CN112656366B - 一种非接触式测量瞳孔大小的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触式测量瞳孔大小的方法和系统，是一种消除装置结构性误差，在10cm～80cm范围内非接触准确测量瞳孔大小的自动检测、测量方法，适用于多种图像采集传感器和在更换物体识别算法情况下对多种物体进行测量。利用距离传感器一方面可以获取真实的面部(瞳孔)到图像采集装置的距离，另一方面可以获取面部、眼部的偏转信息，利用先验数据输入换算修正单元，可以换算修正出拟真的正面图像信息，进行后续计算，因此可以在存在少量偏移的情况下，也能实现对瞳孔的真实大小的计算。

Description

一种非接触式测量瞳孔大小的方法和系统

技术领域

本发明涉及人眼瞳孔的测量技术领域，主要为非接触式的高精度检测技术，具体为一种非接触式测量瞳孔大小的方法和系统。

背景技术 发明内容

瞳孔大小一直是眼科和神经科检查的重要手段。近年来，瞳孔检测在精神和神经科学中的应用逐渐受到重视,许多研究显示瞳孔动态特性检测是进行精神和神经疾病研究的有用工具。通过眼睛生物特性的研究,可以无损伤地探索中枢神经系统的信息加工与控制机制，其中瞳孔的特性检测就是一种无创的检测方法。因此国内外许多科学家一直致力于脑疾病和瞳孔变化的关系研究。毒品吸食成瘾者从严格意义上来说是一种脑疾病患者。眼睛特别是瞳孔的变化包含着大量的科学信息，科学准确地获取这些数据并进行有效地分析判别是进行毒品吸食者界定的技术关键。

为了精确采集瞳孔信息，一般的方法和装置都需要固定瞳孔与设备的距离，如有些采集设备必须把眼睛套在测量圆筒内，设备与皮肤有直接接触。目前市场需要有非接触获取瞳孔信息，测量瞳孔大小变化的技术手段和装置。

发明内容

为解决上述现有技术存在的不足，申请人研发了一种能够对面部倾斜的被检测人员也能进行高精确度，有效解决了这一技术难题。提供一种非接触式获取瞳孔信息，测量瞳孔大小的方法和系统。

具体的，本发明是这样实现的：

一种非接触式测量瞳孔大小的方法，包括以下步骤：

步骤S1、向被检测对象的脸部发出三个超声波测距点，并实时获取三个点的距离信息；

步骤S2、获取被检测对象的眼部图像信息，并获取瞳孔图像信息，提取瞳孔信息，并在获取瞳孔图像的同时获取上述三个点的距离信息；

步骤S3、基于获取的三个点的距离信息，通过相互之间的差值计算算出人脸相对于检测仪的偏转信息，并从所述瞳孔图像信息中提取瞳孔的形状图像信息；

步骤S4、基于瞳孔的形状图像信息和人脸的偏转信息、获取到的瞳孔图像信息的像素值信息、被测对象脸部距离测量仪的距离信息，进行先验数据、通过补偿修正算法计算出瞳孔的真实大小信息。

进一步的，所述先验数据，包括预先设置好的先验数据库，先验数据库能存储预处理好的标定物尺寸数据与先验数量拟合公式，为瞳孔大小计算提供数据支持。

进一步的，所述先验数据库为，设定一个标准计量长度为S，标准测量距离为L的物体，在图像采集设备下获得的标准像素为P，并在一定测量距离内获取不同距离量下的图像像素值，构建一组距离量和像素量之间的关系数据库。

本发明的另一方面，提供了一种非接触式测量瞳孔大小的系统，包括图像采集装置、超声波测距装置、显示和控制输入端、处理器，还包括：至少三组超声波传感器，用于在检测过程中，实时检测被检测对象的面部上的多点分别距离检测仪的距离信息，并实时反馈至换算修正单元；图像处理单元，连接处理器，用于从获取的图像信息中识别出被检测对象的眼部信息并提取出瞳孔信息发送至换算修正单元；换算修正单元，连接处理器，用于对三个点的距离信息进行差值计算算出人脸相对于检测仪的偏转信息，判断是否需要进行偏转补偿计算，并基于出瞳孔信息、距离信息作出补偿修正算法计算出瞳孔的真实大小信息，发送至处理器；处理器用于控制图像处理单元和换算修正单元，输出并存储计算出的瞳孔的真实大小信息。

