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TWI746066B - 以近接感測器檢測眨眼之方法及系統 - Google Patents

以近接感測器檢測眨眼之方法及系統 Download PDF

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TWI746066B
TWI746066B TW109124369A TW109124369A TWI746066B TW I746066 B TWI746066 B TW I746066B TW 109124369 A TW109124369 A TW 109124369A TW 109124369 A TW109124369 A TW 109124369A TW I746066 B TWI746066 B TW I746066B
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Abstract

本發明係關於一種確定或記錄眼運動的方法及系統，係以固定於頭部的光電近接感測器，感測該感測器在眼瞼開闔時與眼睛所產生的距離變化，藉以檢測眼睛睜閉的時態；以其體積小及省電的特點，可作為頭戴式裝置即時管理與長期記錄眼睛使用狀況，並應用於人機介面，傳輸使用者眼睛事件所產生的訊號來控制外部元件。

Description

以近接感測器檢測眨眼之方法及系統
本發明係關於一種確定或記錄眼運動之方法及系統，係以固定於頭部的光電近接感測器，感測該感測器在眼瞼開闔時與眼睛所產生的距離變化，藉以檢測眼睛的睜閉狀態；以其體積小及省電的特點，可作為頭戴式裝置即時管理與長期記錄眼睛使用狀況，並應用於人機介面，傳輸使用者眼睛事件所產生的訊號來控制外部元件。
目前眼部動作偵測技術以攝影機進行眼部影像辨識為大宗，如專利TWAN-201943577(安全駕駛之監控)，TWAN-201915669(目光偵測與辨識)；另頭戴式穿戴裝置(HMD)也是各家爭鳴的領域，眼部動作可較佳的作為人機介面，其中專利US9207760、US9201512、TWAN-201640277以發出光源，由光感測器偵測眼部反射光強度變化來測量包含目光方向與故意眨眼之眼部動作。
用眼過度產生眼睛病變(電腦視覺症候群詳見US627046)，自從手機普及化，更是嚴重，台灣國三近視比率已達89.3%(新聞稿1070504健康署-近視是疾病！)，顯示目前並無普及且有效之手段管控眼睛生理問題；
迄今為止所說明之眼部動作偵測方法中有以下的問題：所需偵測元件多、體積大與影像運算帶來的高耗電量，導致可攜性低，且其偵測標的包 含眼球、眼瞼與眼部附近皮膚，檢測數據參雜眼球動作、物體顏色、粗糙度與光源的因素，需要複雜的解讀程序以排除雜訊；本發明的目的在於提供一種以眼瞼開闔為主要偵測標的，檢測眼睛睜閉為主的系統與方法；係由一應用光電原理之近接感測器(詳見Proximity sensor、Photoelectric Sensor原理)量測該感測器與眼瞼開闔時的距離變化來檢測眼睛的睜閉，因該感測器體積小，對短距離變化有高分辨率，且其光源為以脈衝式發射對人眼低干擾的紅外光，耗電相對低，且其所需元件少，可使裝置小型化、簡單且有效率，更適合以穿戴式裝置形式隨時偵測各種眼睛事件作為人機介面；除可如先前技術偵測故意眨眼狀態之外，本發明更可透過檢測於閉眼狀態中紅外光脈衝反射數量數據大小，再精確判定眼瞼是否為完全閉合的閉眼或是輕微閉合的無意識眨眼等特定之眼睛睜閉狀態，並可依測得的各種特定之眼睛睜閉狀態或組合，進行電腦運算轉換為更多樣的人機介面控制訊號。
本發明在上述檢測眼睛的睜閉系統與方法中，進一步加上計算特定之眼睛睜閉的持續時間，並檢測特定之眼睛睜閉的持續時間範圍，可判斷使用者的眼睛事件，至少可區分為有、無意識眨眼、打瞌睡、休息、過長時間睜眼等眼睛事件，進一步透過可攜特性，以長期追蹤管控使用者生理狀態。
