KR101297330B1 - 기준전압 피드백 기반 안구전도 신호를 이용한 안구 운동 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안구전도 신호를 이용하여 이전에 측정된 신호를 이용하여 기준 전압을 변경함으로써 움직임에 영향을 받지 않고 안구 운동량을 측정할 수 있게 하는 기준전압 피드백 기반 안구전도 신호를 이용한 안구 운동 측정 방법에 관한 것으로, 본 발명은 안구전도(이하, ‘EOG’라 함) 신호에 대한 사용자 전압을 측정하는 단계, 안구 운동에 따른 현재 EOG 신호를 측정하는 단계, 상기 현재 EOG 신호 및 기준에 근거하여 안구 운동 발생여부를 확인하는 단계, 및 상기 안구 운동 발생여부에 따라 이전에 측정된 이전 EOG 신호를 이용하여 기준 전압을 보정하는 단계를 포함한다. 따라서, 안구전도 신호를 이용하여 이전에 측정된 신호를 이용하여 기준 전압을 변경함으로써 사용자가 머리를 심하게 움직여도 그 움직임에 영향을 받지 않고 안구 운동량을 측정할 수 있게 된다.

Description

기준전압 피드백 기반 안구전도 신호를 이용한 안구 운동 측정 방법{Eye Movement Measuring Method using Electrooculogram Signal based on Reference Voltage Feedback}

본 발명은 안구 운동 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 안구전도 신호를 이용하여 이전에 측정된 신호를 이용하여 기준 전압을 변경함으로써 움직임에 영향을 받지 않고 안구 운동량을 측정할 수 있게 하는 기준전압 피드백 기반 안구전도 신호를 이용한 안구 운동 측정 방법에 관한 것이다.

3차원 영상의 흥행과 디스플레이 기술의 발전으로 누구나 손쉽게 3차원 콘텐츠를 접할 수 있게 되었다. 이에 따라 양안시차의 인위적인 조절에서 발생하는 눈의 피로, 어지럼증 등과 같은 현상들이 문제가 되고 있다. 이런 문제가 발생함에도 불구하고 눈의 피로를 정량적으로 측정하여 원인을 찾고자하는 연구들이 많이 부족하다. 생체신호 중에 하나인 안구전도(electrooculogram: 이하, ‘EOG’라 함) 신호는 눈을 감거나 안경을 사용하더라도 각막과 망막간의 전위차를 이용하여 객관적으로 안구 운동량을 측정 할 수 있다

EOG 신호를 이용한 방법은 사용자마다 다른 전압을 보이고, 자세를 정확하게 고정하지 못할 시 도 1과 같이 기준전압이 0V(Volt)가 아닌 다른 전압으로 변경되는 직류 드리프트(DC drift)문제점이 있다. 종래의 연구들은 이런 문제를 해결하기 위해 도구를 사용하여 사용자의 머리를 고정하거나 단기간에 EOG 신호를 측정을 했다. 그러나 이런 종래의 방법은 미세한 움직임을 막을 수 없어 직류 드리프트 문제의 해결이 불가능하다.

