基于眼電的字符輸入系統(tǒng)①

唐秀雯,李享運(yùn),陳廣源,潘家輝

(華南師范大學(xué) 軟件學(xué)院,佛山 528225)

1 引言

1.1 研究背景

重度運(yùn)動(dòng)障礙疾病患者,除了視覺和眼周肌肉外,機(jī)體的各運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)均受到不同程序的損害,無法進(jìn)行自主運(yùn)動(dòng),該類患者基本喪失了與外界交流的能力.盡管目前的醫(yī)療水平在不斷提高,可以幫助運(yùn)動(dòng)神經(jīng)受損的患者延長(zhǎng)生命,但是由于他們不能自主地與外界進(jìn)行通訊,生活質(zhì)量沒有得到提高,也給家庭和社會(huì)帶來了負(fù)擔(dān).在我國(guó)作為擁有運(yùn)動(dòng)障礙疾病患病人群和病種數(shù)最多的國(guó)家之一的背景下,讓重度運(yùn)動(dòng)障礙患者重獲與外界交流溝通的能力具有更加重要的現(xiàn)實(shí)研究意義.

1.2 研究現(xiàn)狀

(1)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在近年來一系列醫(yī)療康復(fù)相關(guān)科學(xué)研究突破的推動(dòng)下,提出了一系列的無障礙人機(jī)交互的解決方案,使得使用者不依賴肢體的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的交互.目前比較成熟的技術(shù)有:基于肌電(ElectroMyoGram,EMG)的交互技術(shù)、基于腦電的腦機(jī)接口(Brain-Computer Interface,BCI)技術(shù)和基于眼電(Electro-OculoGram,EOG)的交互技術(shù)等利用生物電信號(hào)的人機(jī)交互技術(shù).例如在肌電交互技術(shù)中,重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的張毅等人實(shí)現(xiàn)了基于SEMG控制的智能輪椅無障礙人機(jī)交互系統(tǒng)[1].在腦機(jī)接口技術(shù)方面,浙江大學(xué)的邱桐實(shí)現(xiàn)了基于腦機(jī)接口的智能病床運(yùn)動(dòng)控制器研究[2].華南理工大學(xué)的李遠(yuǎn)清、張瑞等人將導(dǎo)航路徑規(guī)劃與腦機(jī)接口技術(shù)結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)了輪椅的自動(dòng)控制[3].在3種交互技術(shù)中,眼電交互最易于被接受,主要有3個(gè)方面的原因:(1)大部分肢體障礙患者的眼周肌肉功能并沒有隨之喪失,仍能靈活的使用眼睛.(2)眼電信號(hào)時(shí)域特征明顯,易于被檢測(cè),識(shí)別正確率較高.(3)信號(hào)采集相對(duì)容易且采集眼電的設(shè)備相較采集腦電的設(shè)備涉及更少電極,在部署采集裝置時(shí)成本更低、更加方便.因此,在這幾種無障礙人機(jī)交互方式中,基于眼電的交互系統(tǒng)是一種相對(duì)來說較受青睞的方式,更具實(shí)用研究?jī)r(jià)值.

(2)基于眼電的無障礙人機(jī)交互研究

眨眼、眼球的運(yùn)動(dòng)、眼睛周圍肌肉的運(yùn)動(dòng)、眼角膜與眼底間的電位差、視網(wǎng)膜上的視覺輸入變化、對(duì)眼球運(yùn)動(dòng)的控制(例如要求受試者不眨眼)等都可以引起眼電.由于眼電圖技術(shù)具有無創(chuàng)性、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易于檢測(cè)且信噪比高等優(yōu)點(diǎn),在上個(gè)世紀(jì)90年代已經(jīng)得到大范圍的研究應(yīng)用.例如,美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)Chen等人研究出利用眼電信號(hào)來操縱機(jī)械臂的系統(tǒng)[4],波士頓大學(xué)Gips教授的團(tuán)隊(duì)研究出利用眼電信號(hào)接發(fā)郵件,發(fā)送信息的配套軟件[5].