本发明的工作原理和有益效果：

通过联动图像和距离采集设备同步采集瞳孔的图像和距离，通过瞳孔识别算法识别出瞳孔的像素大小，把瞳孔像素大小，瞳孔距离和预处理的先验数据输入瞳孔大小计算模块，计算出瞳孔的实际大小 (以毫米为单位)作为输出结果。同时，利用距离传感器一方面可以获取真实的面部(瞳孔)到图像采集装置的距离，另一方面可以获取面部、眼部的偏转信息，利用先验数据输入换算修正单元，可以换算修正出拟真的正面图像信息，进行后续计算，因此可以在存在少量偏移的情况下，也能实现对瞳孔的真实大小的计算。

附图说明

图1为本发明一种非接触式测量瞳孔大小的方法、系统的原理示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1：

一种非接触式测量瞳孔大小的方法，包括以下步骤：

步骤S1、向被检测对象的脸部发出三个超声波测距点，并实时获取三个点的距离信息；

步骤S2、获取被检测对象的眼部图像信息，并获取瞳孔图像信息，提取瞳孔信息，并在获取瞳孔图像的同时获取上述三个点的距离信息；

步骤S3、基于获取的三个点的距离信息，通过相互之间的差值计算算出人脸相对于检测仪的偏转信息，并从所述瞳孔图像信息中提取瞳孔的形状图像信息；

步骤S4、基于瞳孔的形状图像信息和人脸的偏转信息、获取到的瞳孔图像信息的像素值信息、被测对象脸部距离测量仪的距离信息，进行先验数据、通过补偿修正算法计算出瞳孔的真实大小信息。

优选地，先验数据，包括预先设置好的先验数据库，先验数据库能存储预处理好的标定物尺寸数据与先验数量拟合公式，为瞳孔大小计算提供数据支持。

优选地，先验数据库为，设定一个标准计量长度为S，标准测量距离为L的物体，在图像采集设备下获得的标准像素为P，并在一定测量距离内获取不同距离量下的图像像素值，构建一组距离量和像素量之间的关系数据库。

通过先验数据计算出瞳孔的真实大小信息的步骤包括：

S的被测出像素Px＝P*L/测量距离Lx；

设dpi＝P/S，

则有S＝(Px*L/测量距离Lx)/dpi；

若知道瞳孔距离Ly，瞳孔像素大小Py,则换算为标准单位的瞳孔像素Psy＝(P*L/测量距离Ly)；

Ly距离下有关系Py:Psy＝Sy:S；

所以可获得瞳孔的实际大小公式(Formula S)： Sy＝Py*S/(P*L/测量距离Ly)＝Py*S*测量距离Ly/(P*L)＝Py*测量距离 Ly/(dpi*L)。

实施例2：在实施例1的基础上，通过补偿修正算法计算出瞳孔的真实大小信息的步骤包括：先通过同样设备采集不同距离，不同大小的瞳孔模型的采集像素值形成一个数据矩阵，对矩阵数据进行回归分析可获得系统偏差的拟合公式，用拟合公式对计算数据进行修正即可获得准确的瞳孔大小数据。

优选地，不同大小的瞳孔模型包括：预先建立瞳孔图形和信息数据库，存储有同一距离下同一瞳孔的正面图形信息数据，和瞳孔多方向偏转的多角度的斜面图形信息数据：包括瞳孔的图像信息，和该图像拍摄时瞳孔与拍摄中心的偏移方向和偏移角度信息；同一距离下的数据为一组，整个数据库包含多组不同距离下的数据。

优选地，用拟合公式对计算数据进行修正即可获得准确的瞳孔大小数据的步骤包括：

所述瞳孔图形和信息数据库中建立各个方向、不同倾斜程度的图像信息数据，并获得在该程度的偏转倾斜程度下，当前瞳孔图像和正位的瞳孔图像之间瞳孔形状和面积的比较参数值，存储比较参数值数据；

