一種基于紅外探測的眼睛狀態(tài)識別裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種圖像識別方法，特別是一種基于紅外探測的眼睛狀態(tài)識別裝置及 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前已出現(xiàn)多種檢測被測者是否意識清醒并預(yù)警的檢測方法，比如：對行為特征 (頭部運動、眼部運動、凝視方向等）、生理參數(shù)（腦電圖、心電圖、呼吸狀況、肌肉活動等） 的檢測判斷人的意識狀態(tài)。在這些檢測參數(shù)中，眼部運動是應(yīng)用最多的特征，對眼睛狀態(tài)的 識別可用于判斷意識清醒程度。針對眼睛的運動或狀態(tài)，有多種檢測方法。PERCL0S算法 即是對瞳孔直徑、注目凝視、眼球轉(zhuǎn)動、眼睛閉合時間長短等來測檢測眼睛狀態(tài)。虹膜識別 是利用眼部的灰度和形狀信息對眼瞼和眼睫毛遮擋進(jìn)行檢測。對人臉進(jìn)行拍照或者視頻采 集，基于圖像識別的方法從視頻圖像中通過各種算法（如樣本學(xué)習(xí)法、模板匹配法、眼瞼曲 率、灰度投影、統(tǒng)計等）提取出人眼區(qū)域進(jìn)行識別，判斷人眼的閉合狀態(tài)。以上這些方法都 可對人眼進(jìn)行非接觸性檢測，但技術(shù)較為復(fù)雜，運算量大，識別速度取決于圖像處理芯片運 算速度，反應(yīng)速度較慢，體積較大，且實現(xiàn)成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供一種基于紅外探測的眼睛狀態(tài)識別裝置及方法，根據(jù)不同光學(xué)表面對 紅外光的反射率不同的性質(zhì)，通過主動發(fā)射紅外光，探測眼部不同位置反射光強(qiáng)來監(jiān)測眼 部的動作。具備結(jié)構(gòu)簡單、體積小、計算量小、實時性好的特點。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種基于紅外探測的眼睛狀態(tài)識別裝置，包括設(shè)置在眼睛周圍的紅外發(fā)射模塊、 紅外接收模塊，所述紅外發(fā)射模塊、紅外接收模塊連接單片機(jī)模塊，單片機(jī)模塊連接電源模 塊。所述單片機(jī)模塊連接通信模塊、報警模塊。
[0006] 所述單片機(jī)模塊包括信號處理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、計時模塊、調(diào)制模塊；紅外接 收模塊連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接計時模塊，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、計時模塊均連 接信號處理模塊，調(diào)制模塊連接紅外發(fā)射模塊。
[0007] 所述通信模塊為藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊、或者無線WIFI模塊。
[0008] 所述紅外發(fā)射模塊包括紅外發(fā)光二極管L1，用于發(fā)出不可見紅外光束，波長 0. 7 μ m-3 μ m〇
[0009] 所述紅外接收模塊包括紅外接收二極管L2,用于接收由眼睛不同部位反射回的紅 外光，并轉(zhuǎn)換成電信號傳輸給單片機(jī)模塊。
[0010] 所述紅外發(fā)射模塊、紅外接收模塊安裝在眼鏡架上。
[0011] -種基于紅外探測的眼睛狀態(tài)識別方法，包括以下步驟：
[0012] 步驟一：紅外發(fā)射模塊與紅外接收模塊成對放置，均對準(zhǔn)眼睛。
[0013] 步驟二：紅外發(fā)射模塊發(fā)出不可見紅外光，單片機(jī)模塊發(fā)出調(diào)節(jié)脈沖，驅(qū)動紅外光 周期性地照射到眼睛上，紅外光由眼睛不同部位反射，由紅外接收模塊接收并轉(zhuǎn)換為電信 號送給單片機(jī)模塊。
