一种基于红外探测的眼睛状态识别装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种图像识别方法，特别是一种基于红外探测的眼睛状态识别装置及 方法。
【背景技术】
[0002] 目前已出现多种检测被测者是否意识清醒并预警的检测方法，比如：对行为特征 (头部运动、眼部运动、凝视方向等）、生理参数（脑电图、心电图、呼吸状况、肌肉活动等） 的检测判断人的意识状态。在这些检测参数中，眼部运动是应用最多的特征，对眼睛状态的 识别可用于判断意识清醒程度。针对眼睛的运动或状态，有多种检测方法。PERCL0S算法 即是对瞳孔直径、注目凝视、眼球转动、眼睛闭合时间长短等来测检测眼睛状态。虹膜识别 是利用眼部的灰度和形状信息对眼睑和眼睫毛遮挡进行检测。对人脸进行拍照或者视频采 集，基于图像识别的方法从视频图像中通过各种算法（如样本学习法、模板匹配法、眼睑曲 率、灰度投影、统计等）提取出人眼区域进行识别，判断人眼的闭合状态。以上这些方法都 可对人眼进行非接触性检测，但技术较为复杂，运算量大，识别速度取决于图像处理芯片运 算速度，反应速度较慢，体积较大，且实现成本较高。
【发明内容】
[0003] 本发明提供一种基于红外探测的眼睛状态识别装置及方法，根据不同光学表面对 红外光的反射率不同的性质，通过主动发射红外光，探测眼部不同位置反射光强来监测眼 部的动作。具备结构简单、体积小、计算量小、实时性好的特点。
[0004] 本发明所采用的技术方案是：
[0005] -种基于红外探测的眼睛状态识别装置，包括设置在眼睛周围的红外发射模块、 红外接收模块，所述红外发射模块、红外接收模块连接单片机模块，单片机模块连接电源模 块。所述单片机模块连接通信模块、报警模块。
[0006] 所述单片机模块包括信号处理模块、模数转换模块、计时模块、调制模块；红外接 收模块连接模数转换模块，模数转换模块连接计时模块，所述模数转换模块、计时模块均连 接信号处理模块，调制模块连接红外发射模块。
[0007] 所述通信模块为蓝牙数据传输模块、或者无线WIFI模块。
[0008] 所述红外发射模块包括红外发光二极管L1，用于发出不可见红外光束，波长 0. 7 μ m-3 μ m〇
[0009] 所述红外接收模块包括红外接收二极管L2,用于接收由眼睛不同部位反射回的红 外光，并转换成电信号传输给单片机模块。
[0010] 所述红外发射模块、红外接收模块安装在眼镜架上。
[0011] -种基于红外探测的眼睛状态识别方法，包括以下步骤：
[0012] 步骤一：红外发射模块与红外接收模块成对放置，均对准眼睛。
[0013] 步骤二：红外发射模块发出不可见红外光，单片机模块发出调节脉冲，驱动红外光 周期性地照射到眼睛上，红外光由眼睛不同部位反射，由红外接收模块接收并转换为电信 号送给单片机模块。
[0014] 步骤三：单片机模块以两倍于调制信号的频率，对红外接收模块传出的模拟电信 号进行采样，将模拟电信号转成数字信号，放入待处理信号缓冲区，相邻两次采样结果做减 法处理以去除背景光干扰，再对其结果做限幅滤波，减小偶然因素引起的脉冲干扰，得到较 平滑的实时红外光强测量曲线。
[0015] 步骤四：当实时红外光强测量曲线上的值大于预设阈值时，判定眼睛处于闭合状 态，状态标志设为1。当实时红外光强测量曲线的值小于预设阈值时，判定眼睛处于睁开状 态，状态标志设为0。用单片机模块自带的定时计数器，对状态标志持续时间、状态标志重现 次数进行测量，对连续相同的状态标志进行计数即计时，超过限定时间即可判定当前人眼 处于闭合状态；对一段时间内状态标志1出现的次数进行阈值判定，超过阈值，即判定当前 人眼处于半睁半闭状态；
[0016] 步骤五：当人眼闭合状态超过限定值时，单片机模块发出控制信号，驱动报警模块 进行报警，以起到提示作用。
[0017] 步骤六：单片机模块把检测数据通过通信模块传输至手机或其他设备，以便进行 远程监控或提醒。
[0018] 所述步骤一中，包括定位步骤：先用红外发射模块对准眼睛发出红外光，人眼眨眼 时测试红外接收模块的接收光强，有较大变化则定位准确；否则调整红外发射模块和红外 接收模块的角度，直至对准为止。
[0019] 所述步骤二中，在一个脉冲周期内，低电平时红外发射模块不发射红外光，红外接 收模块仅接收外界自然光，传输的电信号为背景光强度信号；高电平时，红外发射模块发射 红外光，红外接收模块接收外界自然光及反射的红外光，传输的电信号为背景光强度信号 加上反射红外光强度信号。
