【正文】 .................................................................. 27 畫(huà)曲線圖模塊的具體實(shí)現(xiàn) ........................................................................... 31 處理后的視頻查看模塊的具體實(shí)現(xiàn) ........................................................... 31 程序出現(xiàn)的異常及處理方法 ................................................................................. 32 測(cè)試 ......................................................................................................................... 32 結(jié) 論 ........................................................................................................................................ 34 致 謝 ........................................................................................................................................ 35 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 36 附錄 A 英文附錄 .................................................................................................................. 37 附錄 B 中文附錄 ................................................................................................................... 42 附錄 C 程序附錄 ................................................................................................................... 46 附錄 D 本文中用到 OpenCV 函數(shù)的使用附錄 .................................................................. 71 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 1 緒 論 課題研究背景及意義 眼睛是人類最重要的感覺(jué)器官，人體從外界接收的信息中，有一半的信息都是通過(guò)眼睛獲取的。眼睛不僅是觀察世界的“取景器”，還是透視人體內(nèi)部狀況的一扇天窗，折射出人體的征象。瞳孔圖如圖 所示。眼睛中虹膜、瞳孔的形狀、顏色、大??；眼球的左、右、上、下運(yùn)動(dòng)狀況；眼瞼的開(kāi)閉狀況都不僅反映眼睛的狀態(tài)，也透視出人體內(nèi)的組織、器官、系統(tǒng)的狀況。根據(jù)人眼視覺(jué)功能中瞳孔特殊的感光特性，可通過(guò)瞳孔對(duì)光反應(yīng)的異常狀態(tài)幫助診斷神經(jīng)、機(jī)能的病變。瞳孔對(duì)光反應(yīng)（ Pupillary Light Reflex, PLR）的含義為，當(dāng)受試者注 視正前方，光線刺激從眼旁移到眼前垂直照射瞳孔，正常時(shí)感光的瞳孔敏捷地縮小，解除光照瞳孔即又開(kāi)大，稱為直接光反應(yīng)。未直接感光的瞳孔也相應(yīng)出現(xiàn)放大縮小的情況，稱為間接光反應(yīng)。持續(xù)感光的瞳孔，可出現(xiàn)輕微的縮小與開(kāi)大相交替現(xiàn)象。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)在檢查淺昏迷狀態(tài)的病人，則此現(xiàn)象表現(xiàn)遲鈍，而對(duì)于深昏迷者則該現(xiàn)象消失。瞳孔若感光超過(guò)一定時(shí)間，原已縮小的瞳孔稍微擴(kuò)展。瞳孔對(duì)光反應(yīng)的信息傳遞通路為：視網(wǎng)膜接受光刺激，視神經(jīng)和視束傳遞信息，經(jīng)上丘到達(dá)中腦蓋前區(qū)，反饋信息驅(qū)動(dòng)動(dòng)眼神經(jīng)支配瞳孔控制肌肉進(jìn)行收縮、放大。 圖 瞳孔平面 圖 例如，當(dāng)人在注視自己喜愛(ài)的人或感興趣的東西時(shí)，瞳孔往往會(huì)擴(kuò)大，而看到自己厭惡的人或物時(shí)，瞳孔往往會(huì)縮小，反映出人的心理狀態(tài)；心理負(fù)荷增大和緊張程度的增加都會(huì)使瞳孔放大，瞳孔也反映腦力負(fù)荷，可作為評(píng)價(jià)腦力負(fù)荷的一個(gè)可靠指標(biāo)。