CN106476281B - 基于眨眼识别与视觉诱发的3d打印机控制方法 - Google Patents

基于眨眼识别与视觉诱发的3d打印机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，包括步骤：一、3D打印驱动控制装置启动：对3D打印驱动控制装置进行启动；3D打印驱动控制装置为基于脑机接口的3D打印驱动控制装置且其包括脑电信号提取装置、对脑电信号提取装置所提取信号进行采样及预处理的脑电信号预处理装置和与脑电信号预处理装置进行通信的数据处理终端；数据处理终端包括数据处理器和显示器，数据处理器与3D打印机连接；二、基于视觉诱发的打印模型选取；三、基于眨眼识别的打印判定。本发明方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好，能简便、快速对3D打印机进行控制，满足肢体运动有障碍且语言功能有障碍的人群使用。

Description

基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法
技术领域
本发明属于3D打印机控制技术领域，尤其是涉及一种基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法。
背景技术
3D打印，学界称为增材制造(Additive Manufacturing,AM)，是利用计算机设计数据采用材料逐层堆积的方法制造实体物品的技术。目前，3D打印已得到广泛应用。
基于视觉诱发电位的脑机接口技术在国内还是处于起步阶段，所以相关的研究还比较少。清华大学的研究小组设计了一个基于稳态视觉诱发的残疾人环境控制系统。安徽大学、重庆大学等机构也进行了相关的研究，并制作了机械臂控制等系统。但是他们设计的系统存在以下一些共同的问题：第一、设计的视觉刺激模块大都是LED视觉刺激模块，为了保证每个刺激块之间的安全距离(避免其他刺激方块对所盯视的刺激方块产生影响)，所以他们的视觉刺激模块做的较大。采样到的脑波信号要进行分析处理，并且得到的拨号号码要显示出来，所以用PC机进行数据分析且在PC机屏幕上显示选取的数字。所以整个控制系统的体积是比较大的，由于脑波环境控制等系统服务的是残障或者瘫痪人士，体积太大不利于在实际中的应用，没有实用价值所以就意义不大，只适合实验室研究；第二、基于视觉诱发电位的脑机接口技术在3D打印中的应用较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好，能简便、快速对3D打印机进行控制，满足肢体运动有障碍且语言功能有障碍的人群使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、3D打印驱动控制装置启动：对3D打印驱动控制装置进行启动；
所述3D打印驱动控制装置为基于脑机接口的3D打印驱动控制装置且其包括对被测试者的脑电信号进行提取的脑电信号提取装置、与脑电信号提取装置连接且对脑电信号提取装置所提取信号进行采样及预处理的脑电信号预处理装置和与脑电信号预处理装置进行通信的数据处理终端；所述脑电信号提取装置和脑电信号预处理装置组成脑电信号获取装置；所述数据处理终端包括数据处理器和由所述数据处理器进行控制的显示器，所述数据处理器与脑电信号预处理装置进行通信；所述数据处理器与3D打印机连接，所述3D打印机由所述数据处理器进行控制；
步骤二、基于视觉诱发的打印模型选取，过程如下：
步骤201、脑电信号提取及传送：被测试者盯视显示器上所显示视觉刺激模块过程中，采用脑电信号提取装置对被测试者的脑电信号进行实时提取，并将所提取的脑电信号同步传送至脑电信号预处理装置；
所述视觉刺激模块为所述数据处理器调用视觉刺激产生模块产生并在所述显示器上同步显示的闪烁发光模块，所述闪烁发光模块的闪烁频率由所述数据处理器预先设定；所述显示器上所显示视觉刺激模块的数量为多个，多个所述视觉刺激模块上均显示一个待打印物品的三维立体模型；
步骤202、脑电信号采样及同步上传：所述脑电信号预处理装置按照预先设定的采样频率，对脑电信号提取装置实时提取的脑电信号进行采样，并将所采样脑电信号同步上传至所述数据处理器；
步骤203、脑电信号分析处理：所述数据处理器按照时间先后顺序，对脑电信号预处理装置各采样周期内所采样的脑电信号进行分析处理，每个采样周期内所采样的脑电信号均包括一个枕叶区信号、一个额叶区信号和一个耳部信号；每个采样周期内所采样脑电信号的分析处理方法均相同，对任一个采样周期内所采样脑电信号进行分析处理时，过程如下：
步骤2031、脑电信号预处理：以当前所处理脑电信号中的耳部信号作为参考信号，并调用脑电信号预处理模块将当前所处理脑电信号中所述枕叶区信号中所含的自发脑波信号滤除后，获得当前状态下被测试者的视觉诱发信号；
所述自发脑波信号为当前所处理脑电信号中的额叶区信号；
步骤2032、当前所盯视视觉刺激模块闪烁频率判定：调用频率计算模块对步骤2031中所述视觉诱发信号的频率f1进行确定，并获得当前状态下被测试者所盯视视觉刺激模块的闪烁频率f0，其中f0＝f1；
步骤2033、打印模型确定：调用打印模型选取模块且根据步骤2032中获得的当前状态下被测试者所盯视视觉刺激模块的闪烁频率f0，并结合预先建立的视觉刺激模块基本信息库，从预先建立的打印模型库中选取此时需打印的三维立体模型；
