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基于近眼红外图像的高精度瞳孔中心定位方法

哈尔滨理工大学学报 2022年第5期27卷 38-46页

作者：王鹏温宏韬王世龙常州工学院江苏常州213032 哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院哈尔滨150080

针对近眼红外相机采集的人眼图像存在反射光斑干扰和瞳孔部分遮挡导致瞳孔中心定位精度不高的问题,提出了一种高精度瞳孔中心定位方法。首先获取瞳孔部分感兴趣区域,减小后续计算量;再采用中值滤波去除椒盐噪声;接着利用阈值分割、形态... 详细信息

针对近眼红外相机采集的人眼图像存在反射光斑干扰和瞳孔部分遮挡导致瞳孔中心定位精度不高的问题,提出了一种高精度瞳孔中心定位方法。首先获取瞳孔部分感兴趣区域,减小后续计算量;再采用中值滤波去除椒盐噪声;接着利用阈值分割、形态学处理、获取最大连通区域和边缘检测去除背景区域及残留噪声,提取瞳孔边缘轮廓;然后采用光斑区域检测剔除光斑干扰点,判断瞳孔遮挡情况并去除非边缘点,最后利用改进椭圆拟合算法定位瞳孔中心。实验结果表明,该算法能够在瞳孔受反射光斑干扰和被部分遮挡情况下准确定位到瞳孔中心,总体精度达到98.2%。

关键词：视线追踪瞳孔中心定位近眼相机感兴趣区域椭圆拟合

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基于近眼红外视频图像的瞳孔中心定位及跟踪研究

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基于近眼红外视频图像的瞳孔中心定位及跟踪研究

作者：李献中北大学

学位级别：硕士

瞳孔中心定位及跟踪技术一直是计算机视觉和模式识别领域中重要的研究课题之一,瞳孔中心定位及跟踪技术的应用非常广泛,涉及医学检测、人机交互、心理学、虚拟现实等多个学科领域,研究如何快速、稳定、准确地定位瞳孔中心是非常有意义... 详细信息

瞳孔中心定位及跟踪技术一直是计算机视觉和模式识别领域中重要的研究课题之一,瞳孔中心定位及跟踪技术的应用非常广泛,涉及医学检测、人机交互、心理学、虚拟现实等多个学科领域,研究如何快速、稳定、准确地定位瞳孔中心是非常有意义的。本文针对基于近眼红外视频图像的瞳孔中心定位及跟踪进行研究,主要研究内容包括以下几个方面:(1)对瞳孔图像进行分析,根据瞳孔的“暗瞳”特性来为瞳孔图像采集硬件系统选择合适的相机、镜头、光源。分析了3?3(默认大小)、5?5、7?7、9?9四种不同模板内核的Tenengrad图像清晰度评价算法,实验结果表明,随着模板内核的增大,Tenengrad算法对噪声的敏感性会降低,但是算法耗时会增多,综合考虑算法的抗噪性能和实时性,在采集瞳孔图像时应用5?5模板内核的Tenengrad算法来进行对焦,从而保证所采集瞳孔图像的清晰度。(2)针对睫毛遮挡、眼睑遮挡、杂光干扰、角膜反射引起的白斑干扰等影响瞳孔中心精确定位的因素,提出了一种由“粗”到“精”的瞳孔中心定位方法。采用YOLOv5n模型粗定位瞳孔区域,同时为了提高YOLOv5n模型的均值平均精度,将回归损失函数CIOU替换为EIOU,并应用k-means++算法来计算得到先验锚框,优化后的模型在瞳孔数据集上的m AP@0.9达到了97.61%,相较于优化前提高了1.47%;为了减少白斑、眼睑、睫毛的干扰,提出了一种基于圆环区域的瞳孔图像动态裁剪方法,只留下瞳孔边缘部分图像;使用Canny算子对瞳孔亚像素边缘进行提取,针对不同光照强度下瞳孔与背景连接处灰度梯度的不同和Canny边缘检测算子依赖于人工阈值的选取,提出了一种基于灰度直方图与Otsu的自适应Canny梯度阈值选取算法,同时为了提高运行效率,在阈值选取前对图像进行两次下采样处理;最后提出了一种基于Tukey权重和L-BFGS-B的椭圆拟合算法来对瞳孔边缘进行拟合,从而实现瞳孔中心的精确定位。在采集的瞳孔数据集上进行实验,所提瞳孔中心定位方法的定位误差均在5个像素以内,平均定位误差为0.696个像素,满足瞳孔中心定位误差要求,平均定位时间为31.3ms,实验结果表明,该瞳孔中心定位方法具有较好的鲁棒性、准确性和实时性。(3)针对传统KCF跟踪算法应用于瞳孔跟踪时具有尺度固定、模板更新过于频繁而导致模板精度下降的缺点,对传统KCF算法进行改进。采用FHOG特征描述子对瞳孔目标进行描述;针对在跟踪过程中瞳孔目标的尺度变化,提出了一种基于改进种子区域生长算法的瞳孔目标尺度估计方法,改进的种子区域生长算法相比于原算法,速度得到很大提升,且目标区域越大,改进算法的优势越明显;针对模板更新过于频繁而导致模板退化的情况,提出了一种基于APCE的模板更新策略,有效保证了模板的准确性。实验结果表明,改进的KCF算法相比于传统KCF算法对瞳孔的跟踪效果更好、跟踪精度更高。(4)针对基于近眼红外视频图像的瞳孔中心定位及跟踪,提出了一种基于YOLOv5n和KCF的瞳孔中心定位及跟踪方法,并进行了实验验证,实验结果表明,该方法具有较好的鲁棒性、准确性和跟踪实时性。

