一种基于眼电编码的人机交互系统及其交互方法技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于眼电编码的人机交互系统及其交互方法
本专利技术属于生物医学与信息学交叉领域
，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。
技术介绍
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。基于眼电的人机交互涉及语义的表达，如果把眼电交互系统中的字符类比为控制系统中的控制功能，其功能数目达到了传统控制系统的10倍以上。如何利用有限的眼电信号实现其10倍以上的“控制功能”，是眼电交互系统中的最关键的问题。传统的基于眼电控制的人机交互系统利用虚拟键盘，需要经过多次眼部动作的组合才能完成单个字符的输出，字符输出的速率不高。因此，需要对现有技术进行改进，设计一种传输速率更快，正确率更高的基于眼电控制的人机交互系统。
技术实现思路
针对上述现有技术的缺陷，本专利技术提供一种基于眼电编码的人机交互系统及其交互方法，该算法实现简单，能够有效去除个体眼电信号中的脑电肌电以及无意识眨眼干扰，并且能够将眼电信号中各个方向的扫视特征保留下来。使用眼电信号控制来设计人机交互系统，实现基于眼电信号编码的人机交互。为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：一种基于眼电编码的人机交互系统，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；所述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，并将采集到的眼电信号传送给所述眼电信号预处理模块；所述眼电信号预处理模块基于无意识眨眼噪声检测的中值滤波算法去除无意识眨眼伪迹和平滑处理，基于短时能量归一化的三阈值起止点检测方法对眼电信号进行眼动段提取，得到预处理眼电信号；所述眼动特征提取和眼动方向分类模块基于多分辨率分析法提取预处理眼电信号的特征向量并采用基于纠错编码支持向量机寻找最优分类器对预处理眼电信号进行特征分类，得到八方向眼电信号，所述眼电编码模块赋予八方向眼电信号以二进制编码，所述字符输出显示模块将根据该二进制编码输出相应字符。作为对上述技术方案的改进，所述眼电信号采集模块和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、字符输出显示模块之间通过TCP/IP协议进行数据传输。作为对上述技术方案的改进，所述眼电信号采集模块包括设置于使用者眼部周围的六个电极；其中采集电极中两个设置于右眼球垂直中轴线处，距离眼球20mm处，两个设置于左右眼球水平中轴线处，距离眼角20mm处；参考电极和接地电极设置于额头和头顶中心处。本专利技术并提供了一种基于本人机交互系统进行人机交互的交互方法，该交互方法的步骤是：S1、所述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，并将采集到的眼电信号传送给所述眼电信号预处理模块；S2、所述眼电信号预处理模块采用基于无意识眨眼噪声检测的中值滤波算法去除无意识眨眼伪迹并对眼电信号平滑处理，基于短时能量归一化的三阈值起止点检测方法对眼电信号进行眼动段提取，得到预处理眼电信号；S3、所述眼动特征提取和眼动方向分类模块基于多分辨率分析法提取预处理眼电信号的特征向量并选用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、所述眼电编码模块赋予八方向眼电信号以二进制编码；S5、所述字符输出显示模块将根据该二进制编码输出相应字符。作为对上述技术方案的改进，所述眼电信号采集模块的六个电极扫视角度为45度，扫视持续时间不超过0.8s；所述眼电信号采集模块将眼球运动分为八个可控的运动模式，该八个可控的运动模式为上、下、左、右、左上、左下、右上、右下眼球扫视运动。作为对上述技术方案的改进，所述基于无意识眨眼噪声检测的中值滤波算法的步骤是：S1、设为采集到的眼电信号某点的原始数值，为当前的中值滤波窗口，为无意识眨眼噪声幅值范围，分别为窗口的最小值，中值以及最大值，为预设的最大中值滤波窗口；S2、用初始窗口对眼电信号排序并进行中值滤波，若，则进行步骤S3，否则输出；S3、增大窗口的尺寸，判断窗口长度与预设的的大小；S4、若，则进行步骤S5，否则输出；S5、判断与的大小；S6、若，则输出，否则回到步骤S3重新开始执行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于眼电编码的人机交互系统，其特征在于，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；所述眼电信号采集模块用于眼球运动电信号的采集和放大滤波，并将采集到的眼电信号传送给所述眼电信号预处理模块；所述眼电信号预处理模块采用基于无意识眨眼噪声检测的中值滤波算法去除无意识眨眼伪迹并对眼电信号平滑处理，基于短时能量归一化的三阈值起止点检测方法对眼电信号进行眼动段提取，得到预处理眼电信号；所述眼动特征提取和眼动方向分类模块基于多分辨率分析法提取预处理眼电信号的特征向量并用纠错编码支持向量机寻找最优分类器进而对预处理眼电信号进行特征分类，得到八方向眼电信号，所述眼电编码模块赋予八方向眼电信号以二进制编码，所述字符输出显示模块将根据该二进制编码输出相应字符。

【技术特征摘要】
1.一种基于眼电编码的人机交互系统，其特征在于，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；所述眼电信号采集模块用于眼球运动电信号的采集和放大滤波，并将采集到的眼电信号传送给所述眼电信号预处理模块；所述眼电信号预处理模块采用基于无意识眨眼噪声检测的中值滤波算法去除无意识眨眼伪迹并对眼电信号平滑处理，基于短时能量归一化的三阈值起止点检测方法对眼电信号进行眼动段提取，得到预处理眼电信号；所述眼动特征提取和眼动方向分类模块基于多分辨率分析法提取预处理眼电信号的特征向量并用纠错编码支持向量机寻找最优分类器进而对预处理眼电信号进行特征分类，得到八方向眼电信号，所述眼电编码模块赋予八方向眼电信号以二进制编码，所述字符输出显示模块将根据该二进制编码输出相应字符。2.根据权利要求1所述的基于眼电编码的人机交互系统，其特征在于，所述眼电信号采集模块同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、字符输出显示模块等后续模块之间通过TCP/IP协议进行数据传输。3.根据权利要求1所述的基于眼电编码的人机交互系统，其特征在于，所述眼电信号采集模块包括设置于使用者眼部周围的六个电极；采集电极中两个设置于右眼球垂直中轴线处，距离眼球20mm处，两个设置于左右眼球水平中轴线处，距离眼角20mm处；参考电极和接地电极设置于额头和头顶中心处。4.一种基于权利要求1或2或3所述人机交互系统的交互方法，其特征在于，该交互方法的步骤是：S1、所述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，并将采集到的眼电信号传送给所述眼电信号预处理模块；S2、所述眼电信号预处理模块采用基于无意识眨眼噪声检测的中值滤波算法去除无意识眨眼伪迹并对眼电信号平滑处理，基于短时能量归一化的三阈值起止点检测方法对眼电信号进行眼动段提取，得到预处理眼电信号；S3、所述眼动特征提取和眼动方向分类模块基于多分辨率分析法提取预处理眼电信号的特征向量并采用基于纠错编码支持向量机寻找最优分类器对预处理眼电信号进行特征分类，得到八方向眼电信号；S4、所述眼电编码模块赋予八方向眼电信号以二进制编码；S5、所述字符输出显示模块将根据该二进制编码输出相应字符。5.根据权利要求4所述的交互方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙佳楠，温绍龙，权锡鹏，
申请(专利权)人：孙佳楠，
类型：发明
国别省市：河南,41