专利名称：基于眼电信号的人机交互系统的制作方法
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^~~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16wF和14"r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elec加-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(l)系统复杂；(2)容易受到环 境光源的干扰；(3) —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。2、本发明测量精度高，本发明改进了眼电传感器的贴片位置，减少了电极数量，在一定程度上降低了电极与受试者之间的相互影响，提高了测量精度；另一方面本发明提出了一 种眼电采集系统中放大器、信号滤波器的组合方式，保证了对眼电信号的准确采集。3、 本发明识别速度快，本发明采用了在线处理的方法，克服了传统批处理算法的识别 速度较慢的缺点，实现了对眼电信号逐个样本点操作，实时获取操作者眼部动作，大大提高 了系统的识别速度。4、 本发明具有较强的人机交互能力，本发明通过对眼动模式的检测和编码设计，增强 了眼动控制计算机设备的能力。5、 本发明使用简单方便，本发明不需要使用者提前进行训练，可直接实现对眼电信号 的判断，大大简化了使用过程；人性化用户界面的设计，使用者可以很快适应整个操作规程。
图1为本发明基于眼电信号的人机交互系统结构框图。 图2为本发明的双通道四电极接线示意图。 图3为本发明的放大器及滤波器组合电路原理图。 图4为本发明眼电信号的信号采集流程图。 图5为本发明眼电信号的信号在线处理流程图。 图6为本发明所采集到的眼睛转动及眨眼时的眼电信号波形图。 图7为本发明进行特征值选取示意图。 以下通过具体实施方式
，结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
参见图l，本实施例中的系统由眼电信号采集与放大模块、在线眼电信号处理模块及受 控设备单元三部分组成。参见图2，实施例中电极贴放方式为第一通道为采集眼球水平方向运动的眼动信号， 电极位于颢侧，如图2电极I位置；第二通道为采集眼球垂直方向运动的眼电信号、电极位于眼眉正上方，如图2电极II位置；参考电极位于乳凸处，如图2电极C位置；接地电极位于额头正中间，如图2电极GND位置。取水平电极和垂直电极每个方向中的一个电极作为公共参考电极，贴片位置选取对电势 干扰小的乳凸处，以三个电极实现已有技术中需要有四个电极配对的接法。这一接法对眼电 信号的测量无大变化，但降低过多电极对受试者造成的不适感。同时也减少了测量误差。具体实施中，除了参考地电极GND之外，其他的生物电极的接法左右位置皆可，水平 电极I在右颢侧和左颢侧互换后，采集得到的眼电图波形正负方向正好相反。
权利要求
1、基于眼电信号的人机交互系统，其特征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。
2、 根据权利要求1所述的基于眼电信号的人机交互系统，其特征是所述眼电信号采集 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。
3、 根据权利要求2所述的基于眼电信号的人机交互系统，其特征是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。
4、 根据权利要求1所述的基于眼电信号的人机交互系统，其特征是所述在线眼电信号 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。
5、 根据权利要求1所述的基于眼电信号的人机交互系统，其特征在于所述受控设备 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。
全文摘要
基于眼电信号的人机交互系统，其特征是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；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；以受控单元实现眼动模式的编码及受控命令的生成。本发明应用性强、测量精度高、识别速度快、操作简单方便，实现了基于眼电的特殊人机交互。本发明可以帮助肢体残疾人象正常人一样实现操控计算机、书写文本、浏览网页等操作或实现对其他电子设备，如对家电的无线控制等人机交互动作；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。
文档编号G06F3/01GK101598973SQ20091011715
公开日2009年12月9日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者钊 吕, 吴小培, 磊 张, 张道信, 王兆云, 郭晓静 申请人:安徽大学