• 検索結果がありません。

電気通信大学学術機関リポジトリ

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

シェア "電気通信大学学術機関リポジトリ"

Copied!
61
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)

 

 

平成28年度 修士論文 

 

 

Non‐contact measurement of eyeblink by using Doppler 

sensor 

 

 

 

 

 

      学籍番号 1532072        氏名 AMIR MALEKI        知能機械工学専攻 内田雅文研究室        指導教員 内田雅文 准教授        副指導教員 桐本 哲郎 教授        提出日 平成29年02月28日       

(2)

 

 

Non‐contact measurement of eyeblink by using Doppler 

sensor 

 

 

 

Amir Maleki 

 

 

 

Graduate School of Informatics and Engineering 

The University Of Electro‐Communications 

Master Thesis 

 

March 2017 

 

(3)

修士論文28年度

ドップラーセンサーを用いたアイブリンクの非接側定

論文要旨 自然界にはさまざまなゆらぎ現象が確認されるが、それらが統計的に完全に独立で不 規則な過程を示すことは稀である。瞬目はヒトにとって極めて自然な運動の一つであり、 認知科学,ヒューマンコンピュータインタフェース等に応用が期待されている。例えば 認知科学の分野では,ヒトの数々の精神的かつ身体的な運動が 1/f ゆらぎの特性を示し 得ることが確認され、多くの研究者がゆらぎ特性の意味することを見つけようと試みて いる。瞬目は車両および航空機運転者の眠気の探知に有効である為,瞬目の計測の重要 性は高い。従来,瞬目の計測には EOG、赤外線センサ、カメラおよびドップラーセンサ などが 用いられてきた。近年では、グーグルグラスのよう、赤外線センサなどの搭載 されたセンサにより瞬目を計測可能な眼鏡型デバイスがいくつか提案されている。ドッ プラーセンサは、他の手法では問題となる長距離での検出などいくつかの長所がある。 故に、本研究ではドップラーセンサを搭載することによりヒトの瞬目を計測可能な眼鏡 型デバイスの開発を目的とする。 眼鏡型デバイスは運転中に装着可能である事から、運転者の眠気検出が可能であり、 ヒューマンエラーの抑制に寄与できるものと考えられる。実験はドップラーセンサーに より瞬目を計測すると共に、身体の動きを計測するための加速度センサ、および瞬目信 号が正当であることを確認するための EOG を用いて行う。実験結果より、瞬目に関する ドップラー周波数は 2Hz 近辺に高い周波数を含むことが確認された。さらに、観測され るデータに頭や体の動きが含まれてしまう場合、PCA を用いてそれらから瞬目信号を分 離可能であることを確認できた。

(4)

 

 

Non‐contact measurement of eyeblink by

using Doppler sensor

 

Amir Maleki 

 

Abstract 

  Many  phenomena  in  the  nature  exhibit  anomalously  large  temporal  fluctuations  exceeding  what  cannot  be  explained  as  a  consequence  of  statistically  independent  random  events.  Eyeblink  is  one  of  the  natural  parts  of  human  activities  which  can  be  used  in  diverse  applications such as Cognitive fields, Human Computer Interfaces etc. For instance, there is a  large  and  growing  body  of  evidence  that  sequences  of  psychophysical  data  fluctuate  as  1/ƒ  noises  and  many  researchers  are  trying  to  find  what  these  fluctuations  are  suggesting  us.  Considering the fact that eyeblink has been proposed as a marvelous way for detecting driver’s  and  pilot’s  drowsiness,  the  importance  for  eyeblink  detection  is  increasing.  There  are  several  ways for eyeblink detection such as the EOG method, Infrared sensors, Cameras, and Doppler  sensors.  Recently,  several  types  of  glasses  have  been  produced,  for  instance  ‘Google  glass’,  which is able to detect eyeblink using embedded sensors such as infrared sensors. The objective  of  this  thesis  is  to  develop  a  glass  which  can  be  used  to  measure  human  eyeblink  through  embedding  a  Doppler  sensor  inside  it,  considering  to  the  fact  that  Doppler  sensors  have  a  number of advantages, for instance, long distance detection that is a problem in other methods.  This  glass  can  be  used  during  driving  and  flying  in  order  to  detect  drowsiness  and  therefore  prevent  accidents  caused  by  human  errors.  Furthermore,  it  can  be  deployed  for  measuring  several  psychological  factors  during  performing  tasks  in  clinical  setups.  We  designed  an 

(5)

experimental  setup  in  which  measurement  of  the  eyeblink  was  conducted  using  a  Doppler  sensor accompanied by an accelerometer for body movement measurements and also an EOG  (Electrooculography) recording for verifying detected eyeblink signal by Doppler sensor. From  our experimental results, we found that the Doppler frequency related to eyeblink contains a  dominant frequency near 2 Hz. Finally, we found that when blinking is accompanied with head  and  body  movements,  eyeblink  signal  is  separable  by  deploying  the  Principal  Component  Analysis.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     

(6)

Contents

Figure index ... 5  Chapter 1   Introduction ... 8  1.1 Background ... 8  1.2 Motivation ... 9  1.3 Related works on the eyeblink detection ... 10  1.3.1 EOG (Electrooculography) method ... 10  1.3.2 Optical sensors ... 12  1.3.3 IR (Infrared) sensors ... 14  1.3.4 Doppler sensors ... 16  1.4 Aplication ... 22  1.5 Thesis organization ... 23  Chapter 2 Concept ... 24  2.1 Doppler Sensor ... 25  2.2 Accelerometer ... 26  Chapter 3 Measurement system ... 27  3.1 EOG recording ... 28  Chapter 4 Analysis method and results ... 32  4.1 results when the subject’s head and body was steady ... 33  4.2 results when the subject’s head and body was not steady ... 40  Chapter 5 Conclusion and future work ... 54  Acknowledgment ... 56  References... 57  Publications and conferences ... 59 

(7)

 

Figure index

Figure 1.1 ORBICULARIS OCULI muscle……….11  Figure 1.2 Infrared proximity sensor built into Google Glass………15  Figure 1.3 Blink detection by calculating the peak value……….…16  Figure 1.4 source and motive receiver……….…17  Figure 1.5 motive source and receiver………..19  Figure 2.1 the concept of the designed glass………..….24  Figure 2.2 Doppler sensor………..25  Figure 2.3 Accelerometer……….….26  Figure 3.1 Experimental system……….…27  Figure 3.2 EOG recording………28  Figure 3.3 MULTI AMPIFIER MA1000‐DIGITECS……….…29  Figure 3.4 Experimental setup when the Doppler sensor was fixed to a stand………29  Figure 3.5 Experimental setup when the Doppler sensor was attached to a pair of glasses……..30  Figure 3.6 three different angles for eyeblink detection when the Doppler sensor was mounted  on a fixture and head and body were fixed………...30  Figure 3.7eyeblink detection when when the Doppler sensor was attached to a pair of  glasses……….…31  Figure 4.1 Eyeblink detection flow……….32 

(8)

