实时眼动仪系统

　　引　言

　　眼睛是心灵的窗户。人总是通过五种感官从周围世界获取信息,并根据这些信息来指导自己的行动。而其中大约80%的信息是用视觉获得的。因此,了解人们如何利用视觉来获取信息就显得至关重要。眼动测试仪是研究和利用眼动的一种工具。对眼动测试仪原理的研究主要是围绕如何精确地、对人无干扰地追踪人的视觉过程的技术来进行的。通过对眼器官运动的研究,可以无损伤地探索中枢神经系统的信息加工与控制机制。利用人眼睛的反应速度比手等要快得多,可以设计适合于眼睛操纵的设备。另外,在人机界面设计中,对眼动信息的研究可使人的建模多一维信息,从而使人机界面的研究得大大深化。文中重点讲述的瞳孔中心位置坐标的提取算法和四组16位坐标数据的并行到串行的转换及发送用ASIC设计完成。其主要优点在于减小了整个眼动仪的体积,简化了PCB设计,提高了系统的实时性和可靠性,改善了可扩充性和可移植性。

　　1　系统设计综述

　　本系统的硬件部分主要实现眼睛图象的光电转换,通过信号处理获取瞳孔信息,实现瞳孔中心定位算法以及数据的串行发送,完成与计算机的接口。为瞳孔信息在计算机屏幕上的标定显示以及与视场信息的匹配显示打下了坚实的物质基础,也为以后眼动仪应用的开发提供了硬件上的支持。眼动仪系统原理方框图如图1所示。

　　前面两个光电传感器完成的功能是分别将左右眼的视频信号输出。采用920nm的红外光源照射眼睛,在左右眼前方分别放置一个截止滤光片,与垂直方向夹角45°。该滤光片能透过可见光,反射红外光。用垂直向下安装的摄象头摄取由截止滤光片反射过来的眼睛的红外反射象,从摄象头输出眼睛的视频信号。视频信号是对图象进行扫描得到的。对眼睛图象进行扫描,当扫描线未进入瞳孔区域时,整条扫描线表现为低电平;当扫描线进入后,瞳孔部分对应的扫描线为高电平,高电平宽度和扫描线扫过瞳孔区域的宽度成正比。利用眼睛信号的这一特点,对眼睛的视频信号进行滤波、放大、窗口比较处理后可得到其二值化输出信号,如图2所示。其中高电平为瞳孔信号,它随眼球运动而运动,当眼球左右运动时,它也左右移动;当眼球上下运动时,在同一扫描线上,它的宽度会发生变化。文中所述的瞳孔中心信号检测算法正是基于此而提出。经过瞳孔中心信号检测及数据的串行传送设计,即可将瞳孔中心位置坐标数据送入计算机。第3个光电传感器水平放置,用于将眼睛前方注视的视场图象摄取下来,送给图象卡处理后将图象信息送入计算机,再与两个眼睛的瞳孔中心位置坐标数据一起由计算机做标定、匹配显示处理。下面就瞳孔中心信号检测和数据的并到串转换与发送这两部分的ASIC设计作详细讨论。