目前基于眼電信號(hào)的字符輸入系統(tǒng)主要有清華大學(xué)設(shè)計(jì)的八方向虛擬鍵盤[6].該系統(tǒng)將8個(gè)方向的眼球運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)8個(gè)子菜單,選擇了子菜單后,再通過8個(gè)方向的眼球運(yùn)動(dòng)選擇字符輸出.浙江大學(xué)設(shè)計(jì)的虛擬鍵盤[7],界面中間的黃格代表當(dāng)前選中的字母,使用者利用自己的眼動(dòng)來控制虛擬鍵盤的移動(dòng),并通過有意識(shí)的眨眼來選擇字母.還有重慶大學(xué)的基于眼電編碼的無障礙人機(jī)交互系統(tǒng)[8],使用者通過記憶字符對(duì)應(yīng)的眼部動(dòng)作,在注視目標(biāo)示意圖時(shí)通過眼球掃視運(yùn)動(dòng)完成字符輸入.

上述系統(tǒng)的信息傳輸速率和正確率均達(dá)到了使用水準(zhǔn),但此類方法所開發(fā)的相關(guān)系統(tǒng)也存在一些問題:(1)此類系統(tǒng)要求使用者注意力高度集中才能準(zhǔn)確識(shí)別眼球運(yùn)動(dòng)信號(hào),因此很容易使使用者產(chǎn)生疲勞;(2)該類設(shè)備的成本相對(duì)較高,通常高達(dá)上萬、甚至幾十萬元,而重度運(yùn)動(dòng)障礙疾病患者家里經(jīng)濟(jì)條件普遍困難,很難負(fù)擔(dān)的起這樣昂貴費(fèi)用.

在無障礙人機(jī)交互的字符輸入系統(tǒng)研究中,很多學(xué)者強(qiáng)調(diào)通過改善信號(hào)處理以及分類技術(shù)的來提高字符輸入系統(tǒng)的總體性能,例如信息傳輸率和字符識(shí)別的準(zhǔn)確率,而改變系統(tǒng)的交互模式往往容易被人們所忽視.本文設(shè)計(jì)了一款低成本小于1000元的基于眨眼的字符輸入系統(tǒng),并在交互模式上提出基于區(qū)域閃爍的優(yōu)化字符界面,通過動(dòng)態(tài)閾值方法識(shí)別眨眼信號(hào),完成字符的輸入.

2 基于眼電的字符輸入系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)描述

本文設(shè)計(jì)了一種基于EOG的字符輸入系統(tǒng),流程框架圖如圖1,幫助患有重度運(yùn)動(dòng)功能疾病的病人將腦中所想的信息通過某種輔助手段傳達(dá)出來.整體設(shè)計(jì)思路是設(shè)計(jì)基于區(qū)域閃爍的字符表,在目標(biāo)字符閃爍時(shí)要求使用者進(jìn)行主動(dòng)眨眼,通過布置在眼睛周圍的電極可以記錄到由眨眼造成的電位差,信號(hào)采集模塊采集眼電信號(hào),然后送入微處理芯片,對(duì)眼電信號(hào)進(jìn)行濾波處理和眨眼動(dòng)作檢測(cè),最終將眨眼動(dòng)作解析為命令控制人機(jī)交互界面進(jìn)行字符輸入,達(dá)到與外界無障礙進(jìn)行交流的目的.

圖1 字符輸入流程框架圖

2.2 使用自主眨眼產(chǎn)生的腦電波作為識(shí)別信號(hào)的基本原理

圖2是自主眨眼時(shí)的波形圖.眨眼產(chǎn)生的電信號(hào)高于正常腦電信號(hào),在額電極和其他相鄰電極都可以記錄到這一信號(hào),但是其幅值隨電極遠(yuǎn)離額部而迅速減弱.以佩戴Neuroksy的Mindwave設(shè)備,并使用該品牌下的Mindrec軟件采集到的信號(hào)圖為例,(橫坐標(biāo)從左往右為一段持續(xù)時(shí)間,縱坐標(biāo)代表生物電壓值),可以得出眨眼動(dòng)作產(chǎn)生的電位變化明顯、易于檢測(cè)且信噪比較高.

圖2 自主眨眼時(shí)的波形圖

根據(jù)文獻(xiàn)[9]顯示,自然眨眼和自主眨眼在時(shí)間、幅值等方面都有差異,自主眨眼電位的幅度大于自然眨眼電位.此外,時(shí)間過程不同,自主眨眼的峰值部分持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng).具體不同表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間、波值的范圍和均值、高峰期開始和結(jié)束時(shí)間、半幅、幅度等.因此可以根據(jù)兩者各自的特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分,從而提取出自主眨眼的信號(hào).