따라서, 본 발명의 목적은, 안구전도 신호를 이용하여 이전에 측정된 신호를 이용하여 기준 전압을 변경함으로써 움직임에 영향을 받지 않고 안구 운동량을 측정할 수 있게 하는 기준전압 피드백 기반 안구전도 신호를 이용한 안구 운동 측정 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기준전압 피드백 기반 안구전도 신호를 이용한 안구 운동 측정 방법은 안구전도(이하, ‘EOG’라 함) 신호에 대한 사용자 전압을 측정하는 단계, 안구 운동에 따른 현재 EOG 신호를 측정하는 단계, 상기 현재 EOG 신호 및 기준에 근거하여 안구 운동 발생여부를 확인하는 단계, 및 상기 안구 운동 발생여부에 따라 이전에 측정된 이전 EOG 신호를 이용하여 기준 전압을 보정하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 사용자 전압 측정 단계는 안구 운동 방향별 특정 시각에 따른 EOG 신호의 전압을 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안구 운동 발생여부 확인 시, 상기 현재 EOG 신호의 크기가 기준 전압에서 사용자 전압의 5배를 뺀 값보다 크고, 기준 전압에서 사용자 전압의 5배를 더한 값보다 작으면, 안구 운동이 발생한 것으로 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안구 운동 발생여부 확인 시, 상기 현재 EOG 신호의 크기가 기준 전압에서 사용자 전압의 5배를 뺀 값 이하이거나 또는 기준 전압에서 사용자 전압의 5배를 더한 값이상이면, 안구 운동이 발생하지 않은 것으로 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기준전압 보정단계에서, 상기 안구운동이 발생된 경우 일정 시간 동안 안정된 전압을 유지하는 EOG 신호의 전압으로 기준 전압을 보정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 일정 시간은 100ms 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기준전압 보정단계에서, 상기 안구운동이 발생되지 않은 경우 이전 기준 전압차와 현재 기준전압을 더하므로 기준전압을 보정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 안구전도 신호를 이용하여 이전에 측정된 신호를 이용하여 기준 전압을 변경함으로써 사용자가 머리를 심하게 움직여도 그 움직임에 영향을 받지 않고 안구 운동량을 측정할 수 있게 된다.

도 1은 특정 시간 구간 동안 안구전도의 기준 전압 변화를 도시한 예.
도 2는 본 발명에 따른 안구운동량 측정장치를 도시한 구성도.
도 3은 도 2의 안구운동량 산출단말기의 블록구성도.
도 4는 본 발명에 따른 기준전압 피드백 기반 안구전도 신호를 이용한 안구 운동 측정 방법을 도시한 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 안구운동량 측정장치와 전극의 위치를 도시한 도면.
도 6은 안구 운동에 의한 시각의 변화가 5도 이내로 발생했을 때 잡음의 영향을 도시한 도면.
도 7은 안구 운동에 따른 EOG 수직 신호 패턴.
도 8은 본 발명에 따른 안구운동량 측정방법에 따른 안구운동 재현율을 도시한 그래프.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 안구전도 신호를 이용하여 안구운동량 측정하는 방법을 개시하고 있다. 여기서, 안구전도(electrooculogram: 이하, ‘EOG’라 함) 신호는 각막과 망막간의 전위차로 발생되는 신호다. 그렇기 때문에 정량적이고 개관적인 안구운동 측정이 가능하다. 또한 안구각도에 따라 전압차가 선형적이기 때문에 패턴 분석이 간편하다.

도 2는 본 발명에 따른 안구운동량 측정장치를 도시한 구성도이고, 도 3은 도 2의 안구운동량 산출단말기의 블록구성도를 도시한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 안구운동량 측정장치는 측정장치(10)와 안구운동량 산출단말기(이하, ‘산출단말기’라 함)(20)를 포함한다.

측정장치(10)는 눈 주위의 피부에 전극이 부착되어 안구의 움직임을 감지하고, 그 감지결과에 따른 EOG 신호를 측정한다. EOG 신호는 양눈의 좌우에 전극을 붙이고 얻는 수평 신호(horizontal)와 한쪽 눈의 상하에 전극을 붙여 얻는 수직 신호(vertical)를 포함한다.

측정장치(10)는 측정된 EOG 신호를 디지털 신호로 변환하며 상기 EOG 신호로부터 잡음을 제거하는 신호처리부(미도시)와, 상기 신호처리부(미도시)에 의해 신호처리된 EOG 신호를 산출단말기(20)로 전송하는 통신모듈(미도시)을 포함한다.

산출단말기(20)는 측정장치(10)에 의해 측정된 EOG 신호를 이용하여 안구운동량을 산출한다.

산출단말기(20)는 도 3에 도시된 바와 같이 통신부(21), 사용자 입력부(22), 저장부(23), 표시부(24), 전원공급부(25), 제어부(26) 등을 포함한다.

