頭眼運(yùn)動(dòng)的HMB結(jié)構(gòu)分析

王長(zhǎng)元，陳玉龍，潘貞貞

（西安工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710000）

隨著軟件工程領(lǐng)域研究的發(fā)展，尤其是軟件體系結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，使利用軟件體系結(jié)構(gòu)的方法來(lái)分析和設(shè)計(jì)一些復(fù)雜的系統(tǒng)變成可能。基于前庭功能的頭眼運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜的仿生系統(tǒng)，它包括復(fù)雜的前庭器官系統(tǒng)和眼動(dòng)系統(tǒng)。以往對(duì)前庭系統(tǒng)研究的方法主要集中在醫(yī)學(xué)上的生物學(xué)方法和數(shù)學(xué)建模的方法，文中將從一個(gè)全新的角度，用軟件工程的方法來(lái)分析前庭系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)基于前庭功能的頭眼運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的HMB體系結(jié)構(gòu)。

1 頭眼運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的生理學(xué)結(jié)構(gòu)分析

生理學(xué)上，前庭系統(tǒng)的主要功能可以被描述為：人體在水平方向以任何角度作直線變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于耳石膜的慣性，使橢圓囊斑上的毛細(xì)胞的纖毛受到牽拉，于是刺激毛細(xì)胞，毛細(xì)胞興奮后，產(chǎn)生的神經(jīng)沖動(dòng)經(jīng)前庭系統(tǒng)傳入神經(jīng)中樞，從而產(chǎn)生在這個(gè)方向的變速感覺(jué)和直線變速反射。頭部的位置變化時(shí)，就會(huì)引起耳石膜與毛細(xì)胞在空間的相對(duì)位置的變化，從而拉引相應(yīng)的纖毛產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，最終由神經(jīng)中樞分析神經(jīng)沖動(dòng)并提供頭部位置的變化信息。

人體繞垂直軸作旋轉(zhuǎn)變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，外半規(guī)管內(nèi)的淋巴液由于壓力作用而流動(dòng)，沖擊壺腹嵴，使其終帽向一側(cè)傾斜。終帽的傾斜引起內(nèi)部毛細(xì)胞纖毛彎曲，產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)。有毛細(xì)胞產(chǎn)生的神經(jīng)沖動(dòng)經(jīng)前庭系統(tǒng)傳入神經(jīng)中樞，從而引起繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)感覺(jué)和旋轉(zhuǎn)變速運(yùn)動(dòng)反射。與外半規(guī)管類似，其它兩對(duì)半規(guī)管可接受和它們所處平面相一致的旋轉(zhuǎn)變速運(yùn)動(dòng)刺激。最終，前庭神經(jīng)中樞產(chǎn)生的神經(jīng)沖動(dòng)來(lái)支配眼動(dòng)運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)前庭系統(tǒng)的生理學(xué)描述，可以用建立模型的方法表示前庭系統(tǒng)中各個(gè)器官的功能以及它們之間的協(xié)作機(jī)理。前庭系統(tǒng)的生理學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1顯示前庭系統(tǒng)主要由6大功能模塊構(gòu)成，它們分別是：頭部相對(duì)運(yùn)動(dòng)子模塊、頭部水平運(yùn)動(dòng)子模塊、頭部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)子模塊、前庭神經(jīng)中樞、眼動(dòng)系統(tǒng)和神經(jīng)沖動(dòng)。每一個(gè)模塊完成上述生理學(xué)中所論述的相應(yīng)功能。

圖1 頭眼運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)生理學(xué)功能結(jié)構(gòu)Fig.1 Physiological structure diagram of the head and eyes movement system

圖2 頭眼運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模Fig.2 Model diagram of the Head eye movement system

2 頭眼運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的HMB模型設(shè)計(jì)

在對(duì)前庭系統(tǒng)的物理視圖進(jìn)行分析后，可以用軟件工程的方法設(shè)計(jì)軟件體系結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的基于前庭功能的頭眼運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

本模型主要從層次消息總線的角度用構(gòu)件來(lái)描述基于前庭功能的頭眼運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

主要思想：按照“高內(nèi)聚低耦合”的設(shè)計(jì)思想，將每個(gè)具有獨(dú)立功能的模塊設(shè)計(jì)成一個(gè)單獨(dú)的功能構(gòu)件，然后用一條消息總線把各個(gè)功能模塊連接起來(lái)，每一個(gè)獨(dú)立的功能模塊完成一個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的功能。消息總線上傳輸著由各個(gè)功能模塊發(fā)出的不同信息，每個(gè)模塊只響應(yīng)適合自己處理的信息，然后把處理的結(jié)果發(fā)送到消息總線上，由下一個(gè)需要處理的功能模塊來(lái)響應(yīng)屬于自己模塊處理的信息并進(jìn)行處理，再將處理的結(jié)果發(fā)送到消息總線上，直到受控部件響應(yīng)并做出響應(yīng)的響應(yīng)行為。