眼沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 瞼的開(kāi)閉情況可反映人體是否疲勞，實(shí)時(shí)獲取駕駛員眼睛圖像信息以判斷疲勞狀況成為一種可行的方法；醫(yī)學(xué)上己經(jīng)發(fā)現(xiàn)眼睛與全身的組織、器官存在密切聯(lián)系；不少身體疾病可在眼部引起特定的反應(yīng)或并發(fā)癥，而眼部疾病也往往是身體疾病的原因，所以檢測(cè)眼睛也就成為診斷疾病的重要途徑。正常的瞳孔為圓形，黑色透 明，兩側(cè)等大。除生理調(diào)節(jié)變化外，如瞳孔擴(kuò)大多見(jiàn)于顱腦外傷、腦血管病、重癥的乙型腦炎、化膿性腦膜炎等；若伴有光反射消失、眼球固定、深昏迷等，多為原發(fā)性腦干損傷或臨終前征象；瞳孔縮小多見(jiàn)于乙醇（又稱酒精）中毒、安眠藥中毒以及老年人的腦橋腫瘤、腦橋出血，也可見(jiàn)于糖尿病。另外，有機(jī)磷、嗎啡中毒甚至可出現(xiàn)針尖樣瞳孔；若伴有光反射遲鈍、中樞性高熱、深昏迷，為腦橋損傷表現(xiàn)；兩側(cè)瞳孔大小不等常見(jiàn)于腦出血、腦梗死、腦腫瘤等；兩側(cè)瞳孔大小多變伴有光反射消失、眼球分離或異位，多為中腦損傷表現(xiàn)。由醫(yī)學(xué)理論可知， 瞳孔直徑的變化受交 感和副交感神經(jīng)的雙重支配，而且交感和副交感神經(jīng)均為自主神經(jīng)，不受人的主觀意愿影響 [1]。人體瞳孔的大小除了隨光線的強(qiáng)弱變化外，還與年齡大小、屈光和生理狀態(tài)等因素有關(guān)。 通過(guò)對(duì)人眼瞳孔的精確定位檢測(cè)，可使得眼科手術(shù)的安全性和可靠性得到極大的提升，同時(shí)在醫(yī)療器械眼科輔助檢查方面提供精確的數(shù)據(jù)支持；通過(guò)對(duì)人眼瞳孔的檢測(cè)跟蹤，根據(jù)瞳孔大小參數(shù)和人眼的開(kāi)閉時(shí)間來(lái)判斷駕駛員是否疲勞駕駛，可主動(dòng)性地減少交通事故的發(fā)生；通過(guò)對(duì)人眼瞳孔的定位檢測(cè)，可對(duì)人的注視點(diǎn)及注視行為等進(jìn)行檢測(cè)、分析，實(shí)現(xiàn)眼動(dòng)、人工智能方面的控制；通過(guò)對(duì)人眼瞳孔的定位檢測(cè)及跟蹤，可了解并進(jìn)而分析人的心理狀態(tài)，從側(cè)面解決人類的交流問(wèn)題；通過(guò)對(duì)人眼瞳孔的定位檢測(cè)，為基于生物特征識(shí)別技術(shù)的人臉識(shí)別和虹膜識(shí)別等應(yīng)用研究提供堅(jiān)實(shí) 的研究基礎(chǔ)；通過(guò)對(duì)人眼瞳孔的定位及跟蹤，可分析人的精神狀態(tài)，分析神經(jīng)系統(tǒng)的反應(yīng)及病變 [1]。針對(duì)人眼瞳孔檢測(cè)與跟蹤技術(shù)的研究，涉及到醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)、模式識(shí)別、人工智能、計(jì)算機(jī)視覺(jué)與圖像分析等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，更是模式識(shí)別、圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的復(fù)雜的綜合性課題。 瞳孔動(dòng)態(tài)特性的研究在國(guó)內(nèi)外一直是心理科學(xué)和生理科學(xué)研究的 一個(gè)重要領(lǐng)域。早在 1994 年， Scinto 等人 2 提出利用擴(kuò)瞳試驗(yàn)作為老年性癡呆（ alzheimer disease, AD）早期診斷的可能性。程文紅等人 3 對(duì)瞳孔在藥物（ 0. 01% 托 吡卡胺）刺激下的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究，得到相似結(jié)果。近年來(lái)，關(guān)于眼睛檢測(cè)的應(yīng)用研究正不斷擴(kuò)展，眼睛的定位在計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面有著極其重要的研究和應(yīng)用。 瞳孔位于虹膜中央稍偏鼻下方，近似圓形。其大小及反應(yīng)由瞳孔括約肌和瞳孔開(kāi)大沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 肌所控制，分別通過(guò)副交感神經(jīng)和交感神經(jīng)支配，這兩種神經(jīng)相互協(xié)調(diào)、相互制約，控制著瞳孔的形態(tài)變化。瞳孔本身具有生理性的瞬時(shí)波動(dòng)，其大小無(wú)時(shí)不在變化，而且可因光線、注視目標(biāo)遠(yuǎn)近、年齡、屈光狀態(tài)、種族、虹膜色素多少、睡眠與覺(jué)醒、情緒的不同等因素而變化。