資料介紹
人體的體感控制是智能控制設(shè)備的一個(gè)典型的研究方向,其典型的代表就是基于人體表現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制,已被廣泛應(yīng)用于游戲及體育訓(xùn)練等很多方面。盡管業(yè)界廣泛認(rèn)為基于腦波控制是體感控制的最有效措施,但由于腦波信息的復(fù)雜性使得相關(guān)技術(shù)仍舊停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。視頻信息是人類獲取外界信息的主要渠道,相應(yīng)的眼球運(yùn)動(dòng)也具有典型的行為模式特征,其運(yùn)動(dòng)范圍小,釋義明顯,因而基于眼球興趣移動(dòng)信息的控制也被業(yè)界廣泛關(guān)注,相應(yīng)的產(chǎn)品在國外也有一定表現(xiàn)。
眼動(dòng)儀是用于記錄人在處理視覺信息時(shí)的眼動(dòng)軌跡特征的一種設(shè)備,根據(jù)角膜和瞳孔的反光原理設(shè)計(jì)的眼動(dòng)儀有:美國應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(ASL)生產(chǎn)的504型和501型眼動(dòng)儀、加拿大SR公司生產(chǎn)的eyelinkII型頭盔式眼動(dòng)儀、法國的Metrovision公司生產(chǎn)的Mon VOGl型和Mon VOG2型眼動(dòng)儀、美國Fourward Optical Technology公司生產(chǎn)的第六代雙普金野眼動(dòng)儀以及德國SMI公司生產(chǎn)的MEye Track型眼動(dòng)儀等等。美國LC技術(shù)公司生產(chǎn)的eye gaze communication system也是用這個(gè)原理生產(chǎn)的眼動(dòng)儀,它可以幫助那些不能用手進(jìn)行計(jì)算機(jī)鍵盤操作的病人用眼睛代替手來操作鍵盤。
根據(jù)電流記錄法原理生產(chǎn)的眼動(dòng)儀有法國Metrovision公司生產(chǎn)研制的Model Mon EOG眼動(dòng)儀,這種眼動(dòng)儀可以記錄水平和垂直方向的眼動(dòng)情況。
根據(jù)電磁感應(yīng)原理生產(chǎn)的眼動(dòng)儀有荷蘭SKALAR公司生產(chǎn)的磁感應(yīng)眼動(dòng)記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)生理學(xué)、閱讀、神經(jīng)病學(xué)和視覺研究中。
另外,瑞典托比公司和中國聯(lián)想集團(tuán)3月1日在德國漢諾威2011年信息和通信技術(shù)博覽會(huì)上共同推出世界上第一款用眼睛控制的筆記本電腦。該電腦的焦點(diǎn)總能聚集在用戶正在注視的屏幕位置上,其眼控功能可以與鍵盤和鼠標(biāo)聯(lián)動(dòng)以提高使用電腦的速度。
目前結(jié)合視頻場(chǎng)景觀測(cè),腦波及眼動(dòng)監(jiān)測(cè)的人體研究設(shè)備發(fā)展迅速,相關(guān)研究具有較強(qiáng)的科研價(jià)值。
研究的目的與意義
項(xiàng)目以人眼的興趣移動(dòng)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件系統(tǒng)同步遠(yuǎn)端攝像頭的移動(dòng)、對(duì)焦,經(jīng)過視頻眼鏡顯示遠(yuǎn)端攝像頭采集的圖像。
項(xiàng)目控制以眼球興趣移動(dòng)作為控制判決依據(jù),符合人眼觀察特點(diǎn),對(duì)于基于視覺興趣的環(huán)境信息控制研究具有一定意義,運(yùn)用前景廣泛。設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備兩路眼動(dòng)視頻監(jiān)測(cè)及眼球運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)能力,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的遠(yuǎn)端視頻圖像獲取及云臺(tái)移動(dòng)、攝像頭對(duì)焦同步,具有完整的高速處理系統(tǒng)特點(diǎn),整體數(shù)據(jù)吞吐能力超過100Mb/S,同步速率達(dá)到10次/S。
方案設(shè)計(jì)和實(shí)施計(jì)劃
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本作品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖
