專利名稱：全視野瞳孔分析測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像檢測(cè)及處理技術(shù)，特別是一種全視野瞳孔分析測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
目前，隨著科學(xué)技術(shù)和醫(yī)療水平的不斷進(jìn)步，經(jīng)研究表明，客觀定量 瞳孔檢測(cè)被越來(lái)越多的應(yīng)用于各個(gè)不同方向。
在醫(yī)學(xué)研究中，準(zhǔn)分子激光屈光矯正手術(shù)(LASIK)，神經(jīng)眼科(例如 球后視神經(jīng)炎)，糖尿病，神經(jīng)生物學(xué)和旨主神經(jīng)系統(tǒng)功能研究，中樞神 經(jīng)系統(tǒng)疾病、腦功能、神經(jīng)精神疾病(例如顱內(nèi)壓增高監(jiān)測(cè)、腦中風(fēng)病情 觀察、腦死亡輔助判定)，重癥監(jiān)護(hù)和急救醫(yī)學(xué)，麻醉(例如麻醉深度監(jiān) 測(cè))，臨床藥理學(xué)，眼動(dòng)檢測(cè)、視頻眼震檢測(cè)/紅外眼震檢測(cè)(用于眩暈、 前庭器官疾病的檢杏)等；吸毒研究和檢測(cè)，可用于吸毒界定、生理和心 理成癮(渴求)程度判定、戒毒效果評(píng)定等科研和檢測(cè)領(lǐng)域，供禁毒執(zhí)法 部門、戒毒所、吸毒鑒定機(jī)構(gòu)及相關(guān)科研機(jī)構(gòu)使用，可大大降低檢定費(fèi)用， 并大大節(jié)省毒品和其他藥物的初篩時(shí)間；疲勞和飲酒的判定，在工業(yè)、交 通、運(yùn)輸?shù)炔块T使用瞳孔檢測(cè)儀可有效評(píng)定工作者或司機(jī)的疲勞程度(疲 勞駕駛)或者是否有酒后駕駛，有助于降低相關(guān)事故和酒后撞車的發(fā)生， 并可提高工作場(chǎng)所的安全性以及增加工作效率。
國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的簡(jiǎn)易瞳孔測(cè)量板不能夠達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量，雙眼瞳孔檢測(cè)儀又 不適宜攜帶，其他手持瞳孔測(cè)量器方便攜帶，但不能得出實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)時(shí)性好、使用方便的一種全視野瞳孔分析 本發(fā)明的目的是由以—F技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 一種全視野瞳孔分析測(cè)量方從步驟300開(kāi)始，首先通過(guò)視頻采集卡將眼部區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采 集，得到眼部區(qū)域圖像；
步驟301通過(guò)均值法或最值法或公式法對(duì)300步采集到的圖像進(jìn)行灰
度化；
步驟302，通過(guò)直方圖法對(duì)步驟301灰度化的圖像進(jìn)行二值化處理，
當(dāng)背景與目標(biāo)差異大，直方圖出現(xiàn)雙峰，這時(shí)的最低谷點(diǎn)作為閾值點(diǎn)；
步驟303，對(duì)進(jìn)行二值化處理的圖像瞳孔區(qū)域反光進(jìn)行消除；
步驟304確定瞳孔中心，計(jì)算其直徑，提取瞳孔的圓心，以及確定瞳
孔的直徑，實(shí)現(xiàn)瞳孔中心的跟蹤測(cè)量。
所述的確定圓心的方法可以通過(guò)三條弦的垂直平分線的交點(diǎn)確定。
所述的確定圓心的方法可以通過(guò)兩條弦的中點(diǎn)確定或通過(guò)圓上的三
點(diǎn)，進(jìn)一步利用如下公式確定 設(shè)(a，b)為圓心，R為半徑，
(xl,yl)， (x2，y2), (x3，y3)為圓上的三點(diǎn)。根據(jù)下面的公式，最終可以解
出a，b，R的值，進(jìn)而可以確定圓心，計(jì)算出面積。
(x卜a)2 +(yl-b)2 =R2 (x2-a)2+(y2-b)2 =R2 (x3-a)2+(y3-b)2 =R2 ° 所述的歩驟301對(duì)同一幅彩色圖像進(jìn)行灰度化是利用公式
Y二O. 3R+0. 59G+0. 11B進(jìn)行處理。
