Способ и устройство детектирования

Предлагаемые способ и устройство относятся к области электронных детекторов, регистрирующих изменения электромагнитного фона окружающей среды. Основная сфера применения - определение эмоционального состояния сознания, развлечения и электронные игры с интерактивным управлением, технические средства для решений в области декоративных и дизайнерских работ, для обустройства интерьеров, устройств освещения и подсветки. Достигаемый технический результат - повышение чувствительности и достоверности детектирования. Способ детектирования характеризуется тем, что задают исходный электрический сигнал от источника шума, который путем усиления, фильтрации преобразуют в случайную импульсную последовательность, состоящую из импульсов высокого и низкого уровня напряжения, которую преобразуют в последовательность числовых значений, осуществляют выборку числовых значений из этой последовательности на определенном промежутке времени и путем анализа числовых значений в выборке получают детектируемый сигнал, при этом последовательность числовых значений получают путем вычисления в заданном промежутке времени разности между длительностями импульсов высокого и низкого уровня напряжения случайной импульсной последовательности, а детектируемый сигнал получают путем вычисления дисперсии числовых значений в выборке. Устройство содержит источник шумового сигнала, три усилителя, микропроцессорный блок, который осуществляет вычисление дисперсии и ее анализ, две частотно-зависимые цепи и светодиодный индикатор. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемые способ и устройство относятся к области электронных детекторов, регистрирующих изменения электромагнитного фона окружающей среды. Основная сфера применения - определение эмоционального состояния сознания, развлечения и электронные игры с интерактивным управлением, технические средства для решений в области декоративных и дизайнерских работ, для обустройства интерьеров, устройства освещения и подсветки, а также электронные приборы для детектирования ситуаций, выходящих за рамки существующего фона.

Воздействие человека на случайные процессы подтверждено многими исследователями. В частности, в отчете Принстонской лаборатории по прикладным исследованиям аномальных явлений (PEAR), активно работающей по данному направлению с 1979 года, убедительно показано, что эффект преднамеренного воздействия оператора на случайный процесс статистически достоверен (^~10-8 для 125 тысяч испытаний), хотя и незначителен по величине (^~0,2%). В том же отчете утверждается, что даже простое присутствие оператора в помещении, при котором оператор не делает попыток повлиять на результат, приводит к смещению показаний, которое находится в пределах 95% достоверности.

В 2005 году в компании Psyleron, преемнице PEAR, создано устройство REG-1 - "генератор случайных событий", производящее случайные события, подобные подбрасыванию монет, но вместо орла или решки дающее числовые значения 1 или 0. В отличие от псевдогенераторов случайных чисел, встроенных в компьютерное программное обеспечение, REG-1 производит действительно случайные события, которые принципиально невозможно предсказать или полностью описать с помощью конечного набора правил. Устройство показало небольшое, но устойчивое смещение среднего значения величиной 0,2% в нормальном распределении. Объем набранной статистики не позволяет говорить об ошибке в определении эффекта. При этом была использована простейшая схема эксперимента, при котором анализировалась лишь двоичная вероятность наличия или отсутствия сигнала в заданном временном интервале. В результате установлено наличие эффекта направленного изменения среднего в распределении случайных событий. Вывод: на сегодняшний день с уверенностью можно говорить об определенной эффективности электронных детекторов, работающих по самой примитивной схеме, на уровне не менее 0,2%.

Если начать внедрение с областей применения, находящихся в таких сферах, как развлечения (игрушки или управление ими), декоративно-дизайнерские разработки, либо сферах, ограниченных рекомендательным характером полученного сигнала, то, лишь опираясь на достигнутые результаты, уже можно рассчитывать на существенную пользу.

Например, если в созданном элементе интерьера свечение цветного дисплея, светодиода освещения/подсветки или другого элемента, изменяющего свой цвет, при определенном воздействии на него, будет носить преднамеренный характер, или маркер на экране дисплея электронной игры будет двигаться в спрогнозированную заранее или установленную намерением сторону, или движущаяся игрушка будет поворачивать в заданную оператором сторону и останавливаться в заданный момент - это дает новые, не имевшие место ранее свойства и характеристики привычным в окружающем мире вещам.