所述视觉刺激模块基本信息库内存储有所述显示器上所显示的各视觉刺激模块的闪烁频率和所显示三维立体模型的名称；
所述打印模型库内存储有多个待打印物品的打印模型，每个所述待打印物品的打印模型均包括三维立体模型和该三维立体模型的名称；
步骤三、基于眨眼识别的打印判定，过程如下：
步骤301、脑电信号提取及传送：步骤二中基于视觉诱发的打印模型选取后，采用脑电信号提取装置对被测试者的脑电信号进行实时提取，并将所提取的脑电信号同步传送至脑电信号预处理装置；
步骤302、脑电信号采样及同步上传：按照步骤202中所述的方法，进行脑电信号采样及同步上传；
步骤303、脑电信号分析处理：所述数据处理器按照预先设定的分析处理频率f，且按时间先后顺序对接收到的各采样周期内脑电信号预处理装置所采样的脑电信号分别连续进行分析处理，并根据分析处理结果对当前时刻被测试者是否发出打印命令进行判断，其中其中T＝0.4s～0.6s；所述数据处理器对每一个采集周期内脑电信号预处理装置所采样脑电信号的分析处理方法均相同，且对任一个采样周期内脑电信号预处理装置所采样的脑电信号进行分析处理时，过程如下：
步骤3031、脑电信号接收与同步存储：所述数据处理器对此时所接收到的脑电信号预处理装置所采样脑电信号进行同步存储；
步骤3032、分析处理时间判断：所述数据处理器按照预先设定的分析处理频率，分析判断此时是否需对当前采样周期内脑电信号预处理装置所采样脑电信号进行分析处理：当需对当前采样周期内脑电信号预处理装置所采样脑电信号进行分析处理时，则进入步骤3033；否则，转入步骤3035；
步骤3033、眨眼识别及打印命令发出判断：所述数据处理器调用眨眼识别模块对当前时刻之前连续Y秒内脑电信号预处理装置所采样的脑电信号进行分析处理，并得出当前时刻之前连续Y秒内被测试者的眨眼次数，并根据得出的眨眼次数对当前时刻被测试者是否发出打印命令进行判断：当得出的眨眼次数≥2时，判断为当前时刻被测试者发出打印命令，并进入步骤3034；否则，判断为当前时刻被测试者未发出打印命令，并进入步骤3035；其中，Y＝1.2～1.8；
步骤3034、启动打印：所述数据处理器根据步骤2023中选取的此时需打印的三维立体模型，控制3D打印机进行打印；
步骤3035、返回步骤3031，对下一个采样周期内脑电信号预处理装置所采样的脑电信号进行分析处理。
上述基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征是：步骤一中所述数据处理终端为平板电脑或智能手机。
上述基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征是：步骤303中所述的T＝0.5s，步骤3033中所述的Y＝1.5。
上述基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征是：步骤一中所述脑电信号获取装置为Mindwave Mobile脑立方耳机或TGAM模块；所述脑电信号预处理装置为美国NeuroSky公司研发的TGAM芯片。
上述基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征是：步骤一中所述3D打印驱动控制装置还包括与脑电信号预处理装置连接的第一无线通信模块，所述数据处理终端还包括与所述数据处理器连接的第二无线通信模块；所述脑电信号预处理装置通过第一无线通信模块和所述第二无线通信模块与所述数据处理器进行通信。
上述基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征是：所述第一无线通信模块和所述第二无线通信模块均为蓝牙无线通信模块，所述数据处理器与3D打印机的打印机控制器连接。
上述基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征是：步骤一中所述脑电信号提取装置包括对被测试者枕叶区的电位进行实时采样的第一脑电电极、对被测试者左侧或右侧额叶区的电位进行实时采样的第二脑电电极和对被测试者耳部的电位进行实时采样的第三脑电电极，所述第一脑电电极、第二脑电电极和第三脑电电极均与脑电信号预处理装置连接；步骤203中每个采样周期内所采样的脑电信号中所述枕叶区信号、额叶区信号和耳部信号分别为第一脑电电极、第二脑电电极和第三脑电电极所采样的脑电信号，所述第三脑电电极为参考电极。
上述基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征是：步骤202中预先设定的采样频率为512Hz。
上述基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征是：步骤一中所述脑电信号预处理装置所采样的脑电信号中包含原始脑电波信号，且所述原始脑电波信号的采样频率为512Hz；
