CN104657722A - 眼部参数检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种眼部参数检测设备，包括高清摄像头、图像检测器件和单片机AT89C51，所述高清摄像头用于对被检测人员的面部进行拍摄以获得被检测面部图像，所述图像检测器件与所述高清摄像头连接，用于对被检测面部图像进行图像处理，所述单片机与所述图像检测器件连接，基于所述图像检测器件的图像处理结果确定多个眼部参数，所述多个眼部参数包括瞳孔位置和上下眼睑距离。通过本发明，能够快速、准确地检测出被检测人员的多个眼部参数，从而为后续的被检测人员疲劳状态判断、身份识别或图像检索提供更有价值的参考数据。

Description

眼部参数检测设备

技术领域

本发明涉及图像处理领域，尤其涉及一种眼部参数检测设备。

背景技术

人们的眼部特征的识别其应用领域较为广泛，例如，通过检测上下眼睑的间距能够判断人们的疲劳状态，同时由于眼部特征的高辨识度，因而提取到的眼部特征能够用于身份识别或图像检索。

现有技术中的眼部特征识别方案基本上有两种：(1)利用眼动电图和肌电图来测量眼睛睁闭和眼球的位置；(2)利用摄像机在自然光照射下拍摄被检测人员的眼睛的图像，再用图像处理的方法提取眼部各项特征。这两种识别方法都存在一定的缺陷：前者需要在被检测人员的眼睛周围粘贴上电极，给被检测人员带来负担；后者由于摄像机采样频率有限，图像处理技术没有针对性，检测的精度不高。

因此，需要一种新的眼部特征识别方案，在不给被检测人员增加负担的情况下，能够根据人们眼部活动的特点，有针对性地制定多种眼部参数的提取策略，从而同时提高眼部特征识别的速度和精度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种眼部参数检测设备，基于人们眼部瞳孔对红外线发射率高的特点，引入两个等距放置的红外光源为摄像头的图像采集提高辅助照明，并引入有针对性的多个图像处理部件提高瞳孔位置检测的精度，同时基于有效的检测模式确定被检测人员的疲劳程度，整个检测设备运行速度快，提供的数据更为准确。

根据本发明的一方面，提供了一种眼部参数检测设备，包括高清摄像头、图像检测器件和单片机AT89C51，所述高清摄像头用于对被检测人员的面部进行拍摄以获得被检测面部图像，所述图像检测器件与所述高清摄像头连接，用于对被检测面部图像进行图像处理，所述单片机与所述图像检测器件连接，基于所述图像检测器件的图像处理结果确定多个眼部参数，所述多个眼部参数包括瞳孔位置和上下眼睑距离。

