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        頭眼運動的HMB結(jié)構(gòu)分析

        2012-09-26 02:28:02王長元陳玉龍潘貞貞
        電子設(shè)計工程 2012年22期
        關(guān)鍵詞:前庭頭部總線

        王長元,陳玉龍,潘貞貞

        (西安工業(yè)大學 陜西 西安 710000)

        隨著軟件工程領(lǐng)域研究的發(fā)展,尤其是軟件體系結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展,使利用軟件體系結(jié)構(gòu)的方法來分析和設(shè)計一些復(fù)雜的系統(tǒng)變成可能?;谇巴スδ艿念^眼運動系統(tǒng)是一個較為復(fù)雜的仿生系統(tǒng),它包括復(fù)雜的前庭器官系統(tǒng)和眼動系統(tǒng)。以往對前庭系統(tǒng)研究的方法主要集中在醫(yī)學上的生物學方法和數(shù)學建模的方法,文中將從一個全新的角度,用軟件工程的方法來分析前庭系統(tǒng),并設(shè)計基于前庭功能的頭眼運動系統(tǒng)的HMB體系結(jié)構(gòu)。

        1 頭眼運動系統(tǒng)的生理學結(jié)構(gòu)分析

        生理學上,前庭系統(tǒng)的主要功能可以被描述為:人體在水平方向以任何角度作直線變速運動時,由于耳石膜的慣性,使橢圓囊斑上的毛細胞的纖毛受到牽拉,于是刺激毛細胞,毛細胞興奮后,產(chǎn)生的神經(jīng)沖動經(jīng)前庭系統(tǒng)傳入神經(jīng)中樞,從而產(chǎn)生在這個方向的變速感覺和直線變速反射。頭部的位置變化時,就會引起耳石膜與毛細胞在空間的相對位置的變化,從而拉引相應(yīng)的纖毛產(chǎn)生神經(jīng)沖動,最終由神經(jīng)中樞分析神經(jīng)沖動并提供頭部位置的變化信息。

        人體繞垂直軸作旋轉(zhuǎn)變速運動時,外半規(guī)管內(nèi)的淋巴液由于壓力作用而流動,沖擊壺腹嵴,使其終帽向一側(cè)傾斜。終帽的傾斜引起內(nèi)部毛細胞纖毛彎曲,產(chǎn)生神經(jīng)沖動。有毛細胞產(chǎn)生的神經(jīng)沖動經(jīng)前庭系統(tǒng)傳入神經(jīng)中樞,從而引起繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)感覺和旋轉(zhuǎn)變速運動反射。與外半規(guī)管類似,其它兩對半規(guī)管可接受和它們所處平面相一致的旋轉(zhuǎn)變速運動刺激。最終,前庭神經(jīng)中樞產(chǎn)生的神經(jīng)沖動來支配眼動運動子系統(tǒng)的運動。

        根據(jù)前庭系統(tǒng)的生理學描述,可以用建立模型的方法表示前庭系統(tǒng)中各個器官的功能以及它們之間的協(xié)作機理。前庭系統(tǒng)的生理學結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1顯示前庭系統(tǒng)主要由6大功能模塊構(gòu)成,它們分別是:頭部相對運動子模塊、頭部水平運動子模塊、頭部旋轉(zhuǎn)運動子模塊、前庭神經(jīng)中樞、眼動系統(tǒng)和神經(jīng)沖動。每一個模塊完成上述生理學中所論述的相應(yīng)功能。

        圖1 頭眼運動系統(tǒng)生理學功能結(jié)構(gòu)Fig.1 Physiological structure diagram of the head and eyes movement system

        圖2 頭眼運動系統(tǒng)模Fig.2 Model diagram of the Head eye movement system

        2 頭眼運動系統(tǒng)的HMB模型設(shè)計

        在對前庭系統(tǒng)的物理視圖進行分析后,可以用軟件工程的方法設(shè)計軟件體系結(jié)構(gòu)。所設(shè)計的基于前庭功能的頭眼運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

        本模型主要從層次消息總線的角度用構(gòu)件來描述基于前庭功能的頭眼運動系統(tǒng)。

        主要思想:按照“高內(nèi)聚低耦合”的設(shè)計思想,將每個具有獨立功能的模塊設(shè)計成一個單獨的功能構(gòu)件,然后用一條消息總線把各個功能模塊連接起來,每一個獨立的功能模塊完成一個功能相對獨立的功能。消息總線上傳輸著由各個功能模塊發(fā)出的不同信息,每個模塊只響應(yīng)適合自己處理的信息,然后把處理的結(jié)果發(fā)送到消息總線上,由下一個需要處理的功能模塊來響應(yīng)屬于自己模塊處理的信息并進行處理,再將處理的結(jié)果發(fā)送到消息總線上,直到受控部件響應(yīng)并做出響應(yīng)的響應(yīng)行為。

