CN105006105A - 一种基于红外探测的眼睛状态识别装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于红外探测的眼睛状态识别装置及方法，包括设置在眼睛周围的红外发射模块、红外接收模块，所述红外发射模块、红外接收模块连接单片机模块，单片机模块连接定位模块。所述单片机模块连接通信模块、报警模块。本发明一种基于红外探测的眼睛状态识别装置及方法，根据不同光学表面对红外光的反射率不同的性质，通过主动发射红外光，探测眼部不同位置反射光强来监测眼部的动作。具备结构简单、体积小、计算量小、实时性好的特点。

Description

一种基于红外探测的眼睛状态识别装置及方法

技术领域

本发明涉及一种图像识别方法，特别是一种基于红外探测的眼睛状态识别装置及方法。

背景技术

目前已出现多种检测被测者是否意识清醒并预警的检测方法，比如：对行为特征(头部运动、眼部运动、凝视方向等)、生理参数(脑电图、心电图、呼吸状况、肌肉活动等)的检测判断人的意识状态。在这些检测参数中，眼部运动是应用最多的特征，对眼睛状态的识别可用于判断意识清醒程度。针对眼睛的运动或状态，有多种检测方法。PERCLOS算法即是对瞳孔直径、注目凝视、眼球转动、眼睛闭合时间长短等来测检测眼睛状态。虹膜识别是利用眼部的灰度和形状信息对眼睑和眼睫毛遮挡进行检测。对人脸进行拍照或者视频采集，基于图像识别的方法从视频图像中通过各种算法(如样本学习法、模板匹配法、眼睑曲率、灰度投影、统计等)提取出人眼区域进行识别，判断人眼的闭合状态。以上这些方法都可对人眼进行非接触性检测，但技术较为复杂，运算量大，识别速度取决于图像处理芯片运算速度，反应速度较慢，体积较大，且实现成本较高。

发明内容

本发明提供一种基于红外探测的眼睛状态识别装置及方法，根据不同光学表面对红外光的反射率不同的性质，通过主动发射红外光，探测眼部不同位置反射光强来监测眼部的动作。具备结构简单、体积小、计算量小、实时性好的特点。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于红外探测的眼睛状态识别装置，包括设置在眼睛周围的红外发射模块、红外接收模块，所述红外发射模块、红外接收模块连接单片机模块，单片机模块连接电源模块。所述单片机模块连接通信模块、报警模块。

所述单片机模块包括信号处理模块、模数转换模块、计时模块、调制模块；红外接收模块连接模数转换模块，模数转换模块连接计时模块，所述模数转换模块、计时模块均连接信号处理模块，调制模块连接红外发射模块。

所述通信模块为蓝牙数据传输模块、或者无线WIFI模块。

所述红外发射模块包括红外发光二极管L1，用于发出不可见红外光束，波长0.7μm-3μm。

所述红外接收模块包括红外接收二极管L2，用于接收由眼睛不同部位反射回的红外光，并转换成电信号传输给单片机模块。

所述红外发射模块、红外接收模块安装在眼镜架上。

一种基于红外探测的眼睛状态识别方法，包括以下步骤：

步骤一：红外发射模块与红外接收模块成对放置，均对准眼睛。

步骤二：红外发射模块发出不可见红外光，单片机模块发出调节脉冲，驱动红外光周期性地照射到眼睛上，红外光由眼睛不同部位反射，由红外接收模块接收并转换为电信号送给单片机模块。

步骤三：单片机模块以两倍于调制信号的频率，对红外接收模块传出的模拟电信号进行采样，将模拟电信号转成数字信号，放入待处理信号缓冲区，相邻两次采样结果做减法处理以去除背景光干扰，再对其结果做限幅滤波，减小偶然因素引起的脉冲干扰，得到较平滑的实时红外光强测量曲线。

步骤四：当实时红外光强测量曲线上的值大于预设阈值时，判定眼睛处于闭合状态，状态标志设为1。当实时红外光强测量曲线的值小于预设阈值时，判定眼睛处于睁开状态，状态标志设为0。用单片机模块自带的定时计数器，对状态标志持续时间、状态标志重现次数进行测量，对连续相同的状态标志进行计数即计时，超过限定时间即可判定当前人眼处于闭合状态；对一段时间内状态标志1出现的次数进行阈值判定，超过阈值，即判定当前人眼处于半睁半闭状态；

步骤五：当人眼闭合状态超过限定值时，单片机模块发出控制信号，驱动报警模块进行报警，以起到提示作用。

步骤六：单片机模块把检测数据通过通信模块传输至手机或其他设备，以便进行远程监控或提醒。

所述步骤一中，包括定位步骤：先用红外发射模块对准眼睛发出红外光，人眼眨眼时测试红外接收模块的接收光强，有较大变化则定位准确；否则调整红外发射模块和红外接收模块的角度，直至对准为止。

