CN112308014B - 双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法 - Google Patents

双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法，属于图像处理领域。本发明包括：采集双眼的灰度图像；根据灰度图像的灰度值选择基于寻找双眼瞳孔边界设定的阈值一，并根据阈值一将当前灰度图像转换为二值图像；根据二值图像计算出双眼瞳孔的边界，并根据双眼瞳孔的边界计算出双眼瞳孔的中心点坐标；同时，根据灰度图像的灰度值选择基于寻找双眼角膜反光点设定的阈值二，并根据阈值二在灰度图像上寻找超过阈值二的位置，并根据该位置计算出双眼角膜反光点的中心坐标。本发明能够以高达1018‑1020fps的帧率快速地在每一帧图像上找到双眼瞳孔的边界和中心精确位置及双眼角膜反光点的精确位置，处理速度远高于眼动的速度。

Description

双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法
技术领域
本发明涉及图像处理领域，特别涉及一种双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法。
背景技术
目前已经存在一些较为成熟的算法来通过图像分析搜索和定位瞳孔（例如：OpenCV等），这些成熟的算法库经过充分的测试，功能强大而且非常稳定，但目前这些成熟的算法都存在效率方面的问题，不能在600 微秒以内在 1408*290 分辨率的图像中快速找出瞳孔的边界点，也不能直接计算出瞳孔的中心点坐标、瞳孔的直径和面积这些参数。
目前成熟的算法库还需要定制开发才能实现在相机捕捉的图像中找到瞳孔区域附近存在的角膜反光点，该算法同样存在效率方面的问题，不能在 200 微秒以内在 1408*290 分辨率的图像找出双眼的瞳孔区域附近的两个角膜反光点。
根据实际情况的需要，算法在处理时需要能支持同时定位双眼或者仅仅定位单眼，还需要锚定眼睛瞳孔所在的位置，也需要对眼位置的数据做平滑处理，这些定制性的需求都是成熟的图像处理算法库所欠缺的。
发明内容
本发明的目的是提供一种双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法，能够以高达1018-1020fps的帧率快速地在每一帧图像上找到双眼瞳孔的边界和中心精确位置及双眼角膜反光点的精确位置，处理速度远高于眼动的速度。
本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法，包括如下步骤：
采集双眼的灰度图像；
根据灰度图像的灰度值选择基于寻找双眼瞳孔边界设定的阈值一，并根据阈值一将当前灰度图像转换为二值图像；
根据二值图像计算出双眼瞳孔的边界，并根据双眼瞳孔的边界计算出双眼瞳孔的中心点坐标；
同时，根据灰度图像的灰度值选择基于寻找双眼角膜反光点设定的阈值二，并根据阈值二在灰度图像上寻找超过阈值二的位置，并根据该位置计算出双眼角膜反光点的中心坐标。
作为一种优选的方案，在采集双眼的灰度图像之前，需安装用于采集双眼灰度图像的图像采集设备对应的光源，所述光源朝向被试双眼所在的方向和位置。
作为一种优选的方案，所述图像采集设备为工业相机，所述工业相机能通过数据采集卡支持输出最高帧率为1018-1020fps的图像。
作为一种优选的方案，所述根据灰度图像的灰度值选择基于寻找双眼瞳孔边界设定的阈值一时：
基于图像的灰度直方图特征来提取并选择当前灰度图像适配的阈值；或者，
在参数设置界面上手动设置或选择自定的阈值。
作为一种优选的方案，所述根据二值图像计算出双眼瞳孔的边界，并根据双眼瞳孔的边界计算出双眼瞳孔的中心点坐标，具体包括如下步骤：
基于水平射线和垂直射线由内而外的射线算法定位出双眼瞳孔的边界；
