Aktuální vydání

celé číslo

04

2024

Průmyslové roboty a automatizace výrobních a montážních linek

celé číslo

Může být oko novým ovládacím prvkem?

Počítače se v posledním desetiletí staly nedílnou součástí běžného lidského života. Aby jej mohli ovládat i motoricky handicapovaní uživatelé, kterým jejich postižení znemožňuje ovládat myš či klávesnici rukama, hledal se vhodný náhradní ovládací prvek. Na katedře kybernetiky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze byl vyvinut systém I4Control®, který umožňuje ovládat počítač pohybem oka. Pohyb tohoto párového lidského orgánu řídí okohybné svaly, které jsou při dystrofickém onemocnění (postupná atrofie svalů) napadány jako poslední. Na katedře kybernetiky vznikl prototyp zařízení a na začátku září 2008 systém I4Control uvedla do prodeje firma Medicton Group s. r. o.
 

Měření pohybu oka

V současné době existuje několik metod měření pohybu oka. Jednou z nejstarších je elektrookulografie (EOG), kdy se snímá pohyb oka prostřednictvím elektrod umístěných na kůži okolo oka. Využívá rozdílné elektrické potenciály rohovky a sítnice, které způsobují při změně polohy oka změny v elektrostatickém poli. Magnetickou obdobou této metody je magnetookulografie (MOG). Pohybem oka v magnetickém poli se mění indukce snímací cívky. Magnetické pole je vytvářeno jednou, popř. dvěma budicími cívkami, podle toho, zda je třeba měřit horizontální i vertikální složku pohybu. Nelze opomenout ani sledování odraženého světla fotodetektorem. Tato metoda využívá skutečnost, že skléra (bílý vazivový obal oka, vpředu přecházející v rohovku) odráží více dopadajícího světla než rohovka. Množství odraženého světla se proto při osvícení oka mění spolu s úhlem jeho natočení.
 
Poslední zde zmíněnou metodou je videookulografie, která ke sledování polohy oka a jeho stavu (otevření či zavření) používá
kameru. Obecně se využívají dva způsoby umístění kamery:
  • kamera je postavena naproti subjektu,
  • kamera je upevněna přímo na hlavě subjektu.
Ve druhém případě je na rozdíl od prvního (absolutního) měřena relativní poloha očí vzhledem k hlavě a k určení absolutního směru je třeba sledovat i polohu hlavy. Pokud je kamera umístěna samostatně, je třeba udržet oko v jejím zorném poli a zároveň odlišit rotaci oka od translačních pohybů hlavy.
 
Systém I4Control (obr. 1) využívá videookulografickou metodu, která zaznamenává pohyby očí a stavy oka kamerou. Jde o jednoduchou, neinvazivní a přitom dostatečně přesnou metodu sledování očních pohybů. Základem zařízení je malá kamera připevněná k brýlové obrubě tak, aby z bezprostřední blízkosti snímala uživatelovy pohyby očí (obr. 2). Je to vlastně levný kamerový modul, který je běžně k dostání na českém trhu. Kamera tohoto typu se nejčastěji používá jako monitorovací součást různých typů hlídacích zařízení. Při výběru kamery byly posuzovány tyto parametry:
  • velikost – co nejmenší, aby kamera zasahovala co nejméně do zorného pole oka,
  • hmotnost – co nejmenší, aby kamera nepřetěžovala brýlovou obrubu,
  • dostatečná přesnost,
  • příznivá cena.
V současné době je kamera připevněna k pravé straně brýlí a snímá pravé oko, nic však nebrání tomu, upevnit ji na druhou stranu. Zvolená strana nemá žádný vliv na funkčnost zařízení. Jelikož je zařízení založeno na snímání pohybu oka kamerou, je důležitým faktorem i osvětlení scény. Aby nebyla funkce zařízení závislá na světelných podmínkách okolního prostředí, je oko přisvětlováno čtyřmi infračervenými diodami, které jsou umístěny v jednotlivých rozích kamerového modulu. Zařízení využívá neionizující infračervené záření na vlnové délce 940 nm se spektrálním rozsahem 880 až 1 040 nm. Toto záření, pro lidský zrak bezpečné, splňuje všechny požadavky kladené nařízením vlády 1/2008 Sb., o ochraně zdraví před neionizujícím zářením. Uvedenou pomůcku je možné využívat i v případě, že uživatel používá ke korekci zraku oční čočky nebo brýle. Do brýlové obruby, která funguje pouze jako nosník kamery, si může uživatel nechat vsadit své dioptrické čočky.
 

