专利名称：基于眼动和头动检测的新型人机交互装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物科学和计算机科学，设计了一种结合检测眼睛运动和头部运动从而来控 制计算机系统等设备新颖的人机交互方法。
背景技术：
计算和控制系统很多时候需要人的干预和指导才能完成我们所需要的任务，传统的人机 交互方法包括使用开关、按钮、鼠标、键盘、轨迹球等方法。但是在有些情形下，这些技术 将无能无力或者达不到要求，例如肢体残疾人士的人机交互和虚拟现实的人机交互。
视觉系统是人类感觉系统中最为重要的部分。研究表明，在人与外部世界互动的过程中， 有80%以上的信息是通过视觉系统获得的。如果利用视觉系统来实现人机交互，那么将是 十分高效和自然的。
人类的视觉系统可以看作是由一系列异常巧妙和精确光学以及电学设备组成的，其中一 个非常重要的特点就是具有精准的动态调整功能。在收到外界的反馈信号后，大脑可以自动 调整眼球的位置以及光学特性以获得最佳的成像效果。在眼球运动的过程中，会产生可测量 的电位变化，称为眼电(Electro-Oculogram，简称EOG)。如图1所示，当人眼转动的时候， 我们就可以得到相应的眼电信号，并且此眼电信号与眼睛偏转的角度有一个单调线型关系。 对眼电信号进行放大滤波并进行分析，可以得到眼球运动的轨迹。利用这一原理，就可以利 用眼球的运动对系统交互界面直接进行操作，实现人脑和计算机的交互。
一般的EOG控制装置并不包含检测头部运动的装置，所以使用者必须通过某种手段固 定头部，才能精确定位视线。当加入检测头部运动的装置以后，视线的确定将变得更加准确。 当人的视线和头都运动的时候，仅仅依靠眼动得到的视线将得到有效的补偿。
当被控制的计算机设备系统(譬如运动中的汽车)也处于运动之中时，我们也需要一种 方法确定设备的运动。这时候，我们同样可以在设备上加装若干个加速度传感器配合若干个 陀螺仪检测被控系统的运动，从而确定人和被控设备的相对运动，用于校正由设备运动造成 的视线计算误差。
发明内容
所以，我们设计了一套检测眼动和头动信号实现对计算机系统设备的实时控制系统，对 EOG信号进行放大和消噪处理后，对其中的眼动轨迹相关信息进行抽提和分析，并且加入 头部运动补偿来更加精确地定位，用以对计算机系统和设备进行实时控制。这一系统代替了 传统的通过按钮、开关、键盘、鼠标等外接设备进行人机交互的方式，有着很强的新颖性和 实用性。
图1: EOG原理图 图2; EOG信号实测图 图3:检测架固定示意图 图4:系统结构框图
具体实施例方式
我们设计的这种人机交互控制设备，包括眼动信号检测模块、头动信号检测
模块，信号处理模块，控制模块、被控设备运动检测模块，如图4所示。其中眼 动信号检测模块和头动信号检测模块中的关键部分安装在一个架子上，在这个架 子上根据需要精度需要安装了5—7个EOG信号检测电极和一个或者多个传感器
加速度。
眼动和头动信号检测模块是通过检测架安装的，相应的眼电电极和头动检测 安装点见图3。
眼动信号检测模块检测眼睛的左右转动是通过左右两边电极(电极1， 7)信 号强度跟两眼中心的电极(电极3)信号强度的偏离来进行的。眼睛的上下转动 时通过两组上下电极(电极2， 3， 5， 6)跟两眼中心的电极(电极3)强度的偏
离来进行的o
头动信号检测模块通过在头部的适当位置安装加速度传感器和陀螺仪检测 头部的运动。
信号处理模块由模拟信号放大、滤波部分，A/D转换部分，模式提取部分组 成，将眼动和头动的模拟信号转换为控制模块可以处理的数字信号。
控制模块基于眼动信号、头动信号被控设备运动检测模块，经过几何变换， 补偿和修正，得到人的视线的运动信息，进而转换成对计算机等设备的控制信号。 由于控制模块一开始无法准确知道用户和被控设备的相对位置，所以我们准备了 一个向导程序来拟合相应的控制初始参数，并且它还可以经过多次训练提高精 度。
被控设备运动检测模块根据应用需要，采用若干个加速度传感器配合若干个 陀螺仪，相对固定于设备上，采集设备运动的信号。
一个应用的场景就是用户携带我们设计的装置来进行电脑操作。电脑鼠标将 随着眼睛视线的聚焦点移动，用户可以有选择的用点头和眨眼等操作来模拟鼠标 的点击。
另外一个应用的场景是用户可以使用我们的设备对车载电脑界面的进行操 作，在此应用下，汽车上的车载电脑将需要安装相应的加速度传感器来确定头部 的相对运动。
权利要求
1.一种基于眼动和头动检测的新型人机交互装置，由眼动信号检测模块，头动信号检测模块，信号处理模块和控制模块，被控设备运动检测模块。其特征是，基于人的眼动信号和头动信号，经过信号处理和计算，获得人的视线移动信息，进而对计算机系统等设备进行控制，实现人机交互。
2. 根据权利要求1所述的控制模块，其特征在于，基于眼动信号和头动信号和被控设备运 动信号，经过几何变换，补偿和修正，得到人的视线的运动信息，进而转换成对计算机 等设备的控制信号。
3. 根据权利要求1所述的眼动信号检测模块，其特征在于，通过放置在面部特定位置的5 到7组电极，采集单眼或双眼的眼球运动产生的眼电信号。
4. 基于权利要求2和权利要求3，根据双眼运动信号，互相补充，进而计算出视线焦点， 提高控制信号精度。
5. 根据权利要求1所述的头动信号检测模块，其特征在于，根据精度和成本的控制需要， 使用若干个加速度传感器配合若干个陀螺仪，固定在头部的特定位置，采集头部运动信 号。
6. 根据权利要求1所述的信号处理模块，其特征在于，由模拟信号放大、滤波模块，A/D 转换模块，模式提取模块组成，将眼动和头动的模拟信号转换为控制模块可以处理的数字信号。
7. 根据权利要求1所诉的设备运动检测模块，其特征在于，根据应用需要，采用若干个加 速度传感器配合若干个陀螺仪，相对固定于设备上，采集设备运动的信号。
全文摘要
本发明公开了一套通过检测眼动和头动信号实现对计算机系统设备的实时控制系统，对EOG信号进行放大和消躁处理后，对其中的眼动轨迹相关信息进行抽提和分析，并且加入头部运动补偿来更加精确地定位，用以对计算机系统和设备进行实时控制。这一系统代替了传统的通过按钮、开关、键盘、鼠标等外接设备进行人机交互的方式，有着很强的新颖性和实用性。
文档编号G06F3/01GK101308400SQ200710040859
公开日2008年11月19日 申请日期2007年5月18日 优先权日2007年5月18日
发明者幂 张, 斌 肖, 马梅方 申请人:肖 斌;张 幂;马梅方