采用最小二乘拟合圆的算法将定位出的每个瞳孔边界拟合成一个圆或椭圆；
采用最小二乘拟合圆的算法找到圆心的位置，即为计算出的双眼瞳孔的中心点坐标。
作为一种优选的方案，在计算双眼瞳孔的中心点坐标时，同时计算出双眼瞳孔的直径和面积。
作为一种优选的方案，当计算出双眼瞳孔的中心点坐标后，在视频图像窗口中用长度为双眼瞳孔的半径的竖线绘制出双眼瞳孔的中心位置，每个瞳孔的中心点在对应竖线的中间位置；
当绘制出双眼瞳孔的中心位置后，在视频图像窗口中用一条直线连接双眼瞳孔的中心点；
在连接双眼瞳孔中心点直线的中心绘制一条垂直的竖线，其长度为双眼瞳孔中心纵向高度差，以此更容易观察或判断双眼是否位于水平的位置。
作为一种优选的方案，所述根据灰度图像的灰度值选择基于寻找双眼角膜反光点设定的阈值二时：
基于图像的灰度直方图特征来提取并选择当前灰度图像适配的阈值；或者，
在参数设置界面上手动设置或选择自定的阈值。
作为一种优选的方案，所述根据阈值二在灰度图像上寻找超过阈值二的位置，并根据该位置计算出双眼角膜反光点的中心坐标，其具体是指：
通过该位置计算双眼角膜反光点的质心或重心，所述质心或重心即为双眼角膜反光点的中心坐标。
作为一种优选的方案，当计算出双眼角膜反光点的中心坐标后，在视频图像窗口中用十字绘制出双眼角膜反光点的中心位置。
本发明的有益效果是，通过上述双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法，可以非常快的捕捉到眼睛运动变化的情况，而且已经完全快于眼睛运动的速度，能够为后续研究眼动的生物特征性奠定良好的基础，同时为研究大脑的生理和认知功能水平做好前期的准备工作。
附图说明
图1为本发明实施例中双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
实施例
本实施例提出一种双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法，其流程图见图1，其中，该方法包括如下步骤：
步骤S1、安装用于采集双眼的灰度图像的图像采集设备对应的光源，其中，光源朝向被试双眼所在的方向和位置。
这里，为了在相对封闭的设备环境中让相机捕捉到清晰的画面，需要使用到合适的光源，该光源还会在双眼眼球表面形成两个角膜反光点，在相机画面上看到的就是两个小亮点。
步骤S2、安装工业级专业相机和数据采集卡，通过相机捕获双眼图像数据，本实施例中，图像数据即为灰度图像，经过数据采集卡将数据传输给用于计算双眼瞳孔中心点坐标和用于计算双眼角膜反光点中心坐标的相应处理模块。
这里，工业相机通过数据采集卡支持输出最高帧率为1018-1020fps的图像，本实施例能够高效精准地对双眼瞳孔中心点坐标及双眼角膜反光点中心坐标进行实时的计算。
步骤S3、计算双眼瞳孔的边界及双眼瞳孔的中心点坐标，同时，计算双眼角膜反光点的中心坐标。
对于计算双眼瞳孔的边界及双眼瞳孔的中心点坐标，其具体为：
根据灰度图像的灰度值选择基于寻找双眼瞳孔边界设定的阈值一，并根据阈值一将当前灰度图像转换为二值图像；根据二值图像计算出双眼瞳孔的边界，并根据双眼瞳孔的边界计算出双眼瞳孔的中心点坐标。
其中，根据灰度图像的灰度值选择基于寻找双眼瞳孔边界设定的阈值一时：可以基于图像的灰度直方图特征来提取并选择当前灰度图像适配的阈值；或者，在参数设置界面上手动设置或选择自定的阈值。
根据二值图像计算出双眼瞳孔的边界，并根据双眼瞳孔的边界计算出双眼瞳孔的中心点坐标，具体包括如下步骤：
基于水平射线和垂直射线由内而外的射线算法定位出双眼瞳孔的边界；
采用最小二乘拟合圆的算法将定位出的每个瞳孔边界拟合成一个圆或椭圆；
采用最小二乘拟合圆的算法找到圆心的位置，即为计算出的双眼瞳孔的中心点坐标。
需要指出的是，在计算双眼瞳孔的中心点坐标时，可以同时计算出双眼瞳孔的直径和面积。