Figure 4.2 Experimental Protocol……….……33  Figure 4.3 a sample of recorded EOG………34  Figure 4.4 Spectrum of the recorded EOG……….…34  Figure 4.5 A sample conscious eyeblink detected by Deppler sensor……….…..35  Figure 4.6 Spectrum of the Sample conscious eyeblink detected by Deppler sensor……….…35  Figure 4.7 A sample unconscious eyeblink detected by Deppler sensor………..36  Figure 4.8 Spectrum of the Sample unconscious eyeblink detected by Deppler sensor………36  Figure 4.9 Mean of 100 samples of conscious eyeblink………37  Figure 4.10 Mean of 100 samples of unconscious eyeblink………..…37  Figure 4.11 Spectrum for mean of 100 samples of conscious eyeblink……….……38  Figure 4.12 Spectrum for mean of 100 samples of unconscious eyeblink………38  Figure 4.13 Experimental results when eyeblink was conscious: (a) ‐45 degree below the eye  center, (b) 0 degree and (c) +45 degree above the eye center………39  Figure 4.14 Experimental results when eyeblink was unconscious: (a) measured data from ‐45  degree, below the eye center, (b) 0 degree and (c) +45 degree above the eye center………….….40  Figure 4.15 The arithmetic mean of 100 samples of Doppler signals: (a) when the subject sat in  front of the personal computer and performed a routine task and (b) when the subject  performed the walking task……….…41  Figure 4.16 The power spectrum of the signals represented in figure 4.14………..…42  Figure 4.17 The accelerometer signals: (a) when the subject sat in front of the personal  computer and performed a routine task and (b) when the subject performed the walking  task……….…..43 

(9)

Figure 4.18 The Power Spectrum of the signals represented in figure 4.16 (Accelerometer  signals)………43  Figure 4.19 First principal components of the signals when the angle between the sensor and  the center of eye is 0°: (a) conscious blinking and (b) unconscious blinking……….……45  Figure 4.20 The power spectrum of the first to sixth principal components of the signal when  the subject sat in front of a personal computer and performed a routine task……….….46  Figure 4.21 The power spectrum of the first to sixth principal components of the signal when  the subject performed a walking task………47  Figure 4.22 Reconstructed blinking signal when the subject sat in front of a personal computer  and performing a routine task………48  Figure 4.23 Reconstructed blinking signal when the subject performed a walking task………49  Figure 4.24 Eyeblink detection procedure when the subject sat in front of a personal computer  and performing a routine task………50  Figure 4.25 Eyeblink detection procedure when the subject performed a walking task………..…50  Figure 4.26 The power spectrum of the first to sixth principal components of the signal when  the second subject sat in front of a personal computer and performed a routine task………..….51  Figure 4.27 The power spectrum of the first to sixth principal components of the signal when  the second subject performed a walking task………....52  Figure 4.28 Eyeblink detection procedure when the second subject sat in front of a personal  computer and performing a routine task………..…….53  Figure 4.29 Eyeblink detection procedure when the second subject performed a walking  task……….53   

(10)

       

Chapter 1 Introduction

1.1 Background

  The importance of eyeblink detection has been raised since blinking has been introduced as  a  complex  phenomenon  which  reflects  the  influence  of  higher  nervous  processes  so  that  different  experimental  conditions  consequences  changes  in  blink  patterns.  The  blink  rate  decreases significantly while performing visual tasks and this inverse relationship between blink  rate  and  task  demands  may  address  mental  demands  for  information  processing  [1][2].  Recently,  development  of  human‐computer  interfaces  is  attracting  worldwide  attention  of  researches  [3].  In  order  to  measure  the  blinking  activity  there  are  several  techniques  such  as  EOG  (Electrooculography),  image  processing,  Infrared  proximity  sensor,  Doppler  effect  sensor,  etc. EOG technique is the most precise method but it needs several electrodes to be attached to  the skin and it seems somewhat impractical during implementing every day’s activities. Image  processing  methods  are  noninvasive  and  detect  the  blinking  patterns  by  focusing  on  face  recognition. However, in condition such as driving in which the light intensity changes time by  time  the  eyeblink  detection  may  be  unsuccessful  [3].  One  common  technique  of  eyelid  movement detection utilizes measurements of infrared (IR) light reflected from the surface of  the  eye.  The  performance  of  current  IR  sensors,  however,  is  limited  by  their  sensitivity  to 

(11)

ambient infrared noise, by their small field‐of‐view and by short working distances [4]. Doppler  sensors are a non‐contact way for measuring eyeblink and it is insensitive to light intensity and  it can detect blinking from a considerable long distance. Thus using Doppler sensors has a high  potential  of  becoming  a  practical  way  for  eyeblink  detection.  Unfortunately,  there  are  a  few  researches  about  the  eyeblink  detection  using  Doppler  sensor  and  there  is  not  any  concrete  method for this type of eyeblink measurement.         

1.2 Motivation

 

Eyeblink  may  find  a  verity  of  applications.  As  an  important  example,  by  detecting  the  eyeblink  rate,  the  measurement  of  level  of  drowsiness  in  drivers  becomes  possible  and  consequently  it  can  drastically  reduce  the  vehicular  accidents  caused  by  human  failures.   Furthermore,  eyeblink  detection  may  find  applications  for  measuring  several  psychological  factors,  e.g.  mental  workload,  cognitive  load,  etc.  Thus  it  can  be  employed  for  pathological  settings and also for improvement of workers efficiency while implementing tasks. The aim of  this  study  is  to  verify  eyeblink  detection  in  several  real  conditions  such  as  working  with  computer  at  office  and  walking  and  also  develop  a  method  in  which  the  separation  of  the  eyeblink  signal  from  the  original  signal  that  is  contaminated  with  head  and  body  movement  becomes  possible.  The  speed  of  a  voluntary  eyeblink  for  the  closing  and  opening  phases  are  [52~138 mm/s] and [24~47 mm/s], respectively [5]. Therefore we can estimate that the Doppler  frequency  of  blinking  has  an  approximate  range  of  [1~5.4  Hz].  However,  this  range  can  be  extended  to  [1~18  Hz]  due  to  the  higher  speed  of  blinking  in  some  human  subjects.  Our  empirical results showed that the head and body movements has the same frequency range as 

(12)

such as performing tasks, walking, etc. Thus conventional low pass filters are almost inefficient.  We  deployed  Principal  Component  Analysis  in  order  to  extract  the  blinking  signals  from  the  mixed  raw  signals  and  we  observed  that  there  is  a  high  possibility  of  separating  the  eyeblink  signals.      

1.3 Related works on the eyeblink detection

1.3.1 EOG (Electrooculography) method

  One of the most precise methods of eyblink detection is EOG (electrooculography). Eyeblinks  are periodic closings and re‐openings of the eyelid. The duration of the eyelid closure is used as  the  criterion  to  discriminate  an  eyeblink  from  an  eye  closure.  An  eyeblink  closure  duration  is  usually  300  msec  and  is  more  typically  200  msec  or  less.  The  EOG  records  changes  in  the  electrical  potentials  between  the  cornea  and  retina  as  the  eyelid  movement  occurs.  The  lid  closing over the eye causes a difference in the corneal/retinal potential that is evident in the  EOG.  Therefore,  the  EOG  can  be  used  to  detect  eyeblinks.  However,  the  measurement  of  eyeblink can be achieved by placing electrodes on the lower and upper (or vertical) or the left  and  right  (or  horizontal)  sites  of  the  orbicularis  oculi  muscle  (above  and  under  the  right  eye)  shown in figure 1.1[6].  

