El poder de las expresiones faciales: Una aplicación de una interfaz cerebro computador

El siguiente post resume mi proyecto del curso de Métodos de Investigación Aplicados a la Computación.
El estudio analiza varios aspectos relacionados con una interfaz cerebro computador desde el punto de vista de HCI (Human Computer Interaction)
El análisis empieza con una comparación entre dos tipos de mecanismos de control de un Robot Lego NXT de Mindstorms: teclado de computador e interfaz cerebro computador.
El control con la BCI era usando expresiones faciales de los participantes. El objetivo era encontrar la diferencia en precisión entre los diferentes tipos de control para determinar si este tipo de interfaz puede ser considerado como un mecanismo de control factible. Además se busca encontrar las variables que influyen en el control de la BCI.
Una interfaz cerebro-computador (BCI, del ingles Brain Computer Interface), provee un método de comunicación entre humanos y computadoras.
Las células del cerebro se comunican entre sí produciendo pequeñas señales eléctricas, llamadas impulsos. Una forma de medir la actividad de estos pulsos es mediante un electroencefalograma (EEG), las interfaces cerebro computador usan este principio para captar datos provenientes de dicha señal.
Mi post anterior : http://blog.espol.edu.ec/taws/2016/01/18/brain-computer-interfaces-nuevas-interacciones/ detalla mas al respecto

Metodología:
Descripción del Experimento
El experimento fue realizado con 10 de estudiantes de la Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computacion (FIEC). El experimento fue llevado a cabo en las instalaciones del Centro de Tecnologías de Información (CTI), perteneciente a la ESPOL.

Figura 1 Cuadrícula usada en el experimento

En la Fig. 1 se muestra la cuadrícula empleada en el experimento. La tarea planteada a los participantes consistía en controlar un robot y alcanzar los cinco puntos rojos planteados dentro de la cuadrícula, en el caso de que el robot se saliera de los límites de la misma, debía volver al punto de partida. Es importante recalcar que los participantes debían realizar esta misma tarea para los dos mecanismos de control que ya hemos mencionado previamente.
El robot podía a realizar las siguientes acciones: moverse hacia adelante, detenerse y girar 90 grados (hacia la derecha). Para el control mediante el teclado, el participante debía presionar una tecla para realizar una acción en particular. Por otro lado, con el control mediante la interfaz cerebro computador, el participante debía seleccionar tres expresiones faciales, una para cada acción del robot, lo que supuso una fase previa de entrenamiento.

Variables de Interés
Se midió el tiempo que les tomó a los participantes realizar la prueba: el tiempo desde el momento en que empieza a moverse el robot hasta que llega al ultimo punto del circuito.
Se consideró también el número de intentos que efectuó un participante para completar cada prueba. Este valor se contabilizó cada vez que el participante se desviaba considerablemente del circuito propuesto.
Nivel de Frustración y Nivel de Concentración: mediciones propocionadas por el API del BCI.

Resultados:

Tiempos de respuesta
En la figura 2 se muestra el tiempo promedio para realizar una tarea con el teclado y con la BCI por cada participante. Observar que en los participantes uno y seis, se aprecia una diferencia significativa entre los dos tipos de control, ademas en este caso el teclado supone un menor tiempo. Sin embargo los participantes dos y ocho, realizaron un tiempo menor con la interfaz cerebro computador que con el teclado.

Figura 2 Diferencia de Tiempos por Participantes

Niveles de Frustración
Se obtuvo que la gráfica del Nivel de Frustración vs Tiempo (Fig.3) para tratar de visualizar la asociación entre el grado de frustración de los participantes frente a la experiencia y el tiempo de las tareas controlando al robot con la interfaz cerebro computador.
De la gráfica se puede notar que el menor tiempo esta asociado a un bajo nivel de frustración, esto esta representado con el punto de color azul. Por el contrario el máximo tiempo esta relacionado con un alto grado de frustración, este punto esta representado con el color rojo. El resto de puntos de color negro sugieren un patrón en especial que indicar a cierta relación entre ambas variables.

Figura 3 Nivel de Frustración vs Tiempo BCI

Para los número de intentos y nivel de concentración no se encontraron resultados interesantes por eso no los he considerado en este resumen.
Conclusiones:

Resulta evidente la diferencia de los tiempos de respuesta entre ambos controles. Sin embargo, esta diferencia no se puede considerar sustancial.

Se reportan usuarios que pudieron resolver el desafío en menor tiempo con la BCI. Esto soporta la idea de que el desempeño de estas interfaces dependen de la destreza del usuario. También se observó que la respuesta de la BCI ante las expresiones faciales no es la misma para todos los participantes.

Considerando que los participantes nunca habían interactuado con una BCI, la diferencia de 20 segundos entre los tiempos de respuesta es bastante aceptable. Sin embargo, no podemos generalizar su uso para todo tipo de aplicaciones, es decir la usabilidad de una BCI mediante expresiones faciales esta restringida.

Analizando los factores que influyen en el control de este tipo de mecanismo se encontró una fuerte correlación entre el nivel de frustración y el tiempo que le tomaba a un usuario realizar la tarea.
Otros estudios relacionados han determinado que existe una relación entre la frustración de las personas y su interacción frente a los eventos que percibe o las tareas que realiza.

Si las tareas son muy complejas, requieren precisión y dependen del tiempo, las personas pueden llegar a frustrase si tienen problemas.
Dado que la tarea planteada a los participantes, era relativamente compleja realizar mediante las expresiones faciales, sumado el hecho de la interacción frente a un dispositivo totalmente nuevo, tiene sentido haber encontrado que el nivel de frustración influye en el desempeño de la tarea. Este aprendizaje nos indica que esta interfaz no puede ser usada para tareas que requieran alta precisión y destreza. Las aplicaciones deberían considerar en su diseño factores que alivien la frustración al momento de controlarlos.

Autor:
Rodrigo Castro