所述步骤二中，在一个脉冲周期内，低电平时红外发射模块不发射红外光，红外接收模块仅接收外界自然光，传输的电信号为背景光强度信号；高电平时，红外发射模块发射红外光，红外接收模块接收外界自然光及反射的红外光，传输的电信号为背景光强度信号加上反射红外光强度信号。

本发明一种基于红外探测的眼睛状态识别装置及方法，技术效果如下：

1)、检测对象直接，检测结果直观反映人的意识状态，方法上比现有的图像识别方法简单且易于实现。

2)、主动红外光源对人眼覆盖照射，基于点对面的探测，容易实现且装置简单、成本低。

3)、本发明方法仅对被测目标的反射红外光光强及变化时间做检测，无其他干扰因素，检测及处理速度快，反应时间可达几百微秒，明显优于现有图像识别方法。

附图说明

图1是本发明的原理连接框图。

图2是本发明为实时红外光强测量曲线。

图3是本发明的实施例电路图；其中：

图3(a)为单片机模块4；图3(b)为电源模块8；图3(c)为报警模块7；

图3(d)为红外发射模块2；图3(e)为A/D转换参考电压模块；

图3(f)为红外接收模块3；图3(g)为蓝牙数据传输模块RDA5868。

具体实施方式

原理分析：

若红外光源发光强度为I，它是光源在单位立体角上的光通量。红外光源的面积为S，到眼睛的距离为r，眼睛被照射面积为S′，假设眼睑被照射面积为S_L′，眼角膜被照射面积为S_J′，S′＝S_L′+S_J′。眼睑与眼角膜对红外光的反射率是不同的，设眼睑反射率为R_L,眼角膜反射率为R_J,两者均看成是近似余弦辐射体，则红外接收器接收到的光强为：

$E=\underset{S_L^{\′}}{\∫}\underset{S}{\∫}{R}_L{\sin }^{2}U\×\frac{{\mathrm{Ids}}^{\′}}{\cos i\×ds}+\underset{S_J^{\′}}{\∫}\underset{S}{\∫}{R}_J{\sin }^{2}U\×\frac{{\mathrm{Ids}}^{\′}}{\cos i\×ds},$ 其中i为眼睛法线方向与光源的夹角，U为接收器对眼睛的孔径角。

由上式可知，当眼睛睁开时，红外光大部分照射在眼角膜上，反射回的红外光强主要由眼角膜的反射率决定；当眼睛闭合时，红外光大部分照射在眼睑上，反射回的红外光强主要由眼睑的反射率决定；当眼睛半睁半闭时，红外光部分照射在眼角膜上，部分照射在眼睑上，反射回的红外光强由眼角膜和眼睑的反射率共同决定。由于眼睑和眼角膜对红外光反射率的不同，使得不同反射面反射回的红外光强不一致。眼睛睁开时，红外光基本由角膜反射，反射光强最大；眼睛闭合时，红外光基本由眼睑反射，反射光强最小；眼睛半睁半闭时，红外光由角膜和眼睑部分反射，反射光强介于前二者之间。

根据接收到的光强差异可以判定当前人眼的睁开/闭合状态。对接收光强的持续时间进行检测：正常情况下，人眼睁开，平均2-6秒眨眼1次，每次眨眼用时0.2～0.4秒；；当人疲倦时，眼睛基于保护作用会不由自主地加快眨眼速度，以保证正常的视觉；当进入更深一层的疲劳状态时，会更加频繁眨眼或延长眼睛闭合时间。根据眼睛眼睑及眼角膜对红外光的反射率，当人眼在睁眼、闭眼、眨眼及半睁半闭时，不同部位对红外光反射光强的不同可检测出当前人眼的闭合状态，对不同红外反射光的变化情况的检测可当前人眼动作状态，由两者共同判定当前人的意识状态：清醒或疲劳。

如图2所示，当人眼正常睁开时，角膜红外反射率低，接收到的反射光较小，波形较平稳，眨眼时会产生尖锐的反射峰值；当人眼半睁半闭时，接收到的反射光变化较大，且变化迅速；当人眼闭合时，眼睑反射率高，接收到的反射光较大，波形较平稳。因此通过判定接受光强的波形即可判定当前人眼的状态。

如图1所示，一种基于红外探测的眼睛状态识别装置，包括设置在眼睛1周围的红外发射模块2、红外接收模块3，所述红外发射模块2、红外接收模块3连接单片机模块4，单片机模块4连接定位模块5。所述单片机模块4连接通信模块5、报警模块6。电源模块7为所述各个模块供电。