Или, например, если созданное устройство будет предупреждать о необходимости проверить артериальное давление, а реальная угроза критического состояния при этом будет наблюдаться всего лишь в 1 случае из 100, то уже это даст более чем ощутимый результат, поскольку речь идет об угрозе жизни. Допустимый уровень риска, принимаемый в различных расчетах, в цивилизованных странах начинается с величины 10^-6-10^-5, поэтому величина 10^-2 уже может являться более чем внушительной для приборов подобного рода.

В [2, Патент США US 5830064, «Устройство и способ различения событий, суммарно превосходящих вероятность ожидания, и управление выходом на основе данного различения»] описаны принцип действия и устройство портативного электронного прибора, способного с определенной точностью регистрировать намерения оператора, выраженные в мысленной форме, предназначенного для применения его в компьютерных играх, движущихся игрушках и других управляемых объектах, с целью внесения в них дополнительного элемента управления, реализуемого без прямого мускульного контакта оператора. Этот дополнительный бесконтактный элемент управления значительно повышает пользовательский интерес к электронным играм и игрушкам, а в ряде случаев способен заменить контактное управление на бесконтактное. В том числе, согласно [2], данный способ может быть использован для детектирования эмоциональных состояний.

Способ, совместно с реализующим его устройством, описанный в [2], основан на генерации импульсной последовательности случайных значений, получении на ее основе числовой последовательности и затем статистическому анализу последней.

Для получения последовательности случайных значений изначально генерируются две последовательности:

- двоичная последовательность случайных значений (1), основанная на источнике шума и источнике тактовых импульсов, задающих длительность значений во времени;

- двоичная псевдослучайная последовательность-маска (2) (при ее генерации также используются тактовые импульсы).

Первая последовательность далее инвертируется в соответствии со второй (операция, эквивалента исключающему «ИЛИ))], и получается двоичная случайная последовательность значений (3), которая и подвергается статистическому анализу.

При этом для того, чтобы провести статистический анализ, из полученной двоичной последовательности (3) составляется байтовая (числовая) последовательность (4).

В ходе статистического анализа вычисляются вероятностные характеристики случайной последовательности значений - математическое ожидание и его отклонение, которое затем сравнивается с порогом, показывающим выпадение того или иного шанса за пределы заданного. В результате превышения порога детектируется событие, отражающее состояние или намерение оператора.

При составлении байтовой последовательности, которое, в общем, происходит также случайным образом, согласно [2], возможно появление некоторого постоянного смещения, способного негативно повлиять на результат статистического анализа. Поэтому, для снижения влияния этого фактора и «включения» дополнительного фактора случайности, необходимо выполнять указанное выше инвертирование.

Способ и устройство, описанные в [2], выбраны в качестве прототипа данного изобретения.

Прототип подразумевает использование генератора случайного сигнала с равномерной характеристикой распределения мощности. При этом его авторы настаивают непосредственно на самом факторе «случайности» сигнала, подразумевая, что именно равномерное распределение и дает самый что ни на есть случайный процесс, статистические характеристики которого подвержены внешним воздействиям.

При этом в ряде работ показано, что этот тип сигнала имеет более слабую чувствительность к внешним воздействиям по сравнению с сигналом, имеющим распределение в координатах «мощность-частота» вида 1/f, т.е. плотность увеличивается пропорционально уменьшению частоты [3, А.Г. Пархомов. «Низкочастотный шум - универсальный детектор слабых воздействий»].

Использование такого типа сигнала с гораздо большей степенью отвечает поставленной задаче, нежели сигнал, используемый в прототипе.

Кроме того, прототип включает в себя ряд необходимых действий, требующих большого числа электронных компонентов для реализации. В их число входит генератор тактовых импульсов, необходимый для задания определенной длительности генерируемых импульсов, а также дополнительный генератор последовательности-маски, которая накладывается на последовательность, генерируемую источником, для исключения влияния смещения первого порядка (которое может быть учтено при математическом анализе путем цифровой фильтрации). В совокупности перечисленные действия приводят к усложнению электронной схемы детектора и существенному увеличению энергопотребления.