另外，当计算出双眼瞳孔的中心点坐标后，可以在视频图像窗口中用长度为双眼瞳孔的半径的竖线绘制出双眼瞳孔的中心位置，每个瞳孔的中心点在对应竖线的中间位置；当绘制出双眼瞳孔的中心位置后，在视频图像窗口中用一条直线连接双眼瞳孔的中心点，在连接双眼瞳孔中心点直线的中心绘制一条垂直的竖线，其长度为双眼瞳孔中心纵向高度差，这样方便主试人员使用***时观察双眼是否保持水平的位置，如果不是水平的位置双眼瞳孔之间的连线会出现一些扭曲，同时在双眼瞳孔中心连线中间看到一个直线段（最理想的情况是看不到该线段，即为双眼位于水平的位置）。
对于计算双眼角膜反光点的中心坐标，其具体为：
根据灰度图像的灰度值选择基于寻找双眼角膜反光点设定的阈值二，并根据阈值二在灰度图像上寻找超过阈值二的位置，并根据该位置计算出双眼角膜反光点的中心坐标。
这里，根据灰度图像的灰度值选择基于寻找双眼角膜反光点设定的阈值二时：可以基于图像的灰度直方图特征来提取并选择当前灰度图像适配的阈值；或者，在参数设置界面上手动设置或选择自定的阈值。
并且，根据阈值二在灰度图像上寻找超过阈值二的位置，并根据该位置计算出双眼角膜反光点的中心坐标，其具体是指：通过该位置计算双眼角膜反光点的的质心或重心，质心或重心即为双眼角膜反光点的中心坐标。
本实施例中，当计算出双眼角膜反光点的中心坐标后，可以在视频图像窗口中用十字绘制出双眼角膜反光点的中心位置。
综上所述，在本实施例中，可以搜索定位双眼瞳孔和双眼角膜反光点的算法库在收到被试双眼图像数据后，根据图像数据的图像灰度值进行分析，找出双眼瞳孔所在的位置，并逐步找出双眼瞳孔的边界点，根据找出双眼瞳孔的边界点来找出双眼瞳孔中心点位置坐标，同时根据双眼瞳孔的灰度值计算出在双眼瞳孔范围内的像素点数量作为双眼瞳孔的面积，并根据找出双眼瞳孔的中心点和双眼瞳孔边界计算出双眼瞳孔的半径和直径。
并且，搜索定位双眼瞳孔和双眼角膜反光点的算法库在收到被试双眼图像数据后，根据图像数据的图像灰度值进行分析，找出双眼角膜反光点所在的位置坐标。根据搜索定位双眼瞳孔和双眼角膜反光点的算法找出的双眼瞳孔中心点和双眼角膜反光点位置，在视频图像窗口中用竖线（长度为双眼瞳孔的半径）绘制出双眼瞳孔的中心，并以十字来绘制出双眼角膜反光点的中心位置。
这里，如果选择同时搜索和定位双眼瞳孔，若双眼瞳孔同时找到后，需要在视频图像窗口中用一条直线连接双眼瞳孔的中心位置，在连接双眼瞳孔中心点直线的中心绘制一条垂直的竖线，其长度为双眼瞳孔中心纵向高度差，这样方便主试人员使用***时观察双眼是否保持水平的位置，如果不是水平的位置双眼瞳孔之间的连线会出现一些扭曲，同时在双眼瞳孔中心连线中间看到一个直线段（最理想的情况是看不到该线段，即为双眼位于水平的位置）。
最后，搜索定位双眼瞳孔和双眼角膜反光点的算法库最终会将找到的双眼瞳孔中心点坐标位置（水平方向 X和垂直方向 Y）、双眼瞳孔直径、双眼瞳孔面积、双眼角膜反光点坐标位置（水平方向 X 和垂直方向 Y）上传给上层应用即分析眼动数据的***。
因此，本发明解决了目前一些瞳孔定位算法耗时太长的问题，同时解决了我们自己的需求即同时找到双眼瞳孔和双眼角膜反光点，还会在相机实时视频图像窗口中标记出双眼瞳孔所在的实时位置和双眼角膜反光点所在的实时位置，并为上层应用提供双眼瞳孔中心位置坐标（水平方向 X坐标和垂直方向 Y 坐标）、双眼瞳孔面积和直径、以及双眼角膜反光点的中心坐标（水平方向X坐标和垂直方向 Y 坐标）、双眼瞳孔是否定位的标志、双眼角膜反光点是否找到的标志等参数。
也就是说，本实施例能支持工业级相机输出的最高帧率(1018-1020fps)，快速在每一帧图像上找到双眼的瞳孔中心精确位置和双眼角膜反光点的精确位置，同时标注出双眼瞳孔边界点，以及双眼角膜反光点的所在位置，如果双眼瞳孔均已找到，还需要将双眼瞳孔的中心点用一条直线连接起来，在连接双眼瞳孔中心点直线的中心绘制一条垂直的竖线，其长度为双眼瞳孔中心纵向高度差，这样便于观察双眼是否处于水平的位置。目前能做到在不眨眼的情况下，不丢一帧都能找到每帧图像的双眼精确位置和双眼角膜反光点精确位置，而且让帧率始终保持在 1018-1020fps 之间。