步骤二中进行基于视觉诱发的打印模型选取之前，先按照步骤201中所述的方法进行脑电信号提取及传送，并按照步骤202中所述的方法进行脑电信号采样及同步上传，获得连续Ns内脑电信号预处理装置所采样的脑电信号，所获得的脑电信号为待处理脑电信号；之后，采用所述数据处理器对所述待处理脑电信号中每秒内脑电信号预处理装置所采样脑电信号中原始脑电波信号的信号值最大值分别进行记录，获得N个所述原始脑电波信号值最大值，其中，N为正整数且N＝50～80；再采用所述数据处理器且根据公式ZJZ＝Z0+Zf(1-1)，计算得出被测试者的眨眼判断阈值ZJZ；公式(1-1)中，Z0为N个所述原始脑电波信号值最大值的平均值，Zf为眨眼判断阈值ZJZ的基础值且Zf＝140～160；
步骤3033中所述数据处理器调用眨眼识别模块对当前时刻之前连续Y秒内脑电信号预处理装置所采样的脑电信号进行分析处理时，根据当前时刻之前连续Y秒内脑电信号预处理装置所采样脑电信号中原始脑电波信号的信号值变化情况，并结合所述眨眼判断阈值ZJZ，对当前时刻之前连续Y秒内被测试者的眨眼次数进行统计；并且，对当前时刻之前连续Y秒内被测试者的眨眼次数进行统计时，当所述原始脑电波信号的信号值大于ZJZ且持续时间大于t0时，说明驾驶员眨眼一次；其中，t0＝0.1s～0.3s。
上述基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征是：步骤3034中控制3D打印机进行打印后，完成本次3D打印控制过程；
步骤3033中进行眨眼识别及打印命令发出判断时，当得出的眨眼次数＝2时，判断为当前时刻被测试者发出打印命令，并进入步骤3034；当得出的眨眼次数＞2时，判断为当前时刻被测试者发出取消本次打印过程命令，完成本次3D打印控制过程；否则，判断为当前时刻被测试者未发出打印命令，并进入步骤3035；其中，Y＝1.2～1.8。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、所采用的3D打印驱动控制装置为基于脑机接口的3D打印驱动控制装置，该3D打印驱动控制装置的结构简单、设计合理、接线方便且使用操作简便、使用效果好，并且体积小，能满足肢体运动有障碍的特殊人群的使用、随身携带等需求。
2、所采用的3D打印驱动控制装置中的脑电信号获取装置为脑电Mindwave Mobile脑立方耳机或TGAM模块，脑电信号获取装置佩戴简便且使用操作方便，直接购买使用即可。
3、所采用的视觉刺激模块并非采用LED视觉刺激模块，而是采用一个功能模块，并通过数据处理终端的显示器进行显示，因而实现方便，并且投入成本低，且使用效果好，各视觉刺激模块的闪烁频率调整方便，显示直观。
4、所采用的数据处理终端为平板电脑或智能手机，投入成本低且使用操作简便，体积小，携带方便。
5、方法步骤简单、设计合理且实现方便，投入成本较低。
6、所采用的基于视觉诱发的打印模型选取方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好，被测试者盯视显示器上所显示视觉刺激模块过程中，采用脑电信号提取装置对被测试者的脑电信号进行实时提取，并将所提取的脑电信号同步传送至脑电信号预处理装置；脑电信号预处理装置按照预先设定的采样频率对脑电信号提取装置实时提取的脑电信号进行采样，并将所采样脑电信号同步上传至所述数据处理器；之后，数据处理器按照时间先后顺序对脑电信号预处理装置2各采样周期内所采样的脑电信号进行分析处理，主要包括脑电信号预处理、当前所盯视视觉刺激模块闪烁频率判定和打印模型确定这三个步骤，能简便、快速完成打印模型选取过程，并且所选取打印模型准确。
7、基于视觉诱发的打印模型选取方法数据处理量小且处理速度快，几乎能在同时选取出打印模型。
8、所采用的基于眨眼识别的打印判定方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好，基于视觉诱发的打印模型选取后，采用脑电信号提取装置对被测试者的脑电信号进行实时提取，并将所提取的脑电信号同步传送至脑电信号预处理装置；脑电信号预处理装置完成脑电信号采样及同步上传，数据处理器按照预先设定的分析处理频率f，且按时间先后顺序对接收到的各采样周期内脑电信号预处理装置所采样的脑电信号分别连续进行分析处理，并根据分析处理结果对当前时刻被测试者是否发出打印命令进行判断。因而，能简便、快速识别出被测试者的意图，包括打印命令以及打印命令的发出时间或取消本次打印过程命令以及取消本次打印过程命令的发出时间，实现3D打印的精确、智能控制。
9、所采用的基于眨眼识别的打印判定方法中数据处理器按照预先设定的分析处理频率f进行处理，并且每一次分析处理时，并对当前时刻之前连续Y秒内所采集脑电信号进行处理，因而相当于一个滑动窗口。由于正常人的眼皮，自然状态下每分钟大约要眨动15次，时间间隔大约为3秒至5秒一次；并且，有意识眨眼的时间大约在0.1秒至0.3秒之间，而自然眨眼的时间要稍微长一些。并且，本发明中为实现3D打印控制，只要被测试者有意识眨眼，并且需在1.2s～1.8s内完成至少两次有意识眨眼。本发明中滑动窗口的宽度为1.2s～1.8s且滑动窗口的滑动间隔为T。
10、使用效果好且实用价值高，将眨眼识别与视觉诱发相结合实现3D打印控制，能真正满足肢体运动有障碍的特殊人群的打印需求，实际操作非常简便。
