CN102626304A - 一种头盔式无线视频眼动仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种头盔式无线视频眼动仪，对眼动仪进行独立设计，不需要任何外围电缆连接，通过无线路由器与计算机的分析软件交换信息。该无线视频眼动仪综合应用了嵌入式系统，图像压缩，无线局域网等多种技术，应用带有红外LED照明的摄像头获得眼动视频信息，经过解码后由数字信号处理器(DSP)芯片完成图像压缩，然后通过无线传输模块经无线路由器传输到计算机，并接收计算机分析软件发送的控制信号，产生相应的视觉刺激动态图像，由安装在头盔上视频眼镜显示，引导受试者产生眼球跟踪信息。计算机上运行的分析软件还实现图像解压、瞳孔定位，获得眼球运动轨迹，以完成多种试验项目的测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线视频眼动仪，特别涉及一种综合应用嵌入式系统，图像压缩技术、无线局域网技术、眼球跟踪技术的头盔式无线视频眼动仪，应用带有红外LED照明的摄像头获得眼动视频，经过解码后由数字信号处理器（DSP）芯片完成图像压缩，通过WIFI模块传输到无线局域网内的主计算机实现眼球定位跟踪，并接收主机发送的控制信号，产生相应的视觉刺激动态图像，由安装在头盔上视频眼镜显示，以完成多种试验项目的测试。
背景技术
随着图像分析技术的发展，眼球定位与跟踪技术已逐渐成熟并实用化。应用眼动信息可进行多种心理和生理测试。通过眼球定位可进行视线追踪，实现人机交互；一些学者通过提取人在阅读过程中的眼球运动特征可以进行人的性格及心理分析；“眼睛是心灵的窗户”，通过受试者对敏感的视觉刺激信息的反应，还可以进行眼球运动和瞳孔收缩与扩张分析，实现“测谎”等多种应用。
在生理疾病测试方面，眼动分析也逐渐显现出其应用价值。尤其是通过对眼球震动(眼震，Nystagmus)信号分析，可以实现对多种眼科、内耳、前庭与中枢神经疾病的检测。在医学上，眼震是一种不自主的、有节律性的、往返摆动的眼球运动，常由视觉系统、眼外肌、内耳迷路及中枢神经系统的疾病引起，患者临床表现为弱视、斜视、视觉疲劳、代偿头位、休息眼位及立体视觉锐度减弱等症状，还常常伴发于遗传性白化病、全色盲，也可能伴发于先天性白内障的形成过程中，发病率高，危害严重。医学研究表明，眼震症状与老年痴呆、帕金森综合症、癫痫、内耳与中枢神经疾病、眩晕症、平衡功能障碍等疾病有着密切关系。近年来，眼震检查方法逐渐成为这些疾病的重要诊断手段。
目前，国际上已有多款视频眼震电图(Videonystagmography,VNG)仪问世，最具代表性的有美国EDI公司生产的House牌VNG，采用红外视频摄像的方法直接录取眼震运动影像，通过计算机数字图像处理，实时观测分析眼震波相关参数，能够为眼震记录提供一种全新的、无接触、无损伤、无背景噪声和高清晰度影像的检测方法；法国Synapsys公司生产的VNG产品，可以对受试者进行扫视试验、平稳跟踪试验、旋转试验、位置和自发眼震试验、凝视试验、Dix-Hallpike及温度实验等多种测试，在欧洲具有较大的市场份额。
目前，国际上VNG仪器由于设计思路和当时的技术限制，在应用上有一定缺陷，主要表现在：在信号采集环节采用有线传输，仪器不可避免存在多条线缆连线，造成使用不便，部分新的试验方案无法实施；在显示方面采用大屏幕投影或LED灯制做显示屏，需要受试者头部位置相对固定；在眼震分析方面多采用眼球运动的振幅、频率信息，没有充分分析眼震的能量和统计信息，造成眼动特征提取方面存在薄弱环节。
为此，本发明设计了一种头盔式无线视频眼动仪，设计目标为无线、小型、轻便、易用、可靠。为此，采用TI公司的Davinci DM6446双核处理器作为核心芯片，该处理器包括一个297MHz的ARM926E-J内核和一个594Mhz的C64x DSP内核，支持Linux2.6操作系统，可以运行各种音视频编解码算法。应用带有红外LED照明的摄像头获得眼动视频，经过解码后由C64x DSP内核采用H.264标准完成图像压缩，通过WIFI模块传输到无线局域网内的主计算机实现眼球定位跟踪。ARM926E-J内核运行Linux操作系统实现各种控制功能，接收主机发送的控制信号，产生各种试验项目所需的视觉刺激动态图像，由安装在头盔上视频眼镜显示，实现仪器的一体化独立设计。