更具体地，在所述眼部参数检测设备中，还包括：两个红外光发射器，分别放置在所述高清摄像头的两侧，与所述高清摄像头在同一水平线上且到所述高清摄像头的距离相等，两个红外光发射器发射的红外光的波长都为850nm；供电器件，用于在单片机AT89C51的控制下，为所述检测设备的各个用电部件提供电力供应；静态存储器，用于预先存储眼睑灰度上限阈值和眼睑灰度下限阈值，所述眼睑灰度上限阈值和眼睑灰度下限阈值的数值都在0-255之间，用于将图像中的人员的上下眼睑与背景分离，所述静态存储器还预先存储了上下眼睑距离阈值、第一预设时间间隔和第二预设时间间隔，所述第一预设时间间隔大于所述第二预设时间间隔；无线通信接口，与远端的眼部识别服务器建立双向无线通信链路，用于将所述单片机AT89C51输出的人员疲惫信号无线发送给所述眼部识别服务器，还用于将图像压缩器输出的压缩复合图像无线发送给所述眼部识别服务器；图像压缩器，与所述单片机AT89C51和所述无线通信接口分别连接，基于MPEG-4压缩标准对复合图像执行压缩编码以生成压缩复合图像，将所述压缩复合图像发送给所述无线通信接口；所述高清摄像头包括前盖玻璃、镜头、滤镜和成像电子单元，用于对被检测人员的面部进行拍摄以获得被检测面部图像，所述被检测面部图像的分辨率为3840×2160，所述滤镜为850nm红外光滤光镜，所述成像电子单元为CMOS视觉传感器；所述图像检测器件与所述静态存储器和所述高清摄像头分别连接，包括自适应递归滤波子器件、灰度化处理子器件、眼部图像分割子器件和眼部参数提取子器件；自适应递归滤波子器件与所述高清摄像头连接，用于对所述被检测面部图像进行自适应递归滤波处理，以获得被检测滤波图像；所述灰度化处理子器件与自适应递归滤波子器件连接，对被检测滤波图像进行灰度化处理，以获得被检测灰度图像；所述眼部图像分割子器件与所述灰度化处理子器件和所述静态存储器分别连接，将被检测灰度图像中灰度值在眼睑灰度上限阈值和眼睑灰度下限阈值之间的像素识别为被检测眼睑像素，将所有被检测眼睑像素以及处于所有被检测眼睑像素之间的所有像素一起组成一个被检测眼部子图像；所述眼部参数提取子器件与所述眼部图像分割子器件和所述静态存储器分别连接，采用3像素×3像素的图像块搜索窗口在被检测眼部子图像中进行搜索，计算每一个被搜索的3像素×3像素的图像块的灰度值均值，将灰度值均值最大的图像块所在的位置确定为瞳孔位置，还计算被检测眼部子图像的最大高度，将计算出的最大高度作为上下眼睑距离；所述单片机AT89C51与所述图像检测器件、所述高清摄像头和所述静态存储器分别连接，将所述瞳孔位置和所述上下眼睑距离都标记到所述被检测面部图像上以形成复合图像，并在每个第一预设时间间隔内当所述上下眼睑距离小于上下眼睑距离阈值的持续时间达到第二预设时间间隔时，发出人员疲惫信号；其中，所述自适应递归滤波子器件、所述灰度化处理子器件、所述眼部图像分割子器件和所述眼部参数提取子器件分别采用FPGA芯片来实现，所采用的FPGA芯片的选型都为Xilinx公司的Artix-7系列，将所述自适应递归滤波子器件、所述灰度化处理子器件、所述眼部图像分割子器件和所述眼部参数提取子器件集成在一块集成电路板上；所述单片机AT89C51根据供电器件的剩余电量，决定向所述高清摄像头发送启动信号、省电信号或关闭信号，以及向所述图像检测器件发送启动信号、省电信号或关闭信号，以分别控制所述高清摄像头和所述图像检测器件的工作模式。

更具体地，在所述眼部参数检测设备中，所述无线通信接口包括无线接收机和无线发射机。

更具体地，在所述眼部参数检测设备中，所述无线通信接口还向所述单片机AT89C51转发所述眼部识别服务器发送的各项控制指令。

更具体地，在所述眼部参数检测设备中，将眼部参数检测设备集成到便携式移动终端中。

更具体地，在所述眼部参数检测设备中，还包括：液晶显示屏，与所述单片机AT89C51连接，用于实时显示所述复合图像，还用于显示所述人员疲惫信号。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的眼部参数检测设备的结构方框图。

图2为根据本发明实施方案示出的眼部参数检测设备的无线通信接口的结构方框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的眼部参数检测设备的实施方案进行详细说明。

眼睛是人们最重要的器官之一，也是最能让人感受到其不适或病变的感觉器官。

人眼视觉器官包括眼球、视路和附属器。人眼的外形接近球形，称为眼球。眼球壁是包围眼球的一层组织，由巩膜、脉络膜和视网膜组成。眼球壁由外向内可分为三层：纤维膜、色素膜、视网膜。纤维膜由纤维组织构成，较硬，坚韧而有弹性，对眼球有保护作用，并能维持眼球的形状，似鸡蛋壳一样。纤维膜又可分为角膜、巩膜、角巩膜缘。色素膜又叫葡萄膜，具有营养眼内组织及遮光的作用，自前向后又可分为虹膜、睫状体、脉络膜三部分。

虹膜中间有瞳孔。眼内容物包括房水、晶状体和玻璃体。这三部分加上外层中的角膜，就构成了眼的折射系统。房水为无色透明的液体，充满前房、后房，约有0.15～0.3ml，它具有营养和维持眼内压力的作用。晶状体位于虹膜后面，玻璃体前面，借助悬韧带与睫状体相联系，是一种富有弹性的透明组织。玻璃体为无色透明胶状体，充满晶状体后面的空腔里，具有折射光、固定视网膜的作用。玻璃体和晶状体房水、角膜等一起构成了眼的屈光间质，并且对视网膜和眼球壁起支撑作用，使视网膜与脉络膜相贴。在外伤或手术中，一旦发生玻璃体丢失，就容易造成视网膜脱离。

