【正文】 .................................................................. 27 畫曲線圖模塊的具體實現(xiàn) ........................................................................... 31 處理后的視頻查看模塊的具體實現(xiàn) ........................................................... 31 程序出現(xiàn)的異常及處理方法 ................................................................................. 32 測試 ......................................................................................................................... 32 結 論 ........................................................................................................................................ 34 致 謝 ........................................................................................................................................ 35 參考文獻 .................................................................................................................................. 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 沈陽理工大學學士學位論文 1 1 緒 論 課題研究背景及意義 眼睛是人類最重要的感覺器官，人體從外界接收的信息中，有一半的信息都是通過眼睛獲取的。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、下運動狀況；眼瞼的開閉狀況都不僅反映眼睛的狀態(tài)，也透視出人體內的組織、器官、系統(tǒng)的狀況。根據(jù)人眼視覺功能中瞳孔特殊的感光特性，可通過瞳孔對光反應的異常狀態(tài)幫助診斷神經、機能的病變。瞳孔對光反應（ Pupillary Light Reflex, PLR）的含義為，當受試者注 視正前方，光線刺激從眼旁移到眼前垂直照射瞳孔，正常時感光的瞳孔敏捷地縮小，解除光照瞳孔即又開大，稱為直接光反應。未直接感光的瞳孔也相應出現(xiàn)放大縮小的情況，稱為間接光反應。持續(xù)感光的瞳孔，可出現(xiàn)輕微的縮小與開大相交替現(xiàn)象。同時可發(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，而對于深昏迷者則該現(xiàn)象消失。瞳孔若感光超過一定時間，原已縮小的瞳孔稍微擴展。瞳孔對光反應的信息傳遞通路為：視網膜接受光刺激，視神經和視束傳遞信息，經上丘到達中腦蓋前區(qū)，反饋信息驅動動眼神經支配瞳孔控制肌肉進行收縮、放大。 圖 瞳孔平面 圖 例如，當人在注視自己喜愛的人或感興趣的東西時，瞳孔往往會擴大，而看到自己厭惡的人或物時，瞳孔往往會縮小，反映出人的心理狀態(tài)；心理負荷增大和緊張程度的增加都會使瞳孔放大，瞳孔也反映腦力負荷，可作為評價腦力負荷的一個可靠指標。眼沈陽理工大學學士學位論文 2 瞼的開閉情況可反映人體是否疲勞，實時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)學上己經發(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，兩側等大。除生理調節(jié)變化外，如瞳孔擴大多見于顱腦外傷、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，也可見于糖尿病。