CN113069125A - 基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制系统、方法及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制系统、方法及介质，包括控制器CPU、脑电波检测模块和眼动追踪模块；所述脑电波检测模块包括依次串联的电极、前置放大电路、带通滤波器、陷波滤波器、主放大电路、A/D转换电路和控制器CPU，通过检测到的脑电波变化获取用户信息；所述眼动追踪模块包括控制器CPU、IR电路和眼动追踪CAM；所述控制器CPU根据IR电路和眼动追踪CAM配合使用得到的用户注视点变化获取用户信息，从而进行预设范围内的控制操作。本发明通过采用脑电波检测结合眼动追踪的技术，解决了目前MR所有操作必须要用双手的问题。
Description
技术领域
本发明涉及脑电波和眼动追踪技术领域，具体地，涉及一种基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制系统、方法及介质。
背景技术
目前的AR和VR控制还是基于手势或者手柄操作，一方面操作繁琐，将双手固定了，不能解放出来做更多的事；另一方面效率也比较低。
专利文献CN211094132U(申请号：CN201921925023.8)公开了一种基于眼动追踪-脑功能活动的多模态沉浸式同步采集系统，包括VR显示设备，VR显示设备内置有显示模块、眼动采集模块、脑血氧采集模块和通信模块，眼动采集模块用于采集被试眼部影像，脑血氧采集模块用于采集被试头部的脑血氧信号，VR显示设备及眼动采集模块、脑血氧采集模块分别通过通信模块与外接终端设备实现数据传输和时钟同步。但是并不能预测用户的注视点及进行下一步预期操作。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制系统、方法及介质。
根据本发明提供的基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制系统，包括控制器CPU、脑电波检测模块和眼动追踪模块；
所述脑电波检测模块包括依次串联的电极、前置放大电路、带通滤波器、陷波滤波器、主放大电路、A/D转换电路和控制器CPU，通过检测到的脑电波变化获取用户信息；
所述眼动追踪模块包括控制器CPU、IR电路和眼动追踪CAM；
所述控制器CPU根据IR电路和眼动追踪CAM配合使用得到的用户注视点变化获取用户信息，从而进行预设范围内的控制操作。
优选的，脑电波检测电路用于检测用户在使用设备时脑电波的变化，将其提取处理后传给控制器CPU从而判断出用户的第一意图；
当用户眼睛转动的时候，IR电路和眼动追踪CAM判断眼睛的注视点变化，从而知道用户的第二意图；
综合第一意图和第二意图，得到用户的最终意图。
优选的，所述脑电波检测模块包括：电极用来采集大脑皮层的微弱脑电信号，通过前置放大电路将微弱的脑电信号放大到可处理电平，采用带通滤波器提取0.05HZ～100HZ的信号，将此范围外的信号衰减，保留下脑电信号部分的信号，通过50HZ工频陷波滤波器，将50HZ的工频干扰滤除，获得脑电信号，通过主放大电路，将提取好的脑电信号放大，再经过A/D转换电路，将模拟信号转化为数字信号，然后传输至控制器CPU，控制器CPU根据用户脑电波的信号判断用户的意图。
优选的，所述眼动追踪模块包括：当用户戴上设备后，控制器CPU发出命令，IR电路投射出红外线到眼睛上，眼动追踪CAM捕获反射回来的红外线，实时捕捉眼睛的虹膜，根据虹膜变化特征并辅以眨眼识别、注视识别技术，判断出用户的眼睛在实际或者虚拟空间中的坐标点，从而预测出用户的状态和需求。
优选的，还包括身份识别模块；
所述身份识别模块识别用户身份，身份识别方式包括：虹膜识别、视网膜识别、指纹识别、语音识别、面部识别和账号密码登录；
头戴设备停止工作或断电或被取下重新佩戴或头戴显示设备的应用程序意外退出或用户身份识别失败时，重新启动身份识别模块。
根据本发明提供的基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制方法，包括如下步骤：
脑电波检测步骤：检测用户在使用设备时脑电波的变化，将其提取处理后传给控制器CPU从而判断出用户的第一意图；
眼动追踪步骤：当用户眼睛转动的时候，IR电路和眼动追踪CAM判断眼睛的注视点变化，从而知道用户的第二意图；
综合第一意图和第二意图，得到用户的最终意图。