該方法釆用的裝置至少包括一個(gè)圖像檢測(cè)單元、 一圖像處理單元，其 圖像檢測(cè)單元和圖像處理單元之間通過(guò)電連接。
所述的電連接可以是有線電連接。
所述的電連接可以是無(wú)線電連接。
所述的圖像檢測(cè)單元電連接有無(wú)線發(fā)射裝置，無(wú)線發(fā)射裝置是一視頻 無(wú)線發(fā)射裝置。
所述的圖像處理單元電連接有無(wú)線接收裝置，無(wú)線接收裝置是視頻接 收卡。所述的圖像處理單元是筆記本電腦。
所述的圖像檢測(cè)單元是CMOS攝像機(jī)或CCD攝像機(jī)。
本發(fā)明中采用了三點(diǎn)確定圓心以及掃描像素得到直徑的方法。
本發(fā)明的工作過(guò)程及優(yōu)點(diǎn)是
采用有線視頻或無(wú)線發(fā)射裝置和視頻接收卡進(jìn)行視頻信息傳遞，可以
使攝像機(jī)構(gòu)成的手持式瞳孔測(cè)量器以采集頻率為30幀每秒圖像信號(hào)實(shí)時(shí)
傳到筆記本電腦內(nèi)，經(jīng)筆記本電腦的圖像處理軟件對(duì)瞳孔圖像進(jìn)行快速分 析，迅速得到分析結(jié)果。
由于現(xiàn)有的筆記本電腦具有攜帶方便的特點(diǎn)，而筆記本電腦對(duì)圖像處 理速度快，因此可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量和圖像分析的任務(wù)。


下面結(jié)合實(shí)施例附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是本發(fā)明實(shí)施1結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施2結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是瞳孔圖像提取和快速分析和流程圖； 圖4是得到眼部區(qū)域圖像； 圖5是二值化后的圖像示意圖； 圖6是二值化后的消除瞳孔反光圖像示意圖； 圖7是圖像處理中膨脹的原理過(guò)程圖; 圖8是將瞳孔的區(qū)域轉(zhuǎn)換成一個(gè)圓域(二值圖像)； 圖9是將二值化后得到的圓域進(jìn)行邊界提取(提取圓域的輪廓)。 圖中1、圖像處理單元；2、圖像檢測(cè)單元；3、無(wú)線電；4、無(wú)線接 收裝置；5、無(wú)線發(fā)射裝置；6、手柄；7、開(kāi)關(guān)；8、攝像頭；9、照明燈； 10、驅(qū)動(dòng)電路；11、連接線；12、視頻接口端。
具體實(shí)施例方式
如圖l所示，這是一款利用現(xiàn)有帶攝像頭的筆記本電腦改進(jìn)的實(shí)例方式，與現(xiàn)有的帶攝像頭的筆記本電腦不同之處，筆記本電腦(圖像處理單 元1)原裝的攝像頭8通過(guò)連接線11與筆記本電腦電連接；筆記本電腦包 括視頻接口端12。這樣圖像檢測(cè)單元2就，包括攝像頭8、驅(qū)動(dòng)電路10、
固定攝像頭8和驅(qū)動(dòng)電路10的殼體，殼體下端有手柄6，手柄6上有開(kāi)關(guān) 7。實(shí)際上圖像檢測(cè)單元2構(gòu)成了一種手持式瞳孔測(cè)量?jī)x。
圖像檢測(cè)單元2的電源直接取自筆記本電腦電源；將筆記本電腦原有 的攝像頭8驅(qū)動(dòng)電路10移自圖像檢測(cè)單元2內(nèi)，使圖像檢測(cè)單元2直接 輸出視頻信號(hào)到筆記本電腦，筆記本電腦內(nèi)再對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理。
這種實(shí)施方式由于不需要?jiǎng)?chuàng)造性勞動(dòng)，實(shí)施起來(lái)特別方便。為了實(shí)現(xiàn) 本發(fā)明對(duì)瞳孔測(cè)量和處理的需求，筆記本電腦內(nèi)有圖像處理軟件，通過(guò)對(duì) 攝像頭8提取的瞳孔圖像灰度化處理，邊緣提取，掃描像素對(duì)視頻單幀圖 像進(jìn)行分析，可排除或者補(bǔ)償因眨眼所帶來(lái)的誤差導(dǎo)致瞳孔直徑的不確定 性，保證了測(cè)量結(jié)果的可信性和可重復(fù)性。