所述单片机模块4包括信号处理模块4.1、模数转换模块4.2、计时模块4.3、调制模块4.4；红外接收模块3连接模数转换模块4.2，模数转换模块4.2连接计时模块4.3，所述模数转换模块4.2、计时模块4.3均连接信号处理模块4.1，调制模块4.4连接红外发射模块2。

所述通信模块5为蓝牙数据传输模块、或者无线WIFI模块。

红外发射模块2包括红外发光二极管，发出不可见红外光束(波长0.7um-3um)以圆锥形向前传播，近圆形截面照射到眼睛1上。当闭眼时，红外光照射到眼睑上；当睁眼时，红外光照射到角膜上；当人眼半睁半闭时，一部分红外光照射到眼睑上，另一部分照射到眼球上。为减少背景光的影响，单片机模块4中调制模块4.4发出方波调制信号，对红外发射器进行调制，调制频率20K—80KHz。红外接收模块3采用红外接收二极管实现，负责接收由眼睛不同部位反射回的红外光，并转换成电信号传给信号处理模块4.1、模数转换模块4.2。单片机模块4根据检测结果对报警模块6进行控制，同时可扩展通信模块5，把检测数据通过无线传输方式(如蓝牙、WIFI)发送至其他设备，以便监测或提醒。

一种基于红外探测的眼睛状态识别方法，实施步骤如下，如图3所示：

步骤1：把红外发射模块2和红外接收模块3固定在眼睛1周围，如安装在眼镜镜架上。安装时，红外发射模块2与红外接收模块3成对放置，均对准眼睛。为了测量发射及接收模块是否对准眼睛，需要对红外发射管L1和红外接收管L2进行定位。先用红外发射管L1对准眼睛1发出红外光，人眼眨眼时测试红外接收管L2的接收光强，有较大变化则定位准确，否则调整红外发射管L1和红外接收管L2的角度直至对准为止。

步骤2：电源模块7中，C1和C2做滤波电容，纽扣电池做电源，以提高装置的移动性，并为包括单片机在内的其他电路提供电源。

步骤3：红外发射管L1发出不可见红外光，电阻R2对红外光的驱动电流进行调节，单片机从PB3引脚发出38KHz调节脉冲，驱动红外光周期性地照射到眼睛上。红外光由眼睛不同部位反射，由红外接收管L2接收并转换为电信号送给单片机的PB4引脚。在一个脉冲周期内，低电平时红外发射管L1不发射红外光，红外接收管L2仅接收外界自然光，传输的电信号为背景光强度信号；高电平时红外发射管L1发射红外光，红外接收管L2接收外界自然光及反射的红外光，传输的电信号为背景光加上反射红外光强度信号。

步骤4：单片机的PB4引脚以两倍于调制信号的频率，对红外接收管L2传出的模拟电信号进行采样。根据A/D转换参考电压模块提供的参考电压VREF，把模拟电信号转成数字信号放入待处理信号缓冲区，相邻两次采样结果做减法处理以去除背景光干扰，再对其结果做限幅滤波。上限可取为眼睑反射光强的1.2倍，下限可取为角膜反射光强的0.8倍，也可取其他值，减小偶然因素引起的脉冲干扰，得到较平滑的实时红外光强测量曲线。

图2即为实时红外光强测量曲线，横轴为实时测量次数，即采样点次数，纵轴为接收光强，此光强值已去除背景光干扰。由图可知，眼睛状态在闭眼、眨眼及半睁半闭时光强曲线是不相同的。闭眼时，红外光由眼睑反射，反射率较高，接收到的光强值高。眨眼时，由于眼睑闭合睁开速度快，接收的光强仅在某次采样或某几次采样是眼睑反射回的光强，光强值高，其余部分接收光强由眼角膜反射，光强值低。半睁半闭时，眼睑频繁扇动，红外光可能既由眼睑反射，又由眼角膜反射，采样的光强值有较频繁的波动，变化明显。

步骤5：对实时红外光强测量曲线进行数据处理。当实时检测曲线上的值大于预设阈值(通常设为睁眼及闭眼测量差值的1/2，也可设定为其他值)时，判定眼睛处于闭合状态，状态标志设为1；当实时检测曲线上的值小于预设阈值时，判定眼睛处于睁开状态，状态标志设为0。用单片机1自带的定时计数器对状态标志持续时间及状态标志重现次数进行测量，对连续相同的状态标志进行计数即计时，超过限定时间(比如：闭眼时间超过0.4秒，即可判定人眼处于闭合状态)即可判定当前人眼处于闭合状态，对一段时间内(如0.1s)状态标志1出现的次数进行阈值判定，超过阈值(如：5-10次)，即判定当前人眼处于半睁半闭状态。