Кроме всего прочего, одним из образующих факторов в поставленной задаче является вывод (визуализация) процесса детектирования. Т.е. необходимо индицировать процесс, например, управлять цветовой гаммой свечения светящегося элемента или позиционным положением маркера. Анализ прототипа показывает, что решение данной задачи выходит за его рамки.

Учитывая вышеперечисленные недостатки, связанные с прототипом, суть поставленной задачи и предпосылка предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, сводится к следующим аспектам:

а) повышение чувствительности и, как следствие - повышение достоверности детектирования эмоциональных состояний;

б) повышение экономичности, снижение массогабаритных показателей при создании портативных и энергонезависимых приборов-детекторов;

в) повышение информативности при визуализации процесса детектирования эмоциональных состояний в реальном времени.

Таким образом, технический результат данного изобретения будет заключаться в определении эмоциональных состояний и их наглядном представлении для пользователя, с минимальной задержкой во времени, в том числе:

- для своевременного детектирования ситуаций, представляющих вред для окружающих;

- для детектирования ситуаций, благоприятных и желательных для окружения.

Предметом предлагаемого изобретения является способ детектирования, а также устройство для его реализации.

Предлагаемый способ детектирования состоит из последовательности операций, подобной прототипу - генерировании электрического сигнала, представляющего собой последовательность значений, преобразовании этого сигнала в последовательность отсчетов, воспринимаемых решающим устройством, с последующей ее математической обработкой (анализом).

Поставленная задача решается с помощью способа получения сигнала эмоционального состояния на основе различения состояний, выходящих за пределы ожидаемых вероятностей, основанного на генерировании случайного импульсного сигнала от источника шумового сигнала, преобразовании его в последовательность числовых значений, формировании сигнала эмоционального состояния путем статистического анализа последовательности числовых значений, отличающимся тем, что случайный импульсный сигнал получают путем многократного усиления сигнала, получаемого от источника шума, с одновременным подавлением высокочастотных составляющих последнего, последовательность числовых значений получают путем дискретных выборок от случайного импульсного сигнала, вычисляют текущее значение дисперсии во временном окне t последовательности числовых значений, а сигнал эмоционального состояния получают как смещение дисперсии на определенную величину.

Зависимости распределения дисперсии сигнала детектора от преобладающего эмоционального фона, с указанием областей анализа для определения смещения дисперсии, приведены в приложении 2 на гистограммах распределения, полученных в условиях различных (противоположных) эмоциональных окружений. При этом, для получения сигнала эмоционального состояния, необходимо анализировать величину смещения дисперсии в ту или иную область («область медленного спада» или «область подъема»), в соответствии с представленными гистограммами.

При этом в качестве генератора сигнала используется импульсный генератор, создающий последовательность импульсов с переменной скважностью, не имеющих четко заданной длительности на том или ином промежутке времени.

Генерация сигнала выполняется в следующей последовательности, как показано на Фиг. 1: от источника шумового сигнала 1 (стабилитрон, резистор) генерируется электрический сигнал, этот сигнал усиливается, одновременно подвергаясь низкочастотной фильтрации с заданными частотными параметрами, затем повторно усиливается, превращаясь в последовательность импульсов высокого и низкого уровня напряжения.

Выборку случайного импульсного сигнала предлагается проводить несколькими различными способами (вариантами), приводящими, по сути, к эквивалентным результатам:

Вариант способа I: Выборку осуществляют путем аналого-цифрового преобразования, при котором случайный импульсный сигнал преобразуются в цифровую последовательность отсчетов X_i, которая вводится в решающее устройство, например, микропроцессор, после чего выполняется анализ полученной последовательности путем вычисления выборочного среднего значения С_i (за заданный большой промежуток времени Т), текущего матожидания M(X_i) (за заданный малый промежуток времени t) и текущей дисперсии S² (X_i) (за заданный малый промежуток времени t).