综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好，能简便、快速对3D打印机进行控制，满足肢体运动有障碍且语言功能有障碍的人群使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明3D打印驱动控制装置的电路原理框图。
图1-1为本发明脑电信号提取装置与第一无线通信模块的电路原理图。
图2为本发明的方法流程框图。
附图标记说明:
1—脑电信号提取装置；1-1—第一脑电电极；1-2—第二脑电电极；
1-3—第三脑电电极；2—脑电信号预处理装置；3—数据处理终端；
4-1—第一无线通信模块。
具体实施方式
如图2所示的一种基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，包括以下步骤：
步骤一、3D打印驱动控制装置启动：对3D打印驱动控制装置进行启动；
如图1所示，所述3D打印驱动控制装置为基于脑机接口的3D打印驱动控制装置且其包括对被测试者的脑电信号进行提取的脑电信号提取装置1、与脑电信号提取装置1连接且对脑电信号提取装置1所提取信号进行采样及预处理的脑电信号预处理装置2和与脑电信号预处理装置2进行通信的数据处理终端3；所述脑电信号提取装置1和脑电信号预处理装置2组成脑电信号获取装置；所述数据处理终端3包括数据处理器和由所述数据处理器进行控制的显示器，所述数据处理器与脑电信号预处理装置2进行通信；所述数据处理器与3D打印机连接，所述3D打印机由所述数据处理器进行控制；
步骤二、基于视觉诱发的打印模型选取，过程如下：
步骤201、脑电信号提取及传送：被测试者盯视显示器上所显示视觉刺激模块过程中，采用脑电信号提取装置1对被测试者的脑电信号进行实时提取，并将所提取的脑电信号同步传送至脑电信号预处理装置2；
所述视觉刺激模块为所述数据处理器调用视觉刺激产生模块产生并在所述显示器上同步显示的闪烁发光模块，所述闪烁发光模块的闪烁频率由所述数据处理器预先设定；所述显示器上所显示视觉刺激模块的数量为多个，多个所述视觉刺激模块上均显示一个待打印物品的三维立体模型；
步骤202、脑电信号采样及同步上传：所述脑电信号预处理装置2按照预先设定的采样频率，对脑电信号提取装置1实时提取的脑电信号进行采样，并将所采样脑电信号同步上传至所述数据处理器；
步骤203、脑电信号分析处理：所述数据处理器按照时间先后顺序，对脑电信号预处理装置2各采样周期内所采样的脑电信号进行分析处理，每个采样周期内所采样的脑电信号均包括一个枕叶区信号、一个额叶区信号和一个耳部信号；每个采样周期内所采样脑电信号的分析处理方法均相同，对任一个采样周期内所采样脑电信号进行分析处理时，过程如下：
步骤2031、脑电信号预处理：以当前所处理脑电信号中的耳部信号作为参考信号，并调用脑电信号预处理模块将当前所处理脑电信号中所述枕叶区信号中所含的自发脑波信号滤除后，获得当前状态下被测试者的视觉诱发信号；
所述自发脑波信号为当前所处理脑电信号中的额叶区信号；
步骤2032、当前所盯视视觉刺激模块闪烁频率判定：调用频率计算模块对步骤2031中所述视觉诱发信号的频率f1进行确定，并获得当前状态下被测试者所盯视视觉刺激模块的闪烁频率f0，其中f0＝f1；
步骤2033、打印模型确定：调用打印模型选取模块且根据步骤2032中获得的当前状态下被测试者所盯视视觉刺激模块的闪烁频率f0，并结合预先建立的视觉刺激模块基本信息库，从预先建立的打印模型库中选取此时需打印的三维立体模型；
所述视觉刺激模块基本信息库内存储有所述显示器上所显示的各视觉刺激模块的闪烁频率和所显示三维立体模型的名称；
所述打印模型库内存储有多个待打印物品的打印模型，每个所述待打印物品的打印模型均包括三维立体模型和该三维立体模型的名称；
步骤三、基于眨眼识别的打印判定，过程如下：
步骤301、脑电信号提取及传送：步骤二中基于视觉诱发的打印模型选取后，采用脑电信号提取装置1对被测试者的脑电信号进行实时提取，并将所提取的脑电信号同步传送至脑电信号预处理装置2；
步骤302、脑电信号采样及同步上传：按照步骤202中所述的方法，进行脑电信号采样及同步上传；
步骤303、脑电信号分析处理：所述数据处理器按照预先设定的分析处理频率f，且按时间先后顺序对接收到的各采样周期内脑电信号预处理装置2所采样的脑电信号分别连续进行分析处理，并根据分析处理结果对当前时刻被测试者是否发出打印命令进行判断，其中其中T＝0.4s～0.6s；所述数据处理器对每一个采集周期内脑电信号预处理装置2所采样脑电信号的分析处理方法均相同，且对任一个采样周期内脑电信号预处理装置2所采样的脑电信号进行分析处理时，过程如下：
步骤3031、脑电信号接收与同步存储：所述数据处理器对此时所接收到的脑电信号预处理装置2所采样脑电信号进行同步存储；
步骤3032、分析处理时间判断：所述数据处理器按照预先设定的分析处理频率，分析判断此时是否需对当前采样周期内脑电信号预处理装置2所采样脑电信号进行分析处理：当需对当前采样周期内脑电信号预处理装置2所采样脑电信号进行分析处理时，则进入步骤3033；否则，转入步骤3035；