眼底顾名思义是指眼睛的底部，也就是眼睛最里面的组织。他包括视网膜、视神经乳头和视网膜中央血管。如果眼底有疾病的话，将对视觉有很大的影响。表现为视力下降，视物变形、变色，视大变小。人的眼睛除了眼球壁和眼内容物外，还有一些附属器，他们是眼睑、结膜、泪器、眼外肌和眼眶。

从光学观点看，眼睛可以被看做两个系统：角膜和晶体。其各表面的中心，近似位于共同轴即光轴上。光轴通常交视网膜于中心窝鼻侧并稍上方的一点，平均角度倾斜，在水平方向为4～5度(a角)，而垂直方向的倾斜略大于1度。

眼部识别的应用领域非常广泛，其中疲劳状态判断、身份识别或图像检索是其应用的几个重要分支。然而，现有的眼部特征检测技术无法同时兼顾检测的准确性和实时性，而且自然光下的眼部特征检测效果不佳。为此，本发明提供了一种眼部参数检测设备，在特定波长的红外线下对眼部特征进行检测，利用了瞳孔比眼部其他部分对红外线发射率更高、对应图像部分的灰度值较大的特点，在保证数据精度和有效性的同时，提高了检测的速度。

图1为根据本发明实施方案示出的眼部参数检测设备的结构方框图，所述检测设备包括高清摄像头1、图像检测器件2和单片机AT89C51 3，所述单片机AT89C51 3与所述高清摄像头1和所述图像检测器件2分别连接，所述高清摄像头1与所述图像检测器件2连接。

其中，所述高清摄像头1用于对被检测人员的面部进行拍摄以获得被检测面部图像，所述图像检测器件2用于对被检测面部图像进行图像处理，所述单片机AT89C51 3用于基于所述图像检测器件2的图像处理结果确定多个眼部参数，所述多个眼部参数包括瞳孔位置和上下眼睑距离。

接着，继续对本发明的眼部参数检测设备的具体结构进行进一步的说明。

所述检测设备还包括：两个红外光发射器，分别放置在所述高清摄像头1的两侧，与所述高清摄像头1在同一水平线上且到所述高清摄像头1的距离相等，两个红外光发射器发射的红外光的波长都为850nm。

所述检测设备还包括：供电器件，用于在单片机AT89C51 3的控制下，为所述检测设备的各个用电部件提供电力供应。

所述检测设备还包括：静态存储器，用于预先存储眼睑灰度上限阈值和眼睑灰度下限阈值，所述眼睑灰度上限阈值和眼睑灰度下限阈值的数值都在0-255之间，用于将图像中的人员的上下眼睑与背景分离，所述静态存储器还预先存储了上下眼睑距离阈值、第一预设时间间隔和第二预设时间间隔，所述第一预设时间间隔大于所述第二预设时间间隔。

如图2所示，所述检测设备还包括：无线通信接口4，由无线接收机41和无线发射机42组成，无线通信接口4与远端的眼部识别服务器建立双向无线通信链路，用于将所述单片机AT89C51 3输出的人员疲惫信号无线发送给所述眼部识别服务器，还用于将图像压缩器输出的压缩复合图像无线发送给所述眼部识别服务器。

所述检测设备还包括：图像压缩器，与所述单片机AT89C51 3和所述无线通信接口4分别连接，基于MPEG-4压缩标准对复合图像执行压缩编码以生成压缩复合图像，将所述压缩复合图像发送给所述无线通信接口4。

所述高清摄像头1包括前盖玻璃、镜头、滤镜和成像电子单元，用于对被检测人员的面部进行拍摄以获得被检测面部图像，所述被检测面部图像的分辨率为3840×2160，所述滤镜为850nm红外光滤光镜，所述成像电子单元为CMOS视觉传感器。

