[发明专利]一种基于眼电编码的人机交互系统及其交互方法

说明书

本发明公开了一种基于眼电编码的人机交互系统及其交互方法，该系统包括依次连接的眼电信号采集模块、眼电信号预处理模块、眼动特征提取和眼动方向分类模块、眼电编码模块、字符输出显示模块；其交互方法是：S1、眼电信号采集模块用于眼球运动电信号的采集并进行放大滤波；S2、眼电信号预处理模块去除无意识眨眼伪迹和平滑处理，对眼电信号进行眼动段提取，得到预处理眼电信号；S3、眼动特征提取和眼动方向分类模块提取预处理眼电信号的特征向量并基于纠错编码支持向量机对预处理眼电信号进行特征分类，得到八方向眼电信号；S4、眼电编码模块赋予八方向眼电信号以二进制编码，S5、字符输出显示模块将根据该二进制编码输出相应字符。

技术领域

本发明属于生物医学与信息学交叉领域技术领域，具体涉及一种基于眼电编码的人机交互系统及其交互方法。

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，鼠标和键盘等传统的输入设备显然无法正常使用。

日常生活中，大多数生活不能自理的老年人都无法方便地活动手脚，甚至连说话都含糊不清，以及手脚不便的残疾人士，很难通过传统的人机交互技术与外界进行信息交互。亟需用科学技术消除残障人士因肢体不便而导致的获取信息或和表达信息的障碍，因而越来越多的科研机构和实验团队将精力放在无障碍人机交互系统的研究，期待开发配套的医疗康复辅助设备，提高社会医疗保障能力。而基于眼电控制的人机交互系统由于具有采集方便，辨识率高，设备简单，可以提供的控制量多等优点，成为无障碍人机交互系统研究中热门的课题之一。

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。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。

但是，基于眼电信号的人机交互系统采集的眼电信号中包含的基线漂移、多种背景噪声、无意识眨眼噪声以及其他干扰信号，这些信号的产生对人机交互系统的处理产生了较大的影响，使人机交互系统处理的工作量增大，处理的难度增加。在平常生活中，人们观察周围事物时会进行有意识的眼球运动，同时也包含一些无意识的眼球运动，如眨眼。幅度较大或者较为频繁的眨眼会对有意识的眼电信号会造成很大干扰。即便在注视一个物体的时候眼球也不是固定不动的，采集得到的眼电信号中包含了基线漂移噪声和多种背景噪声，尤其实验对象在进行频繁的眼动时眼电信号基线漂移严重。另外，每个实验对象的眼电信号波形不同，同一个实验对象不同时刻的眼电信号波形也不尽相同。眼电信号的非平稳性和差异性是研究眼电交互系统首先需要解决的问题，传统的中值滤波和数学形态学滤波，不能有效地去除噪声，也不能有效分离出扫视信号和眨眼信号，且运算速度较慢。

由于人机交互系统采集到的眼电信号是连续的，时间越长，分析的数据量越大。如何在一整段眼电信号中提取出实验对象自主的有意识的眼动段信号是基于眼电信号的人机交互系统需要解决的第二个问题。传统阈值方法不能有效克服因个体差异造成的眼电信号识别上的困难，对眼动时间段内的眼电信号不能准确取出。因此还需要研究眼动段眼电信号的端点检测，特征提取和分类算法以满足交互系统对于实时性和准确性的要求。