优选的，所述脑电波检测步骤包括：通过电极来采集大脑皮层的微弱脑电信号，通过前置放大电路将微弱的脑电信号放大到可处理电平，采用带通滤波器提取0.05HZ～100HZ的信号，将此范围外的信号衰减，保留下脑电信号部分的信号，通过50HZ工频陷波滤波器，将50HZ的工频干扰滤除，获得脑电信号，通过主放大电路，将提取好的脑电信号放大，再经过A/D转换电路，将模拟信号转化为数字信号，然后传输至控制器CPU，控制器CPU根据用户脑电波的信号判断用户的意图。
优选的，所述眼动追踪步骤包括：当用户戴上设备后，控制器CPU发出命令，IR电路投射出红外线到眼睛上，眼动追踪CAM捕获反射回来的红外线，实时捕捉眼睛的虹膜，根据虹膜变化特征并辅以眨眼识别、注视识别技术，判断出用户的眼睛在实际或者虚拟空间中的坐标点，从而预测出用户的状态和需求。
优选的，还包括身份识别步骤；
所述身份识别步骤识别用户身份，身份识别方式包括：虹膜识别、视网膜识别、指纹识别、语音识别、面部识别和账号密码登录；
头戴设备停止工作或断电或被取下重新佩戴或头戴显示设备的应用程序意外退出或用户身份识别失败时，重新执行身份识别步骤。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明通过采用脑电波检测结合眼动追踪的技术，解决了目前MR所有操作必须要用双手的问题；
(2)本发明采用脑电波检测方法，脑电信号可以作为虚拟现实的内容输入工具，可以更好的与内容互动，增强用户的使用体验；
(3)本发明通过获取校准阶段瞳孔中心位置坐标和校准阶段标志物中心位置坐标，从而计算使用者注视点位置以实现眼动追踪，所需硬件设备简单，成本低廉，能应用于大规模使用场景中。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为脑电波眼动追踪控制整体方案流程图；
图2为脑电信号采集原理图；
图3为眼动追踪原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
根据本发明提供的基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制系统，包括控制器CPU、脑电波检测模块、眼动追踪模块、身份识别模块；所述脑电波检测模块包括依次串联的电极、前置放大电路、带通滤波器、陷波滤波器、主放大电路、A/D转换电路和控制器CPU，通过检测到的脑电波变化获取用户信息；所述眼动追踪模块包括控制器CPU、IR电路和眼动追踪CAM；所述控制器CPU根据IR电路和眼动追踪CAM配合使用得到的用户注视点变化获取用户信息，从而进行预设范围内的控制操作。所述身份识别模块识别用户身份，身份识别方式包括：虹膜识别、视网膜识别、指纹识别、语音识别、面部识别和账号密码登录；头戴设备停止工作或断电或被取下重新佩戴或头戴显示设备的应用程序意外退出或用户身份识别失败时，重新启动身份识别模块。脑电波检测电路用于检测用户在使用设备时脑电波的变化，将其提取处理后传给控制器CPU从而判断出用户的第一意图；当用户眼睛转动的时候，IR电路和眼动追踪CAM判断眼睛的注视点变化，从而知道用户的第二意图；综合第一意图和第二意图，得到用户的最终意图。
所述脑电波检测模块包括：电极用来采集大脑皮层的微弱脑电信号，通过前置放大电路将微弱的脑电信号放大到可处理电平，采用带通滤波器提取0.05HZ～100HZ的信号，将此范围外的信号衰减，保留下脑电信号部分的信号，通过50HZ工频陷波滤波器，将50HZ的工频干扰滤除，获得脑电信号，通过主放大电路，将提取好的脑电信号放大，再经过A/D转换电路，将模拟信号转化为数字信号，然后传输至控制器CPU，控制器CPU根据用户脑电波的信号判断用户的意图。所述眼动追踪模块包括：当用户戴上设备后，控制器CPU发出命令，IR电路投射出红外线到眼睛上，眼动追踪CAM捕获反射回来的红外线，实时捕捉眼睛的虹膜，根据虹膜变化特征并辅以眨眼识别、注视识别技术，判断出用户的眼睛在实际或者虚拟空间中的坐标点，从而预测出用户的状态和需求。
