CN104921697B - 一种人眼视线纵向距离的快速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人眼视线纵向距离的测量方法。具体步骤包括：1.构建偏心摄像测量装置,包括摄像头、红外光源、红外滤光镜、望远镜、人脸支架、红外截止滤光片等；2.瞳孔边界检测，用游程算法处理获得瞳孔区域，再用方程拟合获得边界；3.瞳孔内亮暗分布计算，整个瞳孔区域灰度值平均值作为阈值，计算瞳孔区域纵向大于阈值的长度与整个纵轴长度的比值；4.纵向距离的测量，由测量前的定标参数以及当前瞳孔亮暗分布情况，计算获得视线纵向距离。本方法可以获得视线跟踪中纵向距离信息，不仅能够实现真实的三维视线跟踪，还可以用于提高传统的二维视线跟踪系统精度。同时，该方法计算复杂度低，可以达到快速测量、实时跟踪的效果。

Description

一种人眼视线纵向距离的快速测量方法

技术领域

本发明涉及人眼视距的测量技术领域，具体涉及一种人眼视线纵向距离的快速测量方法。

背景技术

目前，人眼视距的测量主要是基于双眼视差法来进行的，这样的测量精度非常差。人的双眼聚焦在同一点时，由于人的双眼有一间距(大约3-5cm)，造成两个眼睛的视线方向矢量并未完全重合。所有，双眼视差法就是通过单独测量每个眼睛的视线方向矢量，两矢量的交点即为人眼观察的焦点所在。但是，人眼视线方向矢量测量的误差本来就比较大，再用其来计算人眼焦点位置带来的二次误差会非常大，况且有研究表明视线方向矢量交点的位置并不一定是人眼观察的焦点，人眼观察焦点会出现在视线方向矢量交点的前后一段距离内。这样就会造成传统的双眼视差法测量精度比较低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种人眼视线纵向距离的快速测量方法。通过摄像头拍摄人眼的瞳孔图像，从图像上提取瞳孔亮暗分布特征，计算得出人眼视线距离。我们改善了红外偏心摄影法的光路，加入适当的光学辅助(红外滤光片、红外截止滤光片、红外光源、望远镜系统)，使得测量过程对人的限制比较小，时间花费也更少。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种人眼视线纵向距离的测量方法，其包括如下步骤：

(1)在光具座上构建偏心摄像测量装置,包括摄像头、红外光源、红外滤光镜、望远镜、人脸支架、红外截止滤光片；沿光路方向上的红外截止滤光片、望远镜和摄像头同轴等高，人脸支架用于支持被测试者脸部；红外截止滤光片将测量光路弯折到人脸支架右侧；望远镜用于缩短拍摄光路；摄像机在光路的最右端，望远镜与摄像头之间设光阑与红外光源，使用红外光源能获得边界清晰的瞳孔图像，光阑遮挡住摄像头的下半部分；摄像头前面设有一红外滤光片，用于减少环境可见光的影响；摄像头还通过USB接口连接电脑，在电脑上用MATLAB软件平台上进行图像处理和计算；

(2)瞳孔边界检测，用游程算法处理获得瞳孔区域，再用方程拟合方法获得瞳孔边界；

(3)瞳孔区域亮暗分布计算，由于装置的光阑是遮挡摄像头的下半部分，拍摄的瞳孔图像的亮暗分布是垂直变化的，可选取竖直方向的直径来计算亮暗分布特征，整个瞳孔区域灰度值平均值作为阈值，计算竖直方向的直径上大于阈值的长度与瞳孔直径的比值；

(4)纵向距离的测量，由测量前的定标参数以及当前瞳孔亮暗分布情况，计算获得视线纵向距离；所述定标参数包括瞳孔半径R、摄像机与人眼瞳孔的距离A、瞳孔暗区域与直径比值k。

进一步优化地，上述方法运用改进的红外偏心摄影法直接测量人眼视线的纵向距离，具体改进的方法是将人眼屈光度对于人眼焦距的修正，变成是屈光度对物距的修正，进而得到视线纵向距离的计算表达式。

本发明采用望远系统缩短拍摄光路，减弱瞳孔中心与红外光源不同轴的影响。使用红外光源和红外滤光片减弱环境杂散光干扰。

进一步优化地，上述方法运用图像处理的方法计算瞳孔图像的亮暗分布情况，首先采用游程算法从人眼图像上获取瞳孔区域；然后对区域边界用椭圆拟合的方法获得瞳孔中心，并将边界修正成椭圆；接着进行伸缩变换，将瞳孔区域拉伸成圆形，最后取圆形竖直的直径来计算瞳孔区域亮暗分布特征。