关键词：机器视觉图像清晰度评价瞳孔中心定位瞳孔跟踪 YOLOv5n KCF

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红外头盔式眼动仪的瞳孔中心定位算法

西安电子科技大学学报 2011年第3期38卷 7-12,82页

作者：王军宁刘涛何迪武媛媛西安电子科技大学通信工程学院陕西西安710071

为了提高瞳孔中心定位精度,降低运算复杂度,首先采用星射线方法获取瞳孔边界点,与对整幅图搜索相比,计算量大大减小.设定感兴趣区域,对眼皮、眼睫毛及光斑干扰产生的虚假特征点进行剔除,然后利用特征点通过随机化的椭圆拟合定位瞳孔中心... 详细信息

为了提高瞳孔中心定位精度,降低运算复杂度,首先采用星射线方法获取瞳孔边界点,与对整幅图搜索相比,计算量大大减小.设定感兴趣区域,对眼皮、眼睫毛及光斑干扰产生的虚假特征点进行剔除,然后利用特征点通过随机化的椭圆拟合定位瞳孔中心.随机化椭圆拟合允许杂质点的存在,确保了拟合定位算法的准确性,对虚假点的剔除更进一步加快了拟合速度.在连续帧处理时通过瞳孔像素数的变化快速对眨眼进行检测,区分眨眼与伪眨眼.实验结果表明,该算法简单且鲁棒性好.

关键词：瞳孔中心定位星射线椭圆拟合眨眼检测

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基于星射线法的瞳孔中心定位

计算机工程与设计 2021年第5期42卷 1409-1417页

作者：马启玮韩慧妍韩燮张增一中北大学大数据学院山西太原030051 西安电子科技大学通信工程学院陕西西安710100

为解决红外图像中人眼瞳孔中心定位存在的眼睑遮挡、睫毛遮挡和角膜反射引起的白斑干扰等问题,采用由粗到精的瞳孔中心定位策略。对红外图像进行预处理,通过YoloV3深度学习模型检测瞳孔区域,实现瞳孔中心的粗略定位;在此基础上,采用星... 详细信息

为解决红外图像中人眼瞳孔中心定位存在的眼睑遮挡、睫毛遮挡和角膜反射引起的白斑干扰等问题,采用由粗到精的瞳孔中心定位策略。对红外图像进行预处理,通过YoloV3深度学习模型检测瞳孔区域,实现瞳孔中心的粗略定位;在此基础上,采用星射线法提取瞳孔边缘点,剔除因眼睑遮挡导致的伪瞳孔边缘点;将剩下的边缘点基于最小二乘法进行椭圆拟合,对椭圆进行修正,精确定位瞳孔中心。实验结果表明,在眼睑遮挡、睫毛遮挡和白斑干扰的情况下,该方法可以准确定位,具有较好的鲁棒性和实时性。

关键词：瞳孔中心定位星射线眼睑遮挡椭圆拟合瞳孔边缘

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面向近眼式应用的快速瞳孔中心定位算法

电讯技术 2020年第9期60卷 1102-1107页

作者：赵浩然季渊穆廷洲陈文栋高钦冉峰上海大学微电子研究与开发中心上海200444 上海大学机电工程与自动化学院上海200444

针对Hough圆变换、最小二乘法椭圆拟合瞳孔中心定位算法中运算量大的问题,提出一种基于椭圆外切矩形的快速瞳孔中心定位算法。该算法从人眼图像中通过阈值分割得到瞳孔区域,对瞳孔区域进行边缘像素点的提取,然后利用椭圆外切矩形模型定... 详细信息