통신부(21)는 유선 또는 무선통신을 수행하는 통신모듈로, 측정장치(10)의 통신모듈(미도시)과 통신을 수행하는 역할을 한다. 통신부(21)는 측정장치(10)로부터 전송되는 측정된 EOG 신호를 수신한다.

사용자 입력부(22)는 사용자 명령을 입력받기 위한 것으로, 키보드, 터치패드, 마우스, 버튼, 키 등의 다양한 형태로 구현될 수 있다.

저장부(23)에는 산출단말기(20)의 동작을 제어하기 위한 제반 프로그램 및 안구운동량 산출프로그램 등이 저장된다. 또한, 저장부(23)에는 통신부(21)를 통해 측정장치(10)로부터 제공받는 측정된 EOG 신호가 저장된다.

표시부(24)는 산출단말기(20)의 동작에 따른 상태 및 결과, 측정된 EOG 신호, 산출된 안구운동량 등을 표시한다. 표시부(24)는 LCD, LED 디스플레이, 투명 디스플레이, 플렉서블 디스플레이 등으로 구현된다.

전원공급부(25)는 산출단말기(20)의 동작에 필요한 전원을 공급한다. 따라서, 전원공급부(25)는 산출단말기(20)를 구성하는 각 구성요소에 필요한 전원을 공급한다.

제어부(26)는 산출단말기(20)를 구성하는 각 구성요소의 동작을 제어하고, 상기 측정장치(10)로부터 제공받은 EOG 신호를 통해 안구의 움직임을 감지하고, 안구운동량을 산출한다. 그리고, 제어부(26)는 EOG 신호의 기준전압을 이전에 측정된 EOG 신호를 적용하여 보정한다.

도 4는 본 발명에 따른 기준전압 피드백 기반 안구전도 신호를 이용한 안구 운동 측정 방법을 도시한 흐름도이고, 도 5는 본 발명에 따른 시스템과 전극의 위치를 도시한다.

도 4를 참조하면, 산출단말기(20)는 EOG 신호를 이용한 안구운동량 측정을 위해 안구운동량 측정장치를 초기화한다(S11). 먼저, 도 5에 도시된 바와 같이 EOG 신호 측정을 위한 전극을 사용자의 눈 주변에 부착하고, EOG 신호 측정을 위한 샘플링 주기(주파수)를 설정한다.

안구운동량 측정장치의 초기화 후, 산출단말기(20)는 EOG 신호에 대한 사용자 전압을 보정한다(S12). EOG 신호는 시각이 0도에서 45도까지 변할 때 시각과 신호 크기 사이에 선형 관계를 가진다. 특정 시각에 대한 EOG 신호 전압의 크기는 시선 방향과 사용자의 생리적 상태에 따라 변하게 된다.

따라서, 안구 운동을 측정하기 전에 사용자 전압을 결정할 필요가 있다. 사용자 전압은 안구 운동 방향별 특정 시각에 대해 측정된 EOG 신호 전압의 크기이다. 여기서, 안구 운동 방향은 상, 하, 좌, 우를 포함한다.

다시 말해서, 사용자 전압은 상하좌우 시각 0도~30도 사이로 10도씩 총 12번을 측정하여 계산하며, 패턴 분류는 5도 이상의 전압 변화가 발생했을 때 진행한다. 분류 패턴은 상하좌우 10~30도 범위에서 10도씩 12개, 눈 깜빡임(blink), 주시(fixation)를 포함해 14가지로 구분한다.

예를 들어, 사용자가 화면 상에 특정 각도로 표시되는 점을 주시하는 동안 4개의 시선 방향에 대해 10도, 20도, 30도 각각의 각도에 대한 사용자 전압을 측정한다.

상기 사용자 전압 보정 후, 산출단말기(20)는 안구운동 시 EOG 신호를 측정한다(S13). 산출단말기(20)는 측정장치(10)를 제어하여 현재의 EOG 신호를 측정한다.