进一步优化地，上述方法使用红外截止滤光片使得测量光路与人眼视线光路垂直，测量过程不会影响人眼视野范围。

进一步优化地，步骤(4)所述计算获得视线纵向距离具体计算表达式是：

S即视线纵向距离，R是瞳孔半径，k是瞳孔暗区域与直径比值，A是摄像头与瞳孔距离，E是光源偏离光轴距离，其中瞳孔暗区域与直径比值k能从瞳孔图像通过图像处理技术获得，参数E、A和R是通过定标过程获得的；对于每一帧人眼图像，计算出瞳孔暗区域与直径比值k代入上面的表达式就能计算出当前人眼视线的纵向距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下几点：

1)使用红外光源，使得图像处理过程简化，测量精度更好。

2)使用望远镜系统的透镜组，缩短光路，减弱瞳孔中心与红外光源不同轴带来的影响，减少对人的限制。

3)每次测量的时间少，能符合实时测量、追踪测量的要求。

4)使用红外截止滤光片，反射红外光、透射可见光，测量过程不会影响被测试者的视野范围。

附图说明

图1a和图1b为实例中偏心摄影测量装置的结构示意图。

图2为瞳孔图像亮暗分布效果图。

图3为红外偏心摄影法原理图。

图4为实际人眼观察光路图。

图5为瞳孔亮暗分布测量图。

图6为实验参数拟合曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。

本实例要解决的问题主要可分为以下几点：从拍摄的眼睛图像中，准确检测出瞳孔的边界。测定瞳孔区域中的亮暗分布情况。根据定标过程，获得经验参数。实际测量，用经验参数的公式计算视线距离。

1.测量系统的同轴调节

结合图1说明，整个装置是固定在光具座上的，人脸支架1用于支持被测试者脸部；红外截止滤光片2将测量光路弯折到人脸支架右侧；望远镜3用于缩短拍摄光路；摄像机5在最右端，望远镜3与摄像头5之间是光阑与红外光源，使用红外光源可以获得边界清晰的瞳孔图像；摄像头前面有一红外滤光片4，可以减少环境可见光的影响。调节过程如下：首先，调节光具座上的摄像头5、望远镜3、中空管和红外截止滤光片2同轴等高。然后，摄像头5拍摄眼睛图像，通过USB接口传输到电脑。查看实时的眼睛图像，调节人脸支架1高度(由于人眼个体差异)，使得眼睛区域包含在图像中。

2.瞳孔区域分割

这一步是从人眼图像中分割出瞳孔区域，并将瞳孔区域拉伸成圆形区域如图2所示。由于瞳孔对红外光比较敏感，让红外光源照射到眼球上，在图像处理上可以将瞳孔区分出来。红外光源安装在光阑上中心，亮度可以调节。图像处理过程分为以下几步：

(1)利用眼睛图像的直方图获得一个能区分瞳孔与其他部分的合适阈值。

(2)利用得到的阈值，对眼睛图像进行阈值处理，划分不同区域。

(3)用游程编码算法和邻接向量的判断，给每个区域编号。

(4)对每个区域所包含的点数，进行统计，选取区域面积最大的作为瞳孔区域。

(5)并选取区域的每一列向量的头尾两端，提取瞳孔的边界。

(6)利用得到的边界，进行椭圆的拟合。以最小二乘法为思想，利用奇异值分解算法计算出椭圆的拟合方程。获得最终边界和瞳孔区域。

(7)将上面获得的瞳孔区域对椭圆短轴拉伸，使得瞳孔区域变成圆形区域。

3.瞳孔亮暗分布比值测量

结合图3的红外偏心摄影法原理图说明，偏心摄影法是测量人眼屈光度的方法，上面获得的瞳孔区域图2是由图3所示的光路拍摄获得的。从偏心摄影法的原理结合光路图可以推导出屈光度D的表达式：

其中D是屈光度，E是图3所示的红外光源302到光阑301边缘的距离，A是摄像头到瞳孔303距离，R是瞳孔半径，k是瞳孔暗区域与直径比值(这个在后面会提到)。结合图3和图4说明，将屈光度对眼睛(眼球305)焦距的调整加入进去，变成正常眼睛，成像在视网膜304上，这个光路的高斯成像公式：

将上面的式子移项变形，可以得到：

这里变形的意义非同小可,可以这样理解:将屈光度对人眼焦距的调整变换成屈光度对物距的调整。如果考虑这个过程是物点在正常视网膜上成像，那么物点到瞳孔的距离S，即视线的纵向距离满足：

