．『為分解層的層序號，ｎ為子帶序號，ｋ為小波
某子帶係數序號，ｄ為小波某子帶系數值。３．１．２小波熵特徵
乙個隨機訊號如果用小波進行多尺度分析，當
不同尺度的訊號成分近似相同，則訊號的熵值越
大；且當各訊號成分越相近時，所需訊號成分的特
征越不顯著。因此可將熵值作為衡量訊號特徵顯
著程度的依據，熵值越大，訊號的特徵越不顯著。
按照文獻［１４］中的規定，將能量序列的分布定義為各尺度的歸一化能量
（２）ｋ
式中，總能量為ｅ＝ｅ ，而能量ｅ 的定義見文獻
［１４］。結合資訊熵的定義，採用小波各尺度的能量序列的分布取代訊號的概率分布，這樣基於能量分布得到的熵稱為小波熵，小波
熵的定義為
ｋ日 ＝日一『ｐｊｌｏｇ２ｐｊ
（３）３．２特徵分析
所繪製的特徵分布圖顯示了乙個實驗因素的不同水平對特徵值的影響。由於篇幅有限，只展示
一語重複條件下長、短間隔的特徵分布圖，如圖３所
示。通過觀察所有特徵分布圖，發現：長間隔與短間隔的特徵點具有一定的差異性，一語與二語的特徵點也具有一定的差異性。
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圖３一語重複條件下長、短間隔的特徵分布圖
ｆｉｇ．３
為了更顯著地展示不同實驗因素對特徵值的影響，對總平均波形提取了前面介紹的５種特徵，特
徵分布如圖４所示。
圖４ 總平均波形的特徵分布圖
６ｌ８中國生物醫學工程學報
由前面分析可知，特徵３（小波熵）越小，訊號的圖４顯示，特徵１、２的整體趨勢相似；特徵３的整體趨勢和特徵１、２相反；特徵４（潛伏期）每種刺激無太大差別，特徵５（波峰值）沒有規律性。特徵
特徵越顯著，即ｎ２成分越顯著；特徵１、２（功率譜、小波子帶能量）與能量有關，值越大，ｎ２成分越顯
著。文中ｎ２效應代表ｎ２成分的顯著程度，則小波熵值越小，ｎ２效應越大，功率譜、小波子帶能量值越大，ｎ２效應越大。
１、２、３的特徵值顯示：長間隔的ｎ２效應大於短間隔的，一語測試的ｎ２效應小於二語的，這兩個現象均符合抑制假說的預言。
表ｌ三因素重複測量方差分析表
４ 方差分析
４．１方差分析理論
訊號上為ｎ２效應越大。從特徵２和３的語言因素的顯著主效應和特徵分布結果，可知一語測試的ｎ２
效應顯著小於二語，和文獻［１６］中的結論一致。
通過分析反應時問也可以發現，大部分被試的長間隔下的反應時間比短問隔的短，這也說明準備
方差分析是ｅｒｐ研究中使用最多的統計學方法，它主要將ｅｒｐ的隨機差異與實驗因素引起的ｅｒｐ差異分開，加以定量比較，得出不同實驗因素是否對ｅｒｐ發生顯著性影響的結論。共有３個實驗因素：語言、轉碼型別和時間間隔，每個實驗因素都有兩個不同的水平，所以採用三因素重複測量方
間隔和語言抑制在有效地調節著兩種語言的競爭，從另一方面驗證了抑制假說。
綜合前面所有的分析，可知３個新特徵的特徵分布圖和方差分析結果，能夠有效地驗證大多數文獻支援的抑制控制理論及其他文獻的結論；但從潛
差分析。多因素方差分析中，主效應指因素的獨立效應，即乙個因素的不同水平所引起的變異。互動
伏期和波峰值的特徵分布圖和方差分析結果中，未發現可驗證現有的語碼轉換理論的結果。說明本
作用指乙個因素的作用是否受其他因素的影響，受其他因素影響稱為互動作用顯著。
４．２結果及討論
研究提取的３種新特徵一功率譜、小波子帶能量、小波熵比潛伏期、波峰值特徵更有效。其中，３種新特
採用方差分析法，更加準確地分析不同實驗因素是否對特徵值有顯著影響，利用ｍａｔｌａｂ統計工具箱中的方差分析工具進行方差分析。
徵是基於資料段提取的，而潛伏期、波峰值是基於資料點提取的，這可能是３種新特徵更有效的原因。
由於ｎ２成分的誘因不惟一，如：本實驗中的**刺激和抑制口動反應也可能誘發ｎ２成分，所以ｎ２效應驗證了抑制假說，是根據本研究的實驗正規化
通常規定零假設成立的概率ｐ小於０．０５時，實驗因素對ｅｒｐ的影響顯著。主要計算３個主要影響因素和ｃ 個雙因素交叉影響的零假設成立的概率。表１是三因素重複測量方差分析的結果。
及最新的相關文獻得出的最可能的結論，需要在今後的研究工作中更加完善實驗設計。
表１顯示：特徵１、２、３均顯示不同程度的顯著效果，特徵４、５未出現統計意義上的顯著性。其中，
５ 結論
特徵分布圖和方差分析結果表明，本研究提取
時間間隔因素的主效應在特徵１、２、３中都有顯著效果，結合特徵分布圖中長間隔的ｎ２效應大於短問隔的。用抑制假說可解釋為：語言切換通過抑制非目標語言來完成，準備間隔決定了自上而下的抑制程度，時間問隔越長抑制程度越大，則表現在ｅｒｐ
的漢英語碼轉換ｅｒｐ訊號的３種新特徵一功率譜、小波子帶能量、小波熵比潛伏期、波峰值特徵更有效；長間隔條件下的ｎ２效應比短間隔的顯著，驗證了抑制假說。由於能驗證本研究結論的支援資訊有限，需要在今後的研究工作中加入更多的支撐信
４期謝津，等：基於漢英語碼轉換的ｅｒｐ訊號特徵提取研究
６１９息，如ｆｍｒｉ資訊，更加完善研究工作。而本研究只
是為進一步探索人類雙語表達的機制提供了一種新的手段。
［。］參考文獻
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轉換英語學困生的教學反思
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