【正文】 umbnail at the same time。首先使用形態(tài)學(xué)開(kāi)運(yùn)算進(jìn)行預(yù)處理，去除睫毛和亮斑的影響且保持原有瞳孔大小，同時(shí)生成縮略圖；然后生成二值閾值化圖像，進(jìn)行水平和垂直投影，找到極值點(diǎn)，將其作 為種子點(diǎn)；最后用區(qū)域生長(zhǎng)算法得到精確的瞳孔區(qū)域。 本文采用對(duì)采集的幀圖像進(jìn)行腐蝕、膨脹、開(kāi)運(yùn)算、二值化等圖像預(yù)處理的方法，并用區(qū)域生長(zhǎng)算法得到瞳孔的區(qū)域，從而計(jì)算出瞳孔區(qū)域的相對(duì)像素?cái)?shù)，可以計(jì)算出瞳孔面積大小，并繪制瞳孔面積變化曲線，然后將處理后的圖像幀合成為視頻輸出文件，從而實(shí)現(xiàn)瞳孔的動(dòng)態(tài)分析。沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 瞳孔動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā) 摘 要 本文以紅外線條件下錄制的瞳孔視頻為處理對(duì)象，對(duì)瞳孔視頻進(jìn)行預(yù)處理，得到用特殊顏色標(biāo)識(shí)的瞳孔視頻為輸出。通過(guò)對(duì)視頻文件的逐幀采集，對(duì)采集的幀圖像，進(jìn)行圖像處理得到瞳孔的面積大小并用特殊顏色標(biāo)識(shí)瞳孔，然后進(jìn)行幀合成為視頻輸出文件。本文對(duì)幀的處理是基于二值化的粗定位和區(qū)域生長(zhǎng)方法相結(jié)合的方法，能有效檢測(cè)因病變而呈不規(guī)則圓形的瞳孔，簡(jiǎn)單而且快速?；谝陨系奶幚矸椒?，采用 OpenCV、 VC++編程工具，編程實(shí)現(xiàn)了瞳孔動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分。 Then generate binary threshold images, the horizontal and vertical projection, find the extreme value point, as the seed point。 open operation。 the pupil position。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。眼睛中虹膜、瞳孔的形狀、顏色、大?。谎矍虻淖?、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。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(chēng)為直接光反應(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。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。 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)。正常的瞳孔為圓形，黑色透明， 兩側(cè)等大。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)。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)。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。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。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。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。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。前者的神經(jīng)傳導(dǎo)徑路同光反射傳導(dǎo)徑路（下文述及）。 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。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。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。 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。該儀器據(jù)稱(chēng)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。但這種方法存在時(shí)間長(zhǎng)、誤判率高、費(fèi)用高等缺陷。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。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。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)。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。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。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(zhuān)業(yè)自動(dòng)閃光數(shù)字照相機(jī)來(lái)記錄瞳孔大小。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(zhuān)門(mén)的圖片工具軟件對(duì)瞳孔邊界定位、測(cè)量。此外還有角膜地形圖可測(cè)量瞳孔大小，國(guó)外的此類(lèi)產(chǎn)品如 CSCan 和 AleonEyeMap 等角膜地形圖。