2.3 刺激范式設(shè)計(jì)的原理與實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的行列式字符輸入系統(tǒng),其刺激范式采取了字符以行和列為單位按隨機(jī)次序閃爍和重復(fù)多次的round行閃的方式.也有單個(gè)字符依次閃爍的方式.雖然簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn),但整個(gè)輸入過程耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間,同時(shí)要求受試者的注意力高度集中,導(dǎo)致受試者視覺疲勞、視線模糊.本文提出的閃爍方式為基于區(qū)域的、分時(shí)分區(qū)的閃爍方式,同時(shí)字符類型綜合了常用的26個(gè)英文字母、0–9共10個(gè)數(shù)字,4個(gè)特殊標(biāo)點(diǎn)符號(hào).

系統(tǒng)開始運(yùn)行后,將會(huì)進(jìn)行基于區(qū)域的刺激,如圖3.刺激界面被劃分為多個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域內(nèi)的字符按一定的隨機(jī)次序進(jìn)行閃爍,閃爍任務(wù)在區(qū)域分時(shí)執(zhí)行,在整個(gè)系統(tǒng)分區(qū)并行執(zhí)行,提高了系統(tǒng)的傳輸比特率.在不同區(qū)域并行執(zhí)行閃爍任務(wù)時(shí),相鄰兩個(gè)區(qū)域的邊緣字符不會(huì)同時(shí)閃爍,在保證傳輸速率的前提下減少誤差的產(chǎn)生.

圖3 基于區(qū)域的閃爍

在實(shí)現(xiàn)時(shí),首先對(duì)字符表中的每個(gè)字符進(jìn)行編號(hào),在每次生成長(zhǎng)度為len的閃爍序列時(shí),在已編好號(hào)的字符中依次隨機(jī)取字符編號(hào)放入閃爍序列中,并保證新序列首部長(zhǎng)度為interval范圍內(nèi)的值與舊序列尾部不同.

另外,本文還研究了閃爍物件顏色、閃爍間隔時(shí)間、閃爍時(shí)間等交互參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響.閃爍物件的顏色選擇會(huì)在視覺誘發(fā)實(shí)驗(yàn)中起到突出作用,閃爍色與原色彩的色差過大則容易在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生疲勞,色差過小則可能遺漏閃爍過程.經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在系統(tǒng)中采用了黑白的閃爍模式.

閃爍時(shí)間是指字符處于閃爍的時(shí)長(zhǎng),時(shí)長(zhǎng)太短,留給用戶的反應(yīng)時(shí)間也越短,可能導(dǎo)致用戶錯(cuò)過目標(biāo)字符閃爍.閃爍時(shí)間過長(zhǎng),則會(huì)增大閃爍周期,從而影響字符的傳輸效率.但是閃爍間隔時(shí)間略有不同,當(dāng)用戶選定目標(biāo)字符,并處于等待字符閃爍時(shí),主觀意識(shí)是希望目標(biāo)字符盡快閃爍,即要求字符閃爍間隔越小越好,但當(dāng)間隔過小時(shí),就會(huì)出現(xiàn)同一字符重疊閃爍或相鄰字符同時(shí)閃爍的情況,不利于判斷識(shí)別出目標(biāo)字符.經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)參數(shù)后,選定閃爍時(shí)間為750 ms,閃爍間隔時(shí)間為150 ms.

人機(jī)交互的方式為:用戶在安靜的環(huán)境下,佩戴好設(shè)備,坐在離電腦屏幕40 cm左右的椅子或床上,注視屏幕中字符界面所要輸出的字符,在目標(biāo)字符閃爍時(shí)進(jìn)行主動(dòng)眨眼,等待系統(tǒng)界面顯示出目標(biāo)字符,便完成字符的輸入,操作簡(jiǎn)單,方便安全.

2.4 眼電信號(hào)處理流程

2.4.1 眼電信號(hào)的預(yù)處理

在電信號(hào)的采集方面,本文使用Neurosky公司開發(fā)的MindWave設(shè)備,盡管設(shè)備為單極導(dǎo)聯(lián)方式,但它采用了與MindFlex,StarWars Force Trainer,MindTune以及NeuroSky的研究級(jí)產(chǎn)品MindSet相同的生物傳感器.在前額部位(神經(jīng)科學(xué)稱之為FP1區(qū))能夠測(cè)量出可用于研究領(lǐng)域的高精度電信號(hào).硬件采集電信號(hào)及處理的流程見圖4.