发明内容
针对现有各种眼动仪的缺陷，本发明设计了一种头盔式无线视频眼动仪。应用嵌入式系统和无线局域网技术，对图像信号采集、压缩、传输、显示和控制等功能模块和部件进行一体化设计，实现眼动仪无线、小型、便携的功能。
一种头盔式无线视频眼动仪，包括头盔和设置在所述头盔里的核心电路板、显示系统及至少一个摄像系统。
其中：所述核心电路板包括电池电源、视频编码、至少一个视频解码、处理器、DC-DC、无线传输模块和存储器；所述电池电源直接给显示系统和摄像系统供电，电池电源还通过DC-DC转换后给处理器供电。
处理器将存储器存储的动态视觉刺激图像通过视频编码后，由显示系统显示。
摄像系统获取由显示系统显示的动态视觉刺激图像后的眼动模拟视频信号，由视频解码转换为Y、Cr、Cb数字信号，经处理器的视频接口输入处理器；处理器对该数字信号压缩（采用H.264视频压缩标准）后通过无线传输模块向外发送。
上述显示系统由LED显示屏和光学成像系统组成，光学成像系统利用若干镜头组件构成的光路将LED显示屏放大。摄像系统由摄像头和分布在摄像头外围的红外LED组成。
上述处理器还设置有仿真接口、RS232串口和网络接口。
上述核心电路板通过无线传输模块以无线局域网方式与计算机系统交换信息，或通过网络接口以有线局域网方式与计算机系统交换信息。
视频眼动仪采用头盔式结构设计，头盔壳体采用双层结构，所有安装材料、电气设备、内部连接线都安装于两层壳体之间，使仪器独立、紧凑、轻便，增强易用性能。
附图说明
图1为无线视频眼动仪的电路结构框图；
图2为头盔式无线视频眼动仪组件安装示意图；
图3为头盔式无线视频眼动仪分析系统组成图；
图中：1-核心电路板；2-显示系统；3.1-摄像系统Ⅰ，3.2-摄像系统Ⅱ；4-头盔；5-计算机系统；6-无线路由器；1.1-电池电源；1.2-视频编码；1.31-视频解码Ⅰ；1.32-视频解码Ⅱ；1.4-处理器；1.5- DC-DC；1.6-仿真接口；1.7-RS232接口；1.8-网络接口；1.9-无线传输模块。
具体实施方式
下面结合附图给一个非限定性实例对本发明作进一步的说明。
一种头盔式无线视频眼动仪包括头盔4和设置在所述头盔4里的核心电路板1、显示系统2、摄像系统Ⅰ3.1及摄像系统Ⅱ3.2。
其中：所述核心电路板1包括电池电源1.1、视频编码1.2、视频解码Ⅰ1.31、视频解码Ⅱ1.32、处理器1.4、DC-DC1.5、无线传输模块1.9和存储器1.10；所述电池电源1.1直接给显示系统2和摄像系统供电，电池电源1.1由9V充电电池提供，电池电源1.1还通过DC-DC1.5将9V转换为3.7V后给处理器1.4供电。
处理器1.4将存储器1.10存储的动态视觉刺激图像通过视频编码1.2后，由显示系统2显示。
摄像系统获取由显示系统2显示的动态视觉刺激图像后的眼动模拟视频信号，由视频解码转换为Y、Cr、Cb数字信号，经处理器1.4的视频接口输入处理器1.4；处理器1.4对该数字信号压缩后通过无线传输模块1.9向外发送。
处理器1.4采用Davinci DM6446双核处理器，Davinci DM6446包括一个297MHz的ARM926E-J内核和一个594Mhz的C64x DSP内核,其中ARM926E-J内核运行linux操作系统，完成系统的控制功能；DSP内核完成图像压缩功能。
头盔4是各其它组件的载体，核心电路板1安装在头盔上，显示系统2位于人戴上头盔4后眼睛的斜上方，与眼睛距离约3cm，使眼睛可以正常观察显示系统2呈现的虚拟大屏幕全景范围，同时又不影响摄像头获得眼睛图像，摄像系统（摄像头及红外照明装置）安装在显示系统2下方, 红外照明装置由12粒红外LED构成，左右各6粒，均匀分布在摄像头外围。光学显示系统2及摄像系统3安装在头盔上，可以进行位置和角度微调。
眼动仪的实现步骤如下：