(13)

Figure 1       U EMG, and involunta EMG ma be achie the  signa method  attached during pe   1.1 ORBICUL Usually EOG s d saccade ey ary eyeblink y be conside ved by mea al  exceed  t is  reliable  b d  to  the  face

erforming ev ARIS OCULI  signals are c ye movemen k and the ve ered as eyeb asuring the a his  average but  the  prob

e  skin  of  th veryday’s ta muscle, (An ontaminate nt. It is prop rtical electro blink by erro average valu e  value  (or 

blem  with  th he  subjects  a sks [7].  atomy of th 2013).  d with noise posed that vo ode yields b or. One of th ue of eyebli any  thresho his  method  and  it  is  alm

e Face and N e including in oluntary eye better detect he methods  nk signal  fo old  value)  t

is  that  it  ne most  imprac Neck, Peter  nvoluntary e eblink is dist tion of eyeb for eyeblink or each indi the  signal  is eeds  some  ctical  for  ey   M. Prenderg eyeblink artif tinguishable  blink, but str k recognition vidual and w s  detected.  electrodes  t yeblink  dete gast,  facts,  from  rayed  n can  when  EOG  to  be  ection 

(14)

1.3.2 Optical sensors

  This  method  is  based  on  optical  tracking  of  eyelid  movements  to  detect  eye  blinks.  Detection is based on matching SIFT (scale‐invariant feature transform) descriptors computed  on  GPU.  First,  threshold  frame  difference  inside  the  eye  region  locates  motion  regions.  Consequently,  these  regions  are  being  used  to  calculate  the  optical  flow.  While  user  blinks,  eyelids  move  up  and  down  and  the  dominant  motion  is  in  vertical  direction.  This  method  detects  97%  of  blinks  on  their  dataset.  Most  of  the  false  positive  detections  are  the  result  of  gaze lowering and vertical head movements. There are several methods for eyeblink detection,  one of them is optical flow estimation. It locates eyes and face position by 3 different classifiers.  The  algorithm  is  successful  mostly  when  the  head  is  directly  facing  the  camera.  The  KLT  (Kanade–Lucas–Tomasi) tracker is used to track the detected feature points. This blink detector  uses  GPU‐based  optical  flow  in  the  face  region.  The  flow  within  eyes  is  compensated  for  the  global face movement, normalized and corrected in rotation when eyes are in non‐horizontal  position. Afterwards dominant orientation of the flow is estimated. The flow data are processed  by adaptive threshold to detect eye blinks. Authors report good blink detection rate (more than  90%). However this approach has problems with detecting blinks when eyes are quickly moving  up and down. The eyelid movements are estimated by normal flow instead of optical flow. It is  the component of optical flow that is orthogonal to the image gradient. Authors claim that the  computation  of  normal  flow  is  more  effective  than  the  previous  methods.  Arai  et  al.  present  Gabor  filter‐based  method  for  blink  detection.  Gabor  filter  is  a  linear  filter  for  extracting  contours  within  the  eye.  After  applying  the  filter,  the  distance  between  detected  top  and  bottom arc in eye region is measured. Different distance indicates closed or opened eye. The  problem  of  arc  extraction  arises  while  the  person  is  looking  down.  Variance  map  specifies  distribution  of  intensities  from  the  mean  value  in  an  image  sequence.  The  intensity  of  pixels  located  in  eye  region  changes  during  the  blink,  which  can  be  used  in  detection  process.  Correlation  measures  the  similarity  between  actual  eye  and  open  eye  image.  As  someone  closes  eyes  during  the  blink,  correlation  coefficient  decreases.  Another  blink  detection  algorithm is based on the fact that the upper and lower part of eye has different distribution of 

(15)

mean intensities during open eyes and blinks. These intensities cross during the eyelid closing  and  opening.  Liting  et  al.  [8]  use  a  deformable  model  ‐  Active  Shape  Model  represented  by  several  landmarks  as  the  eye  contour  shape.  Model  learns  the  appearance  around  each  landmark  and  fits  it  in  the  actual  frame  to  obtain  new  eye  shape.  Blinks  are  detected  by  the  distance  measurement  between  upper  and  lower  eyelid.  Ayudhaya  et  al.  [9]  detect  blinks  by  the eyelid’s state detecting (ESD) value calculation. It increases the threshold until the resulting  image has at least one black pixel after applying median blur filtering. This threshold value (ESD)  differs while user blinks.  

  Here  we  will  introduce  briefly  two  proposed  methods  based  on  histogram  backprojection and the Inner movement detection based on KLT feature tracker. 

 

1.3.2.1 Histogram Backprojection

Histogram  backprojection  creates  a  probability  map  over  the  image.  In  other  words  backprojection  determines  how  well  the  pixels  from  the  image  fit  the  distribution  of  a  given  histogram.  Higher  value  in  a  backprojected  image  denotes  more  likely  location  of  the  given  object.  High  percentage  of  skin  color  pixels  within  the  eye  region  represents  closed  eyes  and  otherwise eyes are considered opened. 

 

1.3.2.2 Inner Movement Detection

  Optical flow is usually used in this method. Optical flow is the relation of the motion 

field: 

  The  2D  projection  of  the  physical  movement  of  points  relative  to  the  observer  to  2D  displacement  of  pixel  patches  on  the  image  plane.  One  of  the  most  common  methods  called  KLT tracker selects features suitable for tracking with high intensity changes in both directions. 

(16)

If  a  user  blinks,  the  mean  displacement  of  feature  points  within  the  eye  region  should  be  greater than the displacement of the rest of the points within the face area. 

  The first step consists of localizing a user’s face and eyes using Haar Cascade Classifier  on grayscale image. Then random KLT features within the eye and nose regions are initializes  and classified as left ocular, right ocular or non‐ocular. These features are being tracked by KLT  tracker.  Tracking  is  reinitialized  in  regular  intervals  or  in  case  of  loss  of  many  feature  points.  After that the average displacement is computed separately for three groups of points. Finally,  the  difference  between  the  left  or  right  ocular  and  non‐ocular  movement  displacements  is  computed.  If  this  difference  exceeds  a  threshold  value,  a  movement  within  the  eye  region  is  anticipated [10].         

1.3.3 IR (Infrared) sensors

Another common method of eyeblink recording utilizes infrared (IR) photoelectric sensors.  This  approach  measures  IR  light  reflected  from  the  surface  of  the  eye.  A  typical  IR  eyeblink  measurement  device  consists  of  an  IR  light  emitting  diode  (LED),  which  illuminates  the  eye  surface, paired with an IR photodiode that detects IR light reflected back from the eye [11].  

An  ideal  IR  eyeblink  detector  should  have  several  important  properties.  To  detect  the  full  range  of  eyelid  movement,  the  IR  LED  should  completely  illuminate  the  surface  of  the  fully  opened  eye,  and  in  addition,  the  field‐of‐view  of  the  IR  photodiode  should  encompass  the  whole eye area. Some currently used detectors rely on commercial proximity sensors that not  only must be positioned close to the eye but also emit a narrow IR beam resulting in incomplete  coverage  of  the  full  range  of  eyelid  motion.  Google  glass  implements  an  infrared  proximity  sensor facing the users’ eye that can be used for blink detection shown in Figure 1.2. 

(17)

  Fig   Blinks moved o peak  or  center po p7, p8 an excluded center po defined a the peak working    gure 1.2 Infra s  are  detecte n the senso not  accordin oint in the w nd p9) is calc d  from  the  a oint. If the d as a blink. B k detection v distance are ared proxim 1.3.3.1 Bl ed  based  on r data stream ng  to  the  fo window (p5  culated. The average  calc distance is la Because the  varies for ea e small and s ity sensor b link detect n  the  raw  in m and moni ollowing  def in Figure 1. e preceding a culation  bec arger than a  shape of the ach user. IR  short respec   uilt into Goo ion nfrared  prox tored wheth finition.  The  3) to the av and subsequ ause  their  s threshold ra e face and e sensors are tively.   ogle Glass (Is ximity  senso her the cent   distance  fr verage value uent points o sensor  value anging from eye location e noninvasiv   shimaru et

or  signal.  A  s ter point of e rom  one  sen e of other po of the cente es  are  often  3.0 ‐ 7.0, th  vary, the b e but their f al., 2014). sliding  windo each window nsor  value  o oints (p1, p2 er (p4 and p6 n  affected  b he center po est threshol field‐of‐view ow  is  w is a  of  the  2, p3,  6) are  y  the  oint is  ld for  w and 

(18)