        模型中各個模塊的具體功能如下:

        系統(tǒng)管理模塊:該模塊的主要功能是從全局的角度對整個系統(tǒng)進行實時的控制和管理,以達到穩(wěn)定運行的目的。例如,當該模塊監(jiān)聽到總線上長時間沒有消息指令傳輸時,該模塊應(yīng)該做出相應(yīng)的調(diào)整以保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。

        初始化部件:主要完成整個系統(tǒng)的初始化工作。

        受控系統(tǒng)信息產(chǎn)生器:響應(yīng)采集信息模塊發(fā)送的信息并產(chǎn)生對“支配部件”支配的信息。系統(tǒng)啟動后首先響應(yīng)“初始化部件”發(fā)來的初始化信息,然后,時刻監(jiān)聽總線上模塊A、B和C發(fā)出的信息,并且立即進行處理,然后把處理的結(jié)果通過消息總線發(fā)送給“受控部件”。

        受控部件:時刻監(jiān)聽總線,響應(yīng)“受控系統(tǒng)信息產(chǎn)生器”發(fā)出的信息做出相應(yīng)的行為。

        A:頭部相對運動子服務(wù):主要響應(yīng)頭部位置的變化并向消息總線上發(fā)送頭部相對位置的信息。

        相對位置判斷器:給出此刻頭部位置相對于上一刻位置的變化信息。

        相對方向判斷器:給出此刻頭部位置相對于上一刻方向的變化信息

        B:頭部旋轉(zhuǎn)運動子服務(wù):主要響應(yīng)頭部旋轉(zhuǎn)運動并向消息總線上發(fā)送頭部旋轉(zhuǎn)運動的信息(例如,加速度和速度)。

        加速度計算器:計算頭部旋轉(zhuǎn)的加速度。

        速度計算器:計算頭部旋轉(zhuǎn)的速度。

        相對方向判斷器:給出相對于上一時刻的方向。

        C:頭部水平運動子服務(wù):主要響應(yīng)頭部水平運動并向消息總線上發(fā)送頭部水平運動的信息。

        D:消息總線:消息總線的作用是把各個功能模塊連接在一起。各個功能模塊響應(yīng)總線上適合自己處理的消息,然后將處理的結(jié)果最終再次發(fā)到消息總線上。

        對圖2中小標號(1~13)的解釋:

        0 :系統(tǒng)讀取配置文件

        1 :初始化系統(tǒng)

        2 :系統(tǒng)調(diào)用“頭部相對位置運動服務(wù)”模塊

        3 :“頭部相對位置運動服務(wù)”模塊向總線發(fā)送服務(wù)

        4 :“相對位置判斷器”向消息支線發(fā)送頭部的相對位置信息

        5 :“相對方向判斷器”向消息支線發(fā)送頭部的相對方向信息

        6 :系統(tǒng)調(diào)用“頭部旋轉(zhuǎn)運動子服務(wù)”模塊

        7 :“頭部相旋轉(zhuǎn)運動子服務(wù)”模塊向總線發(fā)送服務(wù)信息

        8 :調(diào)用“加速度計算器”計算加速度信息

        9 :調(diào)用“速度計算器”計算速度信息

        10:系統(tǒng)調(diào)用“頭部水平運動子服務(wù)”模塊

        11 :“頭部水平運動子服務(wù)”模塊向總線發(fā)送服務(wù)信息

        12 :“眼動系統(tǒng)控制信息產(chǎn)生器” 處理過程 ‘3’,‘7’,‘11’所發(fā)送的信息,并向總線發(fā) 送處理后的支配信息

        13 :“眼動系統(tǒng)部件”響應(yīng)支配信息

        3 HMB在頭眼運動測量系統(tǒng)中的應(yīng)用

        基于層次消息總線的一體化頭眼運動測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由以下復(fù)合構(gòu)件構(gòu)成:頭盔、下位計算機系統(tǒng)、上位測控計算機系統(tǒng)3部分組成。

