CN108542348A - 非人灵长类动物瞳孔监测及视线追踪系统及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非人灵长类动物瞳孔监测及视线追踪系统，包括：角位移台、底座、红外CCD摄像机以及控制和记录装置；底座安装在角位移台上，底座的上、下表面呈夹角a，红外CCD摄像机安装于底座的上表面，并能在底座的上表面上做360°旋转，红外CCD摄像机的最高记录速度不小于每秒200帧，且其红外光源可以靠近或者远离摄像机的光轴；所述红外CCD摄像机上加装有微距镜头；所述控制和记录装置与红外CCD摄像机电性连接。上述系统结构简单，配置成本低，能够针对各种体型的动物进行准确的眼动记录，且其实验方法简单，可以方便的应用于动物的注视点和视觉相关研究。

Description

非人灵长类动物瞳孔监测及视线追踪系统及其实验方法

技术领域

本发明涉及科研设备领域，用于非人灵长类动物的视觉相关的行为学、神经生物学、心理学和认知神经科学等研究，也适用于啮齿类等哺乳动物的视觉相关研究，具体涉及一种非人灵长类动物瞳孔监测及视线追踪系统及其实验方法。

背景技术

视觉是人类最重要的感觉通路，来自外界的信息超过80％通过眼睛获得。监测眼球运动(眼动)是研究视觉信息加工的有效手段。眼动的各种模式被认为与人的心理变化相关联，其研究历史可以一直追溯到古希腊，而真正使用仪器设备对眼动进行观察和实验是从中世纪开始的。上世纪末以来，可以精密测量眼动规律的仪器(即眼动仪)问世，为心理学研究提供了新的有效工具，用于探索人在各种不同条件下的视觉信息加工机制，观察其与心理活动直接或间接的关系。从18世纪开始，眼动监测技术先后经历了观察法、后像法、机械记录法、光学记录法、影像记录法等多种方法的演变，但是，眼动技术的本质，仍然是通过对眼动轨迹的记录，提取诸如注视点、注视时间和次数、眼跳距离、瞳孔大小等数据，用于不同学科的研究。20世纪60年代以来，随着摄像技术、红外技术和微电子技术的发展，以及计算机技术的普及，推动了高精度眼动仪的研发，极大地促进了眼动研究在相关学科中的应用。以下简要叙述相关技术的发展历史。

1)直接观察法：用肉眼直接观察被试的眼动，是一种比较原始的眼动实验法。

2)后象法：利用闪光灯的高亮度闪光产生的视觉后象来研究人的眼动，也是早期研究常用的方法。

3)电流记录法：眼球运动可以产生生物电现象；角膜相对于网膜存在一个正电位差，眼球处于不同的位置或向不同方向运动时，记录到的电位差别可以衡量眼球的运动方向和角度等特征。

4)机械记录法：实验时被试眼球通过环状物中间的圆孔观察，圆孔内有指针对眼动做出灵敏的反应，并在记录纸上记录下来。机械记录法装置复杂，调整麻烦，其实验结果的准确性也较低。机械记录法有三种类型：头部支点杠杆法用杠杆来传递眼球运动情况；反光记录法将一面小镜子附着在眼球上，反射光线便随着眼球的运动而变化；影像记录法使用普通照像机、电影摄影机或电视摄相机拍摄眼动情况。

5)角膜反射法：角膜能反射落在它表面上的光。假设眼球是个标准的球体，球心位置固定，因此反射光点是固定不动的；当眼球运动时，角膜与入射光的相对角度发生改变，相应推断出反射光与角膜的相对角度，从而精确分析眼球运动的角度和方向以及其他眼动特征。

除了角膜反射法，其他几种方法为了提高精度，都要在被试的眼睛上附加测量装置，甚至需要局部麻醉，不但增加了操作难度，还容易造成被试的不舒适甚至损伤，因而逐渐处于被淘汰的地位。目前仍然在实验室使用的眼动监测方法有眼电图法、巩膜接触镜法、照片/视频图像法和角膜反射法。

现代眼动仪的原理主要是基于角膜反光法，例如EVM系列眼动仪、EyeLink系列眼动仪等。现代眼动仪的系统构成通常包括控制单元、光学头、场景摄像机三部分。眼动的实时监测技术满足了视觉认知研究的需要。眼动仪及相关技术，由于不需要针对被试额外附加测量装置，并且监测视角范围较大，采集和处理速度较快，因此可以用于人机交互及智能驾驶等，例如研究汽车驾驶员和飞行员的眼动规律，从而制造辅助驾驶的监视系统。

眼动监测技术的核心指标是监测的实时性和精度，此外操作的难易程度，硬件和软件的价格等也需要考虑。在动物实验中，瞳孔监测技术主要用于判断动物的注视点，用于研究动物对视觉刺激的关注情况，以及视觉相关心理和行为。