為了不影響暗環(huán)境下檢查，攝像頭8—側(cè)配有光源，該光源為照明燈 9，光源可以是外置伸縮光源可控，包括照射單個(gè)瞳孔時(shí)確保不漏光照到 另外一個(gè)瞳孔，影響測(cè)量結(jié)果；保證在暗環(huán)境下檢查時(shí)不受室內(nèi)外照條件 的影響，確保各種環(huán)境下測(cè)試的一致性。攝像頭8可以物距調(diào)整和定標(biāo)校 準(zhǔn)，在不同患者的眼睛因凸凹程度不同時(shí)可按需分別調(diào)節(jié)攝像頭的物距， 保證始終得到個(gè)體化的最佳圖像質(zhì)量，并保證測(cè)量結(jié)果不受物距變動(dòng)的影 響。
使用時(shí)首先將手持式瞳孔測(cè)量?jī)x對(duì)準(zhǔn)被測(cè)人眼(左右眼都可)，打開(kāi) 開(kāi)關(guān)，通過(guò)調(diào)焦按鈕調(diào)節(jié)遠(yuǎn)近，在屏幕上得到清晰的被測(cè)人眼視頻圖像， 按下開(kāi)始鍵，錄像開(kāi)始，當(dāng)錄像結(jié)束時(shí)，按下停止鍵即司_。
圖2是一種無(wú)線式實(shí)施方案，在這種方案中，通過(guò)在圖像檢測(cè)單元 2 (手持式瞳孔測(cè)量?jī)x)的視頻輸出端連接一無(wú)線發(fā)射裝置5，無(wú)線發(fā)射裝 置5是一視頻無(wú)線發(fā)射裝置，通過(guò)無(wú)線電3不斷向外發(fā)送無(wú)線視頻信號(hào)。而在筆記本電腦(圖像處理單元l)的USB接口上電連接一無(wú)線接收裝置
6，無(wú)線接收裝置6是視頻接收卡。就可實(shí)現(xiàn)像檢測(cè)單元2 (手持式瞳孔測(cè) 量?jī)x)與筆記本電腦(圖像處理單元l)遠(yuǎn)距離互動(dòng)。
無(wú)論是實(shí)施例1和實(shí)施例2都是利用現(xiàn)有的技術(shù)做了結(jié)構(gòu)性的變化， 使全視野瞳孔分析變得方便、準(zhǔn)確。而(手持式瞳孔測(cè)量?jī)x)與筆記本電 腦(圖像處理單元l)通過(guò)有線或無(wú)線連接則是實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的關(guān)鍵。
圖3是利用圖1或圖2進(jìn)行瞳孔圖像提取和快速分析和流程圖
步驟300為瞳孔的提取過(guò)程開(kāi)始，首先通過(guò)視頻采集卡將眼部區(qū)域的 圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，得到眼部區(qū)域圖像，如圖4所示。
步驟301是圖象的灰度化處理，通過(guò)均值法或最值法或公式法對(duì)300 步采集到的圖像進(jìn)行灰度化，上述的三種方法對(duì)同一幅彩色圖像進(jìn)行灰度 化，通過(guò)視覺(jué)觀察對(duì)比發(fā)現(xiàn)利用公式法處理后的圖像的效果比較理想，圖 像的顏色相對(duì)更均勻，視覺(jué)效果更好，因此，本軟件采用了第三種方法進(jìn) 行灰度化即利用公式Y(jié)=0. 3R+0. 59G+0. IIB。
通過(guò)直方圖法對(duì)步驟301灰度化的圖像進(jìn)行二值化處理。直方圖法是 當(dāng)背景與目標(biāo)差異大并且面積相當(dāng)時(shí)直方圖出現(xiàn)雙峰，這時(shí)的最低谷點(diǎn)為 T，這樣在進(jìn)行二值化時(shí)就將最低谷點(diǎn)T作為閾值點(diǎn)，進(jìn)行歩驟302眼部 區(qū)域的二值化處理，如圖5所示。
步驟303瞳孔區(qū)域反光的消除，在實(shí)時(shí)采集眼部圖像時(shí)會(huì)在瞳孔部位 產(chǎn)生反光區(qū)域，二值化后可以清楚的看到反光區(qū)域，通過(guò)圖5的白色區(qū)域 所示，這些反光區(qū)域?qū)?huì)影響下一步的瞳孔的中心定位，因此必須將反光 區(qū)域進(jìn)行消除。
如圖7所示，反光區(qū)域進(jìn)行消除以圖像處理中膨脹的原理為基礎(chǔ)進(jìn)行 處理。首先膨脹的簡(jiǎn)單定義設(shè)A為圖像區(qū)域集合，B為結(jié)構(gòu)元素。S為B 的關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱的集合，(S)z表示S平移z. A B = W[(S)znA]￡A}。 B膨 脹A實(shí)際上就是S的位移與A至少有一個(gè)非零元素相交時(shí)B的原點(diǎn)為位置的集合。