系統(tǒng)按照功能分為4個(gè)模塊:
云臺(tái)模塊,由云臺(tái)、攝像頭和步進(jìn)電機(jī)組成,主要功能是控制云臺(tái)攝像頭的水平轉(zhuǎn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)對(duì)焦,并采集圖像;
視頻眼鏡模塊,由視頻眼鏡及其控制板,內(nèi)置兩個(gè)微型攝像頭組成,主要功能是用于顯示云臺(tái)攝像頭采集的圖像并通過內(nèi)部放置的兩個(gè)微型攝像頭采集人眼圖像;
圖像處理及顯示平臺(tái),采用Intel低功耗ATOM系列處理器平臺(tái),安裝Windows XP操作系統(tǒng),由液晶顯示屏顯示界面,主要功能是顯示工作界面,實(shí)現(xiàn)人眼運(yùn)動(dòng)識(shí)別并返回計(jì)算結(jié)果;
主控制板,采用FPGA為主處理芯片,帶有高速存儲(chǔ)器和串口、視頻接口、云臺(tái)接口等,它是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制模塊,主要功能是負(fù)責(zé)與云臺(tái)、圖像處理平臺(tái)和視頻眼鏡之間的數(shù)據(jù)交互,管理整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流和控制流;
工作流程
整個(gè)工作流程如下圖所示:

圖2 工作流程
通過視頻眼鏡內(nèi)部的兩個(gè)微型攝像頭采集人眼圖像,圖像處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人眼的運(yùn)動(dòng)識(shí)別,主控制板根據(jù)圖像處理結(jié)果控制云臺(tái)攝像頭的移動(dòng)和自動(dòng)對(duì)焦,并將攝像頭采集的圖像在視頻眼鏡中顯示;繼續(xù)對(duì)人眼進(jìn)行監(jiān)控判斷,形成不斷循環(huán)的閉環(huán)運(yùn)行流程。
研究的主要內(nèi)容
模塊組成
云臺(tái)模塊
云臺(tái)模塊由云臺(tái)、電機(jī)模塊、攝像頭和外接口組成,它的功能是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)攝像頭的水平和垂直方向的運(yùn)動(dòng),同時(shí)把攝像頭采集的圖像輸出。
云臺(tái)采用PTS-3030CQ型號(hào)的吊裝云臺(tái)(圖4-1-1-1),內(nèi)置兩個(gè)24V交流電機(jī),水平旋轉(zhuǎn)角度最大為355度,俯仰角度范圍為-5度到50度。由于該云臺(tái)需要交流供電,不滿足本項(xiàng)目要求,所以將原有的交流電機(jī)更換成直流步進(jìn)電機(jī)。
眼動(dòng)儀是用于記錄人在處理視覺信息時(shí)的眼動(dòng)軌跡特征的一種設(shè)備,根據(jù)角膜和瞳孔的反光原理設(shè)計(jì)的眼動(dòng)儀有:美國應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(ASL)生產(chǎn)的504型和501型眼動(dòng)儀、加拿大SR公司生產(chǎn)的eyelinkII型頭盔式眼動(dòng)儀、法國的Metrovision公司生產(chǎn)的Mon VOGl型和Mon VOG2型眼動(dòng)儀、美國Fourward Optical Technology公司生產(chǎn)的第六代雙普金野眼動(dòng)儀以及德國SMI公司生產(chǎn)的MEye Track型眼動(dòng)儀等等。美國LC技術(shù)公司生產(chǎn)的eye gaze communication system也是用這個(gè)原理生產(chǎn)的眼動(dòng)儀,它可以幫助那些不能用手進(jìn)行計(jì)算機(jī)鍵盤操作的病人用眼睛代替手來操作鍵盤。
根據(jù)電流記錄法原理生產(chǎn)的眼動(dòng)儀有法國Metrovision公司生產(chǎn)研制的Model Mon EOG眼動(dòng)儀,這種眼動(dòng)儀可以記錄水平和垂直方向的眼動(dòng)情況。
根據(jù)電磁感應(yīng)原理生產(chǎn)的眼動(dòng)儀有荷蘭SKALAR公司生產(chǎn)的磁感應(yīng)眼動(dòng)記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)生理學(xué)、閱讀、神經(jīng)病學(xué)和視覺研究中。
另外,瑞典托比公司和中國聯(lián)想集團(tuán)3月1日在德國漢諾威2011年信息和通信技術(shù)博覽會(huì)上共同推出世界上第一款用眼睛控制的筆記本電腦。該電腦的焦點(diǎn)總能聚集在用戶正在注視的屏幕位置上,其眼控功能可以與鍵盤和鼠標(biāo)聯(lián)動(dòng)以提高使用電腦的速度。