상기 EOG 신호가 측정되면 산출단말기(20)는 기준에 근거하여 변화를 확인한다(S14). 다시 말해서, 산출단말기(20)는 안구 운동이 발생했는지 여부를 확인한다.

이후, 산출단말기(20)는 안구 운동 발생 여부에 따라 상이한 방법으로 기준전압을 보정한다.

이론적으로, 사용자가 똑바로(일직선으로) 볼 때, EOG의 기준 전압은 0V로 안정되어야 한다. 그러나, 사용자의 머리가 쉽게 움직이며 다른 생체신호와 EOG 신호의 간섭으로 기준 전압을 안정화하는 것은 어렵다. 피부와 전극의 부적절한 상태가 기준전압을 불안정하게 한다.

사용자가 동일한 방향을 일정 시간 동안 바라봄에도 불구하고, 소정 시간 단위로 측정된 기준 전압은 각각 다른 신호 레벨을 갖는다. 그러므로, 기준전압을 0V로 가정한다 할지라도 안구운동의 패턴을 정확하게 분류하는 것은 어렵다.

상기 산출단말기(20)는 측정장치(10)에 의해 측정된 현재 EOG 신호에 근거하여 안구 운동의 발생여부를 확인한다. 안구 운동의 발생여부는 [수학식 1]에 의해 결정된다.

여기서,

는 기준 전압,

는 사용자 전압,

는 샘플링 주파수이다.

일 때,

는 특정 간격 동안

번째 EOG 신호이다.

상기 현재 EOG 신호의 크기가 “

”과 “

”사이의 범위이면 산출단말기(20)는 안구 운동이 발생한 것으로 결정한다. 여기서, 도 6의 N1과 N2와 같이 시각이 5도 이내로 이동하면 산출단말기(20)는 잡음으로 여긴다.

상기 단계(S14)에서 안구 운동이 일정 시간(예: 1초 초과) 동안 발생하지 않은 것(

)으로 확인되면, 산출단말기(20)는 1초 전부터 현재까지의 평균과 1초 전과 2초 전의 전압변화량을 합하여 1초 후의 기준 전압을 계산하여 보정한다(S15).

은

과

초 사이 평균 전압으로, [수학식 2]와 같이 정의된다.

새로운 기준전압

은 [수학식 3]과 같이 이전 전압차

를 현재 기준전압

에 더하므로 수정된다.

상기 단계(S14)에서 안구 운동의 발생(

)이 확인되면, 산출단말기(20)는 패턴을 분석한다(S16).

안구 운동이 소정 간격(1초)이내로 발생하면, 수집된 데이터가 기준 전압을 조정하기에 불충분하기 때문에 [수학식 2]의 평균 전압은 기준 전압으로 적절하지 않다. [수학식 4]는 일정 시간(100ms) 동안 안정된 전압을 유지하는 신호를 기준전압으로 결정하는 것을 나타낸다. 일반적으로, 안구 운동을 측정하기 위해서는 시선이 적어도 100ms 동안 고정되어야 한다.

는 수직 신호의 기준 전압이고,

는 수평 신호의 기준 전압이며,

는 신호 레벨이 안정되었을 때 100ms 동안 수직 전압이고,

는 신호 레벨이 안정되었을 때 100ms 동안 수평 전압이다.

산출단말기(20)는 상기 패턴 분석을 통해 패턴을 검출하여 출력한다(S17).

상기 산출단말기(20)는 안구 운동 패턴은 기준 전압을 사용하여 안구 운동 패턴을 검출한다. 안구 운동 패턴은 눈 깜빡임, 주시, 단속 운동(saccade)으로 분류된다. 단속운동은 상하좌우 4개의 방향과 소(5~15도), 중(15~25도), 대(25~35도)와 같이 3개의 크기로 총 12가지로 분류된다. 예를 들어, 도 7을 참조하면, a는 깜빡일 때, b~d는 안구각도가 10도씩 변할 때, e는 주시할 때 수직 신호이다.

