一種基於視頻的人眼位置探測裝置的製作方法
2023-04-23 14:10:53 3
本實用新型涉及位置探測裝置，特別是涉及一種基於視頻的人眼位置探測裝置。
背景技術：
人眼位置信息對於人臉定位，視線追蹤有著重要意義。目前採用外加光源3照明的的人眼位置探測裝置具有良好的探測效果，可以實現全天候探測。目前，主動式探測方法普遍採用的是亮瞳技術和暗瞳技術。亮瞳技術是指光源3離成像設備的光軸較近時，光源3點亮照射人眼，在顯示設備上會看到瞳孔不再是原本的黑色，而處於一個較亮的狀態。暗瞳效應是相對亮瞳效應而言的，當光源3離成像設備的光軸較遠時，在通過顯示設備會看到瞳孔仍然是正常情況下的黑色。將亮瞳圖像和暗瞳圖像進行差分運算可以獲得一幅擁有兩個明顯亮斑的圖像，這兩個亮斑正是雙眼瞳孔的位置。
儘管採用亮瞳技術和暗瞳技術的探測裝置可以探測人眼，但是這些裝置本身普遍存在一個嚴重缺陷，缺陷在於為了獲得亮瞳圖像需要把其中一組光源3固定在成像設備的光軸附近，而大功率光源3裝置安放在成像設備近軸區域時散發的熱量容易對電路以及成像設備造成不良影響。當採用紅外光源時，由於紅外線的熱效應，對成像裝置的鏡頭部分的影響比較嚴重，而且紅外線對電子元件的熱效應會使電路系統的熱噪聲比常溫情況下高，安裝散熱裝置會加大系統的體積和功耗。因此，需要開發一個新型探測裝置，使光源3遠離成像設備以及其它電子元件，避免近軸光源3散熱對探測系統造成不利影響。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於提供一種基於視頻的人眼位置探測裝置,此裝置的光源能夠遠離成像設備光軸以及電路中其它電子元件，對相鄰兩幀圖像差分後提取灰度極大值和極小值的方法實現人眼位置探測。
一種基於視頻的人眼位置探測裝置，主要包括：光源、驅動電路、成像設備、計算與顯示裝置。
所述光源用於提供照明及建立瞳孔位置的高亮特徵點；
所述驅動電路用於提供觸發信號，驅動光源點亮與熄滅，並控制成像設備採集圖像；
所述成像設備用於採集包含瞳孔的人臉區域圖像；
所述計算及顯示設備用於接收及處理成像設備拍攝的圖像，並對處理結果進行顯示。
較佳的，所述光源的實現形式為兩個LED照明電珠。
較佳的，所述驅動電路採用單片機實現觸發信號輸出。
較佳的，所述驅動電路具有三個輸出埠，分別連接並驅動左側光源、右側光源、成像設備。
較佳的，所述成像設備為採用CCD或CMOS圖像傳感器為成像器件的工業相機。
較佳的，所述計算與顯示裝置為PC機或採用FPGA與顯示屏組合構成。
本實用新型具有如下有益效果：
本實用新型的光源與成像設備具有足夠大的空間，可以避免光源輻射的熱效應對成像設備鏡頭及探測器造成的不良影響，提高了成像質量及裝置工作的穩定性。
附圖說明
圖1是本實用新型的裝置的示意圖。
圖2是本實用新型的裝置操作流程圖。
其中，1-人眼，2-成像設備，3-光源，4-虛像點，5-驅動電路，6-計算與顯示裝置。
具體實施方式
本實用新型提供一種基於視頻的人眼位置探測裝置，具體結構如附圖1所示，該裝置包括光源3，驅動電路5，成像設備2以及計算與顯示設備6；所述光源3至少有兩個，人眼1左、右兩側各放置一個光源3；在進行探測工作前需要通過人工調整使得光源3由於人眼1處反射所形成的虛像點4互相分離。所述成像設備2放置在人眼1前方，用於對包含人眼1的區域拍攝視頻；所述驅動電路5提供外觸發信號，其中，連接左側光源與右側光源的輸出埠電平切換頻率相同，電平值相反，驅動電路用於控制成像設備的埠與成像設備的外觸發埠相連，高低電平切換頻率為光源輸出埠頻率的二倍，成像設備在驅動電路輸出高電平期間採集一幀圖像，低電平時待機，通過上述邏輯時序實現功能為：兩個光源3輪流點亮，且在成像設備獲取每幀圖像時只有一個光源處於點亮狀態；所述計算與顯示設備接收成像設備2的視頻，並對人眼1區域進行探測，對視頻流中每一幀圖像的人眼1區域進行標記，並進行顯示。