        其中,復(fù)合構(gòu)件頭部測量系統(tǒng)(頭盔):包括構(gòu)件慣性測量單元、兩路高速相機,主要完成飛行員、駕駛員的頭部運動姿態(tài)、眼動圖像的數(shù)據(jù)采集功能;復(fù)合構(gòu)件下位計算機系統(tǒng):完成將采集到的數(shù)據(jù)重新打包,并采用無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳送至上位測試計算機;復(fù)合構(gòu)件上位測控計算機:完成數(shù)據(jù)分析處理功能;構(gòu)件初始化部件:完成系統(tǒng)的初始化功能,包括系統(tǒng)運行時狀態(tài)的初始化。頭眼運動測量系統(tǒng)HMB結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 頭眼運動測量系統(tǒng)的HMB結(jié)構(gòu)Fig.3 HMB Structure designed diagram of the Head eye movement system

        3.1 復(fù)合構(gòu)件頭部測量系統(tǒng)

        本部分主要由左、右兩路攝像機和姿態(tài)儀組成,完成頭部運動原始數(shù)據(jù)的采集,包括:左攝像機和右攝像機以及姿態(tài)儀的數(shù)據(jù)采集。攝像機:為系統(tǒng)的視頻信息采集部分,下位機系統(tǒng)可以通過攝像機的SN在配置文件中獲得計算機連接的方向,并當攝像機處于正常狀態(tài)時進行被測試人員眼部的運動信息;姿態(tài)儀:為下位機系統(tǒng)提供被測試人員頭部運動的三軸加速度、三向旋轉(zhuǎn)角度。通過姿態(tài)儀可以獲得本測試人員的三軸加速度和四元數(shù)。

        3.2 復(fù)合構(gòu)件下位數(shù)據(jù)采集計算機

        該部分負責對采集到的原始數(shù)據(jù)進行加工,包括:視頻數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)、四元數(shù),然后將這些數(shù)據(jù)打包并發(fā)送至上位檢測計算機。通過這種通用連接方法,上位機可以連接至下位機,獲取下位機傳來的信息。另外,本部分還負責對系統(tǒng)的狀態(tài)進行檢測,包括:兩路攝像機的工作狀態(tài)、姿態(tài)儀的狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性狀態(tài)以及電池電量狀態(tài)檢測。

        3.3 復(fù)合構(gòu)件上位檢測計算機

        本部分實時同步接收人體的頭動和眼動數(shù)據(jù),實時繪制頭動速度曲線與眼動位置曲線,進行頭動與眼動關(guān)系的分析。主要有4個模塊:1)系統(tǒng)自檢系統(tǒng):檢查上位機系統(tǒng)各模塊的功能工作狀態(tài);2)數(shù)據(jù)接收模塊:通過寬帶無線路由器接收下位計算機發(fā)送的數(shù)據(jù);3)數(shù)據(jù)分析處理模塊:根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀,實時分析被測者的嚴冬曲線、頭動曲線和相關(guān)性,計算相關(guān)參數(shù);4)數(shù)據(jù)保存模塊:對已采集的原始頭動、原始眼動信號存儲、回放、凍結(jié)、打印等。

        3.4 構(gòu)件初始化部件

        系統(tǒng)啟動時,對系統(tǒng)部件進行初始化,包括對兩路攝像機和姿態(tài)儀的初始化,以及在系統(tǒng)工作時完成功能性的狀態(tài)定時初始化等功能。

        3.5 標準化消息路由

        該模塊為系統(tǒng)提供消息總線的功能,采集數(shù)據(jù)的復(fù)合構(gòu)件負責把采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到該模塊上,負責分析處理數(shù)據(jù)的復(fù)合子構(gòu)件負責從該模塊獲取數(shù)據(jù)。

        4 結(jié) 論

        上面所設(shè)計的HMB結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于頭眼運動測量系統(tǒng)中。基于這種結(jié)構(gòu)的頭眼運動測量系統(tǒng)是該領(lǐng)域一種全新的研究方法。這種頭眼運動測量裝置已經(jīng)廢棄了傳統(tǒng)運動模擬平臺的束縛,采用一種新的頭眼實時測量解決方案,測試所采集到的前庭功能的數(shù)據(jù),分析頭眼運動的刺激和反應(yīng)之間的關(guān)系。該設(shè)備具有傳播方式的多樣性,檢測設(shè)備高采樣率和調(diào)節(jié)設(shè)備的多自由度,從而提高了檢測的精度,并降低了對刺激裝置的要求,并可擴展到其他需要的平臺。在眼球運動的測量方面,國內(nèi)主要是進行二維的眼動測量,但國外的研究進展一直到三維測量,而本設(shè)備對眼球運動數(shù)據(jù)的測量可以完成三維眼動測量。在這個領(lǐng)域里,進一步提高了測量眼球運動的準確性,也顯示了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計的合理性。

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