圖4 硬件采集系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)圖

MindWave內(nèi)置的ThinkGear傳感器技術(shù)通過放置在前額的一個(gè)傳感器以及放置在耳部的參考電極觸電進(jìn)行腦電波信號(hào)測(cè)量,并通過集成芯片對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理.得到的數(shù)據(jù)值包括信號(hào)強(qiáng)弱、專注度指數(shù)、放松度指數(shù)、原始波值、和眨眼的強(qiáng)度,為后續(xù)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析提供了數(shù)據(jù)支持和便利.

2.4.2 動(dòng)態(tài)閾值算法判斷目標(biāo)字符

對(duì)每個(gè)字符設(shè)置標(biāo)記,根據(jù)每次獲取的眨眼情況給相應(yīng)的字符打上標(biāo)記.字符輸出判定條件為所有標(biāo)記中,標(biāo)記數(shù)量最多的與標(biāo)記數(shù)量次大的滿足動(dòng)態(tài)的閾值,即判斷標(biāo)記數(shù)量最多的字符為目標(biāo)字符.動(dòng)態(tài)的閾值將根據(jù)用戶的個(gè)體差異性進(jìn)行調(diào)整.

設(shè)標(biāo)記序列為TA,則標(biāo)記最多的字符的次數(shù)為TA[max],次大的字符字?jǐn)?shù)為TA[next],滿足目標(biāo)字符輸出的情況如下:

3 實(shí)驗(yàn)方案

3.1 前期準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:NeuroSky MindWave mobile,包含TGAM(ThinkGear AM)模塊,最高支持60 Hz的采集頻率.受試者在進(jìn)行字符輸入.

系統(tǒng)界面:使用Qt Creator 4.3.0平臺(tái)開發(fā).

受試者:男性9名,女性9名,年齡為18～22歲的青年,視力正常或經(jīng)矯正正常.

實(shí)驗(yàn)環(huán)境:通風(fēng)良好,光線和溫度適宜的安靜室內(nèi).

每次實(shí)驗(yàn)開始之前,受試者將會(huì)有一系列的訓(xùn)練和準(zhǔn)備時(shí)間,大約5–10分鐘,從而使受試者降低緊張感、提高注意力、了解實(shí)驗(yàn)規(guī)范并熟悉實(shí)驗(yàn)流程.同時(shí)測(cè)試人員將對(duì)試驗(yàn)方式以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格的控制,以保證一些無關(guān)因素對(duì)眼電信號(hào)采集的結(jié)果帶來干擾.

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

在缺乏使用同一價(jià)位設(shè)備的參考文獻(xiàn),和與應(yīng)用途徑相似的文獻(xiàn)有巨大的設(shè)備成本差異,在精度和性能上可比性較低的情況下,為了驗(yàn)證本文提出的優(yōu)化交互方式和優(yōu)化算法的效果,實(shí)驗(yàn)依照控制變量的方法進(jìn)行.首先控制系統(tǒng)使用相同優(yōu)化算法識(shí)別目標(biāo),以交互方式作為變量,受試者使用不同刺激范式的交互方式做輸入相同字符的3組實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)分為3天進(jìn)行.依次進(jìn)行刺激范式為單次閃爍、行閃爍與列閃爍、基于區(qū)域閃爍的實(shí)驗(yàn).其次控制系統(tǒng)的交互方式為優(yōu)化后的刺激范式,以目標(biāo)識(shí)別算法為變量,分別采用優(yōu)化過的算法和未優(yōu)化過的算法進(jìn)行另外兩組實(shí)驗(yàn),未優(yōu)化過的識(shí)別算法為檢測(cè)到目標(biāo)字符立即輸入,不做重復(fù)多次的驗(yàn)證.

測(cè)試人員完成設(shè)備與PC機(jī)的藍(lán)牙連接,受試者佩戴好設(shè)備并坐在指定位置上后,測(cè)試人員開啟系統(tǒng).屏幕上出現(xiàn)上文描述的黑白字符表,字符表中的字符開始閃爍.受試者心中默認(rèn)選擇想要輸入的字符,等待目標(biāo)字符閃爍,并在目標(biāo)字符閃爍時(shí)做一次自主眨眼.等待系統(tǒng)界面出現(xiàn)這一輪的目標(biāo)字符,即可輸入下一個(gè)目標(biāo)字符.在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,受試者無需刻意抑制自然眨眼.

