【正文】 ，同時可以去除圖像中的細小斑點。 如果兩目標物間有細小的連通，可以選取足夠大的結構元素，將細小連通腐蝕掉。腐蝕是一種消除邊界點，使邊界向內部收縮的過程。結構元素是指具有某種確定形狀圖 像 預 處 理選 定 閥 值 ， 二 值 化經 垂 直 ， 水 平 投 影找 到 種 子 點進 行 區(qū) 域 生 長 ， 確 定 瞳 孔 區(qū) 域計 算 瞳 孔 區(qū) 域 內 的 像 素 點 數原 圖 像A?B={Z│(B)Z?A} 沈陽理工大學學士學位論文 13 的基本結構元素，例如，一定大小的矩形、圓或菱形等。腐蝕處理的作用是將目標圖形收縮。開運算由腐蝕和膨脹兩個部分組成。 圖 瞳孔檢測過程 預處理 由于光斑、眼瞼以及濃密的睫毛等原因，使得紅外瞳孔圖像受到一定的噪聲干擾，所以需要進行圖像預處理和濾波。 可將虹膜的內外邊緣近似看作兩個不同心的圓，而內圓就是瞳孔。軟件設計整體框架 圖如圖 所示。光源板卡同樣以圓形盤進行設計，如圖 所示。為使的光源能在球體內均勻散射，故此需三種顏色的 LED 都對稱、均勻分布；同時，每種色采用串并級聯(lián)以滿足電流、電壓 在電氣參數上的要求。本文選用的基本型 STM32F101RBT6 足以滿足要求，降低了系統(tǒng)成本；主要參數如下，內置 128K 的閃存存儲器、 32 位 CortexM3 CPU、 6 個 16 位定時器、包括 SPI、 I2C 等 7 個通信接口，具有體積小、豐富的 GPIO 接口和較低的功耗，非常適合于刺激控制設備。 STM32 分為 STM32F103 系列和 STM32F101 系列兩種。嵌入式系統(tǒng)中的主控制芯片選型，一般是選用具有較豐富外圍 GPIO、工沈陽理工大學學士學位論文 10 作主頻較高以及處理性能較強的嵌入式主控制芯片，本文控制系統(tǒng)中與單片機相連的部分 有定時器接口、與 PC 端軟件通信的 UART 通用串行總線接口以及與其他外設模塊相連的 GPIO 接口等。因此，考慮到本文實際操作環(huán)境，采用具有紅外背光補償的攝像頭來采集瞳孔圖像。由于可能需要在暗室環(huán)境下進行檢測定位等操作，普通攝像頭感光范圍受到限制，不能采集到較理想的圖像，影響到后端圖像處理環(huán)節(jié)?？梢姟⒓t外發(fā)射管均勻分布在攝像頭周圍?？梢姽庠床捎眉t色、綠色發(fā)射管，用作明視條件下檢測光源。圖像采集數據傳輸圖如圖 所示。 左 眼右 眼光 電 系 統(tǒng) 攝 像 C C D光 電 系 統(tǒng) 攝 像 C C D圖 像 采 集 、轉 換 緩 存存 儲 設 備計 算 機圖 像 處 理數 據 管 理刺 激 光 源 控 制 電 路 單 片 機沈陽理工大學學士學位論文 9 圖像采集的硬件結構 這部分包括 CCD 攝像頭、圖像采集卡、計算機等。 系統(tǒng)的硬件結構 瞳孔動態(tài)檢測系統(tǒng)的硬件包括圖像采集、攝像光源系統(tǒng)、刺激光 源及控制 3 部分。 針對人眼面對不同光照刺激時的不同反應，本文設計專用的瞳孔對光反應檢測系統(tǒng)。 系統(tǒng)的總體結構 系統(tǒng)框圖如圖 所示。瞳孔的動態(tài)檢測系統(tǒng)分析硬件部分和軟件部分，硬件部分包括圖像采集裝置、光刺激器、圖像處理計算機；軟件部分包括光刺激器控制部分和視頻圖像處理部分。 沈陽理工大學學士學位論文 8 2 瞳孔動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的構建 瞳孔的動態(tài)檢測需要獲取清晰、高質量的眼睛圖像，并對圖像進行快速、準確的處理以提取特征指標。 ML 模塊包含許多聚類、分類和數據分析函數。 CVCAM 模塊包含攝像機接口等，在 以后的版本中已經被移除。 圖 OpenCV 結構圖 沈陽理工大學學士學位論文 7 CV 模塊包含五部分，分別是圖像處理（如實現(xiàn) cvSobel， cvCanny 等算法）、結構分析（如 ContourArea 等）、運動分析與目標跟蹤（如 cvMeanShift 等）、模式識別（如CvHaarFeature 等）、攝像頭定標與三維重建（如 cvCalibrateCamer 等）。 OpenCV 正日益成為算法研究和產品開發(fā)不可缺少的工具。自從獲得 Willow Garage 支持后， OpenCV 的更新速度明顯加快?，F(xiàn)在已經開發(fā)了 PR2 機器人，并支持 ROS、 OpenCV、 PCL 等軟件。 Gary Bradski 也是 OpenCV 開發(fā)者中的元老級人物，他曾出版《 Leaning OpenCV》一書，廣受 歡迎。 2022 年 6 月李信弘和 Vadim Pisarevsky 作為嘉賓參加了在北京舉行的“開放源代碼計算機視覺庫（ OpenCV）研討會”，并做了非常有價值的報告。另一個關鍵人物是 Vadim Pisarevsky， Vadim 在 Intel 負責 OpenCV 的項目管理、代碼集成、代碼優(yōu)化等工作。 OpenCV 最初的開發(fā)工作是由 Intel在俄羅斯的團隊實現(xiàn)。 OpenCV 誕生 Intel。 OpenCV 是最初由英特爾公司發(fā)起并開發(fā)，以 BSD 許可證授權發(fā)行，可以在商業(yè)和研究領域中免費使用，現(xiàn)在美國 Willow Garage 為 OpenCV 提供主要的支持。區(qū)域生長不用考慮瞳孔的形狀，對于規(guī)則和非規(guī)則瞳孔同樣使用，而在算法的運用中，使用了在開發(fā)動態(tài)的圖像處理、計算機視覺以及模式識別程序中廣泛運用的 OpenCV，達到了動態(tài)處理的要求。現(xiàn)有的瞳孔檢測算法，將粗細定位相結合，二值化初定位，然后 Hough 精確定位 [7]。 在瞳孔圖像中，瞳孔與虹膜邊界在幾何學上可以近似為圓形，故早期瞳孔檢測都是基于圓檢測，典型算法有 Wildes 提出的 Hough 算法，精確度較高，但是計算量大；Daugman 的圓周差分法，計算速度較 Hough 快，但是受眼睫毛等噪聲的影響。