虽然现有的眼动监测技术和产品已经非常成熟，但是主要是针对人类开发，用于心理学研究，眼科疾病诊断，人机交互和智能领域等。针对人类开发的眼动仪，也可用于猕猴等大型的非人灵长类动物。一方面是人类和猕猴的双眼都位于面部正前方，注视点监测的原理相同，另一方面双眼的大小也比较接近。而我们需要将眼动监测技术应用到实验动物，除了非人灵长类动物，还包括啮齿类等小型实验动物，其应用场景主要是实验动物的视觉神经科学研究等,对其的移植使用，存在如下问题：

1)监测单眼眼动的问题：与眼动仪同时标定双眼不同，监测单眼眼动需要单独标定单眼的瞳孔中心点，再通过监测视频测算瞳孔中心点的相对位移角度。因此，对于摄像头的位置和拍摄角度有比较精确的要求。

2)监测装置的采样率和分辨率权衡的问题：采用红外高速CCD(Charge CoupledDevice电荷耦合器件)摄像机，其采样帧率与分辨率成反比，当最高200Hz时，分辨率仅为180*180像素，最低20Hz时，分辨率可达720*720像素，因而，当应用于小型实验动物例如绒猴和大鼠时，其瞳孔直径一般小于2mm，必须降低采样率才能提高分辨率，在不同的实验动物之间，传统的设备难以做到采样率和分辨率的权衡。

3)监测小型动物瞳孔的问题：小动物瞳孔直径一般小于2mm，而为了不阻挡视觉刺激场景，眼动仪的摄像机一般是在距离瞳孔40cm以上的位置进行拍摄，在这个距离上眼动仪无法得到清晰的瞳孔图像。

4)监测装置标定的问题：实验动物的瞳孔是随时转动的，而监测装置需要对中瞳孔中心中心才能获取准确的数据，为实验的进行增加了更高的难度。

总而言之，目前市售的产品不能够直接采购使用，另外其造价也较为昂贵，同时，考虑到针对小动物的应用，其眼球较小，因此对摄像机部件的精度有更高的要求；其双眼位于两侧，与人类或者非人灵长类不同，对于拍摄的眼动视频，计算眼动特征的方法也有所区别。此外，在眼动监测装置的使用上，小型的眼动设备标定难度更大。综合上述各方面原因，现有的眼动监测系统不适用动物实验，因此需要重新研发。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种非人灵长类动物瞳孔监测及视线追踪系统及其实验方法，其系统结构简单，配置成本低，能够针对各种体型的动物进行准确的眼动记录，且其实验方法简单，可以方便的应用于动物的注视点和视觉相关研究。

一方面，本发明提出一种非人灵长类动物瞳孔监测及视线追踪系统，包括：角位移台、底座、红外CCD摄像机以及控制和记录装置；所述底座安装在角位移台上，底座的上、下表面呈夹角a，所述夹角a是角度范围为10°-20°；所述红外CCD摄像机安装于底座的上表面，并能在底座的上表面上做360°旋转，红外CCD摄像机的最高记录速度不小于每秒200帧，且其红外光源可以靠近或者远离摄像机的光轴；所述红外CCD摄像机上加装有微距镜头；所述控制和记录装置与红外CCD摄像机电性连接，所述控制和记录装置内设置有多个可选的采样率和分辨率组合，以控制红外CCD摄像机的摄像精度。