因此瞳孔即使在不受刺激的情況下其實(shí)也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的 過(guò)程，只是平常我們的肉眼察覺(jué)不到瞳孔的這種微弱的變化而己。瞳孔的調(diào)節(jié)是由動(dòng)眼神經(jīng)的副交感神經(jīng)纖維（支配瞳孔括約肌，使瞳孔縮?。┖蛠?lái)自頸上交感神經(jīng)節(jié)的交感神經(jīng)纖維（支配瞳孔開(kāi)大肌，使瞳孔散大）進(jìn)行調(diào)節(jié)的。前者的神經(jīng)傳導(dǎo)徑路同光反射傳導(dǎo)徑路（下文述及）。后者的傳導(dǎo)徑路如下；下丘腦（視束可能與下丘腦有間接聯(lián)系） —— 中樞性交感神經(jīng)束中腦交叉 —— 經(jīng)過(guò)腦干和頸髓 —— 第 8 頸髓至第 2 胸髓的灰質(zhì)側(cè)角（交感神經(jīng)核區(qū)又稱睫狀脊髓中樞）發(fā)出節(jié)前纖維 —— 頸上交感神經(jīng)節(jié) —— 節(jié)后纖維 —— 入眼眶（伴隨頸動(dòng)脈上行） —— 瞳孔開(kāi)大肌 [1]。 當(dāng) 光線射入眼睛或光線的強(qiáng)度變大，瞳孔立即縮??；當(dāng)光線移去或強(qiáng)度減弱，瞳孔又立即散大。這種瞳孔對(duì)光線強(qiáng)弱變化的反應(yīng)稱為瞳孔對(duì)光反射。對(duì)于正常人，當(dāng)光線照射某側(cè)眼時(shí)，被照眼瞳孔會(huì)立即縮小，對(duì)側(cè)眼瞳孔亦同時(shí)做相同程度收縮。我們稱被照眼的瞳孔反應(yīng)為直接對(duì)光反射，對(duì)側(cè)眼的瞳孔反應(yīng)為間接對(duì)光反射。正眼睛動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究常的瞳孔對(duì)光反射也是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，即經(jīng)歷短暫的潛伏期（接受刺激沖動(dòng)到產(chǎn)生效應(yīng)的時(shí)間）后，瞳孔收縮、然后放大的過(guò)程。瞳孔因光而變化，有保持在不同光照情況下進(jìn)入眼內(nèi)的光量較為恒定的作用。 目前瞳孔監(jiān)測(cè)算法的發(fā)展 眼睛動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的數(shù)字化瞳孔測(cè)量研究還較少。云南省的馬原野課題組經(jīng)過(guò)近 5年的科研攻關(guān)，己經(jīng)研制出吸毒人員瞳孔快速檢測(cè)鑒定儀，應(yīng)用于公安禁毒。該儀器據(jù)稱僅需 30 秒就可以判別出是否為吸毒人員，其主要機(jī)理是利用吸毒人員瞳孔對(duì)特定光波長(zhǎng)和光強(qiáng)度產(chǎn)生特異性動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行吸食界定、生理依賴程度判別、毒品渴求程度判別。以前對(duì)吸毒人員的鑒別，依賴于尿液檢測(cè)。但這種方法存在時(shí)間長(zhǎng)、誤判率高、費(fèi)用高等缺陷。馬原野課題組的檢測(cè)設(shè)備和方法明顯優(yōu)于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的常用方法，為確認(rèn)吸毒人員工作 提供了一種新的檢測(cè)技術(shù)。應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的數(shù)字化瞳孔測(cè)量研究還較少。目前國(guó)內(nèi)中小型醫(yī)院較多應(yīng)用直尺測(cè)量、瞳孔測(cè)量板測(cè)量瞳孔，大型醫(yī)院應(yīng)用角膜地形圖、波前像差儀等儀器測(cè)量瞳孔，或購(gòu)買(mǎi)國(guó)外的數(shù)字化瞳孔測(cè)量?jī)x器。國(guó)內(nèi)在此方面的研究還較少，中山大學(xué)賀奇才等研制出瞳孔孔徑動(dòng)態(tài)變化測(cè)沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 量分析裝置，但其局限在測(cè)量出瞳孔孔徑，光刺激是手工操作的。南開(kāi)大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所的王懷軍、方志良等也正在開(kāi)展這方面的研究工作，進(jìn)行了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和理論計(jì)算。綜上所述，瞳孔檢測(cè)方法和技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)的觀察法、目測(cè)法，到簡(jiǎn)易測(cè)量器的制作，再 到照相技術(shù)的應(yīng)用，角膜地形圖的采用，紅外技術(shù)和計(jì)算機(jī)的利用，發(fā)展趨勢(shì)是由手工到自動(dòng)，從定性描述或半定量、經(jīng)驗(yàn)式的描述到定量測(cè)量，由靜態(tài)檢測(cè)到動(dòng)態(tài)檢測(cè)。