Zpracování signálu

Získaný videosignál se přenáší do řídicího modulu, ze kterého jsou data vedena prostřednictvím linky USB a videokabelu přímo do osobního počítače, kde jsou následně zpracována. Jedním z hlavních úkolů řídicího modulu je galvanické oddělení signálů. Tato vlastnost zařízení je dána jeho klasifikací na zdravotnický prostředek třídy I a odpovídající normou pro certifikaci těchto typů zařízení (ČSN EN 60601-1:94, ČSN EN 60601-1-2:03). Požadavky na osobní počítač, ke kterému je zařízení připojeno, nejsou nijak velké. Minimální doporučená konfigurace je Pentium III s taktovací frekvencí 500 MHz, 512 MB paměti a operačním systémem Microsoft Windows 2000 a vyšším. Nezbytným požadavkem jsou minimálně dva volné standardní porty USB k připojení zařízení.
 
Naměřený videosignál je zpracováván a vyhodnocován v osobním počítači. Získaná informace o změně polohy zornice se přímo převede na pohyb počítačového kurzoru. To znamená, že pohybuje-li uživatel okem doprava, počítačový kurzor se pohybuje doprava. Pohybuje-li jím doleva, kurzor se pohybuje doleva. Stav oka, tedy jeho otevření či zavření na určitý časový interval, vyvolá spuštění příslušné akce.
 

Možnosti ovládání kurzoru

Pohyb počítačového kurzoru je ovládán v několika možných variantách. Žádná ovšem neposkytuje způsob ovládání přímým pohledem, tj. přemístění počítačového kurzoru přímo tam, kam se uživatel dívá.
 

Přímé plynulé řízení kurzoru

Základní možností je přímé plynulé řízení počítačového kurzoru v inkrementálním režimu. Uživatel tedy plynule ovládá přímo pohyb kurzoru na monitoru výchylkami z klidové zóny (pohled přímo – obr. 3a). Poloha oka tedy nemá přímý vliv na polohu kurzoru na monitoru, ale určuje pouze směr a délku jeho pohybu (jako páka joysticku). Systém vyhodnotí aktuální polohu zornice oka a podle její pozice mimo klidovou zónu buď vykoná či nevykoná příslušné akce. Je-li detekovaná zornice mimo klidovou zónu (obr. 3b), systém neustále vysílá příkazy pro pohyb kurzoru do příslušného směru (podle aktuální polohy oka v souřadném systému kamery či podle nastavení v příslušném dialogu), dokud se oko do klidové zóny nevrátí. Pohyb kurzoru se tedy přeruší buď návratem oka do klidové zóny nebo pokusem o kliknutí mrknutím (obr. 3c). S využitím volitelné časové konstanty lze odfiltrovat samovolná neovladatelná mrkání.
 
Systém pomocí doprovodného softwaru umožňuje nahrazovat všechny funkce běžné počítačové myši. Zavřením oka na dobu jedné sekundy je provedeno kliknutí a zavření oka na dvě sekundy vyvolá menu doprovodné úlohy, které nabízí rozšiřující funkce. Všechny časové konstanty lze libovolně nastavit podle požadavků zákazníka.
 

Diskrétní řízení kurzoru

Druhou variantou je skokové (diskrétní) řízení počítačového kurzoru v inkrementálním režimu. Pohyb kurzoru je ovládán stejně jako v předchozím případě. Jediným rozdílem je jiný typ pohybu kurzoru. Zatímco v prvním případě se kurzor pohybuje plynule, ve druhém se pohybuje ve skocích. Tento způsob pohybu je možné s výhodou využít u speciálně upravených aplikačních programů, kdy je pro uživatele výhodnější skokové ovládání, např. při psaní na programové klávesnici (kurzor volí přímo celá tlačítka či pohyb v menu).
 