1）运行在计算机系统5上的分析软件通过无线路由器6与头盔式无线视频眼动仪建立连接,开辟由眼动仪到计算机系统5的眼动视频信号和由计算机系统5到头盔式无线视频眼动仪的用户命令双向信息传输通道。
2）受试者戴上头盔式无线视频眼动仪,调整显示系统2使双眼能够正常观察,依据计算机系统5上的分析软件显示的图像调整摄像系统3,使眼睛显示在图像中间位置。
3）用户通过计算机系统5上的分析软件向头盔式无线视频眼动仪的无线传输模块1.9发送通道选择命令（既对左右通道的选择，以实现对应左右眼的运动轨迹提取）和试验项目命令。
4） 头盔式无线视频眼动仪核心电路板1根据所选试验项目生成动态视觉刺激图像,由显示系统2显示。
5） 头盔式无线视频眼动仪核心电路板1根据所选通道完成眼动信号的采集、压缩和传输，具体步骤如下：
（a）在红外LED照明条件下，由所选通道（对应于左、右眼）的摄像头获取的眼动视频信号送至核心电路板1，由视频解码Ⅰ或视频解码Ⅱ转换为Y、Cr、Cb数字信号，由Davinci DM6446处理器1.4的视频接口接收。
（b）Davinci DM6446处理器1.4的DSP内核运行图像压缩软件，采用H.264视频压缩标准完成对视频信号（上述数字信号）的压缩，得到压缩数据包。
（c）压缩数据包传送到无线传输模块1.9，采用WIFI方式通过无线路由器6以无线局域网方式与计算机系统5交换信息。
（d）Davinci DM6446处理器1.4的ARM内核运行linux嵌入式系统，其应用程序实现整个系统的协调与控制，包括系统初始化、双核之间信息交换、来自计算机系统5命令的接收与解析、控制信号的生成，保障系统正常工作。
6）显示系统由LED显示屏和光学成像系统组成，其中LED显示屏接收并显示头盔式无线视频眼动仪核心电路板1根据所选试验项目生成动态视觉刺激图像，光学成像系统包括光路和镜头组件，用于对LED屏进行放大，对被测试人员形成虚拟大屏幕视觉效果。
7）计算机系统5分析软件提供用户操作界面、实现与眼动仪的通信连接、完成压缩数据包的接收与解压、人眼图像的瞳孔定位，最终得到各类试验条件下的眼球运动轨迹，为后续的特征提取和生理、心理研究提供信息支撑。
Claims (6)
1.一种头盔式无线视频眼动仪，其特征在于：包括头盔（4）和设置在所述头盔（4）里的核心电路板（1）、显示系统（2）及至少一个摄像系统；
其中：所述核心电路板（1）包括电池电源（1.1）、视频编码（1.2）、至少一个视频解码、处理器（1.4）、DC-DC（1.5）、无线传输模块（1.9）和存储器（1.10）；所述电池电源（1.1）直接给显示系统（2）和摄像系统供电，电池电源（1.1）还通过DC-DC（1.5）转换后给处理器（1.4）供电；
处理器（1.4）将存储器（1.10）存储的动态视觉刺激图像通过视频编码（1.2）后，由显示系统（2）显示；
摄像系统获取由显示系统（2）显示的动态视觉刺激图像后的眼动模拟视频信号，由视频解码转换为Y、Cr、Cb数字信号，经处理器（1.4）的视频接口输入处理器（1.4）；处理器（1.4）对该数字信号压缩后通过无线传输模块（1.9）向外发送。
2.根据权利要求1所述一种头盔式无线视频眼动仪，其特征在于：所述显示系统（2）由LED显示屏和光学成像系统组成，光学成像系统利用若干镜头组件构成的光路将LED显示屏放大。
3.根据权利要求1所述一种头盔式无线视频眼动仪，其特征在于：所述摄像系统由摄像头和分布在摄像头外围的红外LED组成。
4.根据权利要求1所述一种头盔式无线视频眼动仪，其特征在于：所述处理器（1.4）对数字信号压缩时采用H.264视频压缩标准进行压缩。
5.根据权利要求1所述一种头盔式无线视频眼动仪，其特征在于：所述处理器（1.4）设置有仿真接口（1.6）、RS232串口（1.7）和网络接口（1.8）。
6.根据权利要求1或5所述一种头盔式无线视频眼动仪，其特征在于：所述核心电路板（1）通过无线传输模块（1.9）以无线局域网方式与计算机系统（5）交换信息，或通过网络接口（1.8）以有线局域网方式与计算机系统（5）交换信息。
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