基于当前人脸的偏转信息，将该偏转信息与基本对照数据库中的数据比较，获得偏转信息最接近的比较参数值数据中的偏转倾斜程度下的比较参数值，基于该比较参数值，计算出当前人脸的瞳孔的模拟还原的拟真瞳孔图像信息。

实施例3：

本实施例中的数据采集

信号触发后图像和距离联动同时采集。图像采集的过程从几何角度可看作是一个将客观世界的场景通过投影进行空间转化的过程，在进行图像采集时要将3-D客观场景投影到2-D图像平面，这个投影过程可以用投影变换(也称为成像变化或几何透视变换)描述。一般情况下，客观场景、摄像机和图像平面各有自己不同的坐标系统，所有投影成像涉及到在不同坐标系统之间的转换。图像采集方式主要由光源、采集器和景物三者的相对关系所决定。根据光源、采集器和景物三者不同的相互位置和运动情况，可构成多种成像方式。本专利技术中使用单目成像，即假设光源固定，用一个采集器在一个固定位置对场景取一幅像或多幅图像。距离测量通过超声波发射器向瞳孔方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时.超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距瞳孔的距离(L),即：L＝340t/2.这就是超声波的时间差测距法。

一种非接触式测量瞳孔大小的系统，包括图像采集装置、超声波测距装置、显示和控制输入端、处理器，至少三组超声波传感器，用于在检测过程中，实时检测被检测对象的面部上的多点分别距离检测仪的距离信息，并实时反馈至换算修正单元；图像处理单元，连接处理器，用于从获取的图像信息中识别出被检测对象的眼部信息并提取出瞳孔信息发送至换算修正单元；换算修正单元，连接处理器，用于对三个点的距离信息进行差值计算算出人脸相对于检测仪的偏转信息，判断是否需要进行偏转补偿计算，并基于出瞳孔信息、距离信息作出补偿修正算法计算出瞳孔的真实大小信息，发送至处理器；处理器用于控制图像处理单元和换算修正单元，输出并存储计算出的瞳孔的真实大小信息。

优选地，三组超声波传感器为三个点，三个超声波检测点分别位于被检测对象的额头处的a点和两侧的颧骨处的b点和c点；

换算修正单元还用于作出偏转判断：

若b点和c点的差值绝对值超过预定阈值后，判断被检测人员脸部水平偏移，为正值时判断为向右侧偏移、为负值时判断为向左侧偏移；

若a点与b点、c点其中任意一点之间的差值绝对值超过预定阈值后，判断被检测人员脸部垂直偏移，为正值时判断为向上倾仰，为负值时判断为向下倾俯；

并用于对上述两段判断数据实时进行并统一处理得出实际偏转信息，且针对实际偏转信息，预设有一套相对应的修正信息，提取相应的修正信息进行应用于补偿修正算法；

所述补偿修正算法包括：

预先设置好先验数据库，先验数据库能存储预处理好的标定物尺寸数据与先验数量拟合公式，为瞳孔大小计算提供数据支持：设定一个标准计量长度为S，标准测量距离为L的物体，在图像采集设备下获得的标准像素为P，并在一定测量距离内获取不同距离量下的图像像素值，构建一组距离量和像素量之间的关系数据库。

优选地，换算修正单元还用于：

预先建立瞳孔图形和信息数据库，存储有同一距离下同一瞳孔的正面图形信息数据，和瞳孔多方向偏转的多角度的斜面图形信息数据：包括瞳孔的图像信息，和该图像拍摄时瞳孔与拍摄中心的偏移方向和偏移角度信息；同一距离下的数据为一组，整个数据库包含多组不同距离下的数据。

所述瞳孔图形和信息数据库中建立各个方向、不同倾斜程度的图像信息数据，并获得在该程度的偏转倾斜程度下，当前瞳孔图像和正位的瞳孔图像之间瞳孔形状和面积的比较参数值，存储比较参数值数据；