步骤3033、眨眼识别及打印命令发出判断：所述数据处理器调用眨眼识别模块对当前时刻之前连续Y秒内脑电信号预处理装置2所采样的脑电信号进行分析处理，并得出当前时刻之前连续Y秒内被测试者的眨眼次数，并根据得出的眨眼次数对当前时刻被测试者是否发出打印命令进行判断：当得出的眨眼次数≥2时，判断为当前时刻被测试者发出打印命令，并进入步骤3034；否则，判断为当前时刻被测试者未发出打印命令，并进入步骤3035；其中，Y＝1.2～1.8；
步骤3034、启动打印：所述数据处理器根据步骤2023中选取的此时需打印的三维立体模型，控制3D打印机进行打印；
步骤3035、返回步骤3031，对下一个采样周期内脑电信号预处理装置2所采样的脑电信号进行分析处理。
本实施例中，步骤303中所述的T为分析处理时间间隔(即相邻两次分析处理的时间间隔，其中f的单位为Hz)。
本实施例中，步骤一中所述脑电信号获取装置为Mindwave Mobile脑立方耳机或TGAM模块。
实际使用时，所述数据处理终端3为平板电脑或智能手机。
所述数据处理终端3也可以采用其它具有显示和语音通话功能的数据处理设备。
本实施例中，所述数据处理终端3为大屏幕的智能手机或华硕的Padfone平板电脑，该Padfone平板电脑能替代现有脑波拨号系统中的视觉刺激器和PC机。
所述Mindwave Mobile脑立方耳机或TGAM(ThinkGear AM)模块是美国NeuroSky(神念科技)公司为大众市场应用所设计的脑电波采集及预处理产品。其中TGAM模块是美国NeuroSky(神念科技)公司为大众市场应用所设计的脑波传感器ASIC模块，也称TGAM脑电模块(简称TGAM模块)。
所述Mindwave Mobile脑立方耳机或TGAM模块均能可处理并输出脑波频率谱、脑电信号质量、原始脑电波和三个Neurosky的eSense参数：专注度，冥想度(也称放松度)和眨眼侦测。实际使用时，通过串口可获取所述Mindwave Mobile脑立方耳机和TGAM模块传输过来的数据，所述Mindwave Mobile脑立方耳机和TGAM模块分别以512Hz的频率发送原始数据包(即原始脑电波)，且以1Hz的频率发送经eSenseTM算法处理后的数据包。由于所述Mindwave Mobile脑立方耳机和TGAM模块与人体的界面只需一个简单的干接触点，可以很容易的运用于玩具、视频游戏和健康设备中，又由于能耗小，适合用在以电池供电的便携式消费产品的应用上。
实际使用时，所述Mindwave Mobile脑立方耳机和TGAM模块采集并预处理后的脑电波信号中包含原始脑电波信号。并且，所述脑电信号获取装置(即Mindwave Mobile脑立方耳机或TGAM模块)输出的脑电波信号均为经快速傅里叶变换(即FFT变换)后的频域信号。在时域中，所述原始脑电波信号为电位随时间变化的信号，其中电位的单位为μV(即微伏)，时间的单位为s。实际使用时，也可以用脑电信号获取装置输出原始脑电波信号的时域信号，再采用外设的控制芯片进行快速傅里叶变换。
本实施例中，所述脑电信号预处理装置2为美国NeuroSky(中文名：神念科技)公司研发的TGAM芯片。
现如今，美国NeuroSky公司已经研发出成品的TGAM芯片模块(简称TGAM模块)，实际接线非常简便。实际使用时，所述脑电信号预处理装置2也可以采用其它类型的脑电芯片。
本实施例中，所述TGAM芯片的型号为TGAM1，所述第一脑电电极1-1的输出端接TGAM芯片的EEG引脚，第二脑电电极1-2的输出端接TGAM芯片的REF引脚，第三脑电电极1-3的输出端接TGAM芯片的EEG_GND引脚。实际使用时，所述第三脑电电极1-3为参考电极。
本实施例中，步骤一中所述3D打印驱动控制装置还包括与脑电信号预处理装置2连接的第一无线通信模块4-1，所述数据处理终端3还包括与所述数据处理器连接的第二无线通信模块；所述脑电信号预处理装置2通过第一无线通信模块4-1和所述第二无线通信模块与所述数据处理器进行通信。
本实施例中，所述第一无线通信模块4-1和所述第二无线通信模块均为蓝牙无线通信模块。实际使用时，所述第一无线通信模块4-1和所述第二无线通信模块也可以采用其它类型的无线通信模块，如3G无线通信模块、4G无线通信模块、WIFI无线通信模块等。
实际使用时，所述脑电信号预处理装置2通过第一无线通信模块4-1和所述第二无线通信模块向数据处理终端3传送预处理后的信号。并且所述第一无线通信模块4-1为BlueTooth芯片。
实际接线时，如图1-1所示，所述TGAM芯片的TXD引脚与第一无线通信模块4-1的RXD引脚连接。所述TGAM芯片的电源端和TGAM芯片的VCC管脚均接+3.3V电源端。
实际使用时，所述脑电信号提取装置1实时提取的脑电信号，通过TGAM芯片的TXD端传给BlueTooth芯片的RXD端，然后BlueTooth芯片又将信号发送给数据处理终端3，再由数据处理终端3对脑波数据进行分析处理。
本实施例中，所述数据处理器与3D打印机的打印机控制器连接。
本实施例中，步骤一中所述脑电信号提取装置1包括对被测试者枕叶区的电位进行实时采样的第一脑电电极1-1、对被测试者左侧或右侧额叶区的电位进行实时采样的第二脑电电极1-2和对被测试者耳部的电位进行实时采样的第三脑电电极1-3，所述第一脑电电极1-1、第二脑电电极1-2和第三脑电电极1-3均与脑电信号预处理装置2连接；步骤203中每个采样周期内所采样的脑电信号中所述枕叶区信号、额叶区信号和耳部信号分别为第一脑电电极1-1、第二脑电电极1-2和第三脑电电极1-3所采样的脑电信号，所述第三脑电电极1-3为参考电极。