根據(jù)圖7可以看出，如果想進(jìn)行圖像內(nèi)部的空白自動(dòng)的黑色填充，關(guān) 鍵必須區(qū)分出背景的白色，和對(duì)象(瞳孔內(nèi)部區(qū)域)的白色。對(duì)于這個(gè)問(wèn) 題解決方案如下首先逐行掃描，找出左邊是黑色，右邊是白色的像素點(diǎn)， 這樣就可以將左部分的背景的白色區(qū)域排餘掉，留下的區(qū)域如圖6紅色， 藍(lán)色標(biāo)記。其次再判斷每一個(gè)紅色區(qū)域的像素點(diǎn)所在的行的右邊是否還有 黑色的像素點(diǎn)，如果有黑色的像素則說(shuō)明此點(diǎn)是在內(nèi)部，否則可以判斷出 此點(diǎn)就是藍(lán)色區(qū)域所在的背景的白色。最后將判斷出的內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行自動(dòng) 填充。結(jié)果如下圖8所示。
步驟304確定瞳孔中心，計(jì)算其直徑，本發(fā)明實(shí)施例的最終的目的就
是提取瞳孔的圓心，以及確定瞳孔的直徑(瞳孔暫可近似看成一個(gè)圓)， 實(shí)現(xiàn)瞳孔中心的跟蹤測(cè)量。根據(jù)幾何的方法，確定圓心的方法比較多，可 以通過(guò)三條弦的垂直平分線的交點(diǎn)確定，還可以通過(guò)兩條弦的中點(diǎn)確定， 也可以通過(guò)圓上的三點(diǎn)，進(jìn)一步利用公式確定。本發(fā)明中采用了三點(diǎn)確定 圓心以及掃描像素得到直徑的方法。
通過(guò)圓心計(jì)算直徑
設(shè)(a，b)為圓心，R為半徑，(xl，yl), (x2,y2), (x3, y3)為圓上的三點(diǎn)。 根據(jù)下面的公式，最終可以解出a，b，R的值，進(jìn)而可以確定圓心，計(jì)算 出面積。
(xl-a)2 +(y:i-b)2 =R2 (x2-a)2 + (y2-b)2 =R2 (x3-a)2+(y3-b)2 =R2 根據(jù)上面的公式，如何得到圓上的三點(diǎn)是關(guān)鍵。而原始圖像在經(jīng)過(guò)上
述的過(guò)程處理之后，已經(jīng)是將瞳孔的區(qū)域轉(zhuǎn)換成一個(gè)圓域(二值圖像)如
圖8所示。因此如何得到圓域的邊界上的點(diǎn)是關(guān)鍵。利用下述的方法得到
圓上三點(diǎn)。首先，將二值化后得到的圓域進(jìn)行邊界提取(提取圓域的輪廓)
操作如圖9所示，得到圓后在圓上取三個(gè)不同的點(diǎn)，然后按照上述的公式
9計(jì)算出圓心，半徑，進(jìn)而確定了圓心，計(jì)算可得直徑。輪廓提取確定圓上3點(diǎn)輪廓提取的主要實(shí)現(xiàn)原理是，逐行掃描圖像找出黑色像素的點(diǎn)，然后 進(jìn)一歩判斷這個(gè)點(diǎn)的上，下，左，右都是黑色的像素點(diǎn)，如果是，則將此點(diǎn)黑色像素附予白色，否則不改變此像素點(diǎn)。最后可以通過(guò)邊緣上3點(diǎn)確定瞳孔中心點(diǎn)，通過(guò)在邊緣上提取點(diǎn)的坐標(biāo)可以計(jì)算出瞳孔的直徑。掃描像素得到直徑在邊緣提取過(guò)的圖像上從圖像下方開(kāi)始向上逐行掃描像素，掃描到的 第一個(gè)黑色的像素點(diǎn)記錄下縱坐標(biāo)以及橫坐標(biāo)，沿著該點(diǎn)記錄的橫坐標(biāo)繼續(xù)垂直向上掃描直到掃描到第二個(gè)黑色的像素點(diǎn)，記錄該點(diǎn)的縱坐標(biāo)，2點(diǎn)的縱坐4示之差即為瞳孔直徑，單位為像素，由此可以得到瞳孔直徑。每測(cè)量出一個(gè)值以后，由軟件通過(guò)判別，如果該測(cè)量值與前5個(gè)后5 個(gè)測(cè)量值相差超過(guò)10個(gè)平均值的20%，那么則判斷該值為眨眼波，則排除， 由此對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。
權(quán)利要求