F     E moving  frequenc     T relative  observed receiver. Figure 1.3 Bl

1.3.4

lectromagne object  is  ill cy of the retu he  Doppler  motion  betw d frequency    ink detectio

4 Doppler

etic  waves  h luminated  b urn signal.  1.3.4.1 Do Effect  is  th ween  the  s is only the  on by calcula

r sensors

have  been  u by  a  contin

oppler Effe he  change  in ource  and  t motion in t ting the pea   utilized  for  nuous  wave, ect n  the  obser the  receiver he Line‐Of‐S ak value (Ish the  detectio ,  it  generat rved  freque r.  The  relat Sight (LOS) b himaru et al

on  of  eye  b tes  a  Dopp

ncy  of  a  so tive  motion  between the   ., 2014).  blinking.  Wh pler  shift  on ource  due  to that  affect e source and hen  a  n  the  o  the  s  the  d the 

(19)

  If propagat will dete earlier th the  LOS. changed    S where   f  a  source  is te out from  ct the sound han it would   Thus  the  f by this relat ince the orig , th s  stationary,  the source  d coming fro d have if the frequency  th tive motion w is t ∆ is th is t Figu ginal freque he observed

as  the  one  as shown b om the sourc e receiver we hat  each  su where:  ∆ the original he change i he velocity ure 1.4 sourc ncy of the s d frequency  shown  in  f elow. As the ce but each  ere stationa uccessive  wa wavelength n the observ of the recie ce and motiv   ource can b becomes:  igure  1.4,  it e receiver m successive s ary, due to t ave  front  w 1.1  h of the sour ved frequen ever in the L ve receiver. be expressed t  will  emit  so moves towar sound wave he motion o ould  be  det

rce  ncy  LOS  d in terms of ound  waves rds the sour e will be dete of the receiv tected  wou   f the wavele s  that  rce, it  ected  ver in  ld  be  ength 

(20)

∆ 1.2          1.3   1.4     Note that this equation only works if the relative velocity of the receiver,   is towards  the source. If the motion is away from the source, the relative velocity would be in the opposite  direction and the equation would become:      1.5          The two equations are usually combined and expressed as:  1.6     If the source is moving towards the receiver, the effect is slightly different. The spacing  between the successive wave fronts would be less as seen in the figure 1.5. This would be  expressed as:   

(21)

            T     N moving a o calculate t Note that this away, the eq Figu is the observed s is only whe quation wou ure 1.5 moti ∆ s the relative d frequency ∆ en the sourc ld be change ve source an e velocity o :  ce is moving  ed to:  nd receiver. 1.7 f the source 1.8 1.9 towards the   e      e receiver. Iff the source is 

(22)

1.10     When combined with the previous result, the equation would be expressed as:  ∓ 1.11     Notice that this time, the plus/minus symbol is inverted because the sign on top is to be  used for relative motion of the source towards the receiver.  By combining the previous results, we can derive one equation to use as the Doppler Equation.  This is usually expressed as:  ∓ 1.12       It must be noticed that the quantities for the velocity of the receiver,  , and the velocity  of  the  source,  ,  are  only  the  magnitudes  of  the  relative  velocities  in  (or  along)  the  LOS.  In  other  words,  the  component  of  the  velocity  of  the  source  and  the  receiver,  that  are  perpendicular to the LOS do not change the received frequency. Secondly, the top sign in the  numerator and the denominator are the sign convention to be used when the relative velocities  are towards the other. If the source were moving towards the receiver, the sign to use in the  denominator would be the minus sign. If the source were moving away from the receiver, the  sign to use would be the plus sign.  1.3.4.2 Eyeblink measurement using Doppler Effect   By the time of writing this thesis there are only two related works that explain eyblink  detection using Doppler effect:    One work was conducted by Kamil et al. in 2012. The research was carried out in order  to  measure  the  level  of  drowsiness  in  drivers.    They  deployed  a  multiple  receiver  microwave  Doppler  radar.  The  sensor  was  consisted  of  a  synthesized  signal  source  with  the  output  frequency  of  9  GHz.  The  system  implemented  a  single  side  band  SSB  modulation  and  a  quadrature modulator structure. The modulation frequency was 1 KHz and the antenna was a 

(23)

    In order to find the signal’s characteristics they implemented several methods and they  reported that:   Through frequency analysis, FFT, of the recorded eyeblink signal, the frequency related  to blinking is completely covered by the spectrum of general head movement signal.      Implementing Continuous Wavelet Transform (CWT) they reached the same results as  FFT.    They could not find any useful information in signal phase extraction. 

 Finally  they  selected  time  domain  analysis  in  order  to  reach  the  eyeblink  signal  and  introduced a separated wave form for eyeblink detected by Doppler sensor. 

 

  As  the  signal  detection  procedure  after  passing  the  measured  signal  and  signal  de‐ noising  procedure  using  multilevel  discrete  wavelet  decomposition,  they  achieved  a  signal  containing several sinusoidal waveforms. In the next step, they calculated the envelope of the  represented signal by using a simple rectangular filter. Finally, they determined a threshold and  when  the  amplitude  of  the  envelope  exceeded  the  threshold  they  considered  the  signal  as  a  blink.    Unfortunately,  they  didn’t  provide  detailed  information  for  their  experimental  method  and also the frequency characteristics of the eyeblink signal remains undetermined. 

 

  Another  study  aimed  to  detect  eyeblink  using  Doppler  sensor  was  conducted  by  Youngwook Kim in 2015. He performed several measurements with/without the noise caused  by human movement when the sensor was placed near the eyes. Then he analyzed the Doppler  signal in the joint time–frequency domain and suggested that the Doppler frequency produced  by  eye  blinking  was  approximately  115  Hz.  Furthermore,  he  proposed  that  unconscious  and  conscious  eye  blinking  exhibited  different  Doppler  characteristics  and  deployed  Principal  Component Analysis In order to classify these characteristics. Then he introduced a method in  which  conscious  and  unconscious  eyeblink  can  be  distinguished  by  multiplying  truncated 

(24)

  Kim implemented PCA method as an image processing method of target recognition for  distinguishing  the  conscious  from  unconscious  blinking  and  also  noise.  He  represented  the  sorted eigenvalues, in which two eigenvalues contain more than 97% of the total energy and  the  reconstructed  two‐dimensional  images  from  the  one  dimensional  eigenvectors  that  corresponded to the highest eigenvalues. He claimed that the first eigenvector was similar to  the image of conscious eye blinking, and the second eigenvector was analogous to that of the  unconscious eye blinking.  

1.4 Aplication

  Eyeblink  detection  may  find  many  applications  in  a  wide  variety  of  the  fields.  For  instance  investigation  of  eye‐blinking  activity  can  have  applications  in  the  detection  of  the  unconsciousness of pilots and the drowsiness of drivers. One study was conducted in 2013 by  Genis  et  al.  in  order  to  investigate  connection  between  changes  in  blinking  and  changes  in  a  driving‐  task  difficulty.  They  implemented  a  camera  located  inside  a  car  for  blink  detection.  They reported that changes in task difficulty follow fluctuation in eyeblink frequency [14]. 

  Another study was performed in 1998 in order to measure the Physiological workload  reactions to increasing levels of task difficulty. They measured blink intervals when changing a  pilot‐task difficulty and they observed that eyeblink interval fluctuates with task difficulty level  and this feature can be used for measuring the mental workload level allocated to each task.  Furthermore,  eyeblink  can  be  used  as  a  simple  communication  (yes/no)  for  soldiers  in  the  battlefield  and  patients  with  spiral‐cord  injuries,  where  normal  verbal  communication  is  not  possible. In addition, eye blinking can serve as a communication methodology such as human  input into a computer. For example, eye blinking has also been studied for the development of  a head set type computer mouse designed for the disabled [15]. 