透過本發明更可以結合其他感測器數據，提供更多的眼睛生理偵測；據研究，戶外活動長短與近視有明顯關係，本發明之一實施方式中，在該偵測眼睛睜閉的系統與方法中，不須額外配置感測器，可直接利用該近接感測器之接收器加入收集光量(Ambient Light Sensor)之程序，用以配合偵測眼睛事件追蹤管理使用者的用眼環境，減少近視發生率。
季節與早晚時間變化，其氣溫，氣壓，濕度皆會影響淚液的蒸發，進而形成近視或乾眼症狀，本發明的一實施方式中加入計時程序配合偵測眼睛事件，進行長期大數據分析以追蹤了解眼睛的生理狀況。
10:近接感測器
101:光發射燈
102:光接收燈管
120:眼瞼完全閉闔時的光反射面
121:睜眼時的光反射面
122:無意識眨眼時眼瞼閉闔的光反射面
13:光脈衝波之開關波型
131:光脈衝波之反射波
20:本實施例之穿戴智慧裝置
201:將裝置固定在眼鏡鏡架之綁帶
410:眼睛睜開時，偵測到的光反射脈衝時量
411:非故意眨眼時，偵測到的光反射脈衝時量
412:故意眨眼時，偵測到的光反射脈衝時量
413:長時間閉眼時，偵測到的光反射脈衝時量
414:裝置移除時，偵測到的光反射脈衝時量
420:睜眼之光反射脈衝數量範圍
421:閉眼相關之光反射脈衝數量範圍
422:無意識眨眼之閉眼之光反射脈衝數量持續時間
423:故意眨眼之閉眼之光反射脈衝數量持續時間
〔圖1〕為本發明近接感測器與眼睛睜閉關係示意圖；〔圖2〕為本發明實施例之結構示意圖；〔圖3〕為本發明實施例之程式流程圖；〔圖4〕為本發明實施例之光反射數量時間圖；及〔圖5〕為本發明實施例之裝置方塊示意圖。
參照〔圖1〕中顯示，被存儲到計算機可讀介質之程序指令經處理器處理以執行本發明之技術特徵：由近接感測器10之一紅外光燈管101發射固定時間數量之紅外光脈衝光13後，再由另一光接收管102接收固定時間內眼部反射之脈衝數量數據，距離愈近反射數量愈多，在相同的時間內，接收到的受反射紅外光脈衝數量數據越大，代表與感測器距離越近；為防止近接感測器受干擾，故本發明另一技術特徵為近接感測器與眼部有穩固之距離，可將之固定於使用者頭部，較佳之實施例可參照〔圖2〕中以彈性綁帶201將裝置20固定於眼鏡21，使該裝置不超過其最大量測距離且不易產生位移，只有眼瞼(0.5~2mm)的開闔會產生感測器相對於眼睛的距離變化。
本發明之一實施例之硬體設計參照如〔圖5〕之系統功能配置，主要包括有MCU微控制器501，無線傳輸天線525，電源與電池系統503，近接感測器10，以電路相連；參照〔圖3〕與〔圖4〕，顯示系統初始化S1(詳見嵌入式 系統技術手冊)時，設定近接感測器(詳見Proximity sensor、Photoelectric Sensor技術手冊)偵測頻率高於偵測眼睛無意識眨眼速度(100ms)，較佳為20赫茲以上；校正量測步驟S2以適當的時間(較佳為0.5秒以上)連續收取紅外光發射器與接收器發射紅外光至眼部反射的紅外光脈衝數量數值，此反射脈衝數量正常狀態下可定為使用者睜眼時121之距離數值410，此為睜眼脈衝數量範圍420參考，進而顯示本發明另一技術特徵：透過檢測紅外光脈衝反射數量數據是否位於眼瞼打開的睜眼狀態的脈衝數量範圍，依此檢測睜眼此特定之眼睛睜閉；參照〔圖1〕與〔圖4〕，眼睛閉上可細分為無意識眨眼的閉眼122與故意眨眼的閉眼或長時間的閉眼120，因無意識眨眼的閉眼其眼瞼闔上時，未完全到位且速度快，故相對故意眨眼的閉眼412測得距離較遠而有較低的反射脈衝數量411；本發明實施例以故意閉眼動作120收取閉眼時紅外光反射脈衝數量數值412，再根據實驗或經驗值(眼皮厚度約0.5~2公釐)得出無意識閉眼122紅外光反射脈衝數量數值411，此為閉眼脈衝數量範圍421參考，進而顯示本發明另一技術特徵：檢測其落在閉眼脈衝數量範圍421的相對位置，來判定該閉眼為無意識眨眼之閉眼或非無意識眨眼之閉眼之特定之眼睛睜閉；根據確定之特定之眼睛睜閉可以單一特定之眼睛睜閉，或是一序列特定之眼睛睜閉組合進行電腦運算或訊號傳輸，例如以睜眼動作加上故意眨眼的閉眼動作，再加上睜眼動作，即為故意的眨眼動作，以此眨眼動作傳輸控制信號，形成人機介面。