针对Hough圆变换、最小二乘法椭圆拟合瞳孔中心定位算法中运算量大的问题,提出一种基于椭圆外切矩形的快速瞳孔中心定位算法。该算法从人眼图像中通过阈值分割得到瞳孔区域,对瞳孔区域进行边缘像素点的提取,然后利用椭圆外切矩形模型定位出瞳孔中心。通过Matlab对中国科学院自动化研究所公开的虹膜数据库中756张人眼图像进行遍历实验验证,所提算法定位准确率为98.3%,平均用时0.192 s。在同等条件下,与Hough圆变换、最小二乘法椭圆拟合算法进行对比,在保证定位准确率的同时,所提算法平均用时更少。实验结果表明,所提算法能够快速准确地完成瞳孔的中心定位。

关键词：人眼图像瞳孔中心定位椭圆外切矩形阈值分割边缘像素点

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人脸检测及瞳孔中心定位研究

人脸检测及瞳孔中心定位研究

作者：周玉景广西大学

学位级别：硕士

目前,人眼检测已经成为了计算机视觉领域的一个研究热点,在视线追踪、人机交互、疾病诊断、工业工程与人因分析、心理学、生理学等方面都具有广泛的应用。当前视线追踪技术的应用对人眼定位的准确性的要求更加严格。本文的人眼检测及瞳... 详细信息

目前,人眼检测已经成为了计算机视觉领域的一个研究热点,在视线追踪、人机交互、疾病诊断、工业工程与人因分析、心理学、生理学等方面都具有广泛的应用。当前视线追踪技术的应用对人眼定位的准确性的要求更加严格。本文的人眼检测及瞳孔中心定位是在人脸检测的基础上进行的,联合积分投影与径向对称变换算法对人眼进行由粗到细的定位,改进了传统的人脸及人眼检测方法,深入研究了人脸、人眼检测及定位,瞳孔中心定位的相关问题。本文主要完成的工作如下：1.人脸检测与定位对传统的YCbCr颜色空间下的椭圆肤色模型进行分析,提出了一种自适应亮度阈值的椭圆肤色模型。首先把RGB真彩色人脸图像转换到YCbCr色彩空间;然后利用自适应亮度阈值的椭圆肤色模型进行肤色分割;最后采用形态学开运算与面积滤波法进行背景中的伪肤色区域的滤除,用矩形框标出人脸区域。实验表明,本文提出的改进的肤色模型改善了肤色分割效果。2.人眼检测与定位针对直接利用水平垂直积分投影进行人眼检测时,投影曲线受噪声的干扰太大,曲线变化不规则,很难通过投影曲线直接对人眼进行精确位置定位等问题,提出了一种联合积分投影与径向对称变换对人眼进行由粗到精的定位算法。首先利用水平积分投影在检测出的人脸区域检测出大致的眼睛候选区域,对人眼进行粗略的定位;然后再利用径向对称变换在检测出的左右眼区域对瞳孔中心进行定位,即人眼的精定位。实验表明,本文提出的算法与传统积分投影算法相比,提高了人眼定位的准确率。

关键词：人脸检测肤色模型人眼检测瞳孔中心定位积分投影径向对称变换

基于星射线模型和高密度连通区域聚类的瞳孔中心定位算法

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基于星射线模型和高密度连通区域聚类的瞳孔中心定位算法

作者：韩蕙佚兰州大学

学位级别：硕士

近年来,信息技术飞速发展,它的应用也遍布人们生活的各个领域。人们利用计算机领域内的前沿技术服务于社会、经济、资源、环境等各方面。而在这些活动中,人机交互都将是永远的主题。鉴于它对社会发展、人类进步如此重要,人们便开始研究... 详细信息

近年来,信息技术飞速发展,它的应用也遍布人们生活的各个领域。人们利用计算机领域内的前沿技术服务于社会、经济、资源、环境等各方面。而在这些活动中,人机交互都将是永远的主题。鉴于它对社会发展、人类进步如此重要,人们便开始研究如何实现自然、便利和无所不在的人机交互。它将会成为现代科技领域研究的至高目标,它的创新也必将引领新的技术潮流。而眼球跟踪定位算法在人机交互领域内具有很重要的应用,且存在很大的发展空间。另外,医学研究领域,瞳孔的准确定位,以及眼球运动的跟踪会对一些眼睛疾病和脑部神经疾病提供新的治疗方案,也会给医生带来更精准和更便捷的诊疗。乃至整个医学界,也必将带来重大的突破。并且,身份认证领域,生物识别系统成长迅速。网络世界的越发纷杂,导致客户私密信息的泄露越来越频繁,这就对各个场合的身份认证系统要求越来越高。近几年,虹膜识别系统的研究获得了大量研究者的关注,在此基础之上,他们也意识到,瞳孔中心定位算法的改进也是不可忽视的部分。就目前公开的算法而言,可以看出在此方面已经有很大的改进和突破,但是仍然存在一些不足,仍有很大的进步空间。像处理噪声,比如离轴畸变、生理畸变以及毛发和眼睑的遮挡,这些复杂条件往往会导致算法定位的不理想。然而,在此方面,虽然也有一些研究,但是还不能达到想要的理想效果,所以瞳孔中心定位算法仍然面临巨大的挑战。另外,算法中眼部图像的处理也是很重要的一点,想要保证算法的高性能,必须保证眼部图像的高质量。针对目前定位算法的不足,本文根据人体眼部的生理特征,结合信息技术领域内的先进技术,提出了一种高精度、高效率、高鲁棒性的瞳孔中心定位算法。算法运行时,首先采用本文第二章介绍的视频采集设备采集眼球运动视频,然后读取每段视频的每一帧图像,压缩成768*342像素,接着采用由图像的Haar特征训练的最佳Adaboost强分类器,圈定感兴趣区域(ROI)。然后进行眼部图像感兴趣区域反光点的检测和填充。对填充好的感兴趣区域采用星射线模型进行瞳孔边缘特征点的检测,同时对检测到的边缘候选特征点进行基于高密度连通区域的特征点聚类,最后采用随机抽样一致性(RANSAC)算法进行瞳孔边缘的椭圆拟合。实验结果部分,为了评估法算法的性能,我们对这些视频每帧图像定位的准确率和平均执行时间进行统计,并将结果与目前流行的算法比较,可知本文算法具有较高的性能。