(25)

1.5 Thesis organization

 Chapter 1: Introduction  We discuss about the background, application, motivation and related works on eyeblink  detection in this chapter.     Chapter 2: Concept  In this chapter we introduce our concept about making a glass for eyeblink detection.     Chapter 3: Measurement system  We introduce the measurement method and system for this study and also we give detail  information about experimental items.      Chapter 4: Analysis method and results  In this chapter we represent our analysis method that is based on PCA method. We also show  our experimental results in this chapter.      Chapter 5: Conclusion   The conclusion of this study has been discussed in this chapter. We also have an overlook on  the future part of this study.          

(26)

    D objective to measu by  huma detection This Acce     The  follo protectio Developing  a e of this thes ure the drow an  errors.    W n  and  also  w elerometer p owing  we  wi on  glass  w

a  glass  whic sis. This glas wsiness stat We  deployed we  used  an plays a part i Figure  ill  introduce without  any 

Chapte

ch  is  able  to s can measu e in drivers  d  a  Doppler n  accelerom in the analys 2.1 the con

e  each  part  o metal  par

er 2 Con

o  detect  ey ure the eyeb and pilots a r  sensor,  att

eter  for  hea sis and meas

cept of the d

of  the  glass rt  which  m

ncept

yeblink  in  hu blink in diver

and therefo tached  to  a  ad  and  bod surements.  designed gla .  Where,  th may  cause  uman  subje rse condition re prevent a   pair  of  glas y  movemen Figure 2.1 d

 

ass. 

e  glass  itsel some  dist

ects  is  the  m ns. It can be 

accidents ca sses  for  eye nt  measurem

epicts the gl

lf  is  a  plastic turbance  in major  used  aused  eblink  ment.   lass.   c  eye  n  the 

(27)

electrom the expe

2

  F power Pu is  5.8  GH antenna  output (I by Samra output, i   magnetic wav rimental me

2.1 Dopp

igure 2.2 sh ulsed Dopple Hz  which  co with  a  60   & Q) and it akhsh Co. In  .e.  ves produce easurements

pler Sens

ows the Do er Radar (PD orresponds  degree  con  responds to this study w  across al ed by the Do s. 

sor

ppler senso DR) and has  to  a  wavele nical  coverag o radial velo we calculate ll the study. Figure 2.2 oppler senso r employed  a detection  ength  of  ab ge  pattern.  ocities betwe d the amplit 2 Doppler se or and there in our expe range up to bout  5.2  cm The  outpu een 2.6 cm/s tude of the    ensor.  efore conseq eriment. The o 10 m. the c

.  it  has  an  t  is  a  Cohe s and 2.6 m/ Doppler sen quences fau e sensor is a center frequ on‐board  d erent  quadr /s, manufact nsor’s quadr ults in  a low‐ uency  dipole  ature  tured  ature 

(28)

  T   W and λ is t  

2

  T power,  c accelerat gravity in or vibrat (     he relation b Where   is t the wavelen

2.2 Accel

he  Accelero complete  3‐ tion with a m n tilt‐sensing ion. The sen  ) fo between rad the Doppler gth at the ce

leromete

ometer  is  AD axis  acceler minimum fu g application nsitivity of s or this study dial velocity  2 r frequency,  enter freque

er

DXL335  sho rometer  wit ull‐scale rang ns, as well as sensor is 300 .  Figure 2.3 and Doppler  is  the rad ency.  

own  in  figur th  signal  con ge of ±3 g. It s dynamic ac 0 mV/g. we  3 Accelerom r frequency  2.1 dial compon re  2.3.  The  nditioned  vo t can measu cceleration r calculated    meter.  is:  nent of the 

sensor  is  a  oltage  outp ure the stati resulting from the amplitu target’s velo small,  thin puts.  It  mea ic accelerati m motion, s de of these ocity,  ,  low  sures  on of  hock,   axes 

(29)

    Figure  3 eyeblink  conducte   A signals to .1  depicts  t detection, a ed by placing All  recording o digital by t

Chapte

the  experim and accelero g three elect F gs  took  plac he A/D boar

er 3 Mea

mental  syste ometer for h trodes place Figure 3.1 Ex

ce  using  a  p rd.  

asurem

em.  This  sys head and bo ed on the sub xperimental personal  co

ment sys

stem  consis ody measure bjects face a l system.  omputer  aft

stem

sts  of  a  Do ement and a and using a m   er  convertin ppler  senso an EOG reco multi amplifi ng  the  anal or  for  ording  ier.   logue 

(30)

  T and  upp electrode to  verify  MULTI  A paced on electrode resistanc 0.3 Sec, H          

3.1 E

he  EOG  reco per  sites  of 

e placed ove the  blinking AMPIFIER  MA n the upper 

es  the  elect ce and bette HFF = 100 Hz

EOG reco

ording  for  t the  orbicul er the forehe g  signals  co A1000‐DIGIT and lower s rodes  the  s er measurem z, Sensitivity

ording

he  eyeblink laris  oculi  m ead as the g llected  by  t TECS.  As  we sites of the  urface  of  th ment of the  y = 500 μV, t Figure 3. took  place  muscle  (abo ground elect he  Doppler  e  can  see  th orbicularis o he  skin  was 

EOG. The s he reference

2 EOG recor

by  placing  t ove  and  und trode, repres sensor  the  he  positive  a oculi, respe cleaned  ca etting for th e setting wa   rding.  two  electro der  the  righ

sented in fig EOG  were  r and  negative ctively. Befo refully  for  r he Multi am as standard. 

des  to  the  l ht  eye)  and gure 3.2. In o recorded  us e  electrodes ore attachin reducing  the mplifier was:  ower  d  one  order  sing  a  s  was  g the  e  skin  TC = 

(31)

Figure 3.   D frequenc   O 1‐ W 2‐ W   3 shows the Doppler  and  cy of 1000 H Our experime When the Do When the Do Figure 3.4 E e MULTI AMP Figure 3 Accelerome z by using an ent was cond oppler senso oppler senso Experimenta PIFIER MA10 3.3 MULTI AM eter  sensors n AD board ( ducted in tw r was fixed t r was attach al setup whe 000‐DIGITEC MPIFIER MA s  recordings (TRM‐7100)  wo parts:  to a stand, s hed to a pair en the Dopp CS.  A1000‐DIGIT s  were  carr manufactur hown in figu r of glasses, d ler sensor w   ECS. 

ried  out  tho red by Interf ure 3.4.  depicted in f   was fixed to a orough  a  sa face.  figure3.5.  a stand.  ample 

(32)

Figure       In angles: ‐4 eye and + Doppler    Figure 3   e 3.5 Experim n part 1, the  45 degree (u +45 degree  sensor was 5 .6 three diff        mental setu Doppler sig under the ey (above the e 5 cm.   ferent angles on a f   p when the  nal produce ye), 0 degree eye), shown  s for eyeblin ixture and h Doppler sen ed by eyblink e (horizontal in figure 3.6 nk detection  head and bod nsor was atta k was measu l to the eye o 6. The distan when the D dy were fixe   ached to a p ured from th or at the sam nce between   Doppler sens ed.  pair of glasse hree differen me level wit n the eye and or was mou es.  nt  h the  d  nted 

(33)

  In eye and  was 0° ac Figure 3   T 1‐ W 2‐ W                   n part 2, the Doppler sen cross all mea 3.7eyeblink d hen the mea When subject When subject e Doppler Se nsor was 5 c asurements, detection wh asurement w ts sat in fron ts performe ensor was a cm.  In this p , depicted in hen when th was conduct nt of a perso d a walking  ttached to t part the ang n figure 3.7.  he Doppler s   ed in two co onal compute task.  the glass an gle between  sensor was a onditions:  er and perfo nd the distan the eye and attached to a ormed a rou nce betwee d Doppler se   a pair of glas tine task.  n the  ensor  sses. 