Вариант способа II: Выборку осуществляют путем измерения длительностей высокого и низкого уровней напряжения случайного импульсного сигнала, затем измеренные величины преобразуются в цифровую последовательность отсчетов X_i, преобразованные отсчеты вводятся в решающее устройство, после чего производятся вычисления величин C_i, М(Х_i), а также дисперсии S² (X_i) в соответствии с описанным в п.1.

Вариант способа III: Выборку осуществляют путем измерения периода или частоты случайного импульсного сигнала на заданном промежутке времени.

Здесь следует отметить, что все перечисленные варианты осуществления выборки отличаются от прототипа, в котором сначала получают импульсную последовательность, из которой затем получают последовательность байтов чисел с заданной длительностью, далее вводят эти байты чисел в решающее устройство и вычисляют среднее значение и дисперсию.

В этом смысле для реализации предложенного способа требуется существенно меньше электронных компонентов, чем в прототипе, и возможно применять широко распространенные микропроцессоры различных типов.

Также следует отметить, что для реализации варианта способа 1 осуществления выборки необходимо выполнить аналого-цифровое преобразование требующего соответствующего преобразователя. Этот вариант способа наиболее удобен для реализации в стационарных установках, где в качестве решающего устройства можно применить имеющийся в наличии компьютер или ноутбук, с имеющимся аналого-цифровым преобразователем (звуковая карта компьютера) для осуществления выборки.

При этом варианты способа II и III наиболее пригодны для реализации способа в мобильном миниатюрном исполнении, без использования стационарного решающего устройства (компьютера или ноутбука). В качестве решающего устройства подойдет простейший микропроцессор, имеющий вход таймера/счетчика. Такое техническое решение осуществления выборки посредством таймера/счетчика сделает реализацию чрезвычайно дешевой и компактной, с минимальным энергопотреблением.

Еще следует заметить, что реализация вариантов способа II либо III является более предпочтительной по отношению к варианту способа I, т.к. измерение скважности импульсов или их частоты практически полностью исключает влияние факторов температуры, влажности, давления, а также качество электрического соединения и электропитания, оказывающих нежелательное влияние на результат выполняемых преобразований.

Как вариант реализации, для вывода результата детектирования эмоциональных состояний предлагается применять 3-х компонентный RGB-светодиод, в котором результирующее свечение образуется комбинацией (суммой) красного, зеленого и синего цветов. Интенсивность каждой из компонент свечения светодиода - красной, зеленой и синей - рассчитывается на основании анализа вычисленных статистических величин - дисперсии и/или математического ожидания. Один из возможных вариантов осуществления данной цветовой визуализации описан в приложении 1.

Как другой вариант реализации, визуализация детектирования эмоциональных состояний также может быть выполнена в виде движущегося маркера (точки или пятна) на экране монитора (дисплея), управление которой производится на основе вычисленных статистических величин.

Данный способ реализуется в устройстве, изображенном на Фиг. 1, являющемся предметом данного изобретения, содержащим источник шумового сигнала 1, имеющий вход питания и выход, первый 2, второй 3 и третий 4 усилители, каждый из которых имеет вход питания, первый и второй входы и выход, микропроцессорный блок 5, имеющий сигнальный вход, вход питания, действующий в соответствии с заложенным программным обеспечением, осуществляющим вычисление дисперсии и ее анализ, источник автономного питания 6, имеющий выход, отличающемся тем, что микропроцессорный блок 5 дополнительно содержит измерительный вход для анализа питающего напряжения от источника питания, микропроцессорный блок 5 дополнительно содержит первый, второй, третий выходы для управления светодиодным индикатором 7, также дополнительно содержащем первую 8 и вторую 9 частотно-зависимые цепи обратной связи, с заданными частотами среза, каждая из которых имеет вход и выход, светодиодный индикатор 7, имеющий первый, второй и третий входы, также отличающемся тем, что первый вход первого усилителя 2 соединен с выходом источника шумового сигнала 1, первый вход второго усилителя 3 соединен с выходом источника шумового сигнала 1, вход первой частотно-зависимой цепи обратной связи 8 соединен с выходом первого усилителя 2, а выход первой частотно-зависимой цепи обратной связи 8 соединен со вторым входом первого усилителя 2, вход второй частотно-зависимой цепи обратной связи 9 соединен с выходом второго усилителя 3, а выход второй частотно-зависимой цепи обратной связи 9 соединен со вторым входом второго усилителя 3, первый вход третьего усилителя 4 соединен с выходом первого усилителя 2, второй вход третьего усилителя 4 соединен с выходом второго усилителя 3, первый, второй и третий входы светодиодного индикатора 7 соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами микропроцессорного блока 5, а выход источника автономного питания 6 соединен с измерительным входом микропроцессорного блока 5.