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。 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。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?，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(lèi)。 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)，首先根據(jù)比例關(guān)系在人臉上定位眼部的區(qū)域，在此基礎(chǔ)上對(duì)人的瞳孔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)圓形匹配檢測(cè)，完成了較好的效果。 而現(xiàn)代檢測(cè)手段主要以數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)為主，有手持?jǐn)?shù)字瞳孔測(cè)量?jī)x，以及類(lèi)似文獻(xiàn)中使用的商業(yè)開(kāi)發(fā)的儀器瞳孔參數(shù)測(cè)量?jī)x器等，優(yōu)點(diǎn)在于有很高的精確度，能夠連續(xù)測(cè)量且有實(shí)時(shí)性，能夠持續(xù)測(cè)量，缺點(diǎn)是對(duì)儀器的要求較高，成本偏貴。后來(lái)又當(dāng)成橢圓來(lái)處理，使用最小二乘法擬合橢圓。 本文瞳孔監(jiān)測(cè)的方法 本文側(cè)重于瞳孔動(dòng)態(tài)檢測(cè)及應(yīng)用，采用閾值化初定位，然后使用區(qū)域生長(zhǎng)定位瞳孔，最后計(jì)算瞳孔參數(shù)。 OpenCV 的介紹 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 OpenCV 的全稱(chēng)是 Open Source Computer Vision Library，是一個(gè)開(kāi)放源代碼的計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)。OpenCV 可用于開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)的圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及模式識(shí)別程序，目前在工業(yè)界以及科研領(lǐng)域廣泛采用。 Intel 最初希望提供一個(gè)計(jì)算機(jī)視覺(jué) 庫(kù)，使之能充分發(fā)掘 CP 的計(jì)算能力，當(dāng)然更希望以此促進(jìn) Intel 的產(chǎn)品的銷(xiāo)售。這里面有兩個(gè)關(guān)鍵人物，一個(gè)是 Intel 性能團(tuán)隊(duì)（ Intel’ s Performance Library Team）的李信弘（ Shinn Lee）先生，他是團(tuán)隊(duì)的經(jīng)理，負(fù)責(zé) IPP 等庫(kù)，給予 OpenCV很大的支持。在后期 Intel 支持漸少的時(shí)候，是 Vadim Pisarevsky 一直在維護(hù)著 OpenCV。在2022 年，一家美國(guó)公司， Willow Garage2，開(kāi)始大力支持 OpenCV， Vadim Pisarevsky和 Gary Bradski 都加入了 Willow Garage。 Willow Garage 是一家機(jī)器人公司，致力于為個(gè)人機(jī)器人開(kāi)發(fā)開(kāi)放的硬件平臺(tái)和軟件。 ROS（ Robot Operating System）是用于機(jī)器人的操作系統(tǒng)，是一個(gè)開(kāi)放源代碼的軟件， OpenCV 作為 ROS 的視覺(jué)模塊嵌入。大量的新特性被加入 OpenCV 中，很多算法都是最近一兩年的新的科研成果。 版本的結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，此版本包含五個(gè)模塊，分別是 CV 模塊、CXCORE 模塊、 CVCAM 模塊、 HighGUI 模塊、 ML 模塊。 CXCORE 模塊包含六個(gè)部分，分別是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（如 CvPoint， CvSize， CvScalar 等結(jié)構(gòu)體類(lèi)型的定義）、數(shù)組操作（如創(chuàng)建圖片的函數(shù)并將數(shù)據(jù)存放到數(shù)組中cvCreateImage， cvCreateMat 等函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)組的操作）、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)（如開(kāi)辟內(nèi)存等的結(jié)構(gòu)CvMemStorage， CvMemBlock 等）、繪圖函數(shù)（如畫(huà)線段函數(shù)和畫(huà)矩形區(qū)域函數(shù) cvLine，cvRectangle 等）數(shù)據(jù)保存和運(yùn)行時(shí)類(lèi)型信息（如存儲(chǔ)文件和打開(kāi)文件函 CvFileStorage，cvOpenFileStorage 等）、錯(cuò)誤處理和系統(tǒng) 函數(shù)（如狀態(tài)的錯(cuò)誤和內(nèi)存釋放等函cvGetErrStatus， cvAlloc， cvFree 等）。 HighGUI 模塊包含三部分，分別是圖像界面函數(shù)（如創(chuàng)建窗口函數(shù) cvNamedWindow等）、讀圖像和保存圖像（如加載圖片函數(shù) cvLoadImage，保存圖片函數(shù) cvSaveImage 等）、讀視頻和寫(xiě)視頻（如創(chuàng)建視頻文件函數(shù) CvCreateFileCapture 等）。