(34)

    A Doppler  s order to d signal  rec steady an and body collected  eyeblink s frequency was  perfo analysis w

Cha

s  the  proced sensor  and  E define the do corded  by  Do d the subject y movement u Doppler  sign signal from th y and calculat ormed  by  de was conducted

apter 4

dure  of  the  OG  when  th ominant frequ oppler  signal  ts could able  using the acc nals,  contami hem. Finally,  ted the mean efining  a  thr d using MATL Fi

Analys

eyeblink  det e  head  and  uency associa during  perfo to move thei celerometer a nated  with  t we selected t n of them as t eshold  value LAB software igure 4.1 Eye

is meth

tection,  first, body  were  s ated with eac rming  two  ta r heads and b at this stage.

he  head  and the principal  the reconstru e.  Figure  4.1  .  eblink detec

hod and

  we  recorde steady.  Then  ch subject. N asks  in  which bodies arbitra  After  that, w   body  movem components ucted eyeblink depicts  the  ction flow. 

d result

ed  and  verifi we  analyzed ext, we meas h  the  head  a

ary. We also  we applied P ment,  in  orde

 which had th k signal. The    eyeblink  de  

s

ed  eyeblink  d  obtained  da sured the eye nd  body  wer recorded the CA method t er  to  separat he same dom eyeblink dete etection  flow using  ata  in  eblink  re  not  e head  to the  te  the  minant  ection  w.  The 

(35)

   

4

  In head on  the  EOG procedur each me after the represen recorded     Fo points  fo consciou figure 4.4

4.1 resul

n this part w a fixture. Th   signals  in  re  for  signal

asurement a e global max nts  the  EOG d by the Dop

ollowing the or  each  eye

s  and  unco 4 shows the 

ts when

we measured he EOG signa order  to  co l  detection  and then we ximum of th G  recording  ppler sensor. F e fact that th blink  sample nscious  blin correspond

the sub

d both EOG  al was passe onfirm  each first  we  calc e cropped h e EOG, this  and  the  r    Figure 4.2 Ex he sampling e.  We  colle nking.    Figur ing frequenc

ject’s he

and Dopple d through a  h  eyeblink'  d culated  the  alf a second is shown in  red  signal  r xperimental  g frequency  cted  100  sa re  4.3  repre cy spectrum

ead and b

er signal wh low pass filt detection  u global  max d of recorde  figure 4.2. represents  t Protocol.  was 1 KHz t amples  for  e

esents  a  sam m.  

body wa

hen the subj ter. In fact w sing  Dopple ximum  of  th ed Doppler s In this figur the  original therefore we each  measu

mple  of  rec

as steady

ects placed  we have reco er  signal.  As e  EOG  signa signal before re the blue s l  eyeblink  s   e had 1000  rement  for  cording  EOG

y

their  orded  s  the  al  for  e and  signal  signal  data‐ both  G  and 

(36)

      F signal is  the origi between are unde rom the Pow located in t nal recorded  the eye an er 10 Hz.  Fig Figur wer spectru he frequenc d conscious  d Doppler s ure 4.3 a sa e 4.4 Spectr m of the EO cies up to 10 eyeblink an ensor was 0 mple of reco rum of the re OG signal we 0 Hz. Figure nd its power 0°. As we ca orded EOG. ecorded EOG e can see th e 4.5 and fig r spectrum  n see most  G.  at most of t gure 4.6 show respectively of the powe the power o w one samp y when the a erful freque   of the  ple of  angle  encies 

(37)

Fig      F and its p 0°. As we     Figure gure 4.6 Spe igure  4.7  an ower spectr e can see mo 4.5 A samp ectrum of th nd  figure  4.8 rum respect ost of the po le conscious e Sample co 8  depicts  the ively when t owerful frequ s eyeblink de onscious eye

e  case  for  t the angle be uencies are  etected by D eblink detect he  original  r etween the  under 10 Hz Deppler sens ted by Depp recorded  co eye and Do z.     sor.  ler sensor. onscious  eye ppler senso   eblink  r was 

(38)

  Figu     A waveform unconsci form and each mea   Figure 4 ure 4.8 Spec

As  a  result  ms  and  it  ous  eyeblin d their frequ asurement:  4.7 A sample ctrum of the  we  can  se can  be  gre k.  To  better uency charac

e unconsciou

Sample unc

ee  that  con eatly  used  r  understand cteristics we us eyeblink d conscious ey nscious  and in  order  t ding  the  con e calculated  detected by  yeblink detec d  unconscio o  distinguis nscious  and the arithme Deppler sen cted by Dep ous  eyeblink sh  between d  unconsciou etic mean of   nsor.    pler sensor. k  have  diffe n  conscious us  eyeblink  f 100 sample erent    and  wave  es for 

(39)

    F blinking w     igure  4.9  to when the an Fi o  figure  4.1 ngle between Figure 4.9 M gure 4.10 M 1 100 10  represent n the eye an Mean of 100 Mean of 100  t  the  result nd Doppler s 0 samples of  samples of u 4.1 ts  for  both  sensor is 0°.  conscious e unconscious   conscious  a   eyeblink.  s eyeblink.  and  uncons     scious 

(40)

  F in figure  selected      A unconsci of subjec average  opening  igures 4.11 a 4.8 and figu those frequ Figure 4 Figure 4.

As  a  result  ous blinking cts and may  speed of ey phase,  res and Figure 4 re 4.9. For b encies less t 4.11 Spectru .12 Spectrum we  can  se g are near 2  vary for eac elid has bee pectively.  T 4.12 represen better analyz than 20 Hz.  um for mean m for mean o

ee  that  the Hz. Howeve ch individua en suggested Thus  as  we 

nts the pow zing the freq n of 100 sam of 100 samp e  dominant er this freque l. As we intr d [52~138 m expected  er spectrum quency featu mples of cons ples of uncon t  frequencie ency depend roduced in t mm/s] and [2 the  obtaine m of the repr ures of the e scious eyebl nscious eyeb

es  for  both ds only to th he previous  24~47 mm/s ed  frequenc esented sign eyeblink we h   ink.    blink.  h  conscious he blinking s chapter tha s] for closing cy  is  within

nals  have    and  speed  at the  g and  n  the 

(41)

  F from thre respectiv   Figure    A detection condition best dete this posit      igure 4.13 a ee different  vely.  4.13 Experim cen

As  we  can  s n  angle  bet n that the se ectable angl tion.   nd Figure 4. angles; ‐45° mental resul nter, (b) 0 de

ee  in  this  f ween  ‐45°  ensor is fixed le is 0° beca 14 show the °, 0°, 45°; for lts when eye egree and (c figure,  obvio to  +45°.  Th d and the he use the rad e measured D r both consc eblink was co ) +45 degree   ously,  the  e is  means  th ead is movin ial velocity o Doppler sign cious and un onscious: (a e above the  eyblink  is  w hat  eyeblink ng upward a of the eyelid nal produced conscious ey ) ‐45 degree eye center.  well  detectab k  detection  nd downwa d has the m d by eyeblin yeblink,  e below the e

ble  from  a  is  practical rd. Howeve aximum val k    eye  wide    in  a  r, the  ue at 

(42)

Figure 4 deg       In between and  unco blinking  blinking t  

s

  In 1. W 4.14 Experim gree, below  n  this  figure  ‐45° to +45 onscious  blin is  stronger  the eyelid m

