结合增强实境技术的眼控装置研究＊

陈欣民，孟超，曲景影

（南开大学电子信息与光学工程学院，天津300071）

引 言

谷歌作为普适计算的一大终端，在两大领域有重要应用：增强实境和人机交互。增强实境的研究者主要关注怎样呈现更多的物理世界的信息；而人机交互研究者主要是致力于自然控制模式上的新方法［2]。本系统结合谷歌增强实境的“输入”实现信息的放大以及谷歌人际交互的“输出”控制机器或者计算机，这样形成信息双向传输并且使得交互性更强。

由于要设计成一个终端，本系统仅适用于两种信号（眼部运动和头部运动）的获取以及具有一定透明度的屏显装置，其他计算通过普通的智能手机来实现。特别的，系统主要允许使用者可以和电动轮椅进行交互，方便使用者控制轮椅的行进。

1 眼信号的特征

由于眼部移动的角度与探测到的电信号几乎成正比，我们可以通过滤波和放大得到眼睛移动引起的电位变化，如图1所示［3]。

图1 眼部移动与电信号的关系

眼电信号是通过左右眼眶附近的一对Agcl电极获得，将得到的电信号送入滤波放大电路中［4]。滤波放大电路主要包括由INA128P组成的放大倍数为51、高共模抑制比的一级放大器，截止频率为0.05Hz的二阶高通滤波器，放大倍数为131的二级放大器，截止频率为27.6Hz的一级二阶低通滤波器，截止频率为15.2Hz的二级二阶低通滤波器和电压偏置调整电路，放大滤波电路示意图如图2所示。

图2 信号处理电路

信号处理电路通过滤波去除了EEG、ECG和EMG信号，得到了频率范围为0.05～15.02Hz的眼电信号，并且通过放大得到0～5V适合于单片机的工作电压，通过A／D转换器输入到单片机中。对于眼睛移动产生的信号，当眼睛从正视前方到向右看（或者左侧），然后恢复向前看，这样被认为是一个完整的控制信号发出动作。对于头部运动，点头或者摇头则被认为是一个完整的控制信号。

2 眼镜的屏显功能

系统通过结合GPS和电子罗盘，提供给使用者要前往地点的实时路线。在本系统中，智能手机中的电子罗盘由于平时置于使用者的口袋中，不能很有效地显示路线，且开车人不方便拿手机观察路线［5]。所以，眼镜装置被嵌入电子罗盘功能。使用者所面对的方向可以通过电子罗盘进行识别从而发送到智能手机与GPS信号进行综合。这帮助使用者到达目的地。

要注意的是，通过GPS获得的放大数据以及眼镜中的电子罗盘与使用者前方的某些物体是无关联的。事实上，许多AR的应用都会考虑实景3D物体的具体特征，并且呈现出准确的虚拟图像到屏幕上。这里主要指一些特征诸如放缩、透明度以及内物空间关系等。在这些情境下，常需要一个前置摄像头记录实时环境情况。

3 系统功能实现

这部分讨论了在轮椅上通过使用本系统提供非手动控制的方法。根据轻便和电源的要求，系统的眼镜部分由三部分模块组成：信号处理模块、显示驱动模块、与手机以及轮椅通信的信号交互模块。这三个模块都集成到AR控制器中，这样可携带性很强。在本系统中，大多数计算过程被去除，这是因为像iPhone和Android的手机可以提供OpenGL和GPS的技术。本系统的眼镜极其轻便，AR的控制器可以完成信号处理的功能。图3为本系统的原型装置。

图3 系统原型装置

图4为利用本系统控制轮椅的架构。在这个系统中，使用者可以不通过手来控制轮椅行动，同时通过眼镜屏幕接收实时信息［6]。轮椅的运动是通过使用者眼睛和头部的运动来控制的，其控制逻辑如图5所示。

考虑到使用者在轮椅前进的过程中可能四处观望，系统提供两种模式：在模式1下，眼睛的移动能够控制轮椅前进；在模式2下，使用者能够在轮椅前进时自由观看周围景物。这两种模式通过使用者较大幅度点头信号进行切换。

图4 眼控轮椅架构

图5 眼控轮椅控制逻辑

4 系统硬件实现

本系统的硬件主要包括基于STC12C5A60S2单片机系统控制核心、采集信号的传感器与电极、信号处理的模拟电路以及无线发送和接收模块。首先利用Agcl电极采集眼电信号，加速度传感器采集头部运动信号，然后将采集的信号送入到信号处理电路（放大滤波）中，这部分前文已经提到。

将放大滤波电路处理后的信号调整到0～5V，通过A／D转换器送入单片机STC12C5A60S2中，在单片机中实现逻辑控制，并转换成对轮椅的控制信号，通过串口连接无线发送设备APC220，将信号发送至接收端的APC220中，再通过串口传送到接收端的Arduino控制器中，完成对轮椅的控制。系统硬件框图如图6所示。

图6 系统硬件框图

眼镜的屏显功能主要通过将手机的电子罗盘显示外接，显示到眼镜集成的屏幕中，利用手机的GPS功能完成路线的显示。

5 软件实现

系统的软件实现主要将通过模数转换器得到的信号进行处理，转化成对于轮椅方向和前进后退控制的逻辑信号，并通过串口发送到APC220中，以便无线传输。软件实现框图如图7所示。

图7 软件实现框图

结 语

增强实境系统将使用者看到的情景放到虚拟的世界中。因此，眼镜能够给人们呈现最适合的虚拟世界的媒介，是理想的终端。

为了最大化应用眼镜的功能，把眼镜移动所带来的皮肤表皮信号的变化和点头摇头引起加速度的变化引入到系统控制方式中。这样不通过手，使用者就可以对眼镜上的信息进行选择。在日常的情景中，用手控制轮椅常常使人厌倦，本系统提供了2D导航信息在眼镜上，并且允许使用者不通过手控制轮椅的行进。很明显，非手动电动轮椅减轻了使用者家庭负担，并且提高了使用者生活信心。在未来，为了减少对使用者眼睛的损害，OLED制作的屏幕将更加有意义。

［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.