CN105487675A - 具有基于头部生物电信号的人机交互功能的增强现实设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能穿戴设备，特别是一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的增强现实设备。本发明所述增强现实设备，通过将生物电信号采集模块加入到传统的增强现实设备中，并通过所述生物电信号采集模块同时采集用户的脑电信号（EEG）、眼电信号（EOG）和肌电信号（EMG），通过对这三种特征信号的分析计算，可以在增强现实设备上实现包括脑电交互、眼电交互、肌电交互以及它们的组合等多种方式的人机交互功能。

Description

具有基于头部生物电信号的人机交互功能的增强现实设备
技术领域
本发明涉及一种智能穿戴设备，特别是一种可以检测用户头部生物电信号和利用头部生物电信号进行人机交互的增强现实（AR）设备。
背景技术
增强现实（AR）头显设备，是指一种将虚拟世界呈现在现实世界中并进行互动的头戴式显示设备。
近两年，增强现实已经逐渐被大众所了解，市场上也已经涌现出不少增强现实产品，包括谷歌公司的GoogleGlass，微软公司的MicrosoftHoloLens等，现有产品的人机交互方式有体感交互，手势交互，语音交互等，目前尚没有一款增强现实（AR）头显设备具有基于头部生物电信号的人机交互功能。
发明内容
本发明的任务是提供一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的增强现实（AR）设备，包括增强现实设备的主机电路，其特征为，还包括生物电信号采集电极，生物电信号处理模块。
所述生物电信号采集电极连接所述生物电信号处理模块，所述生物电信号处理模块与所述增强现实设备的主机电路电气连接，所述生物电信号处理模块接收并处理所述生物电信号采集电极采集到的生物电信号，所述增强现实设备的主机电路接收所述生物电信号采集电极处理后的信号并用于所述增强现实设备的人机交互控制中。
优选的，所述生物电信号采集电极，按用途划分有三种，包括探测电极、参考电极和地电极。
优选的，所述生物电信号处理模块，包括模拟信号处理模块、模数转换模块和数字信号处理模块。所述模拟信号处理模块对生物电信号采集电极采集到的信号进行差分放大、滤波等处理，所述模数转换模块将模拟信号处理模块处理后的模拟量信号数字化后传给数字信号处理模块处理。
其中，所述数字信号处理模块可以是微处理器中运行的部分功能函数，也可以是独立的数字信号处理模块。所述数字信号处理模块对数字化后的信号进行去基线漂移、工频陷波等处理，并将处理后的数据传输给增强现实设备的主机电路，用于所述增强现实设备的人机交互控制中。
其中，所述探测电极、参考电极通过屏蔽线连接所述模拟信号处理模块的差分输入端；所述地电极通过屏蔽线连接所述模拟信号处理模块的对消电路信号输出端。
优选的，所述探测电极位于用户的前额，与用户的前额皮肤紧密接触，作为所述模拟信号处理模块中的差分放大电路的一个差分输入端，用于探测生物电信号。
优选的，所述参考电极位于用户前额离探测电极较远的区域或位于用户耳垂或位于用户耳后乳突处，作为所述模拟信号处理模块中差分放大电路的另一个差分输入端，提供参考电势。
优选的，所述地电极位于用户前额离探测电极较远的区域或位于用户耳垂或位于用户耳后乳突处，与所述模拟信号处理模块的对消电路信号输出端连接，可有效抑制工频干扰。
其中，所述模拟信号处理模块，包括放大电路和滤波电路，所述放大电路同时连接探测电极、参考电极，通过差分放大所述探测电极和参考电极间的电势差，可以得到含有生物电信号的模拟信号；再通过所述滤波电路滤波处理后，得到较干净的模拟量生物电信号。
其中，所述模数转换模块可以是微处理器内部的片内功能模块，也可以是独立的模数转换器。通过使用所述模数转换模块，以每秒钟几百到几千次的采样频率对所述模拟量生物电信号进行采样，将模拟量生物电信号转换为数字量生物电信号。
其中，所述数字信号处理模块包括：数字信号预处理模块、特征信号提取模块和特征信号处理模块。
其中，所述数字信号预处理模块对数字化后的生物电信号进行去基线飘移、工频陷波等处理，得到更干净的数字信号；所述特征信号提取模块，从干净的数字信号中提取出脑电成分、肌电成分和眼电成分，获得脑电信号、肌电信号和眼电信号；所述特征信号处理模块分别对所述脑电信号、肌电信号和眼电信号进行处理。
所述脑电信号、肌电信号和眼电信号经过特征信号处理模块处理后即可传输给增强现实主体内的主机电路用于用户和增强现实设备之间的人机交互。
本发明同时公开了一种在增强现实设备中实现基于头部生物电信号的人机交互功能的方法，所述方法的特征在于，使用了上述具有基于头部生物电信号的人机交互功能的增强现实设备的电气结构。
本发明的有益效果是，通过在增强现实设备上增加生物电信号采集电极和生物电信号处理模块，在用户佩戴本发明所述增强现实设备时，即可同时采集用户的脑电信号、眼电信号和肌电信号并用于人机交互，增加了增强现实设备的人机交互方式，实现了增强现实设备的人机交互方式的多元化。
附图说明
图1：具有基于生物电信号的人机交互功能的增强现实设备的基本结构图。
图2：实施例一的基本结构图。
图3：实施例一外形结构图。
图4：实施例二的外形结构图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员能够更加清楚地理解本发明的内容，下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述。
实施例一：