4.2 r

steady

n this part w When the su mental result the eye cen   we  also  se 5° and the b nking  have  d than  that  o movement is 

results w

we measured bject sat in  ts when eye ter, (b) 0 de

e  that  the  e best detecta different  wa of  unconscio accompanie

when the

 the eyeblin front of a p blink was un egree and (c) eyblink  is  w ble angle is  aveforms  an ous  blinking ed with the m

e subjec

k signal for t ersonal com nconscious:  ) +45 degree well  detectab 0°. But we  nd  also  the  d g  due  to  the muscle mov

ct’s head

two conditio mputer and p (a) measure e above the 

ble  from  a  w observed th detected  sig e  fact  that 

ements arou

and bod

ons:  performed a ed data from eye center. wide  angle  r hat the cons gnal of  cons in  the  cons und the eye.

dy was n

an everyday    m ‐45  range  scious  scious  scious  .   

not

task, 

(43)

2. W     In consciou samples  Figure 4 fron     A the head distorted the signa body  mo previous  method  separatio of ICA on method a When the sub n  this  part  d s  eyeblink.  for both con 4.15 The arit nt of the pers As we can se d and body m d signal. The al thorough  ovements  h works  by  s for signal se on purposes n the signal  and finally w bject perform

due  to  the  m Figure  4.15 nditions.  hmetic mea sonal compu ee the measu movement a ere are sever a low pass o ave  similar  some  autho eparation, IC s. We exami separation  we selected P med a walki more  powe 5  and  4.16 n of 100 sam uter and per performed ured signals and we need ral proposed or band pas frequency  ors,  using  co CA (Indepen ned ICA met procedure a PCA method ng task.   rful  signal  in show  the  mples of Dop rformed a ro d the walkin  by the Dop d to find a w d ways for s ss filter, but  component ommon  filte dent Compo thod in our  and therefor d.     n  conscious arithmetic  ppler signals outine task a g task.  ppler sensor  way to separ ignal separa due to fact  ts  and  as  it ers  seems  a onent Analy study, but d re poor resu s  blinking  w mean  of  th s: (a) when t and (b) when are comple rate eyeblin ation. One o  that eyebli t  has  been  almost  hope ysis) is widel due to the i ults, we tried

e  only  study he  100  colle he subject s n the subject etely distorte k signal from of them is to nk and head reported  in eless.  As  ano

ly used for s nefficient im d to find ano y  the  ected    at in  t  ed by  m the  o pass  d and  n  the  other  signal  mpact  other 

(44)

  B the powe     W except fr In order  accelerom Accelero efore apply er spectrum  Figure 4.1

We  can  see  requencies n to better un meter.  Figu meter and f ing PCA met of the recor 16 The powe

that  in  figu near 2 Hz the nderstanding ure  4.17  sh igure 4.18 re thod, in ord rded signals er spectrum  re  4.16  (a), e signal has  g this featur hows  the  r epresents its der to study  . Figure 4.16 of the signa frequencies most of its p re we also m recorded  he s power spe frequency c 6 depict the  als represent s  from  2  to power in fre measured th ead  and  bo ctrum.   characteristi results.  ted in figure o  4  Hz  and  i equencies be he body mov ody  movem ics we calcu e 4.14.  in  figure  4.1 etween 5 to  vement usin ments  using ulated    16(b),  7 Hz.  g the  g  the 

(45)

Figu comput Figure   F those fre Now that section w PCA met re 4.17 The  er and perfo e 4.18 The P rom the fre equencies be t we know w we have trie hod.  accelerome ormed a rou Power Spect quency cha etween 10 t which freque ed to separa eter signals: ( tine task an rum of the s racteristics o to 13 Hz are encies conta ate the eyeb (a) when the d (b) when t signals repre signals).  of the head  the domina ain the most blink signal f e subject sat the subject p esented in fig  and body  m ant frequenc t powerful p from the or t in front of t performed t gure 4.16 (A movements  cy for this p part of the s iginal measu the persona he walking t Acceleromete we can see articular sub ignal, in the ured signal    l  task.    er  e that  bject.  e next  using 

(46)

   

  4.3 Applying PCA for signal separation 

  In  this  section  in  order  to  extract  the  principal  components  of  the  original  signals  we  implemented the Principal Component Analysis (PCA) [13]. In the previous parts each original  signal was divided into 100 datasets of 1000 point length (or one seconds), thus we obtained  100 samples of eyeblink signals for each measurement. Then we arranged these samples into  matrices  so  that  the  size  of  each  matrix  was  100×1000.  Then  we  calculated  the  PCA  of  each  matrix.  X , ⋯ , ⋮ ⋱ ⋮ , ⋯ , 4.1      So that:  .     In which:   U is the leftsingular vectors              Then we calculated the principal components of the matrix, X:  E S 4.3    In which E represents the principal components.    Figure 4.19 represents the first principal components for the measured signal when the  head and body were steady when the angle between the eye and Doppler sensor was 0°.  

(47)

Figure 4       A same  as  because  the inver   A first we s that  the  compone the recon 4.19 First pr the cente As we can se obtained  d of axis rotat rse of repres As the recons selected the dominant  ent that hav nstructed ey incipal comp r of eye is 0° ee the first p ata  using  th tions during  sented signa struction pro e first to sixt frequency  o e dominant  yeblink signa ponents of t °: (a) conscio principal com he  arithmeti PCA proced l in figure 4. ocedure for  th principal c of  eyeblink  frequency a al. Figure 4.2 he signals w ous blinking  mponents of ic  mean  of  t dure, the obt 10.  the case wh components is  near  2  at 2 Hz and t 20 and figur when the ang and (b) unc f each meas the  signals  tained signa hen the head s of each sig Hz,  we  cho then we calc re 4.21 show gle between onscious bli sured signal in  the  previ al for uncons d and body  gnal and con ose  those  se culated the  w the power  the sensor  nking.  s are exactl ious  section scious eyebl were not ste nsidering the elected  prin mean of the r spectrum o   and  y the  n.  But  ink is  eady,  e fact  ncipal  em as  of the 

(48)

first  to  Figure 4     In represen feature o and  yell frequenc principal  eyeblink. to other  separatio mean of  sixth  princi 4.20 The pow the subject n  figure  4.2 nts the Powe of the signal  ow  lines  as cy at 2 Hz an component . The other p movements on and we s them as the ipal  compo wer spectru t sat in front  20,  the  hor er of the sig we selected ssociated  w nd from the  ts  which  ha principal com s such as he elected the  e reconstruct nents  for  b m of the firs of a person rizontal  axis gnal at each  d those freq with  the  firs experimenta ave  the  mos

mponents ha ead and bod first to third ted signal as both  workin st to sixth pr al computer s  represents frequency. uencies up t st  to  third  al results in  st  of  the  po ave differen dy movemen d principal c s eyeblink.  ng  with  co rincipal com r and perfor s  the  frequ To better u to 6 Hz. As w principal  c the previou ower  at  2  H t dominant  nts. Thus we components mputer  and ponents of t med a routin uency  and  t understandin we can see,  omponents  us section, w z  as  the  rep

frequencies e used this f s and then w d  walking  t the signal w ne task.  the  vertical ng the frequ the blue, or have  dom we consider t presentative s and they be feature for s we calculate tasks.   hen  l  axis  uency  range  inant  those  es  for  elong  signal  d the 

(49)