Описанное устройство может иметь ряд реализаций. Одна из них - портативное устройство-игрушка. Функциональная схема может быть взята из Фиг. 1.

Устройство состоит из двух связанных между собой разнородных частей. Одна часть устройства - аналоговая схема на микропотребляющих операционных усилителях 2, 3, с цепями обратной связи 8, 9, позволяющая получить случайный импульсный сигнал, имеющий заданные характеристики в соответствии с описанным выше, на операционном усилителе 4. Вторая - микропроцессорный блок 5, функционирующий с помощью специального программного обеспечения (ПО), обеспечивающего анализ случайного импульсного сигнала в соответствии с изложенным выше способом получения сигнала того или иного эмоционального состояния. Случайный импульсный сигнал от аналоговой схемы, с выхода операционного усилителя 4, подается на дискретный вход микропроцессорного блока 5, который осуществляет выборку данного сигнала, формирует последовательность числовых значений, вычисляет текущую дисперсию в данной последовательности и выполняет анализ ее смещения, после чего формирует сигнал управления 3-х компонентным светодиодным индикатором 7, в соответствии с формулами {1}, {2}, {3}, приведенными в приложении 1. Например, для получения сигнала напряженного эмоционального состояния, в соответствии с гистограммами, приведенными в Приложении 2 на Фиг. 2а, Фиг. 2б, достаточно определять среднюю, за определенное время, величину смещения дисперсии в область значений, указанную как «область медленного спада». Для получения сигнала концентрации сознания (Фиг. 3а, 3б) необходимо, наоборот, чтобы величина дисперсии смещалась в противоположную область - указанную как «область подъема». Величина смещения в первом случае будет положительной - т.е. в сторону больших значений от средней величины, во втором - отрицательной - т.е. в сторону меньших значений. При этом продолжительность смещения в ту или иную область будет говорить о силе (интенсивности) эмоционального воздействия.

Указанное устройство можно реализовать на широко распространенных и имеющихся в свободной продаже недорогих интегральных микросхемах отечественного и иностранного производства: операционных усилителях типа AD8609 производства Analog Devices или аналогичных, современных высокопроизводительных микропроцессорах MSP430, ARM9 Cortex и др. Источник шумового сигнала 1 в данной реализации представляет собой делитель напряжения с одним плечом на полупроводниковом элементе, через который протекает небольшой ток порядка нескольких десятков микроампер, напряжение с которого подается на два идентичных операционных усилителя 2, 3 с частотно-зависимой обратной связью 8, 9, соответственно. Полученные сигналы вычитаются друг из друга в третьем операционном усилителе 4, на выходе которого при этом формируется импульсный сигнал переменной частоты, средняя частота которого определяется частотами среза цепи обратной связи первого и второго операционных усилителей. Полученный импульсный сигнал поступает на дискретный вход микропроцессора, где преобразовывается в числовую последовательность, которая подвергается подробно описанной выше статистической обработке с получением математического ожидания и дисперсии, на основе которых формируются сигналы управления светодиодами, отражающими детектируемое в данный момент эмоциональное состояние в соответствии с описанным выше, представляющие собой световые многокомпонентные сигналы с широто-импульсной модуляций (ШИМ). Для некоторых практических применений, например, достижения состояний концентрации, целесообразно использовать звукоизлучатель 10 для звуковой индикации сигнала детектора. В этом случае продетектированный сигнал эмоционального состояния преобразуется в звуковой тон, причем, например, высокие звуковые тона будут соответствовать положительному смещению дисперсии, а низкие тона - отрицательному смещению.