目前結(jié)合視頻場(chǎng)景觀測(cè),腦波及眼動(dòng)監(jiān)測(cè)的人體研究設(shè)備發(fā)展迅速,相關(guān)研究具有較強(qiáng)的科研價(jià)值。
研究的目的與意義
項(xiàng)目以人眼的興趣移動(dòng)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件系統(tǒng)同步遠(yuǎn)端攝像頭的移動(dòng)、對(duì)焦,經(jīng)過視頻眼鏡顯示遠(yuǎn)端攝像頭采集的圖像。
項(xiàng)目控制以眼球興趣移動(dòng)作為控制判決依據(jù),符合人眼觀察特點(diǎn),對(duì)于基于視覺興趣的環(huán)境信息控制研究具有一定意義,運(yùn)用前景廣泛。設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備兩路眼動(dòng)視頻監(jiān)測(cè)及眼球運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)能力,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的遠(yuǎn)端視頻圖像獲取及云臺(tái)移動(dòng)、攝像頭對(duì)焦同步,具有完整的高速處理系統(tǒng)特點(diǎn),整體數(shù)據(jù)吞吐能力超過100Mb/S,同步速率達(dá)到10次/S。
方案設(shè)計(jì)和實(shí)施計(jì)劃
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本作品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖
系統(tǒng)按照功能分為4個(gè)模塊:
云臺(tái)模塊,由云臺(tái)、攝像頭和步進(jìn)電機(jī)組成,主要功能是控制云臺(tái)攝像頭的水平轉(zhuǎn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)對(duì)焦,并采集圖像;
視頻眼鏡模塊,由視頻眼鏡及其控制板,內(nèi)置兩個(gè)微型攝像頭組成,主要功能是用于顯示云臺(tái)攝像頭采集的圖像并通過內(nèi)部放置的兩個(gè)微型攝像頭采集人眼圖像;
圖像處理及顯示平臺(tái),采用Intel低功耗ATOM系列處理器平臺(tái),安裝Windows XP操作系統(tǒng),由液晶顯示屏顯示界面,主要功能是顯示工作界面,實(shí)現(xiàn)人眼運(yùn)動(dòng)識(shí)別并返回計(jì)算結(jié)果;
主控制板,采用FPGA為主處理芯片,帶有高速存儲(chǔ)器和串口、視頻接口、云臺(tái)接口等,它是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制模塊,主要功能是負(fù)責(zé)與云臺(tái)、圖像處理平臺(tái)和視頻眼鏡之間的數(shù)據(jù)交互,管理整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流和控制流;
工作流程
整個(gè)工作流程如下圖所示:

圖2 工作流程
通過視頻眼鏡內(nèi)部的兩個(gè)微型攝像頭采集人眼圖像,圖像處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人眼的運(yùn)動(dòng)識(shí)別,主控制板根據(jù)圖像處理結(jié)果控制云臺(tái)攝像頭的移動(dòng)和自動(dòng)對(duì)焦,并將攝像頭采集的圖像在視頻眼鏡中顯示;繼續(xù)對(duì)人眼進(jìn)行監(jiān)控判斷,形成不斷循環(huán)的閉環(huán)運(yùn)行流程。
研究的主要內(nèi)容
模塊組成
云臺(tái)模塊
云臺(tái)模塊由云臺(tái)、電機(jī)模塊、攝像頭和外接口組成,它的功能是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)攝像頭的水平和垂直方向的運(yùn)動(dòng),同時(shí)把攝像頭采集的圖像輸出。
云臺(tái)采用PTS-3030CQ型號(hào)的吊裝云臺(tái)(圖4-1-1-1),內(nèi)置兩個(gè)24V交流電機(jī),水平旋轉(zhuǎn)角度最大為355度,俯仰角度范圍為-5度到50度。由于該云臺(tái)需要交流供電,不滿足本項(xiàng)目要求,所以將原有的交流電機(jī)更換成直流步進(jìn)電機(jī)。
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