实际使用过程中，所述显示器对按照预先设定的闪烁频率进行闪烁发光的所述视觉刺激模块进行显示，被测试者盯视所述显示器上当前所显示的所述视觉刺激模块时，所述视觉刺激模块的刺激信号通过眼睛传入人脑，经过大脑的加工处理后在人脑枕叶区会产生与刺激频率(即闪烁频率)相对应的视觉诱发电位(即视觉诱发信号)，再通过脑电信号提取装置1对被测试者的脑电信号(主要是被测试者枕叶区的脑电信号)进行提取，其中枕叶区为大脑视觉反应区。
实际对第一脑电电极1-1进行布设时，所述第一脑电电极1-1既可以对被测试者左侧枕叶区的电位进行实时采样，也可以对被测试者右侧枕叶区的电位进行实时采样，并且第一脑电电极1-1布设在左侧枕叶区或右侧枕叶区的中部。
所述自发脑波信号为当前所处理脑电信号中的额叶区信号。其中，当前状态下被测试者的视觉诱发信号为将当前所处理脑电信号中的枕叶区信号中所含自发脑波信号滤除后得到的信号。
实际使用过程中，所述TGAM芯片的EEG端输入第一脑电电极1-1所采样的脑电信号，EEG_shiled端的作用是屏蔽在第一脑电电极1-1所采样脑电信号输入TGAM芯片之前这段时间的干扰；REF端输入第二脑电电极1-2所采样的脑电信号，由于自发式脑电波(即自发脑波信号)是无时无刻都存在的，而步骤三中需进行脑电信号分析处理的是视觉诱发电位，因而需对自发式脑电波进行滤除，由于而视觉诱发电位只有在大脑的枕叶区才能检测到，而额叶区几乎没有，因而将第二脑电电极1-2所采样的额叶区脑电信号作为参考电位，便能有效滤除自发式脑电波；REF_shiled端主要是屏蔽第二脑电电极1-2所采样脑电信号输入TGAM芯片之前这段时间的干扰；脑波地线连接在人体的耳部，即第三脑电电极1-3所采样的脑电信号，主要的作用是为了屏蔽人体头部以下电波的影响，譬如心电波就是一种比较强的干扰波，脑波地线的连接能有效滤除心电波。
由于自发脑波信号在人脑皮层的各个区域强度差异不大，因而根据额叶区采集到的脑电信号(即自发脑电波)，并通过自适应滤波来滤除第一脑电电极1-1所采样脑电信号中的自发脑电波，从而得到较为纯净的视觉诱发电位。
本实施例中，步骤3032中所述频率计算模块为快速傅里叶变换模块，即FFT算法模块。对所述视觉诱发信号的频率f1进行确定时，所述频率计算模块对所述视觉诱发信号进行快速傅里叶变换，得到所述视觉诱发信号的频率值f1。
实际使用时，当被测试者盯视显示器上以特定频率闪烁的视觉刺激模块时，通过眼睛将刺激信号传入人脑，经过人脑的加工处理后，会在大脑皮层枕叶区产生与刺激信号相对应的视觉诱发电位，用第一脑电电极1-1采集枕叶区的脑波信号，此时第一脑电电极1-1采集到的脑波信号掺杂自发式脑电波，因而需对第一脑电电极1-1采集的脑波信号进行预处理以消除自发式脑电波；然后，通过蓝牙芯片将预处理后的脑波信号(即视觉诱发信号)传给数据处理终端3，数据处理终端3对视觉诱发信号进行快速傅里叶变换后，便得到一个频率值(该频率值为视觉诱发信号的频率值)，且该频率值与被测试者当前状态下所盯视的视觉刺激模块的闪烁频率相同；通过上述频率值便能判断出被测试者所盯视的具体视觉刺激模块，然后进行相应的操作。
本实施例中，步骤202中预先设定的采样频率为512Hz。
实际使用时，可以根据具体需要，对预先设定的采样频率进行相应调整。
本实施例中，步骤一中所述脑电信号预处理装置2所采样的脑电信号中包含原始脑电波信号，且所述原始脑电波信号的采样频率为512Hz；
步骤二中进行基于视觉诱发的打印模型选取之前，先按照步骤201中所述的方法进行脑电信号提取及传送，并按照步骤202中所述的方法进行脑电信号采样及同步上传，获得连续Ns内脑电信号预处理装置2所采样的脑电信号，所获得的脑电信号为待处理脑电信号；之后，采用所述数据处理器对所述待处理脑电信号中每秒内脑电信号预处理装置2所采样脑电信号中原始脑电波信号的信号值最大值分别进行记录，获得N个所述原始脑电波信号值最大值，其中，N为正整数且N＝50～80；再采用所述数据处理器且根据公式ZJZ＝Z0+Zf(1-1)，计算得出被测试者的眨眼判断阈值ZJZ；公式(1-1)中，Z0为N个所述原始脑电波信号值最大值的平均值，Zf为眨眼判断阈值ZJZ的基础值且Zf＝140～160；
步骤3033中所述数据处理器调用眨眼识别模块对当前时刻之前连续Y秒内脑电信号预处理装置2所采样的脑电信号进行分析处理时，根据当前时刻之前连续Y秒内脑电信号预处理装置2所采样脑电信号中原始脑电波信号的信号值变化情况，并结合所述眨眼判断阈值ZJZ，对当前时刻之前连续Y秒内被测试者的眨眼次数进行统计；并且，对当前时刻之前连续Y秒内被测试者的眨眼次数进行统计时，当所述原始脑电波信号的信号值大于ZJZ且持续时间大于t0时，说明驾驶员眨眼一次；其中，t0＝0.1s～0.3s。
其中，所述原始脑电波信号的信号值为脑电信号预处理装置2输出的该信号的信号值，并且由于该信号值为所述原始脑电波信号经快速傅里叶变换计算得出的纵坐标值，因而该信号值无量纲。每秒内脑电信号预处理装置2所采样脑电信号中原始脑电波信号的信号值最大值为该秒内脑电信号预处理装置2所采样脑电信号的原始脑电波信号中信号值的最大值。
