Применение электроокулографии для управления указателем компьютерной мыши

В статье описано устройство для снятия электроокулографических сигналов, которое может применяться для управления указателем компьютерной мыши при помощи движений глаз.

Ключевые слова: электроокулография, окулография, глаз, айтрекинг, интерфейс, саккады, EPIC, ZigBee, WBAN.

В современном мире широко распространенной и актуальной является задача определения движений глаз, так как она имеет множество приложений в самых различных областях (маркетинговые исследования, медицинская диагностика и другое). В частности, существует задача управления устройствами при помощи глаз. Устройство, осуществляющее такое управление, позволит управлять средствами передвижения, бытовыми приборами, освещением. Также оно может использоваться в качестве устройства ввода информации при работе с компьютером (например, для перемещения курсора компьютерной мыши), что может существенно облегчить жизнь людям с ограниченными возможностями. По данным Росстата, в настоящее время на каждую тысячу населения РФ приходится около 85 инвалидов, причем из них возможность для выхода в Интернет имеет всего около 15 %. Это обусловлено многими факторами, в том числе недостаточным количеством специализированных аппаратных средств для инвалидов, реализующих интерфейс «человек–компьютер».

Существует несколько методов слежения за направлением взора. Один из них, видеоокулография, используется наиболее часто, но имеет ограничения применимости из-за следующих недостатков: относительно большая вычислительная мощность, невозможность использования при закрытых глазах, нестабильная работа при светлых глазах или при плохом освещении. Другой метод − электроокулографический. Его достоинствами является невысокая вычислительная сложность, дешевизна аппаратуры и небольшое количество ограничений при использовании.

В основе электроокулографического метода лежит использование электрических свойств глазного яблока. По физической природе оно является диполем, в котором сетчатка является отрицательным полюсом, а роговица − положительным [1]. Электрическая ось глазного яблока примерно совпадает с оптической осью, поэтому она может служить индикатором направления взора. При поворотах глазного яблока на коже вокруг глаз возникают «броски» потенциалов. Изменение разности потенциалов между роговицей и сетчаткой обнаруживается через изменение потенциала в тканях, прилегающих к глазнице. Движения глаз регистрируются с помощью электродов, которые устанавливаются крестообразно вокруг глазной впадины. Электроды, расположенные около виска, регистрируют горизонтальную составляющую, электроды, расположенные около верхнего и нижнего края глазной впадины — вертикальную составляющую движений глаз. Когда глаз фиксирован в точке, совпадающей со зрительной осью, электроды расположены примерно одинаково как от положительного роговичного полюса, так и от отрицательного. В этом случае может быть зарегистрирован лишь постоянный положительный потенциал роговицы по отношению к нейтральному электроду. При повороте глаз один из электродов оказывается ближе к положительному полюсу, а другой — к отрицательному. Соответственно, первый электрод становится электроположительным, а второй становится электроотрицательным. Знак потенциала отражает направление, величина изменения разности потенциалов — угол поворота глаз, при этом величина изменения потенциала и угол поворота глаз связаны линейной зависимостью.

Для снятия биопотенциалов глаз возможно использование датчиков EPIC (сокращение от Electric Potential Integrated Circuit, то есть интегральная микросхема для измерения электрического потенциала) от компании Plessey Semiconductors [2]. Эти датчики представляют собой совершенно новую область сенсорных технологий. Они измеряют изменения в электрическом поле аналогично тому, как магнитометр обнаруживает изменения в магнитном поле. Датчики EPIC не требуют механического или резистивного контакта для измерений. EPIC — это бесконтактный электрометр, что подразумевает отсутствие прямого прохождения сигналов постоянного тока извне через входные каскады датчика, подобно электроду затвора МОП-транзистора. Электрод защищен слоем диэлектрического материала, который нанесен на него, чтобы изолировать электрод от измеряемого объекта. Устройство имеет полосу пропускания по переменному току от нескольких десятков до 200 МГц, причем эта характеристика регулируемая и может быть адаптирована в зависимости от конкретного применения. При использовании такого датчика входное сопротивление устройства может быть повышено путем использования компенсационной обратной связи, а входная емкость может быть уменьшена с помощью блокировочных цепей (Рис. 1). Таким образом, удается достичь уровня входной емкости в Ф с входным сопротивлением примерно Ом, при этом обеспечивается минимальное влияние на поле исследуемого объекта и гарантируется наличие только малых токов смещения между датчиком и объектом.