根据本发明提供的基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制方法，包括如下步骤：脑电波检测步骤：检测用户在使用设备时脑电波的变化，将其提取处理后传给控制器CPU从而判断出用户的第一意图；眼动追踪步骤：当用户眼睛转动的时候，IR电路和眼动追踪CAM判断眼睛的注视点变化，从而知道用户的第二意图；综合第一意图和第二意图，得到用户的最终意图。所述脑电波检测步骤包括：通过电极来采集大脑皮层的微弱脑电信号，通过前置放大电路将微弱的脑电信号放大到可处理电平，采用带通滤波器提取0.05HZ～100HZ的信号，将此范围外的信号衰减，保留下脑电信号部分的信号，通过50HZ工频陷波滤波器，将50HZ的工频干扰滤除，获得脑电信号，通过主放大电路，将提取好的脑电信号放大，再经过A/D转换电路，将模拟信号转化为数字信号，然后传输至控制器CPU，控制器CPU根据用户脑电波的信号判断用户的意图。身份识别步骤；所述身份识别步骤识别用户身份，身份识别方式包括：虹膜识别、视网膜识别、指纹识别、语音识别、面部识别和账号密码登录；头戴设备停止工作或断电或被取下重新佩戴或头戴显示设备的应用程序意外退出或用户身份识别失败时，重新执行身份识别步骤。
所述眼动追踪步骤包括：当用户戴上设备后，控制器CPU发出命令，IR电路投射出红外线到眼睛上，眼动追踪CAM捕获反射回来的红外线，实时捕捉眼睛的虹膜，根据虹膜变化特征并辅以眨眼识别、注视识别技术，判断出用户的眼睛在实际或者虚拟空间中的坐标点，从而预测出用户的状态和需求。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
下面通过优选例对本发明进行更为具体的说明。
实施例2：
根据本发明提供的一种基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制方案，包括：
电路的组成结构：
图1是脑电波眼动追踪控制整机方案，主要由控制器CPU、脑电波检测和眼动追踪三部分组成；
图2是脑电信号采集原理框图，主要由电极、前置放大电路、0.05-100HZ带通滤波器、50HZ工频陷波滤波器、主放大电路、A/D转换电路和主控制器CPU等部分组成；
图3是眼动追踪原路框图，主要有主控制器CPU、IR电路、眼动追踪CAM等部分组成。
电路的工作原理：
如图1，脑电波检测电路可以检测出用户在使用设备时脑电波的变化，将其提取处理后传给CPU，CPU判断出用户的意图。
眼动追踪模块：当用户眼睛转动的时候，眼动追踪电路就可以判断眼睛的注视点变化，就可以知道用户的意图，这样就可以在一定程度上进行一些有限的操作。
以上二者结合，就可以取代现有的手柄、手势等操作控制，提高操作效率，还可以大场景解放双手，去做更多元化的操作，让体验更智能化。
如图2，为脑电波信号数据采集原理框图，其中电极用来采集大脑皮层的微弱脑电信号，然后通过前置放大电路，将微弱的脑电信号放大到可处理电平；
由于脑电信号的变化不规则，其频率变化范围每秒约在1～30次，故采用带通滤波器提取0.05HZ～100HZ的信号，将此范围外的信号衰减，保留下脑电信号部分的信号；
然后再通过50HZ工频陷波电路，将50HZ的工频干扰滤除，获得脑电信号，再经过主放大电路，将提取好的脑电信号放大，再经过A/D转换电路，将模拟信号转化为数字信号，这样就可以交给CPU，CPU根据用户脑电波的信号，判断用户的意图。
如图3，为眼动追踪原理框图，当用户戴上眼睛后，CPU会发出命令，IR电路投射出红外线到眼睛上，然后眼动追踪CAM捕获反射回来的红外线，实时捕捉眼睛的虹膜，根据虹膜变化特征(暗瞳眼部追踪和明瞳眼部追踪)，辅以眨眼识别、注视识别等技术，判断出用户的眼睛在实际或者虚拟空间中的坐标点，从而预测出用户的状态和需求。
第一意图是通过电路检测脑电波变化，然后得出用户的初步意图(宽泛的)；再通过眼睛来确认第二意图(精确地)；综合第一意图和第二意图，得到用户的最终意图。根据本发明得到的除了用户的意图，还包括用户的想法、指令、下一步动作等。
当用户使用设备，想看电影了，就会有第一意图，这个时候根据脑电波对应在脑电波模型库里面找到这个意图对应的脑电波相似模型，初步可以判断这个时候用户想看电影或者想听歌，并跳出窗口显示相似app；
眼动追踪发现眼睛停留在电影播放器的图标上超过3S等，这个为第二意图，结合两个意图统一，就可以打开app看电影了，得到用户的最终意图。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制系统，其特征在于，包括控制器CPU、脑电波检测模块和眼动追踪模块；
所述脑电波检测模块包括依次串联的电极、前置放大电路、带通滤波器、陷波滤波器、主放大电路、A/D转换电路和控制器CPU，通过检测到的脑电波变化获取用户信息；
所述眼动追踪模块包括控制器CPU、IR电路和眼动追踪CAM；
所述控制器CPU根据IR电路和眼动追踪CAM配合使用得到的用户注视点变化获取用户信息，从而进行预设范围内的控制操作。