基于当前人脸的偏转信息，将该偏转信息与基本对照数据库中的数据比较，获得偏转信息最接近的比较参数值数据中的偏转倾斜程度下的比较参数值，基于该比较参数值，计算出当前人脸的瞳孔的模拟还原的拟真瞳孔图像信息。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种非接触式测量瞳孔大小的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、向被检测对象的脸部发出三个超声波测距点，并实时获取三个点的距离信息；

步骤S2、获取被检测对象的眼部图像信息，并获取瞳孔图像信息，提取瞳孔信息，并在获取瞳孔图像的同时获取上述三个点的距离信息；

步骤S3、基于获取的三个点的距离信息，通过相互之间的差值计算算出人脸相对于检测仪的偏转信息，并从所述瞳孔图像信息中提取瞳孔的形状图像信息；

步骤S4、基于瞳孔的形状图像信息和人脸的偏转信息、获取到的瞳孔图像信息的像素值信息、被测对象脸部距离测量仪的距离信息，进行先验数据、通过补偿修正算法计算出瞳孔的真实大小信息；其中：

所述先验数据包括：预先设置好的先验数据库，先验数据库能存储预处理好的标定物尺寸数据与先验数量拟合公式，为瞳孔大小计算提供数据支持；

所述修正算法包括：通过不同距离、不同大小的瞳孔数据建立瞳孔图形和信息数据库，所述瞳孔图形包括拍摄的瞳孔图像，所述信息数据库包括：瞳孔的正面图形信息数据、瞳孔多方向偏转的多角度的斜面图形信息数据、瞳孔的图像信息和该图像拍摄时瞳孔与拍摄中心的偏移方向和偏移角度信息；通过当前瞳孔图像和正位的瞳孔图像之间瞳孔形状和面积的比较参数值，还原瞳孔的实际直径信息，得瞳孔的真实大小信息。

2.根据权利要求1所述的非接触式测量瞳孔大小的方法，其特征在于，所述先验数据库为，设定一个标准计量长度为S，标准测量距离为L的物体，在图像采集设备下获得的标准像素为P，并在一定测量距离内获取不同距离量下的图像像素值，构建一组距离量和像素量之间的关系数据库。

3.根据权利要求2所述的非接触式测量瞳孔大小的方法，其特征在于，通过先验数据计算出瞳孔的真实大小信息的步骤包括：

S的被测出像素Px＝P*L/测量距离Lx；

设dpi＝P/S，

则有S＝(Px*L/测量距离Lx)/dpi；

若知道瞳孔距离Ly，瞳孔像素大小Py,则换算为标准单位的瞳孔像素Psy＝(P*L/测量距离Ly)；

Ly距离下有关系Py:Psy＝Sy:S；

所以可获得瞳孔的实际大小公式(Formula S)：

Sy＝Py*S/(P*L/测量距离Ly)＝Py*S*测量距离Ly/(P*L)＝Py*测量距离Ly/(dpi*L)。

4.根据权利要求2所述的非接触式测量瞳孔大小的方法，其特征在于，通过补偿修正算法计算出瞳孔的真实大小信息的步骤包括：先通过同样设备采集不同距离，不同大小的瞳孔模型的采集像素值形成一个数据矩阵，对矩阵数据进行回归分析可获得系统偏差的拟合公式，用拟合公式对计算数据进行修正即可获得准确的瞳孔大小数据。

5.根据权利要求4所述的非接触式测量瞳孔大小的方法，其特征在于，所述不同大小的瞳孔模型包括：预先建立瞳孔图形和信息数据库，存储有同一距离下同一瞳孔的正面图形信息数据，和瞳孔多方向偏转的多角度的斜面图形信息数据：包括瞳孔的图像信息，和该图像拍摄时瞳孔与拍摄中心的偏移方向和偏移角度信息；同一距离下的数据为一组，整个数据库包含多组不同距离下的数据。

6.根据权利要求5所述的非接触式测量瞳孔大小的方法，其特征在于，用拟合公式对计算数据进行修正即可获得准确的瞳孔大小数据的步骤包括：

所述瞳孔图形和信息数据库中建立各个方向、不同倾斜程度的图像信息数据，并获得在该程度的偏转倾斜程度下，当前瞳孔图像和正位的瞳孔图像之间瞳孔形状和面积的比较参数值，存储比较参数值数据；