模型中各個(gè)模塊的具體功能如下：

系統(tǒng)管理模塊：該模塊的主要功能是從全局的角度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和管理，以達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的目的。例如，當(dāng)該模塊監(jiān)聽(tīng)到總線上長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有消息指令傳輸時(shí)，該模塊應(yīng)該做出相應(yīng)的調(diào)整以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

初始化部件：主要完成整個(gè)系統(tǒng)的初始化工作。

受控系統(tǒng)信息產(chǎn)生器：響應(yīng)采集信息模塊發(fā)送的信息并產(chǎn)生對(duì)“支配部件”支配的信息。系統(tǒng)啟動(dòng)后首先響應(yīng)“初始化部件”發(fā)來(lái)的初始化信息，然后，時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)總線上模塊A、B和C發(fā)出的信息，并且立即進(jìn)行處理，然后把處理的結(jié)果通過(guò)消息總線發(fā)送給“受控部件”。

受控部件：時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)總線，響應(yīng)“受控系統(tǒng)信息產(chǎn)生器”發(fā)出的信息做出相應(yīng)的行為。

A：頭部相對(duì)運(yùn)動(dòng)子服務(wù)：主要響應(yīng)頭部位置的變化并向消息總線上發(fā)送頭部相對(duì)位置的信息。

相對(duì)位置判斷器：給出此刻頭部位置相對(duì)于上一刻位置的變化信息。

相對(duì)方向判斷器：給出此刻頭部位置相對(duì)于上一刻方向的變化信息

B：頭部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)子服務(wù)：主要響應(yīng)頭部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并向消息總線上發(fā)送頭部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的信息（例如，加速度和速度）。

加速度計(jì)算器：計(jì)算頭部旋轉(zhuǎn)的加速度。

速度計(jì)算器：計(jì)算頭部旋轉(zhuǎn)的速度。

相對(duì)方向判斷器：給出相對(duì)于上一時(shí)刻的方向。

C：頭部水平運(yùn)動(dòng)子服務(wù)：主要響應(yīng)頭部水平運(yùn)動(dòng)并向消息總線上發(fā)送頭部水平運(yùn)動(dòng)的信息。

D:消息總線：消息總線的作用是把各個(gè)功能模塊連接在一起。各個(gè)功能模塊響應(yīng)總線上適合自己處理的消息，然后將處理的結(jié)果最終再次發(fā)到消息總線上。

對(duì)圖2中小標(biāo)號(hào)（1～13）的解釋：

0 ：系統(tǒng)讀取配置文件

1 ：初始化系統(tǒng)

2 ：系統(tǒng)調(diào)用“頭部相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)服務(wù)”模塊

3 ：“頭部相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)服務(wù)”模塊向總線發(fā)送服務(wù)

4 ：“相對(duì)位置判斷器”向消息支線發(fā)送頭部的相對(duì)位置信息

5 ：“相對(duì)方向判斷器”向消息支線發(fā)送頭部的相對(duì)方向信息

6 ：系統(tǒng)調(diào)用“頭部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)子服務(wù)”模塊

7 ：“頭部相旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)子服務(wù)”模塊向總線發(fā)送服務(wù)信息

8 ：調(diào)用“加速度計(jì)算器”計(jì)算加速度信息

9 ：調(diào)用“速度計(jì)算器”計(jì)算速度信息

10：系統(tǒng)調(diào)用“頭部水平運(yùn)動(dòng)子服務(wù)”模塊

11 ：“頭部水平運(yùn)動(dòng)子服務(wù)”模塊向總線發(fā)送服務(wù)信息

12 ：“眼動(dòng)系統(tǒng)控制信息產(chǎn)生器” 處理過(guò)程 ‘3’，‘7’，‘11’所發(fā)送的信息，并向總線發(fā) 送處理后的支配信息

13 ：“眼動(dòng)系統(tǒng)部件”響應(yīng)支配信息

3 HMB在頭眼運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于層次消息總線的一體化頭眼運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由以下復(fù)合構(gòu)件構(gòu)成：頭盔、下位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、上位測(cè)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3部分組成。

其中，復(fù)合構(gòu)件頭部測(cè)量系統(tǒng)（頭盔）：包括構(gòu)件慣性測(cè)量單元、兩路高速相機(jī)，主要完成飛行員、駕駛員的頭部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、眼動(dòng)圖像的數(shù)據(jù)采集功能；復(fù)合構(gòu)件下位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：完成將采集到的數(shù)據(jù)重新打包，并采用無(wú)線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳送至上位測(cè)試計(jì)算機(jī)；復(fù)合構(gòu)件上位測(cè)控計(jì)算機(jī)：完成數(shù)據(jù)分析處理功能；構(gòu)件初始化部件：完成系統(tǒng)的初始化功能，包括系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)狀態(tài)的初始化。頭眼運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)HMB結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 頭眼運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的HMB結(jié)構(gòu)Fig.3 HMB Structure designed diagram of the Head eye movement system