关键词：人机交互 AdaBoost 眼球跟踪瞳孔中心定位边缘检测

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人眼自动对焦及瞳孔中心自动对准系统

光学学报 2023年第5期43卷 111-119页

作者：汪路涵巩岩张艳微郎松郑汉青中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州) 生命科学与医学部江苏苏州215163 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所医用光学室江苏苏州215163 济南国科医工科技发展有限公司山东济南250102 沈阳国科医工科技发展有限公司辽宁沈阳110167

针对现今非接触眼科测量仪器对焦对准速度慢、通用性差和操作复杂的问题,搭建了应用于眼科测量仪器的人眼自动对焦及瞳孔中心自动对准系统,并提出了基于四邻域-多方向两级梯度函数的自动对焦算法以及融合卷积神经网络智能感兴趣区域(ROI... 详细信息

针对现今非接触眼科测量仪器对焦对准速度慢、通用性差和操作复杂的问题,搭建了应用于眼科测量仪器的人眼自动对焦及瞳孔中心自动对准系统,并提出了基于四邻域-多方向两级梯度函数的自动对焦算法以及融合卷积神经网络智能感兴趣区域(ROI)窗口的瞳孔中心定位算法。通过实验实拍人眼离焦图像序列及人眼图像测试集,分别对提出的两个算法进行验证。结果显示:所提出的自动对焦算法的平均计算时间约为13 ms,清晰度比率为93.531,优于6种传统的评价算法;所提出的瞳孔中心定位算法的平均计算时间为10.2 ms,准确度为97.14%,相比Hough法、改进Hough法有较大的性能提升。实验结果证明所搭建的系统能够满足眼生物参数测量的准确性、实时性和鲁棒性要求,提升了仪器的自动化水平,有助于眼科测量仪器的智能化发展。

关键词：成像系统医疗光学仪器自动对焦瞳孔中心定位自动对准图像处理

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基于注意力机制和空洞卷积的瞳孔定位算法

电子测量技术 2023年第15期46卷 126-132页

作者：孙语刘文龙蒋茂松大连理工大学信息与通信工程学院大连116081

瞳孔定位在人机交互中起着关键性作用,然而由于反射、眨眼和睫毛遮挡等噪声以及瞳孔位置不居中、运动导致模糊等问题,使得瞳孔中心定位的准确率下降、鲁棒性减弱,从而导致精确地定位瞳孔仍存在巨大困难。为此,本文提出一种基于注意力机... 详细信息

瞳孔定位在人机交互中起着关键性作用,然而由于反射、眨眼和睫毛遮挡等噪声以及瞳孔位置不居中、运动导致模糊等问题,使得瞳孔中心定位的准确率下降、鲁棒性减弱,从而导致精确地定位瞳孔仍存在巨大困难。为此,本文提出一种基于注意力机制和空洞卷积的瞳孔检测定位算法。该算法以U-Net的编码-解码结构为基础,编码部分采用VGG16并引入空洞卷积,以充分地提取特征,解码部分加入Attention Gate,使得模型具有更好的鲁棒性。然后,使用最小二乘法对网络输出的瞳孔分割图进行拟合,最终根据拟合图像获取瞳孔中心坐标。本算法使用ExCuSe公开的24个数据集进行验证,实验表明该算法可以准确的定位瞳孔位置,平均检测率可达到92.6%。

关键词：瞳孔中心定位 U-Net 注意力机制空洞卷积最小二乘法