基于当前人脸的偏转信息，将该偏转信息与基本对照数据库中的数据比较，获得偏转信息最接近的比较参数值数据中的偏转倾斜程度下的比较参数值，基于该比较参数值，计算出当前人脸的瞳孔的模拟还原的拟真瞳孔图像信息。

7.一种非接触式测量瞳孔大小的系统，包括图像采集装置、超声波测距装置、显示和控制输入端、处理器，其特征在于，还包括：

至少三组超声波传感器，用于在检测过程中，实时检测被检测对象的面部上的多点分别距离检测仪的距离信息，并实时反馈至换算修正单元；

图像处理单元，连接处理器，用于从获取的图像信息中识别出被检测对象的眼部信息并提取出瞳孔信息发送至换算修正单元；

换算修正单元，连接处理器，用于对三个点的距离信息进行差值计算算出人脸相对于检测仪的偏转信息，判断是否需要进行偏转补偿计算，并基于出瞳孔信息、距离信息作出补偿修正算法计算出瞳孔的真实大小信息，发送至处理器；

处理器用于控制图像处理单元和换算修正单元，输出并存储计算出的瞳孔的真实大小信息；

所述修正单元能：预先设置好先验数据库，先验数据库能存储预处理好的标定物尺寸数据与先验数量拟合公式，为瞳孔大小计算提供数据支持：设定一个标准计量长度为S，标准测量距离为L的物体，在图像采集设备下获得的标准像素为P，并在一定测量距离内获取不同距离量下的图像像素值，构建一组距离量和像素量之间的关系数据库；能通过不同距离、不同大小的瞳孔数据建立瞳孔图形和信息数据库，所述瞳孔图形包括拍摄的瞳孔图像，所述信息数据库包括：瞳孔的正面图形信息数据、瞳孔多方向偏转的多角度的斜面图形信息数据、瞳孔的图像信息和该图像拍摄时瞳孔与拍摄中心的偏移方向和偏移角度信息；能通过当前瞳孔图像和正位的瞳孔图像之间瞳孔形状和面积的比较参数值，还原瞳孔的实际直径信息，得瞳孔的真实大小信息。

8.根据权利要求7所述的非接触式测量瞳孔大小的系统，其特征在于，所述三组超声波传感器为三个点，三个超声波检测点分别位于被检测对象的额头处的a点和两侧的颧骨处的b点和c点；

换算修正单元还用于作出偏转判断：

若b点和c点的差值绝对值超过预定阈值后，判断被检测人员脸部水平偏移，为正值时判断为向右侧偏移、为负值时判断为向左侧偏移；

若a点与b点、c点其中任意一点之间的差值绝对值超过预定阈值后，判断被检测人员脸部垂直偏移，为正值时判断为向上倾仰，为负值时判断为向下倾俯；

并用于对上述两段判断数据实时进行并统一处理得出实际偏转信息，且针对实际偏转信息，预设有一套相对应的修正信息，提取相应的修正信息进行应用于补偿修正算法。

9.根据权利要求7或8所述的非接触式测量瞳孔大小的系统，其特征在于，所述换算修正单元还用于：

预先建立瞳孔图形和信息数据库，存储有同一距离下同一瞳孔的正面图形信息数据，和瞳孔多方向偏转的多角度的斜面图形信息数据：包括瞳孔的图像信息，和该图像拍摄时瞳孔与拍摄中心的偏移方向和偏移角度信息；同一距离下的数据为一组，整个数据库包含多组不同距离下的数据；

所述瞳孔图形和信息数据库中建立各个方向、不同倾斜程度的图像信息数据，并获得在该程度的偏转倾斜程度下，当前瞳孔图像和正位的瞳孔图像之间瞳孔形状和面积的比较参数值，存储比较参数值数据；

基于当前人脸的偏转信息，将该偏转信息与基本对照数据库中的数据比较，获得偏转信息最接近的比较参数值数据中的偏转倾斜程度下的比较参数值，基于该比较参数值，计算出当前人脸的瞳孔的模拟还原的拟真瞳孔图像信息。

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