1、全視野瞳孔測(cè)量分析方法，包括如下步驟從步驟300開(kāi)始，首先通過(guò)視頻采集卡將眼部區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，得到眼部區(qū)域圖像；步驟301通過(guò)均值法或最值法或公式法對(duì)300步采集到的圖像進(jìn)行灰度化；步驟302，通過(guò)直方圖法對(duì)步驟301灰度化的圖像進(jìn)行二值化處理，當(dāng)背景與目標(biāo)差異大，直方圖出現(xiàn)雙峰，這時(shí)的最低谷點(diǎn)作為閾值點(diǎn)；步驟303，對(duì)進(jìn)行二值化處理的圖像瞳孔區(qū)域反光進(jìn)行消除；步驟304確定瞳孔中心，計(jì)算其直徑，提取瞳孔的圓心，以及確定瞳孔的直徑，實(shí)現(xiàn)瞳孔中心的跟蹤測(cè)量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全視野瞳孔測(cè)量分析方法，其特征是所. 述的確定圓心的方法可以通過(guò)三條弦的垂直平分線的交點(diǎn)確定。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全視野瞳孔測(cè)量分析方法，其特征是所述的確定圓心的方法可以通過(guò)兩條弦的中點(diǎn)確定或通過(guò)圓上的三點(diǎn)，進(jìn)一步利用如下公式確定設(shè)(a， b)為圓心，R為半徑，(xl，yl)， (x2，y2)， (x3，y3)為圓上的三點(diǎn);根據(jù)下面的公式，最終可以解出a，b,R的值，進(jìn)而可以確定圓心，計(jì)算出面積(xl-a)2屮(y卜b)2 =R2 (x2-a)2十(y2-b)2 = R2 (x3-a)2 + (y3-b)2 =R2 。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全視野艟孔測(cè)量分析方法，其特征是所述的步驟301對(duì)同 一 幅彩色圖像進(jìn)行灰度化是利用公式 Y二O. 3R+0. 59G+0. 11B進(jìn)行處理。
5、 全視野瞳孔測(cè)量分析裝置，它至少包括一個(gè)圖像檢測(cè)單元(2)、 一 圖像處理單元(1)，其特征是圖像檢測(cè)單元(2)和圖像處理單元(1) 之間通過(guò)電連接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的全視野瞳孔測(cè)量分析裝置，其特征是所 述的電連接可以是有線電連接或無(wú)線電連接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的全視野瞳孔測(cè)量分析裝置，其特征是所述的圖像檢測(cè)單元(2)電連接有無(wú)線發(fā)射裝置(5)，無(wú)線發(fā)射裝置(5)是一視頻無(wú)線發(fā)射裝置。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的全視野瞳孔測(cè)量分析裝置，其特征是所述的圖像處理單元(1)電連接有無(wú)線接收裝置(4)，無(wú)線接收裝置(4)是視頻接收卡。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的全視野瞳孔測(cè)量分析裝置，其特征是所述的圖像處理單元(2)是筆記本電腦。
10、根據(jù)權(quán)利要求5所述的全視野瞳孔測(cè)量分析裝置，其特征是所述的圖像檢測(cè)單元(2)是CMOS攝像機(jī)或CCD攝像機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明是一種全視野瞳孔分析測(cè)量方法，包括如下步驟步驟300，首先通過(guò)視頻采集卡將眼部區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，得到眼部區(qū)域圖像；步驟301，通過(guò)均值法或最值法或公式法對(duì)300步采集到的圖像進(jìn)行灰度化；步驟302，通過(guò)直方圖法對(duì)步驟301灰度化的圖像進(jìn)行二值化處理，當(dāng)背景與目標(biāo)差異大，直方圖出現(xiàn)雙峰，這時(shí)的最低谷點(diǎn)作為閾值點(diǎn)；步驟303，對(duì)進(jìn)行二值化處理的圖像瞳孔區(qū)域反光進(jìn)行消除；步驟304確定瞳孔中心，計(jì)算其直徑，提取瞳孔的圓心，以及確定瞳孔的直徑，實(shí)現(xiàn)瞳孔中心的跟蹤測(cè)量。該方法為一種實(shí)時(shí)性好、使用方便的一種全視野瞳孔測(cè)量分析方法。
文檔編號(hào)G06T7/00GK101513342SQ20091002170
公開(kāi)日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者張作明, 徐世偉, 莉 李, 佳 耿, 群 郭 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)