3.1 復(fù)合構(gòu)件頭部測(cè)量系統(tǒng)

本部分主要由左、右兩路攝像機(jī)和姿態(tài)儀組成，完成頭部運(yùn)動(dòng)原始數(shù)據(jù)的采集，包括：左攝像機(jī)和右攝像機(jī)以及姿態(tài)儀的數(shù)據(jù)采集。攝像機(jī)：為系統(tǒng)的視頻信息采集部分，下位機(jī)系統(tǒng)可以通過(guò)攝像機(jī)的SN在配置文件中獲得計(jì)算機(jī)連接的方向，并當(dāng)攝像機(jī)處于正常狀態(tài)時(shí)進(jìn)行被測(cè)試人員眼部的運(yùn)動(dòng)信息；姿態(tài)儀：為下位機(jī)系統(tǒng)提供被測(cè)試人員頭部運(yùn)動(dòng)的三軸加速度、三向旋轉(zhuǎn)角度。通過(guò)姿態(tài)儀可以獲得本測(cè)試人員的三軸加速度和四元數(shù)。

3.2 復(fù)合構(gòu)件下位數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)

該部分負(fù)責(zé)對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，包括：視頻數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)、四元數(shù)，然后將這些數(shù)據(jù)打包并發(fā)送至上位檢測(cè)計(jì)算機(jī)。通過(guò)這種通用連接方法，上位機(jī)可以連接至下位機(jī)，獲取下位機(jī)傳來(lái)的信息。另外，本部分還負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，包括：兩路攝像機(jī)的工作狀態(tài)、姿態(tài)儀的狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性狀態(tài)以及電池電量狀態(tài)檢測(cè)。

3.3 復(fù)合構(gòu)件上位檢測(cè)計(jì)算機(jī)

本部分實(shí)時(shí)同步接收人體的頭動(dòng)和眼動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)繪制頭動(dòng)速度曲線與眼動(dòng)位置曲線，進(jìn)行頭動(dòng)與眼動(dòng)關(guān)系的分析。主要有4個(gè)模塊：1）系統(tǒng)自檢系統(tǒng)：檢查上位機(jī)系統(tǒng)各模塊的功能工作狀態(tài)；2）數(shù)據(jù)接收模塊：通過(guò)寬帶無(wú)線路由器接收下位計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)；3）數(shù)據(jù)分析處理模塊：根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀，實(shí)時(shí)分析被測(cè)者的嚴(yán)冬曲線、頭動(dòng)曲線和相關(guān)性，計(jì)算相關(guān)參數(shù)；4）數(shù)據(jù)保存模塊：對(duì)已采集的原始頭動(dòng)、原始眼動(dòng)信號(hào)存儲(chǔ)、回放、凍結(jié)、打印等。

3.4 構(gòu)件初始化部件

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)部件進(jìn)行初始化，包括對(duì)兩路攝像機(jī)和姿態(tài)儀的初始化，以及在系統(tǒng)工作時(shí)完成功能性的狀態(tài)定時(shí)初始化等功能。

3.5 標(biāo)準(zhǔn)化消息路由

該模塊為系統(tǒng)提供消息總線的功能，采集數(shù)據(jù)的復(fù)合構(gòu)件負(fù)責(zé)把采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到該模塊上，負(fù)責(zé)分析處理數(shù)據(jù)的復(fù)合子構(gòu)件負(fù)責(zé)從該模塊獲取數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

上面所設(shè)計(jì)的HMB結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于頭眼運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中。基于這種結(jié)構(gòu)的頭眼運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是該領(lǐng)域一種全新的研究方法。這種頭眼運(yùn)動(dòng)測(cè)量裝置已經(jīng)廢棄了傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的束縛，采用一種新的頭眼實(shí)時(shí)測(cè)量解決方案，測(cè)試所采集到的前庭功能的數(shù)據(jù)，分析頭眼運(yùn)動(dòng)的刺激和反應(yīng)之間的關(guān)系。該設(shè)備具有傳播方式的多樣性，檢測(cè)設(shè)備高采樣率和調(diào)節(jié)設(shè)備的多自由度，從而提高了檢測(cè)的精度，并降低了對(duì)刺激裝置的要求，并可擴(kuò)展到其他需要的平臺(tái)。在眼球運(yùn)動(dòng)的測(cè)量方面，國(guó)內(nèi)主要是進(jìn)行二維的眼動(dòng)測(cè)量，但國(guó)外的研究進(jìn)展一直到三維測(cè)量，而本設(shè)備對(duì)眼球運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的測(cè)量可以完成三維眼動(dòng)測(cè)量。在這個(gè)領(lǐng)域里，進(jìn)一步提高了測(cè)量眼球運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，也顯示了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的合理性。

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