另外，有機磷、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)；兩側瞳孔大小不等常見于腦出血、腦梗死、腦腫瘤等；兩側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)學理論可知， 瞳孔直徑的變化受交 感和副交感神經的雙重支配，而且交感和副交感神經均為自主神經，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弱變化外，還與年齡大小、屈光和生理狀態(tài)等因素有關。 通過對人眼瞳孔的精確定位檢測，可使得眼科手術的安全性和可靠性得到極大的提升，同時在醫(yī)療器械眼科輔助檢查方面提供精確的數(shù)據(jù)支持；通過對人眼瞳孔的檢測跟蹤，根據(jù)瞳孔大小參數(shù)和人眼的開閉時間來判斷駕駛員是否疲勞駕駛，可主動性地減少交通事故的發(fā)生；通過對人眼瞳孔的定位檢測，可對人的注視點及注視行為等進行檢測、分析，實現(xiàn)眼動、人工智能方面的控制；通過對人眼瞳孔的定位檢測及跟蹤，可了解并進而分析人的心理狀態(tài)，從側面解決人類的交流問題；通過對人眼瞳孔的定位檢測，為基于生物特征識別技術的人臉識別和虹膜識別等應用研究提供堅實 的研究基礎；通過對人眼瞳孔的定位及跟蹤，可分析人的精神狀態(tài)，分析神經系統(tǒng)的反應及病變 [1]。針對人眼瞳孔檢測與跟蹤技術的研究，涉及到醫(yī)學、心理學、生理學、模式識別、人工智能、計算機視覺與圖像分析等多個學科領域，更是模式識別、圖像處理和計算機視覺的復雜的綜合性課題。 瞳孔動態(tài)特性的研究在國內外一直是心理科學和生理科學研究的 一個重要領域。早在 1994 年， Scinto 等人 2 提出利用擴瞳試驗作為老年性癡呆（ alzheimer disease, AD）早期診斷的可能性。程文紅等人 3 對瞳孔在藥物（ 0. 01% 托 吡卡胺）刺激下的動態(tài)變化進行了研究，得到相似結果。近年來，關于眼睛檢測的應用研究正不斷擴展，眼睛的定位在計算機視覺方面有著極其重要的研究和應用。 瞳孔位于虹膜中央稍偏鼻下方，近似圓形。其大小及反應由瞳孔括約肌和瞳孔開大沈陽理工大學學士學位論文 3 肌所控制，分別通過副交感神經和交感神經支配，這兩種神經相互協(xié)調、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波動，其大小無時不在變化，而且可因光線、注視目標遠近、年齡、屈光狀態(tài)、種族、虹膜色素多少、睡眠與覺醒、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也是一個動態(tài)的 過程，只是平常我們的肉眼察覺不到瞳孔的這種微弱的變化而己。瞳孔的調節(jié)是由動眼神經的副交感神經纖維（支配瞳孔括約肌，使瞳孔縮小）和來自頸上交感神經節(jié)的交感神經纖維（支配瞳孔開大肌，使瞳孔散大）進行調節(jié)的。前者的神經傳導徑路同光反射傳導徑路（下文述及）。后者的傳導徑路如下；下丘腦（視束可能與下丘腦有間接聯(lián)系） —— 中樞性交感神經束中腦交叉 —— 經過腦干和頸髓 —— 第 8 頸髓至第 2 胸髓的灰質側角（交感神經核區(qū)又稱睫狀脊髓中樞）發(fā)出節(jié)前纖維 —— 頸上交感神經節(jié) —— 節(jié)后纖維 —— 入眼眶（伴隨頸動脈上行） —— 瞳孔開大肌 [1]。 當 光線射入眼睛或光線的強度變大，瞳孔立即縮?。划敼饩€移去或強度減弱，瞳孔又立即散大。這種瞳孔對光線強弱變化的反應稱為瞳孔對光反射。對于正常人，當光線照射某側眼時，被照眼瞳孔會立即縮小，對側眼瞳孔亦同時做相同程度收縮。我們稱被照眼的瞳孔反應為直接對光反射，對側眼的瞳孔反應為間接對光反射。正眼睛動態(tài)檢測系統(tǒng)的設計與應用研究常的瞳孔對光反射也是一個動態(tài)變化的過程，即經歷短暫的潛伏期（接受刺激沖動到產生效應的時間）后，瞳孔收縮、然后放大的過程。瞳孔因光而變化，有保持在不同光照情況下進入眼內的光量較為恒定的作用。 目前瞳孔監(jiān)測算法的發(fā)展 眼睛動態(tài)檢測系統(tǒng)的設計與應用研究，醫(yī)學領域的數(shù)字化瞳孔測量研究還較少。云南省的馬原野課題組經過近 5年的科研攻關，己經研制出吸毒人員瞳孔快速檢測鑒定儀，應用于公安禁毒。