參照如〔圖4〕，眼睛事件中，有意識眨眼、無意識的眨眼或長時間的閉眼除了閉眼程度的距離變化不同，還有持續時間長短的分別；人類無意識眨眼的閉眼與張眼時間422約為100ms，故超過此時間的閉眼423即與有意識的眨眼事件或長時間的閉眼；以此形成本發明之另一特徵：檢測特定之眼睛睜閉 持續時間數據是否在特定眼睛事件的持續時間範圍內，以確定該特定之眼睛事件；有意識的眨眼事件之閉眼的時間範圍較佳為100ms至2s，若超過此時間範圍413代表使用者疲勞或是進入異常活動狀態如打瞌睡事件等；成年人自然眨眼頻率約為15次/分，故一次眨眼循環約為4秒，若檢測超出正常眨眼循環時間的睜眼代表可能淚液蒸發補充不足，眼部健康風險升高之眼睛事件；皆可透過電腦運算傳遞訊號進行警告步驟S61；。
若偵測紅外光反射脈衝數量數值長時間超出感測器範圍414，則定義為使用者取下進入休息事件，裝置可透過電腦運算傳遞訊號紀錄使用時間，並自動切換省電模式。
若偵測紅外光反射脈衝數量數值超過眼睛睜閉的感測範圍，則定義為固定位置偏移事件(鏡架滑動)，需透過電腦運算傳遞訊號再重新回到校正步驟S2。
以上設定的步驟S2完成後，進入持續量測步驟S3，即持續收取並檢測近接感測器10發射紅外光至眼部反射的紅外光脈衝數量數值。若系統偵知眼睛事件為故意眨眼事件，則透過電腦運算傳遞訊號進入對應步驟S52並啟動人機介面S62：經由處理器程式發送開或關(0與1)的訊號，微控制器與藍牙協議525(詳見LED Button Service)可利用該訊號讓使用者以無線或有線的方式控制外部元件S7形成基礎人機介面S62。
系統除偵知特定之眼睛事件外，可持續收集與存儲睜閉眼的頻率S51供使用者進行眼睛使用狀況追蹤；警告超出範圍時之步驟S61可利用透過電腦運算傳遞訊號以線路連接系統的震動(馬達524)，聲(喇叭523)，光(LED522)警報即時通知使用者；更 可經由有線或無線傳輸資料至手機或電腦(詳見WIFI與藍牙UART Service)內進行即時或長時間資料分析。
本發明之另一實施例為以近接感測器10之光接收器102測得環境光強度(詳見Ambient Light Sensor或Proximity sensor技術手冊)數據，不須額外安裝感測器，據研究(近視病防治介入研究)，戶外活動對於近視者的度數控制有著30%的效益，每日戶外活動超過一小時的學生，其近視比例有明顯之降低，結合環境光強度即時偵測與長期統計記錄使用者活動環境狀況，以追蹤控制眼睛健康。
本發明之另一實施例為以偵測眼瞼動作穿戴式裝置加上時間程序(詳見藍牙時間協議Current Time Service)，可藉大數據收集，以深入了解改善季節與每日早晚的變化對眼睛保健的影響，如每日、每季、每年或每人的眨眼頻率變化或是眼睛使用時間之比較。
本發明之另一實施例為將以偵測眼瞼動作穿戴式裝置以線路連接其他偵測器，如動作感測器511(詳見IMU Sensor技術手冊)，偵測頭部運動的三軸數據為鼠標移動，故意眨眼事件為按鍵點擊，利用藍牙協議525(詳見藍牙Human Interface Device Service)由頭部與眨眼事件等人機介面，提供無線滑鼠功能供控制外部系統使用。
熟習本發明技術之人士應清楚瞭解本發明並不受限於上述說明性實施方式的細節，本發明得以其他特定形式實施而不脫離本發明之基本屬性，實施方式僅係說明本發明，而非限制本發明，本發明已申請專利範圍為依據，而非以上述說明為依據，申請專利範圍之意義及均等範圍中之所有變型均屬本發明之範圍。
10:近接感測器
101:光發射燈
102:光接收燈管
120:眼瞼完全閉闔時的光反射面
121:睜眼時的光反射面
122:無意識眨眼時眼瞼閉闔的光反射面
13:光脈衝波之開關波型
131:光脈衝波之反射波