Claims (6)

1.双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过图像采集设备采集双眼的灰度图像；所述图像采集设备为工业相机，所述工业相机能通过数据采集卡支持输出最高帧率为1018-1020fps的所述灰度图像；
在所述帧率始终保持在1018-1020fps之间且不丢一帧的情况下，根据灰度图像的灰度值选择基于寻找双眼瞳孔边界设定的阈值一，并根据阈值一将当前灰度图像转换为二值图像；
根据二值图像计算出双眼瞳孔的边界，并根据双眼瞳孔的边界计算出双眼瞳孔的中心点坐标，包括：基于水平射线和垂直射线由内而外的射线算法定位出双眼瞳孔的边界；采用最小二乘拟合圆的算法将定位出的每个瞳孔边界拟合成一个圆或椭圆；采用最小二乘拟合圆的算法找到圆心的位置，即为计算出的双眼瞳孔的中心点坐标；在计算双眼瞳孔的中心点坐标时，同时计算出瞳孔的直径和面积；所述双眼瞳孔的中心点坐标包括水平方向的X坐标和垂直方向的Y坐标；
同时，根据灰度图像的灰度值选择基于寻找双眼角膜反光点设定的阈值二，并根据阈值二在灰度图像上寻找超过阈值二的位置，并根据该位置计算出双眼角膜反光点的中心坐标；所述双眼角膜反光点的中心坐标包括水平方向的X坐标和垂直方向的Y坐标；
当计算出双眼瞳孔的中心点坐标后，在视频图像窗口中用长度为瞳孔的半径的竖线绘制出双眼瞳孔的中心位置，每个瞳孔的中心点在对应竖线的中间位置；当绘制出双眼瞳孔的中心位置后，在视频图像窗口中用一条直线连接双眼瞳孔的中心点；在连接双眼瞳孔中心点直线的中心绘制一条垂直的竖线，其长度为双眼瞳孔中心纵向高度差；
向上层应用提供每一帧所述灰度图像的所述双眼瞳孔的中心点坐标、所述双眼瞳孔的面积和直径、以及所述双眼角膜反光点的中心坐标。
2.根据权利要求1所述的双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法，其特征在于，在采集双眼的灰度图像之前，需安装用于采集双眼灰度图像的图像采集设备对应的光源，所述光源朝向被试双眼所在的方向和位置。
3.根据权利要求1所述的双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法，其特征在于，所述根据灰度图像的灰度值选择基于寻找双眼瞳孔边界设定的阈值一时：
基于图像的灰度直方图特征来提取并选择当前灰度图像适配的阈值；或者，
在参数设置界面上手动设置或选择自定的阈值。
4.根据权利要求1所述的双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法，其特征在于，所述根据灰度图像的灰度值选择基于寻找双眼角膜反光点设定的阈值二时：
基于图像的灰度直方图特征来提取并选择当前灰度图像适配的阈值；或者，
在参数设置界面上手动设置或选择自定的阈值。
5.根据权利要求1或4所述的双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法，其特征在于，所述根据阈值二在灰度图像上寻找超过阈值二的位置，并根据该位置计算出双眼角膜反光点的中心坐标，其具体是指：
通过该位置计算双眼角膜反光点的质心或重心，所述质心或重心即为双眼角膜反光点的中心坐标。
6.根据权利要求5所述的双眼瞳孔与角膜反光点高速精确搜索定位方法，其特征在于，当计算出双眼角膜反光点的中心坐标后，在视频图像窗口中用十字绘制出双眼角膜反光点的中心位置。
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