Рис. 1. Блок-схема датчика EPIC

То есть датчики EPIC способны различать уникальные для различных групп мышц потенциалы, что может повысить качество снимаемых сигналов электроокулографии. Они не требуют плотного механического контакта с поверхностью тела человека, поэтому возможно крепление датчиков на оправе очков, что может повысить комфортность при использовании предлагаемого электроокулографического интерфейса.

Известны восемь основных видов движений глаз: тремор, дрейф, микросаккады, саккады, прослеживающие, вергентные, торзионные движения и нистагм [3]. Каждый из них обладает характерными свойствами (амплитудой, скоростью, частотой, траекторией). Полезными в данном случае являются лишь саккады, резкие изменения позиции глаза, отличающиеся высокой скоростью и точностью. Именно они несут информацию об изменениях положений глаз и взгляда человека.

Устройство, реализующее сбор значений окулограммы, оцифровку и анализ саккадических движений работает следующим образом (Рис. 2). Дифференциальный сигнал от каждой пары электродов поступает на вход устройства. Амплитуда сигнала очень мала и обычно лежит в пределах от 0,4 до 1 мВ, поэтому для качественного усиления сигналов с исключением постоянной составляющей используются прецизионные дифференциальные усилители. После усиления сигнал подвергается фильтрации. Полезная часть сигнала лежит в области частот от 0,1 до 30 Гц. Более высокочастотные составляющие сигнала, в которых присутствуют сетевые помехи (50…60 Гц), шумы, возникающие из-за плохого контакта электродов, от сокращения мышц рядом с электродами, а также другие биосигналы необходимо отфильтровать. После фильтрации сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь для преобразования в цифровую форму. Работой схемы управляет микроконтроллер. Он используется для настройки работы схемы, для обработки поступающей информации, а также для отсылки ее по протоколу беспроводной связи ZigBee на компьютер. Сделано это для уменьшения энергопотребления устройства. Анализ данных будет производиться непосредственно компьютером. Кроме того, быстродействие и многозадачность компьютера позволит ускорить процесс.

Рис. 2. Структурная схема устройства

Вместо протокола ZigBee может использоваться беспроводная нательная сеть (WBAN), стандарт IEEE 802.15.6 − это стандарт для беспроводных коммуникационных систем малого радиуса действия, предназначенных для работы в окрестности или внутри тела человека [4]. Сети WBAN поддерживают обширную область приложений медицинской электроники. По сравнению с широко распространенными устройствами ZigBee, WBAN предназначены для более коротких расстояний передачи: от 2 до 5 метров. Но их скорость передачи данных выше, что является большим преимуществом. Также системы WBAN имеют чрезвычайно малое потребление энергии и меньшую излучаемую мощность по сравнению с ZigBee. Это обеспечивает устройству длительный срок автономной службы. Поскольку рабочая среда связана с телом человека, беспроводные нательные сети отвечают требованиям безопасности и дружественны по биологическим параметрам.

Таким образом, описанное устройство является портативным, простым в реализации и относительно недорогим. Оно может существенно повысить качество жизни людям с ограниченными возможностями. Так как обработка полученных сигналов производится непосредственно на компьютере, путем разработки соответствующего программного обеспечения возможно использование данного устройства не только для передвижения указателя мыши, но и для управления различными бытовыми приборами.

Литература:

1.                  Шамшинова А. М., Волков В. В. Функциональные методы исследования в офтальмологии. — М.: Медицина 1999.

2.                  Бекмачев, А. Датчики Epic от Plessey Semiconductors — прорыв в сенсорных технологиях /А. Бекмачев //Компоненты и технологии. − 2013. − № 1.

3.                  Барабанщиков, В. А. Методы регистрации движений глаз: теория и практика/В. А. Барабанщиков, А. В. Жегалло //Психологическая наука и образование. − 2010. − № 5

4.                  Дмитриев А. С. Сверхширокополосные беспроводные нательные сенсорные сети / А. С. Дмитриев [и др.] // Радиотехника и электроника. − 2013. − Т. 58, № 12.