Claims (6)

  1. 一種以近接感測器檢測眨眼之方法，係包括：由至少一近接感測器，監測所述近接感測器與至少一眼部區域的距離變化，其中所述之近接感測器用於產生表示所述近接感測器與所述眼部區域之距離的反射脈衝光數量數據；並且其中所述之近接感測器與頭部穩固相連；以及根據所述之反射脈衝光數量數據檢測眼瞼開闔，其中檢測眼瞼開闔包括於光數量數據中，確定對應的特定之眼睛睜閉；並基於特定之眼睛睜閉執行至少一個電腦運算。
  2. 如請求項1所述之方法，其中檢測眼瞼開闔更包括於所述之反射脈衝光數量數據中，確定對應的特定之眼睛事件，其中確定特定之眼睛事件包括：基於特定之眼睛睜閉計算其持續時間數據，以及於特定之眼睛睜閉之持續時間數據中，確定對應的特定之眼睛事件；並且其中執行至少一個電腦運算更包括：基於特定之眼睛事件執行至少一個電腦運算。
  3. 如請求項2所述之方法，其中所述的近接感測器更用於產生表示所述眼部區域的環境光強度數據；以及根據所述之環境光強度數據檢測環境種類，其中檢測環境種類包括於光強度數據中，確定對應的戶外與室內環境；且其中檢測所述特定之眼睛事件，進一步與所述之環境種類結合。
  4. 一種以近接感測器檢測眨眼之系統，係包括：至少一近接感測器；至少一固定機構，將所述之近接感測器與頭部穩固相連接；計算機可讀介質；程序指令，其被存儲到計算機可讀介質並且可由至少一個處理器處理以執行包括以下功能：由所述之近接感測器，監測所述近接感測器與至少一眼部區域的距離變化，其中所述的近接感測器用於產生表示所述近接感測器與所述眼部區域之距離的反射脈衝光數量數據；以及根據所述之反射脈衝光數量數據檢 測眼瞼開闔，其中檢測眼瞼開闔包括於光數量數據中，確定對應的特定之眼睛睜閉；並基於特定之眼睛睜閉執行至少一個電腦運算。
  5. 如請求項4所述之系統，其中檢測眼瞼開闔更包括於所述之反射脈衝光數量數據中，確定對應的特定之眼睛事件，其中確定特定之眼睛事件包括：基於特定之眼睛睜閉計算其持續時間數據，以及於特定之眼睛睜閉之持續時間數據中，確定對應的特定之眼睛事件；並且其中執行至少一個電腦運算更包括：基於特定之眼睛事件執行至少一個電腦運算。
  6. 如請求項5所述之系統，其中所述的近接感測器更用於產生表示所述眼部區域的環境光強度數據；以及根據所述之環境光強度數據檢測環境種類，其中檢測環境種類包括於光強度數據中，確定對應的戶外與室內環境；且其中檢測所述特定之眼睛事件，進一步與所述之環境種類結合。
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