Figure 4     F the walk represen understa 6  Hz.  As  compone other pri before, w for eyebl 4.21 The pow igure  4.21  r ing task. In t nts  the  Pow anding the fr

we  can  see ents have do incipal comp we selected  link. Figure 4 wer spectru the represents  t this figure, th wer  of  the 

requency ch e  the  blue  a ominant freq ponents are these signa 4.22 and figu m of the firs e subject per he  power  sp he horizonta signal  at  haracteristics and  purple quency at 2  e the represe ls and calcu ure 4.23 rep st to sixth pr rformed a w pectrum  of  al axis repre each  frequ s of the sign lines  associa Hz and they entatives of lated the m resent the re rincipal com walking task. the  signal  w sents the fre uency  and  nal we select ated  with  th y are explai f other mov ean of them esults:   ponents of t when  the  su equency and like  figure  ted those fr he  first  and ning the eye ements. The m as the reco the signal w ubject  perfo d the vertica 4.20  to  b requencies b d  fourth  prin eblink signal erefore as it onstructed s   hen  rmed  al axis  better  below  ncipal  l. The  t said  signal 

(50)

Figure 4   In the norm measure the  wave blinking  task, we  due to th toward le and if th value for     4.22 Reconst n figures 4.2 malized ampl d by Dopple eform  and  a signal when selected th he phase sh eft or right.  e selected s r this subject tructed blink 22, the horiz litude of the er sensor, oc also  the  tim n the subject e largest wa ift induced  As the proc signal exceed t was 0.4 V.  king signal w and perform zontal axis r e signal. Refe ccurs at the  me  when  it  o t sat in fron ave form be by the signa cedure of ey ds this thres Figure 4.24 d when the sub ming a routin   epresents th erring back t time near 0 occurs,  in  fig nt of a perso etween 0.4 t al separation yeblink dete shold value,  depicts the e     bject sat in fr ne task.  he time and to figure 4.2 0.5 s.  There gure  4.22,  w onal comput to 0.9 s as t n procedure ection first w the eyeblin eyeblink det ront of a per d the vertica 2, the peak o efore, consid which  is  ass

ter and perf the eyeblink e the signal  we defined a nk is detecte tection flow rsonal comp al axis repre of eyeblink s dering the si ociated  with formed a ro k signal. How may shift sli a threshold v ed. The thres .     puter  sents  ignal,  ize of  h  the  utine  wever  ightly  value  shold 

(51)

      Figure 4.   In the norm and  also  when the 1 s as th value wa         23 Reconstr n  figure  4.23 malized amp the  time  w e subject pe e eyeblink s s 0.4 V. Figu ructed blinki 3,  the  horizo plitude of th when  it  occu

rformed a w signal. The p ure 4.25 show ng signal wh ontal  axis  re e signal. Lik urs,  in  figure walking task, procedure o ws the eybli hen the subj   epresents  th ke figure 4.2 e  4.23,  whic we selected of eyeblink d nk detection ject perform

he  time  and 22 considerin ch  is  associa d the largest detection is  n flow for th med a walkin   the  vertica ng the size o ated  with  th t wave form  the same a he walking ta g task. 

al  axis  repre of the wave he  blinking  s between 0. nd the thres ask:    sents  eform  signal  52 to  shold 

(52)

    Figure 4   Figure 4.   A waveform         4.24 Eyeblink 25 Eyeblink 

As  we  can  s ms exceeded

k detection p

detection p

see  in  thes d the thresh procedure w and perform rocedure wh e  figures  th old value.   when the sub ming a routin hen the subj   he  eyeblink bject sat in fr ne task.  ject perform k  occur  bec ront of a per med a walkin cause  the  p rsonal comp ng task. 

peak  of  sele

 

puter 

 

(53)

  F dominan 0.4 V.    Figure 4 the     In represen lines asso Thus we  selected  subject s   igure  4.26  t nt frequency  4.26 The pow e second sub n  figure  4.2 nts the Powe ociated with selected th signals as t at in front o to  4.29  dep for the seco wer spectru bject sat in fr 26,  the  hor er of the sig h the first to e first to th he reconstr of a personal

icts  the  res ond subject  m of the firs ront of a per rizontal  axis gnal at each  o third princ hird principa ucted signal  computer a

ult  for  the  was also 2 H st to sixth pr rsonal comp s  represents frequency.  ipal compon l componen l for eyeblin and perform second  sub Hz. The thre rincipal com uter and pe s  the  frequ As we can  nents have d nts and then nk during pe med a routine bject.  We  ob shold value  ponents of t rformed a ro uency  and  t the blue, or dominant fr n we calcula erforming th e task.  bserved  tha was also de the signal w outine task. the  vertical range and y equency at  ated the me he task whe t  the  efined    hen  l  axis  ellow  2 Hz.  an of  n the 

(54)

Figure 4       In the norm the first  the mean     4.27 The pow n figures 4.2 malized amp and second n of them as wer spectru the sec 27, the horiz litude of the  principal co s the reconst m of the firs cond subject zontal axis r e signal. In t omponents  tructed signa st to sixth pr t performed  epresents th his figure th have domin al of eyeblin rincipal com a walking ta he time and he blue and  nant frequen nk for the wa ponents of t ask.  d the vertica orange lines ncy at 2Hz a alking task.  the signal w al axis repre s associated and thus we   hen  sents  d with   took 

(55)

  Figure    Figure 4.

 

  In exceed t in figure  the signa

 

 

 

 

4.28 Eyeblin 29 Eyeblink  n  figures  4.2 he threshold 4.29 it is bet al separation nk detection comp detection p 28  and  4.29 d value. In f tween 0.3 to n method the n procedure  puter and pe rocedure wh 9  eyeblink  o igure 4.28 t o 0.82 s. As w e signals are when the se erforming a  hen the seco occurs  when he selected  we can see d e shifted to r econd subjec routine task ond subject  n  the  select eyblink sign due to the p right and left ct sat in fron k.  performed a ted  wavefor nal is betwee phase shift d t, respective nt of a perso a walking tas rms  for  eye en 0.5 to 1 s uring perfor ely.

 

 

  onal    sk.  eblink  s and  rming 

Figure 1       U EMG, and involunta EMG ma be achie the  signa method  attached during pe   1.1 ORBICUL Usually EOG s d saccade eyary eyeblinky be consideved by meaal exceed tis reliable bd to the  face
Figure 3.   D frequenc   O 1‐  W 2‐  W   3 shows theDoppler  and cy of 1000 H Our experimeWhen the DoWhen the Do Figure 3.4 E e MULTI AMPFigure 3 Acceleromez by using anent was condoppler sensooppler sensoExperimenta PIFIER MA10 3.3 MULTI AMeter sensorsn A
Figure 4.2 Ex
Figure 4 deg       In between and  unco blinking  blinking t   s   In 1.  W 4.14 Experimgree, below n this figure ‐45° to +45onscious  blinis stronger the eyelid m 4.2 rsteady n this part wWhen the su mental resultthe eye cen we also se5° and the bnking ha
+5

参照

関連したドキュメント

こらないように今から対策をとっておきた い、マンションを借りているが家主が修繕

専門は社会地理学。都市の多様性に関心 があり、阪神間をフィールドに、海外や国内の

Photo Library キャンパスの夏 ひと 人 ひと 私たちの先生 文学部  米山直樹ゼミ SKY SEMINAR 文学部総合心理科学科教授・博士(心理学). 中島定彦

 「学生時代をどう過ごせばよいか」という問い

高効率熱源システム  マイクロコージェネレーションシステム (25kW×2台)  外気冷房・外気量CO 2 制御  太陽 光発電システム

 映画「Time Sick」は主人公の高校生ら が、子どものころに比べ、時間があっという間

Photo Library キャンパスの秋 ひと 人 ひと 私たちの先生 経済学部  岡田敏裕ゼミ SKY SEMINAR 社会学部准教授 鈴木謙介 Campus News

春学期入学式 4月1日、2日 履修指導 4月3日、4日 春学期授業開始 4月6日 春学期定期試験・中間試験 7月17日~30日 春学期追試験 8月4日、5日