[0014] 步驟三：單片機(jī)模塊以兩倍于調(diào)制信號的頻率，對紅外接收模塊傳出的模擬電信 號進(jìn)行采樣，將模擬電信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號，放入待處理信號緩沖區(qū)，相鄰兩次采樣結(jié)果做減 法處理以去除背景光干擾，再對其結(jié)果做限幅濾波，減小偶然因素引起的脈沖干擾，得到較 平滑的實時紅外光強(qiáng)測量曲線。
[0015] 步驟四：當(dāng)實時紅外光強(qiáng)測量曲線上的值大于預(yù)設(shè)閾值時，判定眼睛處于閉合狀 態(tài)，狀態(tài)標(biāo)志設(shè)為1。當(dāng)實時紅外光強(qiáng)測量曲線的值小于預(yù)設(shè)閾值時，判定眼睛處于睜開狀 態(tài)，狀態(tài)標(biāo)志設(shè)為0。用單片機(jī)模塊自帶的定時計數(shù)器，對狀態(tài)標(biāo)志持續(xù)時間、狀態(tài)標(biāo)志重現(xiàn) 次數(shù)進(jìn)行測量，對連續(xù)相同的狀態(tài)標(biāo)志進(jìn)行計數(shù)即計時，超過限定時間即可判定當(dāng)前人眼 處于閉合狀態(tài)；對一段時間內(nèi)狀態(tài)標(biāo)志1出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行閾值判定，超過閾值，即判定當(dāng)前 人眼處于半睜半閉狀態(tài)；
[0016] 步驟五：當(dāng)人眼閉合狀態(tài)超過限定值時，單片機(jī)模塊發(fā)出控制信號，驅(qū)動報警模塊 進(jìn)行報警，以起到提示作用。
[0017] 步驟六：單片機(jī)模塊把檢測數(shù)據(jù)通過通信模塊傳輸至手機(jī)或其他設(shè)備，以便進(jìn)行 遠(yuǎn)程監(jiān)控或提醒。
[0018] 所述步驟一中，包括定位步驟：先用紅外發(fā)射模塊對準(zhǔn)眼睛發(fā)出紅外光，人眼眨眼 時測試紅外接收模塊的接收光強(qiáng)，有較大變化則定位準(zhǔn)確；否則調(diào)整紅外發(fā)射模塊和紅外 接收模塊的角度，直至對準(zhǔn)為止。
[0019] 所述步驟二中，在一個脈沖周期內(nèi)，低電平時紅外發(fā)射模塊不發(fā)射紅外光，紅外接 收模塊僅接收外界自然光，傳輸?shù)碾娦盘枮楸尘肮鈴?qiáng)度信號；高電平時，紅外發(fā)射模塊發(fā)射 紅外光，紅外接收模塊接收外界自然光及反射的紅外光，傳輸?shù)碾娦盘枮楸尘肮鈴?qiáng)度信號 加上反射紅外光強(qiáng)度信號。
[0020] 本發(fā)明一種基于紅外探測的眼睛狀態(tài)識別裝置及方法，技術(shù)效果如下：
[0021] 1)、檢測對象直接，檢測結(jié)果直觀反映人的意識狀態(tài)，方法上比現(xiàn)有的圖像識別方 法簡單且易于實現(xiàn)。
[0022] 2)、主動紅外光源對人眼覆蓋照射，基于點對面的探測，容易實現(xiàn)且裝置簡單、成 本低。
[0023] 3)、本發(fā)明方法僅對被測目標(biāo)的反射紅外光光強(qiáng)及變化時間做檢測，無其他干擾 因素，檢測及處理速度快，反應(yīng)時間可達(dá)幾百微秒，明顯優(yōu)于現(xiàn)有圖像識別方法。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明的原理連接框圖。
[0025] 圖2是本發(fā)明為實時紅外光強(qiáng)測量曲線。
[0026] 圖3是本發(fā)明的實施例電路圖；其中：
[0027] 圖3 (a)為單片機(jī)模塊4 ;圖3 (b)為電源模塊8 ;圖3 (c)為報警模塊7 ;
[0028] 圖3(d)為紅外發(fā)射模塊2 ;圖3(e)為A/D轉(zhuǎn)換參考電壓模塊；
[0029] 圖3 (f)為紅外接收模塊3 ;圖3 (g)為藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊RDA5868。
【具體實施方式】
[0030] 原理分析：