사용자가 눈을 깜빡이면, 안구는 위쪽으로 움직였다 원래 위치로 복귀한다. 따라서, 눈 깜빡임은 EOG의 수직 신호를 사용하여 검출된다. 눈 깜빡임의 검출은 [수학식 5]를 사용하므로 실행된다.

여기서,

는 사용자 전압이고,

는 눈 깜빡임 동안 생성된 최대 전압이다.

안구 운동이 발생한 후, 전압은 100ms 이내에 기준전압으로 리턴되고, 안구운동의 최대 각도가 15도를 초과하면 눈 깜빡임으로 검출된다.

전압이 안구운동 후 100ms 동안 안정된 값으로 유지되면 단속운동의 EOG 신호로 결정된다. 단속운동의 패턴은 [수학식 6]에 정의된 바와 같이 기준 전압과 단속운동 전압의 차이로 결정된다.

한편, 전압이 안구 운동 후 200ms동안 안정될 때, 산출단말기(20)는 주시를 검출한다.

도 5에 도시된 바와 같이 산출단말기(20)의 표시부(24)에 검출된 안구운동 패턴을 출력한 후, 산출단말기(20)는 안구운동으로 움직인 위치에서 기준 전압을 보정한다(S18).

도 8은 본 발명에 따른 안구운동량 측정방법에 따른 안구운동 재현율을 도시한 그래프이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 안구운동량 측정방법에 따른 안구운동 재현율은 평균 93%의 정확도를 나타내어, 방법의 신뢰성을 보여주었다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것을 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

10: 측정장치
20: 단말기
21: 통신부
22: 사용자 입력부

Claims (7)

1. 안구전도(이하, ‘EOG’라 함) 신호에 대한 사용자 전압을 측정하는 단계;
   안구 운동에 따른 현재 EOG 신호를 측정하는 단계;
   상기 현재 EOG 신호 및 기준에 근거하여 안구 운동 발생여부를 확인하는 단계; 및
   상기 안구 운동 발생여부에 따라 이전에 측정된 이전 EOG 신호를 이용하여 기준 전압을 보정하는 단계를 포함하는 기준전압 피드백 기반 안구전도 신호를 이용한 안구 운동 측정 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 사용자 전압 측정 단계는 안구 운동 방향별 특정 시각에 따른 EOG 신호의 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 기준전압 피드백 기반 안구전도 신호를 이용한 안구 운동 측정 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 안구 운동 발생여부 확인 시, 상기 현재 EOG 신호의 크기가 기준 전압에서 사용자 전압의 5배를 뺀 값보다 크고, 기준 전압에서 사용자 전압의 5배를 더한 값보다 작으면, 안구 운동이 발생한 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 기준전압 피드백 기반 안구전도 신호를 이용한 안구 운동 측정 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 안구 운동 발생여부 확인 시, 상기 현재 EOG 신호의 크기가 기준 전압에서 사용자 전압의 5배를 뺀 값 이하이거나 또는 기준 전압에서 사용자 전압의 5배를 더한 값이상이면, 안구 운동이 발생하지 않은 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 기준전압 피드백 기반 안구전도 신호를 이용한 안구 운동 측정 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 기준전압 보정단계에서, 상기 안구운동이 발생된 경우 일정 시간 동안 안정된 전압을 유지하는 EOG 신호의 전압으로 기준 전압을 보정하는 것을 특징으로 하는 기준전압 피드백 기반 안구전도 신호를 이용한 안구 운동 측정 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 일정 시간은 100ms 인 것을 특징으로 하는 기준전압 피드백 기반 안구전도 신호를 이용한 안구 운동 측정 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 기준전압 보정단계에서, 상기 안구운동이 발생되지 않은 경우 이전 기준 전압차와 현재 기준전압을 더하므로 기준전압을 보정하는 것을 특징으로 하는 기준전압 피드백 기반 안구전도 신호를 이용한 안구 운동 측정 방법.

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