[0020] 本发明一种基于红外探测的眼睛状态识别装置及方法，技术效果如下：
[0021] 1)、检测对象直接，检测结果直观反映人的意识状态，方法上比现有的图像识别方 法简单且易于实现。
[0022] 2)、主动红外光源对人眼覆盖照射，基于点对面的探测，容易实现且装置简单、成 本低。
[0023] 3)、本发明方法仅对被测目标的反射红外光光强及变化时间做检测，无其他干扰 因素，检测及处理速度快，反应时间可达几百微秒，明显优于现有图像识别方法。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明的原理连接框图。
[0025] 图2是本发明为实时红外光强测量曲线。
[0026] 图3是本发明的实施例电路图；其中：
[0027] 图3 (a)为单片机模块4 ;图3 (b)为电源模块8 ;图3 (c)为报警模块7 ;
[0028] 图3(d)为红外发射模块2 ;图3(e)为A/D转换参考电压模块；
[0029] 图3 (f)为红外接收模块3 ;图3 (g)为蓝牙数据传输模块RDA5868。
【具体实施方式】
[0030] 原理分析：
[0031] 若红外光源发光强度为I，它是光源在单位立体角上的光通量。红外光源的面积为 S，到眼睛的距离为r，眼睛被照射面积为S'，假设眼睑被照射面积为，眼角膜被照射面 积为S/，S' =?' +S/。眼睑与眼角膜对红外光的反射率是不同的，设眼睑反射率为 &，眼角膜反射率为R1，两者均看成是近似余弦辐射体，则红外接收器接收到的光强为：
[0032]
为眼睛法线方向 与光源的夹角，U为接收器对眼睛的孔径角。
[0033] 由上式可知，当眼睛睁开时，红外光大部分照射在眼角膜上，反射回的红外光强主 要由眼角膜的反射率决定；当眼睛闭合时，红外光大部分照射在眼睑上，反射回的红外光强 主要由眼睑的反射率决定；当眼睛半睁半闭时，红外光部分照射在眼角膜上，部分照射在眼 睑上，反射回的红外光强由眼角膜和眼睑的反射率共同决定。由于眼睑和眼角膜对红外光 反射率的不同，使得不同反射面反射回的红外光强不一致。眼睛睁开时，红外光基本由角膜 反射，反射光强最大；眼睛闭合时，红外光基本由眼睑反射，反射光强最小；眼睛半睁半闭 时，红外光由角膜和眼睑部分反射，反射光强介于前二者之间。
[0034] 根据接收到的光强差异可以判定当前人眼的睁开/闭合状态。对接收光强的持续 时间进行检测：正常情况下，人眼睁开，平均2-6秒眨眼1次，每次眨眼用时0. 2~0. 4秒；； 当人疲倦时，眼睛基于保护作用会不由自主地加快眨眼速度，以保证正常的视觉；当进入更 深一层的疲劳状态时，会更加频繁眨眼或延长眼睛闭合时间。根据眼睛眼睑及眼角膜对红 外光的反射率，当人眼在睁眼、闭眼、眨眼及半睁半闭时，不同部位对红外光反射光强的不 同可检测出当前人眼的闭合状态，对不同红外反射光的变化情况的检测可当前人眼动作状 态，由两者共同判定当前人的意识状态：清醒或疲劳。
[0035] 如图2所示，当人眼正常睁开时，角膜红外反射率低，接收到的反射光较小，波形 较平稳，眨眼时会产生尖锐的反射峰值；当人眼半睁半闭时，接收到的反射光变化较大，且 变化迅速；当人眼闭合时，眼睑反射率高，接收到的反射光较大，波形较平稳。因此通过判定 接受光强的波形即可判定当前人眼的状态。
[0036] 如图1所示，一种基于红外探测的眼睛状态识别装置，包括设置在眼睛1周围的红 外发射模块2、红外接收模块3,所述红外发射模块2、红外接收模块3连接单片机模块4,单 片机模块4连接定位模块5。所述单片机模块4连接通信模块5、报警模块6。电源模块7 为所述各个模块供电。
[0037] 所述单片机模块4包括信号处理模块4. 1、模数转换模块4. 2、计时模块4. 3、调制 模块4. 4 ;红外接收模块3连接模数转换模块4. 2,模数转换模块4. 2连接计时模块4. 3,所 述模数转换模块4. 2、计时模块4. 3均连接信号处理模块4. 1，调制模块4. 4连接红外发射 丰旲块2。
[0038] 所述通信模块5为蓝牙数据传输模块、或者无线WIFI模块。
[0039] 红外发射模块2包括红外发光二极管，发出不可见红外光束（波长0· 7um-3um)以 圆锥形向前传播，近圆形截