該儀器據(jù)稱僅需 30 秒就可以判別出是否為吸毒人員，其主要機理是利用吸毒人員瞳孔對特定光波長和光強度產生特異性動態(tài)變化進行吸食界定、生理依賴程度判別、毒品渴求程度判別。以前對吸毒人員的鑒別，依賴于尿液檢測。但這種方法存在時間長、誤判率高、費用高等缺陷。馬原野課題組的檢測設備和方法明顯優(yōu)于國內現(xiàn)有的常用方法，為確認吸毒人員工作 提供了一種新的檢測技術。應用于醫(yī)學領域的數(shù)字化瞳孔測量研究還較少。目前國內中小型醫(yī)院較多應用直尺測量、瞳孔測量板測量瞳孔，大型醫(yī)院應用角膜地形圖、波前像差儀等儀器測量瞳孔，或購買國外的數(shù)字化瞳孔測量儀器。國內在此方面的研究還較少，中山大學賀奇才等研制出瞳孔孔徑動態(tài)變化測沈陽理工大學學士學位論文 4 量分析裝置，但其局限在測量出瞳孔孔徑，光刺激是手工操作的。南開大學現(xiàn)代光學研究所的王懷軍、方志良等也正在開展這方面的研究工作，進行了光學系統(tǒng)的設計和理論計算。綜上所述，瞳孔檢測方法和技術的發(fā)展經歷了傳統(tǒng)的觀察法、目測法，到簡易測量器的制作，再 到照相技術的應用，角膜地形圖的采用，紅外技術和計算機的利用，發(fā)展趨勢是由手工到自動，從定性描述或半定量、經驗式的描述到定量測量，由靜態(tài)檢測到動態(tài)檢測。早期檢測瞳孔的方法是采用觀察法。檢測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，大、縮小等。后來發(fā)展出直尺目測法，檢測者采用直尺測量，開始定量表示瞳孔的大小。之后醫(yī)護工作者制作出瞳孔測量板、半圓板或對照圖表及瞳孔卡等，如黃正新等制作出瞳孔測量板，王瑞玲制作的瞳孔簡易測量器，改進了直尺目測法。此外還有用裂隙燈估計瞳孔大小。隨后研 究者引進數(shù)字照相技術，發(fā)展為照相測量法，國外有使用 NICkon 專業(yè)自動閃光數(shù)字照相機來記錄瞳孔大小。該種相機焦距 17cm，最大光學變焦可放大瞳孔 5 倍。相機可以在瞳孔對閃光產生反應前對瞳孔拍照，所拍照片經輸入計算機后以專門的圖片工具軟件對瞳孔邊界定位、測量。再之后國外研究者發(fā)現(xiàn)紅外線攝錄技術對于檢查夜視狀況下的瞳孔大小具有較好重復性仁創(chuàng)， Colvard 紅外瞳孔單眼測量儀就是該項技術的產品，該儀器的像面上覆蓋了一把標有刻度的直尺，度仍然偏低，且是單眼測量 [2]。此外還有角膜地形圖可測量瞳孔大小，國外的此類產品如 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性，他們發(fā)現(xiàn)這些儀器因照明系統(tǒng)的緣故所測瞳孔直徑偏小，該研究也指出角膜地形圖檢查瞳孔的操作者間可重復性差，因此并不可信。近年來，隨著計算機等多項技術的發(fā)展和綜合應用，瞳孔測量朝著自動化、數(shù)字化、精確化方向發(fā)展。目前國外已研制出應用于醫(yī)學領域的數(shù)字化瞳孔測量儀。 瞳孔檢測作為虹膜檢測識別的一個子模塊，在多個領域中都有廣泛的運用。在臨床應用方面， GregoryM， Malham 等研究了在格拉斯哥評分 （ Glasgow ComaScore）低于 3 分，同時伴隨雙側瞳孔固定散大的嚴重創(chuàng)傷病人存活率； Matthias Behrends 等測量了在心肺復蘇時候瞳孔的變化，期待瞳孔參數(shù)能夠表征病人的存活狀態(tài)。在心理評估方面，Arturas Kaklauskas 等開發(fā)了一套智能瞳孔分析系統(tǒng)，用于對學生的學習進步做出評估。另外， Morad Y 等連續(xù)測量 2 個月來 29 名軍隊司機的各項瞳孔參數(shù)，用來評估駕駛疲勞。而在視線追蹤方面也有運用， 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 準確率，可用于較復雜的測試環(huán)境。 SungSub Song 沈陽理工大學學士學位論文 5 等提出了一種簡單而有效的瞳孔和凝視檢測方法，用于頭戴式的光學交互系統(tǒng)?，F(xiàn)有的瞳孔檢測手段，可以分為傳統(tǒng)檢測和近現(xiàn)代檢測手段兩大類。傳統(tǒng)方法包括瞳孔尺、瞳孔計以及瞳孔對照圖等，優(yōu)點在于簡單便捷，但是比較粗略，可重復性差，無法精確測量且在暗環(huán)境下無法完成測量 [3]。 國內外人眼的瞳孔識別和定位方面已經有了大量的研究， ZAFER SAVAS 等人利用人臉自動檢測技術，首先根