如 Bayes 分類(lèi)器， K 近鄰算法，支持向量機(jī)，決策樹(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等。根據(jù)應(yīng)用背景不同，需要檢測(cè)瞳孔對(duì)光線刺激器發(fā)出不同的光波的動(dòng)態(tài)變化情況。本章主要簡(jiǎn)單論述系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案和硬件部分設(shè)計(jì)方案。 圖 瞳孔動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)框圖 在預(yù)設(shè)定的條件下，光源照射眼睛，形成的圖像被 CCD 攝像頭接收，傳輸至圖像采集卡，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、分析和管理。控制產(chǎn)生不同顏色、不同強(qiáng)度、不同頻率的特定光刺激條件下，動(dòng)態(tài)采集人眼部圖像傳送至計(jì)算機(jī)，經(jīng)圖像處理模塊從視頻圖像中進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別并標(biāo)定瞳孔位置，同時(shí)獲得瞳孔的各數(shù)值化參數(shù)及變化情況。圖像采集部分實(shí)現(xiàn)單路采集和雙路同步實(shí)時(shí)采集眼睛圖像，包括單幀、序列圖像采集和視頻圖像攝錄；攝像光源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)拍攝眼睛圖像的不同光照條件；刺激光源及控制部分是用于觀察分析眼睛對(duì)光反射的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，可以調(diào)控刺激的強(qiáng)度和刺激時(shí)間。光源照射被測(cè)對(duì)象形成的圖像被 CCD 攝像頭接收，再傳輸至圖像采集卡，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。 圖 圖像采集數(shù)據(jù)傳輸 攝像頭光源結(jié)構(gòu) 攝像光源系統(tǒng)由可見(jiàn)光源、紅外光源、 穩(wěn)壓電源和控制電路等構(gòu)成。紅外光源采用紅外二極管，用作暗視條件下檢測(cè)光源。合理的排列方式有利于圖像清晰采集，同時(shí)也讓它們?cè)斐傻牧咙c(diǎn)能均勻分布在圖像預(yù)定的區(qū)域內(nèi)，為后續(xù)的圖像處理提供方便。同時(shí)，考慮到 850~950nm 近紅外光光譜對(duì)人眼無(wú)刺激作用，故不會(huì)影響到本文所研究的瞳孔對(duì)光反應(yīng)效果；且視網(wǎng)膜對(duì) 此紅外光能夠反射高達(dá)百分之八九十的入射光，人眼瞳孔與相鄰其他組織的反射差異性較強(qiáng)，在成像后將便于后端程序處理。 刺激光源與控制部分 光刺激控制器和光源發(fā)光部分一起安置在刺激空間內(nèi)，顏色、光強(qiáng)和刺激時(shí)間可調(diào)的光源發(fā)光后均勻散射到整個(gè)刺激空間積分球的內(nèi)表面，實(shí)現(xiàn)均勻光照，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)構(gòu)建光刺激平臺(tái)。由于要使用較多的外設(shè)接口，且要求控制模塊能夠降低功耗，因此本系統(tǒng)采用的是基于 CortexM3 內(nèi)核的 STM32F101RBT6 ARM 芯片。其中 STM32F103 增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率為 72MHz，在同類(lèi)產(chǎn)品中性價(jià)比最高；而 STM32F101 基本型時(shí)鐘頻率為 36MHz，性價(jià)比非常高的 32 位產(chǎn)品。 系統(tǒng)需求的刺激為白色、紅色、藍(lán)色三種不同顏色刺激，考慮到顏色、光強(qiáng)參數(shù)及占用面積等因素，采用圓盤(pán)式對(duì)稱(chēng)方式將白、紅、藍(lán)三種 LED 組成一個(gè)整體?？紤]到光源模塊的發(fā)光、集中發(fā)熱及快速上升、下降沿的大電流通過(guò)等問(wèn)題， PCB 布局布線時(shí)將同種顏色的 LED 散列分開(kāi)放置使得熱量可以盡快散去，同時(shí)按照?qǐng)A弧對(duì)稱(chēng)方式布局同種 LED，避免刺激光出現(xiàn)明顯的區(qū)域指向性；電流回路布線宜盡量寬，且在轉(zhuǎn)接處保持走線漸變而不會(huì)畸變。 圖 光源圖 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 本文用 Visual C+++OpenCV 軟件實(shí)現(xiàn)瞳孔的大小的計(jì)算，并且畫(huà)出瞳孔視頻文件中瞳孔大小的曲線圖。 圖 軟件設(shè)計(jì)整體框架圖 視 頻 讀 取 模 塊 視 頻 處 理 模 塊 畫(huà) 曲 線 圖 模 塊處 理 后 的 視 頻 查 看模 塊沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 3 瞳孔動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)算法設(shè)計(jì) 眼睛的外觀圖由鞏膜、虹膜、瞳孔幾部分構(gòu)成。瞳孔檢測(cè)算法流程圖如圖 所示。本文采用形態(tài)學(xué)中的基本的開(kāi)運(yùn)算，來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。 腐蝕 使用 B 對(duì) A 進(jìn)行腐蝕運(yùn)算，定義為：