由上面的关系式，将屈光度D的表达式代入可以得到视线深度S的表达式：

其中S是视线纵向距离，R是瞳孔半径，k是瞳孔暗区域与直径比值，A是摄像头与瞳孔距离，E是红外光源到光阑边缘距离。

从上面的原理推导可以看出，不同的视线距离，瞳孔的亮暗分布特征(瞳孔暗区域与直径比值K)是不一样的，并且随着距离增大，暗区域比值也增大。由于装置的光阑是遮挡摄像头的下半部分，拍摄的瞳孔图像的亮暗分布是垂直变化的，因此，简单选取竖直方向的直径来计算亮暗分布特征，整个瞳孔区域灰度值平均值作为阈值，计算竖直方向的直径上大于阈值的长度与瞳孔直径的比值。对于一张图的测量如图5所示。

4.定标过程

使用一个中心为一黑点的圆靶作为定标物，人眼盯着靶心。在眼睛视线方向，在50cm-300cm，每个隔50cm做一次定标测量。获得视线距离s和与之对应的瞳孔暗区域与整个竖直轴的比值k，将数代入理论推导的公式，通过拟合曲线的方法获得定标参数，拟合图如图6所示，这样，定标后的公式就可以用于实际测量。定标后的视线纵向表达式为：

将上面得到的定标表达式计算图5所示的结果，其中k＝0.21，代入上式：视线纵向距离S＝0.873m。

Claims (4)

1.一种人眼视线纵向距离的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在光具座上构建偏心摄像测量装置,包括摄像头、红外光源、红外滤光镜、望远镜、人脸支架、红外截止滤光片；沿光路方向上的红外截止滤光片、望远镜和摄像头同轴等高，人脸支架用于支持被测试者脸部；红外截止滤光片将测量光路弯折到人脸支架一侧；望远镜用于缩短拍摄光路；摄像头在光路的最右端，望远镜与摄像头之间设光阑与红外光源，使用红外光源能获得边界清晰的瞳孔图像，光阑遮挡住摄像头的下半部分；摄像头前面设有所述红外滤光镜，用于减少环境可见光的影响；摄像头还通过USB接口连接电脑，在电脑上用MATLAB软件平台上进行图像处理和计算；

(2)瞳孔边界检测，用游程算法处理获得瞳孔区域，再用方程拟合方法获得瞳孔边界；

(3)瞳孔区域亮暗分布计算，由于装置的光阑是遮挡摄像头的下半部分，拍摄的瞳孔图像的亮暗分布是垂直变化的，可选取竖直方向的直径来计算亮暗分布特征，整个瞳孔区域灰度值平均值作为阈值，计算竖直方向的直径上大于阈值的长度与瞳孔直径的比值；

(4)纵向距离的测量，由测量前的定标参数以及当前瞳孔亮暗分布情况，计算获得视线纵向距离；所述定标参数包括瞳孔半径R、摄像头与人眼瞳孔的距离A、瞳孔暗区域与直径比值k；所述计算获得视线纵向距离具体计算表达式是：

$S=\frac{2R\·A\·k}{E+2R\·k},$

S即视线纵向距离，R是瞳孔半径，k是瞳孔暗区域与直径比值，A是摄像头与瞳孔距离，E是光源偏离光轴距离，其中瞳孔暗区域与直径比值k能从瞳孔图像通过图像处理技术获得，参数E、A和R是通过定标过程获得的；对于每一帧人眼图像，计算出瞳孔暗区域与直径比值k代入上面的表达式就能计算出当前人眼视线的纵向距离。

2.根据权利要求1所述的一种人眼视线纵向距离的测量方法，其特征在于运用改进的红外偏心摄影法直接测量人眼视线的纵向距离，具体改进的方法是将人眼屈光度对于人眼焦距的修正，变成是屈光度对物距的修正，进而得到视线纵向距离的计算表达式。

3.根据权利要求1所述的一种人眼视线纵向距离的测量方法，其特征在于运用图像处理的方法计算瞳孔图像的亮暗分布情况，首先采用游程算法从人眼图像上获取瞳孔区域；然后对区域边界用椭圆拟合的方法获得瞳孔中心，并将边界修正成椭圆；接着进行伸缩变换，将瞳孔区域拉伸成圆形，最后取圆形竖直的直径来计算瞳孔区域亮暗分布特征。

4.根据权利要求1所述的一种人眼视线纵向距离的测量方法，其特征在于使用红外截止滤光片使得测量光路与人眼视线光路垂直，测量过程不会影响人眼视野范围。