一种电容式眨眼检测装置和方法与流程

本发明属于人机交互，尤其涉及一种电容式眨眼检测装置和方法。

背景技术：

1、眨眼是人体重要的生理活动。一方面，眨眼可以对人体的压力状态、疲劳程度进行及时的判定。另一方面，眨眼也是一个重要的人机交互手段，人可以通过眨眼表达自身各种意图。

2、当前主流的眨眼监测方案主要基于各种传感器，如rgb摄像头，多普勒雷达、eeg(electroencephalogram，脑电波)等。然而，上述方案均存在一定成本、功耗、可靠性、易得性、便捷性等问题，导致眨眼监测当前未能普及。典型地，基于rgb摄像头的方案需要消耗较多的计算资源，且对环境光比较敏感，最重要地，需要采集人眼部图像，涉及隐私问题，难以被用户广泛接受。基于多普勒雷达的方案，体积较大，不适宜安装在人眼前方，若安装在其他地方，则在人眼位置变化时，无法做出及时反应。基于eeg的方案，需要在人的头皮固定测量电极阵列，并涂抹导电膏，使用上存在较大不便。

3、眨眼检测对技术路线要求非常高，一方面，要有较高的检测精度，同时，还要有较低的运算负荷与能耗以满足使用要求，较小的体积以保证使用者的佩戴舒适度，同时兼顾用户隐私。如何有效满足多种使用要求，目前尚无成熟的技术方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种电容式眨眼检测装置和方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电容式眨眼检测装置，所述装置包括第一极板、第二极板、第一测量电路、第二测量电路和微控制单元；

3、所述第一极板位于用户的左眼的正前方，所述用户的左眼的另一端等效接地；第一极板与用户的左眼构成第一等效电容器；

4、所述第二极板位于用户的右眼的正前方，所述用户的右眼的另一端等效接地；第二极板与用户的右眼构成第二等效电容器；

5、所述第一极板通过导线与第一测量电路连接；

6、所述第二极板通过导线与第二测量电路连接；

7、所述第一测量电路包括第一振荡器、第一fdc2214芯片、第一电感器和第一电容器；所述第一电感器、第一电容器与第一等效电容器并联，构成第一等效并联电路；所述第一等效并联电路与第一fdc2214芯片连接；所述第一振荡器与第一fdc2214芯片连接；所述第一fdc2214芯片在第一振荡器的作用下，第一向等效并联电路向第一等效并联电路发送第一高频信号波，并实时接收第一回波信号；

8、所述第二测量电路包括第二振荡器、第二fdc2214芯片、第二电感器和第二电容器；所述第二电感器、第二电容器与第二等效电容器并联，构成第二等效并联电路；所述第二等效并联电路与第二fdc2214芯片连接；所述第二振荡器与第二fdc2214芯片连接；所述第二fdc2214芯片在第二振荡器的作用下，第二向等效并联电路向第二等效并联电路发送第二高频信号波，并实时接收第二回波信号；

9、所述第一测量电路和第二测量电路与微控制单元分别通过iic协议进行通信；

10、所述微控制单元包括数据接收模块、数据处理模块和结果输出模块。

11、进一步地，所述极板采用低电阻、高透光材料。

12、进一步地，所述导线采用铜线或银线。

13、本发明还提供了一种电容式眨眼检测方法，具体包括以下子步骤：

14、(1)将第一极板放置于用户的左眼的正前方，并将第二极板放置于用户的右眼的正前方，随后打开电容式眨眼检测装置的电源，开始对用户是否眨眼进行检测；

15、(2)第一fdc2214芯片在第一振荡器的作用下，向第一等效并联电路发送第一高频信号波，并实时接收第一回波信号，随后第一fdc2214芯片将第一回波信号通过iic协议通信给微控制单元；

16、同时第二fdc2214芯片在第二振荡器的作用下，向第二等效并联电路发送第二高频信号波，并实时接收第二回波信号，随后第二fdc2214芯片将第二回波信号通过iic协议通信给微控制单元；

17、(3)微控制单元中的数据接收模块接收到第一回波信号和第二回波信号并传输给数据处理模块进行处理；

18、(4)数据处理模块分别对第一回波信号和第二回波信号进行滤波、高斯权重插值、微分、单眼眨眼识别和双眼眨眼识别；

19、滤波：原始采集信号含有两类噪音：环境产生的高频噪音和采集设别偏离所产生的低频噪音；两类噪音均会对测量结果产生干扰，需要进行滤波处理；采用带通滤波器对第一回波信号进行滤波处理，过滤到2.5～5hz之外的高频噪音和低频噪音，得到第一过滤后的信号；并采用带通滤波器对第二回波信号进行滤波处理，过滤到2.5～5hz之外的高频噪音和低频噪音，得到第二过滤后的信号；

20、高斯权重插值：传感器获取到的原始数据周期存在一定程度的波动，对后期计算产生不良影响，因此，首先需要对原始数据进行插值处理；具体操作上，假设数据采集周期为t，针对第一过滤后的信号，则在(n-1)t～nt时刻内的电容值为其周围一定区域内电容值的权重和：

21、

22、其中，n表示时间周期的个数；f1(t)表示t时刻下第一测量电路测得的电容值，由第一过滤后的信号计算得到；fnt(t)表示第n个时间周期下t时刻的权重值；

23、权重值的大小符合如下高斯分布：

24、

25、针对第二过滤后的信号，则在(n-1)t～nt时刻内的电容值为其周围一定区域内电容值的权重和：

26、

27、其中，f2(t)表示t时刻下第二测量电路测得的电容值，由第二过滤后的信号计算得到；

28、微分：并对电容值进行微分，得到第一微分后的信号f1′(nt)：

29、

30、对电容值进行微分，得到第一微分后的信号f1′(nt)：

31、

32、单眼眨眼识别：对第一微分后的信号进行分析，首先进行单眼眨眼检测；当在时间阈值tthreshold内第一微分后的信号接连出现高、低两个峰值，并满足判定依据一定条件，认为人的左眼出现了眨眼动作；所述判定依据：

33、

34、其中，ftop表示微分信号的上阈值；fbottom表示微分信号的下阈值；t1表示在任意时间段tthreshold内微分后的信号出现高峰值时的时间，t2表示在任意时间段tthreshold内微分后的信号出现低峰值时的时间；

35、并计算得到t1时刻至t2时刻之间的左眼置信度：

36、

37、对第二微分后的信号进行分析，首先进行单眼眨眼检测；当在时间阈值tthreshold内第二微分后的信号接连出现高、低两个峰值，并满足判定依据一定条件，认为人的右眼出现了眨眼动作；所述判定依据：

38、

39、双眼眨眼识别：

40、并计算得到t1时刻至t2时刻之间的右眼置信度：

41、

42、双眼眨眼识别：求取单眼眨眼的置信度后可进行双眼眨眼的置信度计算，其具体计算方法为左、右两眼眨眼的置信度乘积，计算公式如下：

43、conf＝conf1×conf2；

44、置信度越高，则发生眨眼的可能性越大；

45、(5)结果输出模块采用标准通信协议将识别结果输出到外围设备，完成对用户眨眼的检测

46、本发明的有益效果是：在充分保证使用者隐私的情况下，实现低功耗、非接触、高精度的眨眼检测。