但由于人的瞳孔是橢圓形的，其利用標準圓的檢測方法對瞳孔中心點定位精確度不高； BeiYan 等利用動態(tài)二值化閾值的方法，對眼部的瞳孔進行自動定位，達到了精確的定位，但是由于其檢測過程中的眼部圖片眼睫毛較少，因此對于外部干擾較多（例如睫毛較多）的病人的圖片，其識別的效果不明顯，不能精確定位瞳孔中心 [3]； Rasoul Kheirolahy， Hossein Ebrahimmzhad 等利用眼部圖片中眼睛的不同部位的顏色差別對圖片中眼部的圖像進行瞳孔的檢測，但其檢測的算法復雜度大，不能對信息量大的視頻流進行實時的檢測。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]。 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)。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，用來評估駕駛疲勞。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，期待瞳孔參數能夠表征病人的存活狀態(tài)。目前國外已研制出應用于醫(yī) 學領域的數字化瞳孔測量儀。 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。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]。該種相機焦距 17cm，最大光學變焦可放大瞳孔 5 倍。此外還有用裂隙燈估計瞳孔大小。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。早期檢測瞳孔的方法是采用觀察法。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。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，或購買國外的數字化瞳孔測量儀器。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。以前對吸毒人員的鑒別，依賴于尿液檢測。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。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。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。這種瞳孔對光線強弱變化的反應稱為瞳孔對光反射。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]。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?。┖蛠碜灶i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。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。 瞳孔位于虹膜中央稍偏鼻下方，近似圓形。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。 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。 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據支持；通過對人眼瞳孔的檢測跟蹤，根據瞳孔大小參數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]。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]。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。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。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。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。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。根據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。瞳孔圖如圖 所示。C++ 沈陽理工大學學士學位論文 III 目 錄 1 緒 論 ................................................................................................................................... 1 課題研究背景及意義 ............................................................................................... 1 目前瞳孔監(jiān)測算法的發(fā)展 ....................................................................................... 3 本文瞳孔監(jiān)測的方法 ............................................................................................... 5 OpenCV 的介紹 ....................................................................................................... 5 2 瞳孔動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的構建 ................................................................................................. 8 系統(tǒng)