[0031] 若紅外光源發(fā)光強(qiáng)度為I，它是光源在單位立體角上的光通量。紅外光源的面積為 S，到眼睛的距離為r，眼睛被照射面積為S'，假設(shè)眼瞼被照射面積為，眼角膜被照射面 積為S/，S' =?' +S/。眼瞼與眼角膜對紅外光的反射率是不同的，設(shè)眼瞼反射率為 &，眼角膜反射率為R1，兩者均看成是近似余弦輻射體，則紅外接收器接收到的光強(qiáng)為：
[0032]
為眼睛法線方向 與光源的夾角，U為接收器對眼睛的孔徑角。
[0033] 由上式可知，當(dāng)眼睛睜開時，紅外光大部分照射在眼角膜上，反射回的紅外光強(qiáng)主 要由眼角膜的反射率決定；當(dāng)眼睛閉合時，紅外光大部分照射在眼瞼上，反射回的紅外光強(qiáng) 主要由眼瞼的反射率決定；當(dāng)眼睛半睜半閉時，紅外光部分照射在眼角膜上，部分照射在眼 瞼上，反射回的紅外光強(qiáng)由眼角膜和眼瞼的反射率共同決定。由于眼瞼和眼角膜對紅外光 反射率的不同，使得不同反射面反射回的紅外光強(qiáng)不一致。眼睛睜開時，紅外光基本由角膜 反射，反射光強(qiáng)最大；眼睛閉合時，紅外光基本由眼瞼反射，反射光強(qiáng)最?。谎劬Π氡牥腴] 時，紅外光由角膜和眼瞼部分反射，反射光強(qiáng)介于前二者之間。
[0034] 根據(jù)接收到的光強(qiáng)差異可以判定當(dāng)前人眼的睜開/閉合狀態(tài)。對接收光強(qiáng)的持續(xù) 時間進(jìn)行檢測：正常情況下，人眼睜開，平均2-6秒眨眼1次，每次眨眼用時0. 2~0. 4秒；； 當(dāng)人疲倦時，眼睛基于保護(hù)作用會不由自主地加快眨眼速度，以保證正常的視覺；當(dāng)進(jìn)入更 深一層的疲勞狀態(tài)時，會更加頻繁眨眼或延長眼睛閉合時間。根據(jù)眼睛眼瞼及眼角膜對紅 外光的反射率，當(dāng)人眼在睜眼、閉眼、眨眼及半睜半閉時，不同部位對紅外光反射光強(qiáng)的不 同可檢測出當(dāng)前人眼的閉合狀態(tài)，對不同紅外反射光的變化情況的檢測可當(dāng)前人眼動作狀 態(tài)，由兩者共同判定當(dāng)前人的意識狀態(tài)：清醒或疲勞。
[0035] 如圖2所示，當(dāng)人眼正常睜開時，角膜紅外反射率低，接收到的反射光較小，波形 較平穩(wěn)，眨眼時會產(chǎn)生尖銳的反射峰值；當(dāng)人眼半睜半閉時，接收到的反射光變化較大，且 變化迅速；當(dāng)人眼閉合時，眼瞼反射率高，接收到的反射光較大，波形較平穩(wěn)。因此通過判定 接受光強(qiáng)的波形即可判定當(dāng)前人眼的狀態(tài)。
[0036] 如圖1所示，一種基于紅外探測的眼睛狀態(tài)識別裝置，包括設(shè)置在眼睛1周圍的紅 外發(fā)射模塊2、紅外接收模塊3,所述紅外發(fā)射模塊2、紅外接收模塊3連接單片機(jī)模塊4,單 片機(jī)模塊4連接定位模塊5。所述單片機(jī)模塊4連接通信模塊5、報警模塊6。電源模塊7 為所述各個模塊供電。
[0037] 所述單片機(jī)模塊4包括信號處理模塊4. 1、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4. 2、計時模塊4. 3、調(diào)制 模塊4. 4 ;紅外接收模塊3連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4. 2,模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4. 2連接計時模塊4. 3,所 述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4. 2、計時模塊4. 3均連接信號處理模塊4. 1，調(diào)制模塊4. 4連接紅外發(fā)射 豐旲塊2。
[0038] 所述通信模塊5為藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊、或者無線WIFI模塊。
[0039] 紅外發(fā)射模塊2包括紅外發(fā)光二極管，發(fā)出不可見紅外光束（波長0· 7um-3um)以 圓錐形向前傳播，近圓形截