3.3 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

無障礙人機(jī)交互系統(tǒng)的性能受多種因素的影響,諸如硬件條件、系統(tǒng)范式、應(yīng)用類型等.因此,不同類型的眼電交互系統(tǒng)以及同一眼電交互系統(tǒng)的不同應(yīng)用,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同.

為了全方位地評(píng)估本文研究的基于眼電的字符輸入系統(tǒng),綜合考慮各方面的因素,并參照相關(guān)文獻(xiàn)中的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),采用了如下評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)靈敏度

靈敏度用于評(píng)價(jià)NeuroSky的MindWave設(shè)備在識(shí)別眨眼產(chǎn)生的電位差的能力以及藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)的響應(yīng)能力.由于本文采用的設(shè)備需要通過藍(lán)牙與系統(tǒng)連接,那么靈敏度就是系統(tǒng)性能基本保障.

(2)字符輸入準(zhǔn)確率

字符輸入準(zhǔn)確率是系統(tǒng)的基本性能指標(biāo),用戶在目標(biāo)字符閃爍時(shí)自主眨眼且被識(shí)別出得字符為目標(biāo)字符記為正確情況,其他情況下輸出的字符均無效.

(3)有效字符輸入速率

有效字符輸入速率是系統(tǒng)的重要性能指標(biāo),它表示輸入一個(gè)正確目標(biāo)字符花費(fèi)的平均時(shí)間.與同類字符輸入系統(tǒng)相似,本文用在線實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)信息傳輸速率來衡量字符輸入系統(tǒng)性能的好壞.該指標(biāo)不僅在分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果有利,在用戶的真實(shí)實(shí)時(shí)使用場(chǎng)景下更是根本指標(biāo).

(4)視力負(fù)荷

參考腦力負(fù)荷,本文提出視力負(fù)荷來評(píng)價(jià)受試者完成系統(tǒng)的字符輸入時(shí),視力的疲勞程度.一方面這是用戶體驗(yàn)的直接反映,用戶需要通過眨眼來完成字符輸入,因此在長(zhǎng)時(shí)間的輸入過程中,會(huì)帶來視覺疲憊等不可避免的影響,視力負(fù)荷的高低可以直接反映用戶體驗(yàn)的優(yōu)良,另外可以通過比較不同系統(tǒng)的視力負(fù)荷,直觀地看出本文提出的新型交互方式的在用戶體驗(yàn)上的優(yōu)越性.本文采用NASA開發(fā)的NASA-TLX來對(duì)工作量進(jìn)行多維度的評(píng)估,主要包括腦力需求、體力需求、時(shí)間需求、績(jī)效、努力程度、受挫程度六個(gè)指標(biāo)[10].評(píng)價(jià)每個(gè)指標(biāo)時(shí),將給出一條20等分的直線,用戶在完成實(shí)驗(yàn)后,根據(jù)自己的感受,在每條直線上勾選出相應(yīng)的分?jǐn)?shù),分值越高代表程度越大.然后在15個(gè)指標(biāo)對(duì)子中選出自己認(rèn)為的與工作負(fù)荷關(guān)系較為密切的指標(biāo).

每一指標(biāo)被選中的次數(shù)(0–5次)表示該指標(biāo)在總工作負(fù)荷的權(quán)重.將直線上的位置對(duì)應(yīng)數(shù)字(0–20)與對(duì)應(yīng)權(quán)重相乘即為每個(gè)指標(biāo)的評(píng)分,將所有評(píng)分累加后除以總權(quán)重15即為這個(gè)字符輸入任務(wù)的最后評(píng)分.評(píng)分越高表示用戶完成字符輸入的視力負(fù)荷越高.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及效果分析

控制目標(biāo)識(shí)別算法不變,使用不同交互方式的效果圖5所示,其中x軸表示實(shí)驗(yàn)者編號(hào),y軸表示準(zhǔn)確率.