2.根据权利要求1所述的基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制系统，其特征在于，脑电波检测电路用于检测用户在使用设备时脑电波的变化，将其提取处理后传给控制器CPU从而判断出用户的第一意图；
当用户眼睛转动的时候，IR电路和眼动追踪CAM判断眼睛的注视点变化，从而知道用户的第二意图；
综合第一意图和第二意图，得到用户的最终意图。
3.根据权利要求1所述的基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制系统，其特征在于，所述脑电波检测模块包括：电极用来采集大脑皮层的微弱脑电信号，通过前置放大电路将微弱的脑电信号放大到可处理电平，采用带通滤波器提取0.05HZ～100HZ的信号，将此范围外的信号衰减，保留下脑电信号部分的信号，通过50HZ工频陷波滤波器，将50HZ的工频干扰滤除，获得脑电信号，通过主放大电路，将提取好的脑电信号放大，再经过A/D转换电路，将模拟信号转化为数字信号，然后传输至控制器CPU，控制器CPU根据用户脑电波的信号判断用户的意图。
4.根据权利要求1所述的基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制系统，其特征在于，所述眼动追踪模块包括：当用户戴上设备后，控制器CPU发出命令，IR电路投射出红外线到眼睛上，眼动追踪CAM捕获反射回来的红外线，实时捕捉眼睛的虹膜，根据虹膜变化特征并辅以眨眼识别、注视识别技术，判断出用户的眼睛在实际或者虚拟空间中的坐标点，从而预测出用户的状态和需求。
5.根据权利要求1所述的基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制系统，其特征在于，还包括身份识别模块；
所述身份识别模块识别用户身份，身份识别方式包括：虹膜识别、视网膜识别、指纹识别、语音识别、面部识别和账号密码登录；
头戴设备停止工作或断电或被取下重新佩戴或头戴显示设备的应用程序意外退出或用户身份识别失败时，重新启动身份识别模块。
6.一种基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制系统，包括如下步骤：
脑电波检测步骤：检测用户在使用设备时脑电波的变化，将其提取处理后传给控制器CPU从而判断出用户的第一意图；
眼动追踪步骤：当用户眼睛转动的时候，IR电路和眼动追踪CAM判断眼睛的注视点变化，从而知道用户的第二意图；
综合第一意图和第二意图，得到用户的最终意图。
7.根据权利要求6所述的基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制方法，其特征在于，所述脑电波检测步骤包括：通过电极来采集大脑皮层的微弱脑电信号，通过前置放大电路将微弱的脑电信号放大到可处理电平，采用带通滤波器提取0.05HZ～100HZ的信号，将此范围外的信号衰减，保留下脑电信号部分的信号，通过50HZ工频陷波滤波器，将50HZ的工频干扰滤除，获得脑电信号，通过主放大电路，将提取好的脑电信号放大，再经过A/D转换电路，将模拟信号转化为数字信号，然后传输至控制器CPU，控制器CPU根据用户脑电波的信号判断用户的意图。
8.根据权利要求6所述的基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制方法，其特征在于，所述眼动追踪步骤包括：当用户戴上设备后，控制器CPU发出命令，IR电路投射出红外线到眼睛上，眼动追踪CAM捕获反射回来的红外线，实时捕捉眼睛的虹膜，根据虹膜变化特征并辅以眨眼识别、注视识别技术，判断出用户的眼睛在实际或者虚拟空间中的坐标点，从而预测出用户的状态和需求。
9.根据权利要求6所述的基于脑电波和眼动追踪的头戴设备控制方法，其特征在于，还包括身份识别步骤；
所述身份识别步骤识别用户身份，身份识别方式包括：虹膜识别、视网膜识别、指纹识别、语音识别、面部识别和账号密码登录；
头戴设备停止工作或断电或被取下重新佩戴或头戴显示设备的应用程序意外退出或用户身份识别失败时，重新执行身份识别步骤。
10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求6至9中任一项所述的方法的步骤。
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