本实施例中，步骤3034中控制3D打印机进行打印后，完成本次3D打印控制过程；
步骤3033中进行眨眼识别及打印命令发出判断时，当得出的眨眼次数＝2时，判断为当前时刻被测试者发出打印命令，并进入步骤3034；当得出的眨眼次数＞2时，判断为当前时刻被测试者发出取消本次打印过程命令，完成本次3D打印控制过程；否则，判断为当前时刻被测试者未发出打印命令，并进入步骤3035；其中，Y＝1.2～1.8。
本实施例中，步骤303中所述的T＝0.5s，步骤3033中所述的Y＝1.5。
实际使用时，可以根据具体需要，对T和Y的取值大小进行相应调整。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、3D打印驱动控制装置启动：对3D打印驱动控制装置进行启动；
所述3D打印驱动控制装置为基于脑机接口的3D打印驱动控制装置且其包括对被测试者的脑电信号进行提取的脑电信号提取装置(1)、与脑电信号提取装置(1)连接且对脑电信号提取装置(1)所提取信号进行采样及预处理的脑电信号预处理装置(2)和与脑电信号预处理装置(2)进行通信的数据处理终端(3)；所述脑电信号提取装置(1)和脑电信号预处理装置(2)组成脑电信号获取装置，所述数据处理终端(3)包括数据处理器和由所述数据处理器进行控制的显示器，所述数据处理器与脑电信号预处理装置(2)进行通信；所述数据处理器与3D打印机连接，所述3D打印机由所述数据处理器进行控制；
步骤二、基于视觉诱发的打印模型选取，过程如下：
步骤201、脑电信号提取及传送：被测试者盯视显示器上所显示视觉刺激模块过程中，采用脑电信号提取装置(1)对被测试者的脑电信号进行实时提取，并将所提取的脑电信号同步传送至脑电信号预处理装置(2)；
所述视觉刺激模块为所述数据处理器调用视觉刺激产生模块产生并在所述显示器上同步显示的闪烁发光模块，所述闪烁发光模块的闪烁频率由所述数据处理器预先设定；所述显示器上所显示视觉刺激模块的数量为多个，多个所述视觉刺激模块上均显示一个待打印物品的三维立体模型；
步骤202、脑电信号采样及同步上传：所述脑电信号预处理装置(2)按照预先设定的采样频率，对脑电信号提取装置(1)实时提取的脑电信号进行采样，并将所采样脑电信号同步上传至所述数据处理器；
步骤203、脑电信号分析处理：所述数据处理器按照时间先后顺序，对脑电信号预处理装置(2)各采样周期内所采样的脑电信号进行分析处理，每个采样周期内所采样的脑电信号均包括一个枕叶区信号、一个额叶区信号和一个耳部信号；每个采样周期内所采样脑电信号的分析处理方法均相同，对任一个采样周期内所采样脑电信号进行分析处理时，过程如下：
步骤2031、脑电信号预处理：以当前所处理脑电信号中的耳部信号作为参考信号，并调用脑电信号预处理模块将当前所处理脑电信号中所述枕叶区信号中所含的自发脑波信号滤除后，获得当前状态下被测试者的视觉诱发信号；
所述自发脑波信号为当前所处理脑电信号中的额叶区信号；
步骤2032、当前所盯视视觉刺激模块闪烁频率判定：调用频率计算模块对步骤2031中所述视觉诱发信号的频率f1进行确定，并获得当前状态下被测试者所盯视视觉刺激模块的闪烁频率f0，其中f0＝f1；
步骤2033、打印模型确定：调用打印模型选取模块且根据步骤2032中获得的当前状态下被测试者所盯视视觉刺激模块的闪烁频率f0，并结合预先建立的视觉刺激模块基本信息库，从预先建立的打印模型库中选取此时需打印的三维立体模型；
所述视觉刺激模块基本信息库内存储有所述显示器上所显示的各视觉刺激模块的闪烁频率和所显示三维立体模型的名称；
所述打印模型库内存储有多个待打印物品的打印模型，每个所述待打印物品的打印模型均包括三维立体模型和该三维立体模型的名称；
步骤三、基于眨眼识别的打印判定，过程如下：
步骤301、脑电信号提取及传送：步骤二中基于视觉诱发的打印模型选取后，采用脑电信号提取装置(1)对被测试者的脑电信号进行实时提取，并将所提取的脑电信号同步传送至脑电信号预处理装置(2)；
步骤302、脑电信号采样及同步上传：按照步骤202中所述的方法，进行脑电信号采样及同步上传；
步骤303、脑电信号分析处理：所述数据处理器按照预先设定的分析处理频率f，且按时间先后顺序对接收到的各采样周期内脑电信号预处理装置(2)所采样的脑电信号分别连续进行分析处理，并根据分析处理结果对当前时刻被测试者是否发出打印命令进行判断，其中其中T＝0.4s～0.6s；所述数据处理器对每一个采集周期内脑电信号预处理装置(2)所采样脑电信号的分析处理方法均相同，且对任一个采样周期内脑电信号预处理装置(2)所采样的脑电信号进行分析处理时，过程如下：
步骤3031、脑电信号接收与同步存储：所述数据处理器对此时所接收到的脑电信号预处理装置(2)所采样脑电信号进行同步存储；
步骤3032、分析处理时间判断：所述数据处理器按照预先设定的分析处理频率，分析判断此时是否需对当前采样周期内脑电信号预处理装置(2)所采样脑电信号进行分析处理：当需对当前采样周期内脑电信号预处理装置(2)所采样脑电信号进行分析处理时，则进入步骤3033；否则，转入步骤3035；