圖5 不同刺激范式下的準(zhǔn)確率

可以看到,本文提出的交互方式在準(zhǔn)確率上有了很大的提升,平均準(zhǔn)確率達(dá)97.73%,雖然個(gè)別準(zhǔn)確率不足90%,但整體看來基本維持在較高準(zhǔn)確率水平.而傳統(tǒng)的單個(gè)字符閃爍和行閃爍與列閃爍的交互方式則只得到較低準(zhǔn)確率,前者的平均準(zhǔn)確率為66.37%,后者的準(zhǔn)確率為54.26%,且準(zhǔn)確率水平很不穩(wěn)定,表明容易受到外界或?qū)嶒?yàn)者自身干擾.

在輸入速率和用戶視力負(fù)荷上,本文的交互方式也有明顯優(yōu)勢(shì),見圖6和圖7.

圖6 不同刺激范式下的字符輸入速率

圖7 不同刺激范式下的用戶視力負(fù)荷

輸入速率與視力負(fù)荷基本成負(fù)相關(guān),輸入速率高時(shí),用戶花費(fèi)更少的時(shí)間,甚至可以更輕松完成輸入,因此視力負(fù)荷會(huì)較低.本文提出的交互方式獲得了1.95個(gè)/min的平均字符輸入速率,傳統(tǒng)單個(gè)字符閃爍則為1.05個(gè)/min,行閃爍與列閃爍為1.01個(gè)/min,在輸入速率有了大幅提升的同時(shí),并不會(huì)給用戶帶來更重的視力負(fù)荷,本文提出的交互方式的視力負(fù)荷為11.16,傳統(tǒng)單個(gè)字符閃爍則為14.87,行閃爍與列閃爍為15.99.傳統(tǒng)的兩種交互方式的實(shí)力負(fù)荷大致在15–20范圍內(nèi),而新型的交互方式大致在10–15范圍內(nèi),依照NASA-TLX的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來看,新型交互方式在用戶體驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了跨階段的優(yōu)化提升.

在應(yīng)用本文提出的新型交互方式的前提下,以目標(biāo)識(shí)別算法作為變量的兩組實(shí)驗(yàn)的效果如圖8所示.

圖8 不同目標(biāo)識(shí)別算法下的準(zhǔn)確率和輸入速率

簡(jiǎn)單識(shí)別算法為,檢測(cè)到目標(biāo)字符立即輸出,沒有做任何二次的判斷.平均準(zhǔn)確率為73.15%,字符輸入速率為1.23個(gè)/min (這里指有效字符),相較于本文的優(yōu)化的識(shí)別算法獲得的97.73%平均準(zhǔn)確率和1.95個(gè)/min平均輸入速率,可以驗(yàn)證優(yōu)化的目標(biāo)識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)了更高速和更精確的字符輸入.

由于上述所有組別的實(shí)驗(yàn)都使用同一設(shè)備進(jìn)行,因此沒有單獨(dú)測(cè)量每組實(shí)驗(yàn)的平均靈敏度,只針對(duì)使用了優(yōu)化目標(biāo)識(shí)別算法和改進(jìn)的交互方式的實(shí)驗(yàn)組做了一次測(cè)量.平均靈敏度為81.85%,可知設(shè)備與系統(tǒng)的藍(lán)牙連接不能保證百分百的數(shù)據(jù)傳輸,這就解釋了個(gè)別數(shù)據(jù)的急劇變化,或者出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的原因.而在這種情況下,本文提出的字符輸入系統(tǒng)仍能獲得97.73%的準(zhǔn)確率,其優(yōu)越性顯而易見.

5 結(jié)束語

本文主要研究了基于眼電的字符輸入系統(tǒng).由于重度運(yùn)動(dòng)患者即使喪失了機(jī)體大部分的運(yùn)動(dòng)能力,但是眼部仍然可以靈活運(yùn)動(dòng),所以選擇了由眨眼產(chǎn)生的眼電作為識(shí)別信號(hào),并且眼電在時(shí)域和頻域上的特征明顯,易于檢測(cè).在交互方面,提出了基于區(qū)域優(yōu)化的字符閃爍交互方式.對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后可以看出,該交互方式使得在采用精確度不足的低成本設(shè)備時(shí),系統(tǒng)仍能獲得較高的字符輸入速率和識(shí)別準(zhǔn)確率,并使用戶疲勞程度處于可接受范圍內(nèi),對(duì)于幫助家庭困難的重度運(yùn)動(dòng)障礙患者獲得與外界交流的能力具有重要現(xiàn)實(shí)意義.