图2所示为本实施例的基本结构图，如图中所示，本实施例所述的具有基于生物电信号的人机交互功能的增强现实设备，包括探测电极、参考电极、地电极、模拟信号处理模块，模拟数字转换模块，数字信号处理模块和增强现实设备主体。其中，所述增强现实设备主体内部有增强现实设备主机电路
图3所示为本实施例的外形结构图，图中001为增强现实设备的主体，002为增强现实设备的反射屏，003为探测电极，004为参考电极，005为地电极。
本实施例中，所述探测电极003、参考电极004和地电极005，通过屏蔽线连接在所述模拟信号处理模块的差分输入端和接地端。
本实施例中，所述探测电极003位于用户的前额，与用户的前额皮肤紧密接触，作为所述模拟信号处理模块中的运放电路的一个差分输入端，用于探测生物电信号。
本实施例中，所述参考电极004位于用户前额离探测电极003较远的区域，作为所述模拟信号处理模块中运算放大电路的另一个差分输入端，提供参考电势。
本实施例中，所述地电极005位于用户前额离探测电极003较远的区域，可有效抑制工频干扰。
本实施例中，所述模拟信号处理模块，包括放大电路和滤波电路，所述放大电路同时连接探测电极003、参考电极004，通过差分放大所述探测电极003和参考电极004间的电势差，并通过地电极005有效抑制工频干扰，可以得到含有生物电信号的模拟信号；再通过所述滤波电路滤波处理后，得到较干净的模拟量生物电信号。
本实施例中，所述模拟数字转换模块可以是微处理器内部的片内外设，也可以是独立的模数转换器。通过使用所述模数转换模块，以每秒钟几百到几千次的采样频率对所述模拟量生物电信号进行转换，将模拟量生物电信号转换为数字量生物电信号。
本实施例中，所述数字信号预处理模块对数字化后的生物电信号进行去基线飘移、工频陷波等处理，得到更干净的数字信号；所述特征信号提取模块，从干净的数字信号中提取出脑电成分、肌电成分和眼电成分，分别获得脑电信号、肌电信号和眼电信号；所述特征信号处理模块分别对所述脑电信号、肌电信号和眼电信号进行处理后即可用于用户和增强现实设备之间的人机交互。
实施例二：
图4所示为本实施例的外形结构图，图中编号与图3中编号一致的特征为同一特征，其中006为生物电信号处理模块。
本实施例的电气连接关系与实施例一是一致的，不同点在于，生物电信号处理模块006固定在用户的耳后，探测电极003通过屏蔽线引到用户的前额，而参考电极004和地电极005通过固定在生物电信号处理模块006的内侧，在用户佩戴时位于用户的耳后乳突处。
上述实施例仅为本发明所述的具有基于生物电信号的人机交互功能的增强现实设备的部分优选实施方式，任何本领域技术人员，都可以在不付出创造性劳动的情况下，在本发明公开的范围内得到其它的实施方式，因此，上述实施例并不对本发明的保护范围形成限制，本发明的实际保护范围应该以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的增强现实设备，包括增强现实设备的主机电路，其特征在于，还包括生物电信号采集电极和生物电信号处理模块；
所述生物电信号采集电极与所述生物电信号处理模块电气连接，所述生物电信号处理模块与所述增强现实设备的主机电路电气连接；
所述生物电信号处理模块接收并处理所述生物电信号采集电极采集到的生物电信号，所述增强现实设备的主机电路接收所述生物电信号处理模块处理后的信号并用于所述增强现实设备的人机交互控制中。
2.根据权利要求1所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的增强现实设备，其特征为，所述生物电信号采集电极包括探测电极、参考电极和地电极。
3.根据权利要求2所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的增强现实设备，其特征为，所述探测电极在用户的前额，所述参考电极和地电极分别在用户前额离探测电极较远的一侧或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户的耳垂上。
4.根据权利要求2或3所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的增强现实设备，其特征为，所述生物电信号处理模块，包括模拟信号处理模块、模数转换模块和数字信号处理模块；
所述模拟信号处理模块对生物电信号采集电极采集到的信号进行处理，所述模数转换模块将模拟信号处理模块处理后的模拟量信号数字化后传给数字信号处理模块处理。
5.根据权利要求4所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的增强现实设备，其特征为，所述探测电极和参考电极通过屏蔽线连接所述模拟信号处理模块的差分输入端；所述地电极通过屏蔽线连接在所述模拟信号处理模块的对消电路信号输出端。
6.根据权利要求4所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的增强现实设备，其特征为，所述数字信号处理模块包括数字信号预处理模块、特征信号提取模块和特征信号处理模块；
所述特征信号提取模块从经过数字信号预处理模块处理后的生物电信号中提取出脑电信号、眼电信号和肌电信号，并传输给所述特征信号处理模块分别进行处理。
7.一种在增强现实设备中实现基于头部生物电信号的人机交互功能的方法，其特征在于，使用了权利要求1~6中任意一项所述的增强现实设备的电气结构。
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