結合增強實境技術的眼控裝置研究＊

陳欣民，孟超，曲景影

（南開大學電子信息與光學工程學院，天津300071）

引 言

谷歌作為普適計算的一大終端，在兩大領域有重要應用：增強實境和人機交互。增強實境的研究者主要關注怎樣呈現更多的物理世界的信息；而人機交互研究者主要是致力于自然控制模式上的新方法［2]。本系統結合谷歌增強實境的“輸入”實現信息的放大以及谷歌人際交互的“輸出”控制機器或者計算機，這樣形成信息雙向傳輸并且使得交互性更強。

由于要設計成一個終端，本系統僅適用于兩種信號（眼部運動和頭部運動）的獲取以及具有一定透明度的屏顯裝置，其他計算通過普通的智能手機來實現。特別的，系統主要允許使用者可以和電動輪椅進行交互，方便使用者控制輪椅的行進。

1 眼信號的特征

由于眼部移動的角度與探測到的電信號幾乎成正比，我們可以通過濾波和放大得到眼睛移動引起的電位變化，如圖1所示［3]。

圖1 眼部移動與電信號的關系

眼電信號是通過左右眼眶附近的一對Agcl電極獲得，將得到的電信號送入濾波放大電路中［4]。濾波放大電路主要包括由INA128P組成的放大倍數為51、高共模抑制比的一級放大器，截止頻率為0.05Hz的二階高通濾波器，放大倍數為131的二級放大器，截止頻率為27.6Hz的一級二階低通濾波器，截止頻率為15.2Hz的二級二階低通濾波器和電壓偏置調整電路，放大濾波電路示意圖如圖2所示。

圖2 信號處理電路

信號處理電路通過濾波去除了EEG、ECG和EMG信號，得到了頻率范圍為0.05～15.02Hz的眼電信號，并且通過放大得到0～5V適合于單片機的工作電壓，通過A／D轉換器輸入到單片機中。對于眼睛移動產生的信號，當眼睛從正視前方到向右看（或者左側），然后恢復向前看，這樣被認為是一個完整的控制信號發出動作。對于頭部運動，點頭或者搖頭則被認為是一個完整的控制信號。

2 眼鏡的屏顯功能

系統通過結合GPS和電子羅盤，提供給使用者要前往地點的實時路線。在本系統中，智能手機中的電子羅盤由于平時置于使用者的口袋中，不能很有效地顯示路線，且開車人不方便拿手機觀察路線［5]。所以，眼鏡裝置被嵌入電子羅盤功能。使用者所面對的方向可以通過電子羅盤進行識別從而發送到智能手機與GPS信號進行綜合。這幫助使用者到達目的地。

要注意的是，通過GPS獲得的放大數據以及眼鏡中的電子羅盤與使用者前方的某些物體是無關聯的。事實上，許多AR的應用都會考慮實景3D物體的具體特征，并且呈現出準確的虛擬圖像到屏幕上。這里主要指一些特征諸如放縮、透明度以及內物空間關系等。在這些情境下，常需要一個前置攝像頭記錄實時環境情況。

3 系統功能實現

這部分討論了在輪椅上通過使用本系統提供非手動控制的方法。根據輕便和電源的要求，系統的眼鏡部分由三部分模塊組成：信號處理模塊、顯示驅動模塊、與手機以及輪椅通信的信號交互模塊。這三個模塊都集成到AR控制器中，這樣可攜帶性很強。在本系統中，大多數計算過程被去除，這是因為像iPhone和Android的手機可以提供OpenGL和GPS的技術。本系統的眼鏡極其輕便，AR的控制器可以完成信號處理的功能。圖3為本系統的原型裝置。

圖3 系統原型裝置

圖4為利用本系統控制輪椅的架構。在這個系統中，使用者可以不通過手來控制輪椅行動，同時通過眼鏡屏幕接收實時信息［6]。輪椅的運動是通過使用者眼睛和頭部的運動來控制的，其控制邏輯如圖5所示。

考慮到使用者在輪椅前進的過程中可能四處觀望，系統提供兩種模式：在模式1下，眼睛的移動能夠控制輪椅前進；在模式2下，使用者能夠在輪椅前進時自由觀看周圍景物。這兩種模式通過使用者較大幅度點頭信號進行切換。

圖4 眼控輪椅架構

圖5 眼控輪椅控制邏輯

4 系統硬件實現

本系統的硬件主要包括基于STC12C5A60S2單片機系統控制核心、采集信號的傳感器與電極、信號處理的模擬電路以及無線發送和接收模塊。首先利用Agcl電極采集眼電信號，加速度傳感器采集頭部運動信號，然后將采集的信號送入到信號處理電路（放大濾波）中，這部分前文已經提到。

將放大濾波電路處理后的信號調整到0～5V，通過A／D轉換器送入單片機STC12C5A60S2中，在單片機中實現邏輯控制，并轉換成對輪椅的控制信號，通過串口連接無線發送設備APC220，將信號發送至接收端的APC220中，再通過串口傳送到接收端的Arduino控制器中，完成對輪椅的控制。系統硬件框圖如圖6所示。

圖6 系統硬件框圖

眼鏡的屏顯功能主要通過將手機的電子羅盤顯示外接，顯示到眼鏡集成的屏幕中，利用手機的GPS功能完成路線的顯示。

5 軟件實現

系統的軟件實現主要將通過模數轉換器得到的信號進行處理，轉化成對于輪椅方向和前進后退控制的邏輯信號，并通過串口發送到APC220中，以便無線傳輸。軟件實現框圖如圖7所示。

圖7 軟件實現框圖

結 語

增強實境系統將使用者看到的情景放到虛擬的世界中。因此，眼鏡能夠給人們呈現最適合的虛擬世界的媒介，是理想的終端。

為了最大化應用眼鏡的功能，把眼鏡移動所帶來的皮膚表皮信號的變化和點頭搖頭引起加速度的變化引入到系統控制方式中。這樣不通過手，使用者就可以對眼鏡上的信息進行選擇。在日常的情景中，用手控制輪椅常常使人厭倦，本系統提供了2D導航信息在眼鏡上，并且允許使用者不通過手控制輪椅的行進。很明顯，非手動電動輪椅減輕了使用者家庭負擔，并且提高了使用者生活信心。在未來，為了減少對使用者眼睛的損害，OLED制作的屏幕將更加有意義。

［1] Kristina Grifantini.Augmented Reality Goggles［EB／OL] .［2013－07] .http：／／www.technologyreview.com／computing／26692／？ref＝rss＆a＝f.

［3] Wu Jin，Zhang Jiacai，Yao Li.An automated detection and correction method of EOG artifacts in EEG－based BCI［C]／／ICME International Conference on Digital Object，New York，2009：1－5.

［4] LawrenceYDeng，ChunLiang Hsu，Tzu－Ching Lin，et al.EOG－based Human－Computer Interface system development［J] .Expert Systems with Applications，2010，37（4）：3337－3343.

［5] Blaine Bell，Steven Feiner，Tobias HOllerer.View Management for Virtual and Augmented Reality［EB／OL] .［2013－07] .http：／／dl.acm.org／citation.cfm？id＝502363.

［6] Min Lin，Bin Li.A wireless EOG－based Human Computer Interface［C]／／Biomedical Engineering and Informatics（BMEI）3rd International Conference，Shandong，2010：1794－1796.