[发明专利]基于眼电信号的人机交互系统

说明书

技术领域

本发明涉及属于生物医学与信息学交叉领域，更具体地说是一种基于眼电信号的人机交互系统的设计、实现与应用。

背景技术

个人计算机在工作单位以及在普通家庭中不断普及。传统的计算机系统以键盘和鼠标作为最主要的输入输出设备。目前大部分计算机系统采用的人机交互模式为：键盘鼠标——显示器——键盘鼠标。虽然这种人机交互的模式可以满足大部分计算机用户的需求，但是对于肢体严重残疾和运动神经系统损伤的群体而言，无法正常使用鼠标和键盘等传统的输入设备。因此，适合残障群体人机交互方式的研究和相关设备的开发具有重要的社会价值和实际应用价值。

另外，有关国内、外许多眼电的研究证明，眼球中角膜部分是一个正电极，视网膜部分是一个负电极。眼睛沿水平方向或垂直方向每运动1°，将分别会产生约16uV和14uV的电压，这种在视网膜色素上皮和光感受器细胞之间存在的视网膜静电位信号被称为electro-oculogram，简称EOG信号，该信号可以被放置在眼眶周围的电极直接检测到。正因为眼电信号具有幅度较强，易于检测等特点，所以利用人眼运动特征信息的人机交互研究成为了当前人机交互领域的热点问题。

围绕基于眼电信号的人机交互方式这一思路，科技人员已开展了广泛的研究，开发出多种可通过眼睛运动来控制计算机或外部设备的系统，并申报了相关专列成果，如专利US3462604，US4109145，US3986030，US3507988，US4651145。但是，上述人机交互方式的实现需要用到光学设备和图象处理技术，其最大的缺点是：(1)系统复杂；(2)容易受到环境光源的干扰；(3)一些实现方式需要特殊的视觉刺激信号供给操作者，并需要相应的用于监控的反应码。

发明内容

本发明是为避免上述人机交互方式所存在的不足，提供一种应用性较强、测量精度高、识别速度快、操作简单方便的基于眼电信号的人机交互系统。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于眼电信号的人机交互系统，其特点是所述系统组成包括眼电信号采集与放大模块、在线眼电信号处理模块及受控设备单元。

所述眼电信号采集与放大模块通过眼电信号传感器获取眼电信号，并对其进行放大；

所述在线眼电信号处理模块实现对来自眼电信号采集与放大模块的信号进行在线模式识别，实时判断出操作者的眼部动作；

所述受控单元实现眼动模式的编码及受控命令的生成。

本发明基于眼电信号的人机交互系统的特点也在于：

所述眼电信号采集与放大模块包括眼电信号传感单元、信号放大单元及USB接口电路。

所述眼电信号传感单元为：设置四电极双通道结构，用于采集眼球水平方向运动眼动信号的第一通道电极I位于颢侧；用于采集眼球垂直方向运动眼电信号的第二通道电极II位于眼眉正上方；参考电极C位于乳凸处；接地电极GND位于额头正中间；

所述信号放大单元依次设置为：射随器、一级放大器、反馈式高通滤波单元、二级放大器和后续低通滤波单元；

所述USB接口电路用于将所放大的眼电信号送入计算机。

本发明基于眼电信号的人机交互系统的特点也在于：

所述放大单元的放大倍数为8000，所述高通滤波的截至频率为0.159Hz，低通滤波的截止频率为10Hz。

本发明基于眼电信号的人机交互系统的特点还在于：

所述在线眼电信号处理模块包括预处理、特征提取与识别单元。

以所述预处理单元对眼电信号进行预滤波、去均值、归一化及去噪；

所述特征提取单元从眼电信号中提取眼电信号的特征序列，包括峰值、波形趋势、零值点、中位数、上四分位数、下四分位数、持续时间、信号能量；所述峰值包括波峰和波谷，所述波形趋势包括波形的上升沿和下降沿趋势；

所述识别单元通过对输入眼电的特征来判断操作者眼部的实际动作。

本发明基于眼电信号的人机交互系统的特点还在于：

所述受控设备单元包括虚拟键盘和鼠标的计算机输入设备和无线电子设备。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明应用性较强，本发明在诸多领域具有重大的应用意义，它不仅可以适于肢体有残疾的人员与计算机之间的交互，操作者可以通过眼睛的运动来操控计算机、书写文本、浏览网页等，帮助肢体残疾人象正常人般使用计算机，或实现对其他电子设备，如对家电的无线控制。同时还可以用于正常人不便用手操作计算机的场合，比如：矿井、营救手术、航天器、水下等条件苛刻或狭窄的环境中。