步骤6：当人眼闭合状态超过限定值(如：0.4秒)时，单片机通过PB2引脚发出控制信号驱动蜂鸣器Q1进行报警，以起到提示作用。

步骤7：单片机把检测数据通过串行口PB1发送到蓝牙芯片，由蓝牙数据传输模块RDA5868把数据传输至手机或其他设备，以便进行远程监控或提醒。

Claims (10)

1.一种基于红外探测的眼睛状态识别装置，包括设置在眼睛（1）周围的红外发射模块（2）、红外接收模块（3），其特征在于，所述红外发射模块（2）、红外接收模块（3）连接单片机模块（4），单片机模块（4）连接电源模块（7）。

2.根据权利要求1所述一种基于红外探测的眼睛状态识别装置，其特征在于，所述单片机模块（4）连接通信模块（5）、报警模块（6）。

3.根据权利要求1所述一种基于红外探测的眼睛状态识别装置，其特征在于，所述单片机模块（4）包括信号处理模块（4.1）、模数转换模块（4.2）、计时模块（4.3）、调制模块（4.4）；调制模块（4.4）连接红外发射模块（2）；红外接收模块（3）连接模数转换模块（4.2），模数转换模块（4.2）连接计时模块（4.3），所述模数转换模块（4.2）、计时模块（4.3）均连接信号处理模块(4.1)。

4.根据权利要求1所述一种基于红外探测的眼睛状态识别装置，其特征在于，所述通信模块（5）为蓝牙数据传输模块、或者无线WIFI模块。

5.根据权利要求1所述一种基于红外探测的眼睛状态识别装置，其特征在于，所述红外发射模块（2）包括红外发光二极管L1，用于发出不可见红外光束，波长0.7μm-3μm。

6.根据权利要求1所述一种基于红外探测的眼睛状态识别装置，其特征在于，所述红外接收模块（3）包括红外接收二极管L2，用于接收由眼睛不同部位反射回的红外光，并转换成电信号传输给单片机模块（4）。

7.根据权利要求1所述一种基于红外探测的眼睛状态识别装置，其特征在于，所述红外发射模块（2）、红外接收模块（3）安装在眼镜架上。

8.一种基于红外探测的眼睛状态识别方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：红外发射模块（2）与红外接收模块（3）成对放置，均对准眼睛（1）；

步骤二：红外发射模块（2）发出不可见红外光，单片机模块（4）发出调节脉冲，驱动红外光周期性地照射到眼睛上，红外光由眼睛不同部位反射，由红外接收模块（3）接收并转换为电信号送给单片机模块（4）；

步骤三：单片机模块（4）以两倍于调制信号的频率，对红外接收模块（3）传出的模拟电信号进行采样，将模拟电信号转成数字信号，放入待处理信号缓冲区，相邻两次采样结果做减法处理以去除背景光干扰，再对其结果做限幅滤波，减小偶然因素引起的脉冲干扰，得到较平滑的实时红外光强测量曲线；

步骤四：当实时红外光强测量曲线上的值大于预设阈值时，判定眼睛处于闭合状态，状态标志设为1；

当实时红外光强测量曲线的值小于预设阈值时，判定眼睛处于睁开状态，状态标志设为0；用单片机模块（4）自带的定时计数器，对状态标志持续时间、状态标志重现次数进行测量，对连续相同的状态标志进行计数即计时，超过限定时间即可判定当前人眼处于闭合状态；对一段时间内状态标志1出现的次数进行阈值判定，超过阈值，即判定当前人眼处于半睁半闭状态；

步骤五：当人眼闭合状态超过限定值时，单片机模块（4）发出控制信号，驱动报警模块（7）进行报警，以起到提示作用；

步骤六：单片机模块（4）把检测数据通过通信模块（5）传输至手机或其他设备，以便进行远程监控或提醒。

9.根据权利要求9所述一种基于红外探测的眼睛状态识别方法，其特征在于，所述步骤一中，包括定位步骤：先用红外发射模块（2）对准眼睛（1）发出红外光，人眼眨眼时测试红外接收模块（3）的接收光强，有较大变化则定位准确；否则调整红外发射模块（2）和红外接收模块（3）的角度，直至对准为止。

10.根据权利要求9所述一种基于红外探测的眼睛状态识别方法，其特征在于，所述步骤二中，在一个脉冲周期内，低电平时红外发射模块（2）不发射红外光，红外接收模块（3）仅接收外界自然光，传输的电信号为背景光强度信号；高电平时，红外发射模块（2）发射红外光，红外接收模块（3）接收外界自然光及反射的红外光，传输的电信号为背景光强度信号加上反射红外光强度信号。