步骤3033、眨眼识别及打印命令发出判断：所述数据处理器调用眨眼识别模块对当前时刻之前连续Y秒内脑电信号预处理装置(2)所采样的脑电信号进行分析处理，并得出当前时刻之前连续Y秒内被测试者的眨眼次数，并根据得出的眨眼次数对当前时刻被测试者是否发出打印命令进行判断：当得出的眨眼次数≥2时，判断为当前时刻被测试者发出打印命令，并进入步骤3034；否则，判断为当前时刻被测试者未发出打印命令，并进入步骤3035；其中，Y＝1.2～1.8；
步骤3034、启动打印：所述数据处理器根据步骤2023中选取的此时需打印的三维立体模型，控制3D打印机进行打印；
步骤3035、返回步骤3031，对下一个采样周期内脑电信号预处理装置(2)所采样的脑电信号进行分析处理；
步骤202中预先设定的采样频率为512Hz；
步骤一中所述脑电信号预处理装置(2)所采样的脑电信号中包含原始脑电波信号，且所述原始脑电波信号的采样频率为512Hz；
步骤二中进行基于视觉诱发的打印模型选取之前，先按照步骤201中所述的方法进行脑电信号提取及传送，并按照步骤202中所述的方法进行脑电信号采样及同步上传，获得连续Ns内脑电信号预处理装置(2)所采样的脑电信号，所获得的脑电信号为待处理脑电信号；之后，采用所述数据处理器对所述待处理脑电信号中每秒内脑电信号预处理装置(2)所采样脑电信号中原始脑电波信号的信号值最大值分别进行记录，获得N个所述原始脑电波信号值最大值，其中，N为正整数且N＝50～80；再采用所述数据处理器且根据公式ZJZ＝Z0+Zf(1-1)，计算得出被测试者的眨眼判断阈值ZJZ；公式(1-1)中，Z0为N个所述原始脑电波信号值最大值的平均值，Zf为眨眼判断阈值ZJZ的基础值且Zf＝140～160；
步骤3033中所述数据处理器调用眨眼识别模块对当前时刻之前连续Y秒内脑电信号预处理装置(2)所采样的脑电信号进行分析处理时，根据当前时刻之前连续Y秒内脑电信号预处理装置(2)所采样脑电信号中原始脑电波信号的信号值变化情况，并结合所述眨眼判断阈值ZJZ，对当前时刻之前连续Y秒内被测试者的眨眼次数进行统计；并且，对当前时刻之前连续Y秒内被测试者的眨眼次数进行统计时，当所述原始脑电波信号的信号值大于ZJZ且持续时间大于t0时，说明驾驶员眨眼一次；其中，t0＝0.1s～0.3s；
步骤3033中进行眨眼识别及打印命令发出判断时，当得出的眨眼次数＝2时，判断为当前时刻被测试者发出打印命令，并进入步骤3034；当得出的眨眼次数＞2时，判断为当前时刻被测试者发出取消本次打印过程命令，完成本次3D打印控制过程；否则，判断为当前时刻被测试者未发出打印命令，并进入步骤3035；其中，Y＝1.2～1.8。
2.按照权利要求1所述的基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征在于：步骤一中所述数据处理终端(3)为平板电脑或智能手机。
3.按照权利要求1或2所述的基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征在于：步骤303中所述的T＝0.5s，步骤3033中所述的Y＝1.5。
4.按照权利要求1或2所述的基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征在于：步骤一中所述脑电信号获取装置为Mindwave Mobile脑立方耳机或TGAM模块；所述脑电信号预处理装置(2)为美国NeuroSky公司研发的TGAM芯片。
5.按照权利要求1或2所述的基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征在于：步骤一中所述3D打印驱动控制装置还包括与脑电信号预处理装置(2)连接的第一无线通信模块(4-1)，所述数据处理终端(3)还包括与所述数据处理器连接的第二无线通信模块；所述脑电信号预处理装置(2)通过第一无线通信模块(4-1)和所述第二无线通信模块与所述数据处理器进行通信。
6.按照权利要求5所述的基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征在于：所述第一无线通信模块(4-1)和所述第二无线通信模块均为蓝牙无线通信模块，所述数据处理器与3D打印机的打印机控制器连接。
7.按照权利要求1或2所述的基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征在于：步骤一中所述脑电信号提取装置(1)包括对被测试者枕叶区的电位进行实时采样的第一脑电电极(1-1)、对被测试者左侧或右侧额叶区的电位进行实时采样的第二脑电电极(1-2)和对被测试者耳部的电位进行实时采样的第三脑电电极(1-3)，所述第一脑电电极(1-1)、第二脑电电极(1-2)和第三脑电电极(1-3)均与脑电信号预处理装置(2)连接；步骤203中每个采样周期内所采样的脑电信号中所述枕叶区信号、额叶区信号和耳部信号分别为第一脑电电极(1-1)、第二脑电电极(1-2)和第三脑电电极(1-3)所采样的脑电信号，所述第三脑电电极(1-3)为参考电极。
8.按照权利要求1或2所述的基于眨眼识别与视觉诱发的3D打印机控制方法，其特征在于：步骤3034中控制3D打印机进行打印后，完成本次3D打印控制过程。
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