Kalibrace zařízení

Při prvním použití systému I4Control je třeba zařízení kalibrovat, tedy přizpůsobit je fyziologickým parametrům uživatele, např. umístění očí či tvaru a velikosti nosu apod. Kalibrace se spustí automaticky po klepnutí na ikonu aplikace I4Control. Celým kalibračním procesem uživatele provede průvodce kalibrace. V prvním kroku se automaticky vymezuje informačně užitečná část videosignálu. Klientovým úkolem je maximálně vychýlit oko nahoru a dolů, poté kalibrační program červeně označí oblast, která nebude zahrnuta do vyhodnocování polohy zornice. Tento krok je do kalibrace zařazen jednak z důvodu různých fyziognomických parametrů lidské tváře, ale také pro zrychlení práce zařízení (zpracování menšího objemu dat). Ve druhém kroku je detekována velikost zobrazovací plochy a odpovídající výchylky oka. Uživatel je vyzván, aby sledoval blikající čtvereček, pohybující se ze středu do příslušného rohu. Jestliže kalibrace proběhla pro daný směr (roh) správně, čtvereček zmodrá. Nastala-li chyba, čtvereček zčervená a kalibraci je nutné provést znovu. Když vše proběhlo úspěšně, je zařízení připraveno správně pracovat.
 

Ovládací programy

Veškeré aplikační programy se nainstalují za použití průvodce instalací potřebného programového vybavení. Hlavním ovládacím nástrojem je mřížkové menu (obr. 4a), které umožňuje vybírat a potvrzovat jednotlivé příkazy stejně jako v běžném menu pomocí počítačového kurzoru. Pro snadnější a rychlejší ovládání se kurzor nepohybuje plynule, ale skokově po buňkách mřížky. K jednotlivým příkazům je uživateli nabízena interaktivní nápověda v podobě informačního řádku umístěného pod mřížkovým menu. Příkazy v menu se dynamicky mění podle typu právě aktivního programu (obr. 4b).
 
Systém I4Control umožňuje uživateli ovládat jakýkoliv aplikační program ovladatelný standardní počítačovou myší. Funkci pravého tlačítka myši má uživatel možnost zvolit v základním mřížkovém menu v závislosti na konkrétním aplikačním programu. Podmenu nabízí uživateli další možnosti práce s myší, jako je dvojité kliknutí, funkci drag & drop, která simuluje tažení počítačového kurzoru při stisknutém levém tlačítku myši. Uživatel pouze zavřením oka na jednu sekundu označí nejdříve počáteční stav (výběr objektu) a později koncový stav, např. změnu velikosti objektu.
 
Jednou z nejdůležitějších součástí I4Control je programová klávesnice, která nahrazuje psaní na klasické klávesnici. Příkaz k jejímu spuštění je proto umístěn přímo ve středu mřížkového menu a je aktivován zavřením oka na dobu jedné sekundy. Výběr jednotlivých kláves je opět řešen diskrétně stejně jako v případě menu. Jakmile uživatel zvolí pohybem oka, popř. hlavy, správnou klávesu a zavře oko na jednu sekundu, je vybraný znak zaslán na pozici kurzoru do právě aktivní aplikace. Programová klávesnice je snadno modifikovatelná. Uživatel si může změnit rozložení kláves, velikost klávesnice nebo její umístění. Veškerá nastavení jsou uživateli přístupná z příslušného podmenu, aktivovaného dlouhým zavřením oka (po dobu jedné sekundy). Ovládání jednotlivých aplikačních programů je názorně předvedeno prostřednictvím interaktivní videonápovědy.
 

Závěr

Přístroj je možné aktivně používat dvanáct hodin v průběhu celého dne. Po době aktivního užívání musí následovat minimálně stejně dlouhá doba odpočinku.
 
K nesporným výhodám zařízení patří snadná instalace, jednoduchý způsob používání, mobilnost i univerzálnost, neboť je možné je připojit k jakémukoliv počítači prostřednictvím rozhraní USB, a rovněž i nízká cena. V zahraničí již podobná zařízení existují, ale většinou jsou specializována na určitý aplikační program. Jsou také několikanásobně dražší. Zařízení I4Control stojí necelých 40 tisíc korun.
 
Marcela Fejtová,
katedra kybernetiky, FEL ČVUT v Praze
 
Obr. 1. Systém I4Control pro ovládání počítače pohybem oka se skládá z kamery upevněné na brýlové obrubě a z řídicího modulu
Obr. 2. Uživatel s kamerou připevněnou na brýlové obrubě se obejde bez klávesnice a myši
Obr. 3. Kamera upevněná k brýlové obrubě snímá pohyby oka: a) zornice je v klidové zóně, b) zornice mimo klidovou zónu způsobí pohyb kurzoru, c) zavření oka vyvolá spuštění akce (kliknutí)
Obr. 4. Mřížkové menu pro ovládání počítače okem: a) základní menu, b) menu pro ovládání webového prohlížeče
 
Tab. 1. Technické parametry systému I4Control pro ovládání počítače okem