所述图像检测器件2与所述静态存储器和所述高清摄像头1分别连接，所述图像检测器件2包括自适应递归滤波子器件、灰度化处理子器件、眼部图像分割子器件和眼部参数提取子器件。

自适应递归滤波子器件与所述高清摄像头1连接，用于对所述被检测面部图像进行自适应递归滤波处理，以获得被检测滤波图像。

所述灰度化处理子器件与自适应递归滤波子器件连接，对被检测滤波图像进行灰度化处理，以获得被检测灰度图像。

所述眼部图像分割子器件与所述灰度化处理子器件和所述静态存储器分别连接，将被检测灰度图像中灰度值在眼睑灰度上限阈值和眼睑灰度下限阈值之间的像素识别为被检测眼睑像素，将所有被检测眼睑像素以及处于所有被检测眼睑像素之间的所有像素一起组成一个被检测眼部子图像。

所述眼部参数提取子器件与所述眼部图像分割子器件和所述静态存储器分别连接，采用3像素×3像素的图像块搜索窗口在被检测眼部子图像中进行搜索，计算每一个被搜索的3像素×3像素的图像块的灰度值均值，将灰度值均值最大的图像块所在的位置确定为瞳孔位置，还计算被检测眼部子图像的最大高度，将计算出的最大高度作为上下眼睑距离。

所述单片机AT89C51 3与所述图像检测器件2、所述高清摄像头1和所述静态存储器分别连接，将所述瞳孔位置和所述上下眼睑距离都标记到所述被检测面部图像上以形成复合图像，并在每个第一预设时间间隔内当所述上下眼睑距离小于上下眼睑距离阈值的持续时间达到第二预设时间间隔时，发出人员疲惫信号。

其中，所述自适应递归滤波子器件、所述灰度化处理子器件、所述眼部图像分割子器件和所述眼部参数提取子器件分别采用FPGA芯片来实现，所采用的FPGA芯片的选型都为Xilinx公司的Artix-7系列，可以将所述自适应递归滤波子器件、所述灰度化处理子器件、所述眼部图像分割子器件和所述眼部参数提取子器件集成在一块集成电路板上；所述单片机AT89C51 3可以根据供电器件的剩余电量，决定向所述高清摄像头1发送启动信号、省电信号或关闭信号，以及向所述图像检测器件2发送启动信号、省电信号或关闭信号，以分别控制所述高清摄像头1和所述图像检测器件2的工作模式。

其中，在所述检测设备中，可选地，所述无线通信接口4还向所述单片机AT89C51 3转发所述眼部识别服务器发送的各项控制指令，可以将眼部参数检测设备集成到便携式移动终端中，例如手机；以及所述检测设备还可以包括液晶显示屏，与所述单片机AT89C51 3连接，用于实时显示所述复合图像，还用于显示所述人员疲惫信号。

另外，单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。

从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。

单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。高端的32位Soc单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。

当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，还带有2K字节闪存可编程可擦除只读存储器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

采用本发明的眼部参数检测设备，针对现有技术用于眼部特征检测的方案无法兼顾检测速度和准确性的技术问题，开发了一套新的眼部参数检测设备，利用瞳孔对特定波长红外线光折射率高、对应图像更亮的特点以精确、快速检测出瞳孔位置，利用眼睑的灰度特性检测眼睑位置和几何形状，并由此判断被检测人员疲劳度，本发明的眼部参数检测设备由于使用了定制的多个部件，检测效率和精度更高。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种眼部参数检测设备，包括高清摄像头、图像检测器件和单片机AT89C51，所述高清摄像头用于对被检测人员的面部进行拍摄以获得被检测面部图像，所述图像检测器件与所述高清摄像头连接，用于对被检测面部图像进行图像处理，所述单片机与所述图像检测器件连接，基于所述图像检测器件的图像处理结果确定多个眼部参数，所述多个眼部参数包括瞳孔位置和上下眼睑距离。

2.如权利要求1所述的眼部参数检测设备，其特征在于，所述检测设备还包括：

两个红外光发射器，分别放置在所述高清摄像头的两侧，与所述高清摄像头在同一水平线上且到所述高清摄像头的距离相等，两个红外光发射器发射的红外光的波长都为850nm；

供电器件，用于在单片机AT89C51的控制下，为所述检测设备的各个用电部件提供电力供应；

静态存储器，用于预先存储眼睑灰度上限阈值和眼睑灰度下限阈值，所述眼睑灰度上限阈值和眼睑灰度下限阈值的数值都在0-255之间，用于将图像中的人员的上下眼睑与背景分离，所述静态存储器还预先存储了上下眼睑距离阈值、第一预设时间间隔和第二预设时间间隔，所述第一预设时间间隔大于所述第二预设时间间隔；