Электронная схема, полученная с применением этих микросхем, включая микропроцессор, потребляет в пределах 1 мА, от батареи 3V. При использовании распространенных миниатюрных литиевых батарей емкости 200…500 мА (типа CR2032, CR2325) ресурс работы может составить порядка 200…300 часов, что составит около 10…15 дней непрерывной работы.

Таким образом, реализация данного способа в предлагаемом устройстве представляет собой мобильное техническое средство для оперативного контроля эмоциональной обстановки.

Источники информации

1. Отчет Принстонской лаборатории по прикладным исследованиям аномальных явлений Consciousness and Anomalous Physical phenomena (1995). PEAR Technical Note 95004, May 1995.

2. Apparatus and method for distinguishing events which collectively exceed chance expectations and thereby controlling an output. Unated States Patent №5830064 of Nov.3, 1998.

3. А.Г. Пархомов. Низкочастотный шум - универсальный детектор слабых воздействий. Парапсихология и психофизика. - 1992. - №5. - С.59-65.

1. Способ получения сигнала эмоционального состояния на основе различения состояний, выходящих за пределы ожидаемых вероятностей, основанный на генерировании случайного импульсного сигнала от источника шумового сигнала, преобразовании его в последовательность числовых значений, формировании сигнала эмоционального состояния путем статистического анализа последовательности числовых значений, отличающийся тем, что случайный импульсный сигнал получают путем многократного усиления сигнала, получаемого от источника шума, с одновременным подавлением высокочастотных составляющих последнего, последовательность числовых значений получают путем дискретных выборок от случайного импульсного сигнала, вычисляют текущее значение дисперсии во временном окне t последовательности числовых значений, а сигнал эмоционального состояния получают как смещение дисперсии на определенную величину.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дискретную выборку от случайного импульсного сигнала осуществляют путем аналого-цифрового преобразования

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дискретную выборку от случайного импульсного сигнала осуществляют путем вычисления мгновенной частоты.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что дискретную выборку от случайного импульсного сигнала осуществляют путем измерения периода следования импульсов.

5. Устройство, содержащее источник шумового сигнала, имеющий вход питания и выход, первый, второй и третий усилители, каждый из которых имеет вход питания, первый и второй входы и выход, микропроцессорный блок, имеющий сигнальный вход, вход питания, действующий в соответствии с заложенным программным обеспечением, осуществляющим вычисление дисперсии и ее анализ, источник автономного питания, имеющий выход, отличающееся тем, что микропроцессорный блок дополнительно содержит измерительный вход для анализа питающего напряжения от источника питания, микропроцессорный блок дополнительно содержит первый, второй, третий выходы для управления светодиодным индикатором, также дополнительно содержащее первую и вторую частотно-зависимые цепи обратной связи, с заданными частотами среза, каждая из которых имеет вход и выход, светодиодный индикатор, имеющий первый, второй и третий входы, также отличающееся тем, что первый вход первого усилителя соединен с выходом источника шумового сигнала, первый вход второго усилителя соединен с выходом источника шумового сигнала, вход первой частотно-зависимой цепи обратной связи соединен с выходом первого усилителя, а выход первой частотно-зависимой цепи обратной связи соединен со вторым входом первого усилителя, вход второй частотно-зависимой цепи обратной связи соединен с выходом второго усилителя, а выход второй частотно-зависимой цепи обратной связи соединен со вторым входом второго усилителя, первый вход третьего усилителя соединен с выходом первого усилителя, второй вход третьего усилителя соединен с выходом второго усилителя, первый, второй и третий входы светодиодного индикатора соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами микропроцессорного блока, а выход источника автономного питания соединен с измерительным входом микропроцессорного блока.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что микропроцессорный блок имеет дополнительный четвертый выход, а также содержащее звуковой излучатель, имеющий вход, причем четвертый выход микропроцессорного блока соединен со входом звукового излучателя.