早期檢測(cè)瞳孔的方法是采用觀察法。檢測(cè)者手持電筒照射被檢者眼睛，定性地描述瞳孔的大小及變化如，描述瞳孔偏大、偏小擴(kuò)，大、縮小等。后來(lái)發(fā)展出直尺目測(cè)法，檢測(cè)者采用直尺測(cè)量，開(kāi)始定量表示瞳孔的大小。之后醫(yī)護(hù)工作者制作出瞳孔測(cè)量板、半圓板或?qū)φ請(qǐng)D表及瞳孔卡等，如黃正新等制作出瞳孔測(cè)量板，王瑞玲制作的瞳孔簡(jiǎn)易測(cè)量器，改進(jìn)了直尺目測(cè)法。此外還有用裂隙燈估計(jì)瞳孔大小。隨后研 究者引進(jìn)數(shù)字照相技術(shù)，發(fā)展為照相測(cè)量法，國(guó)外有使用 NICkon 專業(yè)自動(dòng)閃光數(shù)字照相機(jī)來(lái)記錄瞳孔大小。該種相機(jī)焦距 17cm，最大光學(xué)變焦可放大瞳孔 5 倍。相機(jī)可以在瞳孔對(duì)閃光產(chǎn)生反應(yīng)前對(duì)瞳孔拍照，所拍照片經(jīng)輸入計(jì)算機(jī)后以專門(mén)的圖片工具軟件對(duì)瞳孔邊界定位、測(cè)量。再之后國(guó)外研究者發(fā)現(xiàn)紅外線攝錄技術(shù)對(duì)于檢查夜視狀況下的瞳孔大小具有較好重復(fù)性仁創(chuàng)， Colvard 紅外瞳孔單眼測(cè)量?jī)x就是該項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)品，該儀器的像面上覆蓋了一把標(biāo)有刻度的直尺，度仍然偏低，且是單眼測(cè)量 [2]。此外還有角膜地形圖可測(cè)量瞳孔大小，國(guó)外的此類產(chǎn)品如 CSCan 和 AleonEyeMap 等角膜地形圖。 WaChler等創(chuàng)研究了這 3 種角膜地形圖檢查瞳孔的可信度和可重復(fù)性，他們發(fā)現(xiàn)這些儀器因照明系統(tǒng)的緣故所測(cè)瞳孔直徑偏小，該研究也指出角膜地形圖檢查瞳孔的操作者間可重復(fù)性差，因此并不可信。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)等多項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和綜合應(yīng)用，瞳孔測(cè)量朝著自動(dòng)化、數(shù)字化、精確化方向發(fā)展。目前國(guó)外已研制出應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的數(shù)字化瞳孔測(cè)量?jī)x。 瞳孔檢測(cè)作為虹膜檢測(cè)識(shí)別的一個(gè)子模塊，在多個(gè)領(lǐng)域中都有廣泛的運(yùn)用。在臨床應(yīng)用方面， GregoryM， Malham 等研究了在格拉斯哥評(píng)分 （ Glasgow ComaScore）低于 3 分，同時(shí)伴隨雙側(cè)瞳孔固定散大的嚴(yán)重創(chuàng)傷病人存活率； Matthias Behrends 等測(cè)量了在心肺復(fù)蘇時(shí)候瞳孔的變化，期待瞳孔參數(shù)能夠表征病人的存活狀態(tài)。在心理評(píng)估方面，Arturas Kaklauskas 等開(kāi)發(fā)了一套智能瞳孔分析系統(tǒng)，用于對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)步做出評(píng)估。另外， Morad Y 等連續(xù)測(cè)量 2 個(gè)月來(lái) 29 名軍隊(duì)司機(jī)的各項(xiàng)瞳孔參數(shù)，用來(lái)評(píng)估駕駛疲勞。而在視線追蹤方面也有運(yùn)用， WeiX 等提出了一種系統(tǒng)性的 3D 變換算法用于精確定位瞳孔中心，該系統(tǒng)提高了定位的 準(zhǔn)確率，可用于較復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境。 SungSub Song 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 等提出了一種簡(jiǎn)單而有效的瞳孔和凝視檢測(cè)方法，用于頭戴式的光學(xué)交互系統(tǒng)?，F(xiàn)有的瞳孔檢測(cè)手段，可以分為傳統(tǒng)檢測(cè)和近現(xiàn)代檢測(cè)手段兩大類。傳統(tǒng)方法包括瞳孔尺、瞳孔計(jì)以及瞳孔對(duì)照?qǐng)D等，優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單便捷，但是比較粗略，可重復(fù)性差，無(wú)法精確測(cè)量且在暗環(huán)境下無(wú)法完成測(cè)量 [3]。 國(guó)內(nèi)外人眼的瞳孔識(shí)別和定位方面已經(jīng)有了大量的研究， ZAFER SAVAS 等人利用人臉自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，首先根