无线通信接口，与远端的眼部识别服务器建立双向无线通信链路，用于将所述单片机AT89C51输出的人员疲惫信号无线发送给所述眼部识别服务器，还用于将图像压缩器输出的压缩复合图像无线发送给所述眼部识别服务器；

图像压缩器，与所述单片机AT89C51和所述无线通信接口分别连接，基于MPEG-4压缩标准对复合图像执行压缩编码以生成压缩复合图像，将所述压缩复合图像发送给所述无线通信接口；

所述高清摄像头包括前盖玻璃、镜头、滤镜和成像电子单元，用于对被检测人员的面部进行拍摄以获得被检测面部图像，所述被检测面部图像的分辨率为3840×2160，所述滤镜为850nm红外光滤光镜，所述成像电子单元为CMOS视觉传感器；

所述图像检测器件与所述静态存储器和所述高清摄像头分别连接，包括自适应递归滤波子器件、灰度化处理子器件、眼部图像分割子器件和眼部参数提取子器件；自适应递归滤波子器件与所述高清摄像头连接，用于对所述被检测面部图像进行自适应递归滤波处理，以获得被检测滤波图像；所述灰度化处理子器件与自适应递归滤波子器件连接，对被检测滤波图像进行灰度化处理，以获得被检测灰度图像；所述眼部图像分割子器件与所述灰度化处理子器件和所述静态存储器分别连接，将被检测灰度图像中灰度值在眼睑灰度上限阈值和眼睑灰度下限阈值之间的像素识别为被检测眼睑像素，将所有被检测眼睑像素以及处于所有被检测眼睑像素之间的所有像素一起组成一个被检测眼部子图像；所述眼部参数提取子器件与所述眼部图像分割子器件和所述静态存储器分别连接，采用3像素×3像素的图像块搜索窗口在被检测眼部子图像中进行搜索，计算每一个被搜索的3像素×3像素的图像块的灰度值均值，将灰度值均值最大的图像块所在的位置确定为瞳孔位置，还计算被检测眼部子图像的最大高度，将计算出的最大高度作为上下眼睑距离；

所述单片机AT89C51与所述图像检测器件、所述高清摄像头和所述静态存储器分别连接，将所述瞳孔位置和所述上下眼睑距离都标记到所述被检测面部图像上以形成复合图像，并在每个第一预设时间间隔内当所述上下眼睑距离小于上下眼睑距离阈值的持续时间达到第二预设时间间隔时，发出人员疲惫信号；

其中，所述自适应递归滤波子器件、所述灰度化处理子器件、所述眼部图像分割子器件和所述眼部参数提取子器件分别采用FPGA芯片来实现，所采用的FPGA芯片的选型都为Xilinx公司的Artix-7系列，将所述自适应递归滤波子器件、所述灰度化处理子器件、所述眼部图像分割子器件和所述眼部参数提取子器件集成在一块集成电路板上；

其中，所述单片机AT89C51根据供电器件的剩余电量，决定向所述高清摄像头发送启动信号、省电信号或关闭信号，以及向所述图像检测器件发送启动信号、省电信号或关闭信号，以分别控制所述高清摄像头和所述图像检测器件的工作模式。

3.如权利要求2所述的眼部参数检测设备，其特征在于：

所述无线通信接口包括无线接收机和无线发射机。

4.如权利要求2所述的眼部参数检测设备，其特征在于：

所述无线通信接口还向所述单片机AT89C51转发所述眼部识别服务器发送的各项控制指令。

5.如权利要求2所述的眼部参数检测设备，其特征在于：

将眼部参数检测设备集成到便携式移动终端中。

6.如权利要求2所述的眼部参数检测设备，其特征在于，所述检测设备还包括：

液晶显示屏，与所述单片机AT89C51连接，用于实时显示所述复合图像，还用于显示所述人员疲惫信号。