本裝置的理論依據以及進行調整光源3這一工作時的理論指導是高斯公式，根據近軸光學中的高斯公式：
可以得出：
其中f′為像方焦距，f為物方焦距，l′為像點與主平面的距離，l為物點與主平面的距離，n為物方折射率，n′為像方折射率，y′位像高，y為物高，β為為垂軸放大率。如果將人眼1的光學模型簡化為一個凸面鏡，根據幾何光學成像公式，結合光線在空氣中傳播的特殊情形，可以得出：
n＝-n′＝1
其中r為人眼1表面的曲率半徑。根據簡化模型可以得出
由此可以看出每隻眼睛上的每個虛像點4到人眼1光軸的徑向距離y′由三個參數決定：虛像點4對應的每個光源3到人眼1光軸的徑向距離y，人眼1曲率半徑r，以及光源3到人眼1表面的距離l。對於人眼1處反射的光源3的虛像點4在成像系統的像平面位置同樣可以換成成像系統的參數，通過高斯公式進行計算，從公式中得知對於人眼1反射的光源3虛像點4在成像系統像平面上的位置與系統的焦距有關。因此可以通過調整光源3和人眼1的軸向距離，兩個光源3的相對距離，從而可以保證在成像設備2採集到的圖像中看到人眼1中，兩個光源3的虛像點4都是分離的。
在探測工作開始時，通過驅動信號控制兩個光源3輪流點亮，使成像設備2採集每一幀圖像時只有一個光源3處於點亮狀態。這樣，在相鄰兩幀圖像中，每個光源3在人眼1處各形成一次虛像，通過對相鄰兩幀圖像進行差分運算，在差分圖像中，一個光源3形成虛像點4的所在位置表現出灰度值為正數的極 大值，另一個光源3形成虛像點4的所在位置表現出灰度值為負數的極小值。在查找到滿足要求的極大值與極小值特徵點後，需要對特徵點進行如下驗證：
1)、光源在空間上的相對位置分布與幀間差分圖像中候選點的相對位置分布成比例；
2)、光源眼處形成的虛像點與人眼瞳距的距離在誤差允許範圍內；
3)、光源在單隻眼睛上形成的虛像點的幾何距離小於人眼瞳孔距離；
對滿足上述三個條件的特徵點進行標記，從而完成對人眼1區域的定位工作。
附圖2內容為裝置操作與工作流程，每個步驟的具體操作方式如下：
第一步，將光源3擺放在成像設備2兩側；
第二步，啟動並調整成像設備2位置，將鏡頭對準人臉區域，使視頻圖像中能夠觀察到雙眼；
第三步，點亮兩個光源3，調整每個光源3之間的相對位置，使視頻中能夠看到每個光源3都能夠在人眼1處形成反射的虛像點4，並且虛像點4之間互不重疊和連通，調整好後固定光源3及成像設備2；
第四步，將驅動電路5與兩個光源3相連，調整成像設備2和驅動電路5的頻率，使兩個光源3輪流點亮，並且在成像設備2採集每一幀圖像時只有一個光源3處於點亮狀態。
第五步，利用計算與顯示設備6對相鄰兩幀圖像進行差分，查找差分圖像中滿足條件的正數灰度極大值和負數灰度極小值，並標記對應的位置。
第六步，將標記後的結果輸出在計算與顯示設備設備6。
綜上所述，以上僅為本實用新型的較佳實施例而已，並非用於限定本實用新型的保護範圍。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。