进一步地，所述的非人灵长类动物瞳孔监测及视线追踪系统还包括：升降机构，所述升降机构设置在角位移台下方，或者设置在角位移台和底座之间。

进一步地，所述角位移台的调整角度为±15°。

进一步地，所述微距镜头的最大放大倍率为5倍。

另一方面，本发明还提出了一种眼动监测的实验方法，其利用前述的非人灵长类动物瞳孔监测及视线追踪系统进行实验，包括以下步骤：

S1标定实验动物眼睛的瞳孔中心；

S2调整红外CCD摄像机的位置和角度，使红外CCD摄像机对准眼睛的瞳孔中心；

S3根据瞳孔尺寸选择匹配的采样率和分辨率组合，并通过红外CCD摄像机获取相应精度的监测图像，记录眼动；

S4通过监测图像测算瞳孔中心点的相对位移角度，获取实验数据。

进一步地，步骤S1中，通过亮瞳-暗瞳交替的方法确定瞳孔中心。

进一步地，步骤S2中，通过控制和记录装置在线分析，以标定的瞳孔中心为原点，确定瞳孔与视觉刺激屏幕的相对位置。

进一步地，步骤S3中，选择的采样率和分辨率组合参数为加装微距镜头之后的采样率和分辨率组合的参数。

进一步地，步骤S4中，瞳孔中心的偏移通过亮瞳-暗瞳交替的方法实时确定，或者，在实验后通过计算亮瞳重心的方法来确定。

采用上述技术方案，本发明具有如下的有益效果：

1、造价远远低于市售产品，但并没有损失太多成像精度，如果摄像机性能足够，甚至不会有精度损失；

2、既可用于监测双眼眼动，也能够用于监测单眼眼动；

3、解决了监测装置的采样率和分辨率之间的权衡问题，从而可以提前测试获得最佳方案，进而可以获得极佳的实时监测精度；

4、在红外CCD摄像机上加装了最多可放大5倍的微距镜头,以匹配小动物直径小于2mm的瞳孔，解决了现有设备无法用于小型动物瞳孔监测的问题；

5、红外CCD摄像机能360°旋转，并能通过升降机构和角位移台来调节摄像机的倾斜角度，能够在不移动底座的情况下，使摄像机对准瞳孔中心，操作便捷；

6、监测数据实时处理，可以通过亮瞳-暗瞳交替的方法实时确定，也可以在实验后通过计算亮瞳重心的方法来确定，自由性强，实用性更好。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例红外CCD摄像机与各位置调节结构的安装结构示意图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本实施例提供的非人灵长类动物瞳孔监测及视线追踪系统，主要包括：角位移台1、底座2、红外CCD摄像机3以及控制和记录装置4。其中，红外CCD摄像机3作为整个系统的核心部分，需要通过其监测单眼眼动获得监测视频，之后控制和记录装置4才能通过监测视频测算瞳孔中心点的相对位移角度，因此，对于红外CCD摄像机3自身的精度，及其位置和拍摄角度都有比较精确的要求，本实施例中的红外CCD摄像机3选用最高记录速度不小于每秒200帧的高速摄像机，其位置和拍摄角度通过角位移台1和底座2调节控制。

参见图2，底座2安装在角位移台1上，角位移台1的调整角度为±15°，同时，底座2的上、下表面呈夹角a，该夹角a是角度范围为10°-20°，本实施例中夹角a设置为15°，红外CCD摄像机3安装于底座2的上表面，并能在底座2的上表面上做360°旋转，例如旋转180度，红外CCD摄像机3可以从仰拍变为俯拍。进而，通过三者的配合能够在不移动底座2的情况下，使红外CCD摄像机3对准瞳孔中心。

红外CCD摄像机3的红外光源可以靠近或者远离摄像机的光轴，进而通过红外光源的位置反复交替，用红外CCD摄像机3得到亮瞳和暗瞳两帧交替的图像，达到将这两帧图像做差得到瞳孔的位置，拟合得到瞳孔中心的效果。具体的，红外线照射产生亮瞳的原理与相机拍摄照片产生的红眼原理类似：当红外光源靠近红外CCD摄像机3的光轴时，所发出的的光线与摄像机的光轴近似平行，这样，大部分照射到瞳孔的光线就可以反射回红外CCD摄像机3，图像中就会出现亮瞳现象；反之，当红外光源远离摄像机的光轴时，所发出的光线与摄像机的光轴夹角较大，这样，照射到瞳孔的光线几乎很少反射回红外CCD摄像机3，图像中就会出现暗瞳现象；红外光源的位置反复交替，即可在相邻两帧图像中分别得到亮瞳和暗瞳两种图像。

考虑到小动物瞳孔的直径一般小于2mm，而为了不阻挡视觉刺激场景，上述系统的摄像机一般是在距离瞳孔40cm以上的位置进行拍摄，因此，为了得到清晰的瞳孔图像，在红外CCD摄像机3上加装了最多可放大5倍的微距镜头5，以适应小动物的实验场景。

因红外高速CCD摄像机3的采样帧率与分辨率成反比，如200Hz时，分辨率仅为180*180像素，最低20Hz时，分辨率可达720*720像素，而分辨率直接决定了瞳孔边界划分的精度，从而影响眼动特征提取的精度。因此，在控制和记录装置4与红外CCD摄像机3电性连接的情况下，本实施例还在控制和记录装置4内设置有多个可选的采样率和分辨率组合，以控制红外CCD摄像机3的摄像精度，具体可以在控制和记录装置4的用户操作界面上直接选择：当应用于大型实验动物例(如：猕猴)时，其瞳孔尺寸接近人类，直径一般大于5mm，即使采用较低的分辨率也可以获得足够的精度，就可以调高采样率降低分辨率，从而获得更高的实时监测效率；当应用于小型实验动物(如：绒猴、大鼠)时，其瞳孔直径一般小于2mm，必须降低采样率而提高分辨率，从而获得更高的实时监测精度。同时，在加装微距镜头5之后，可以在控制和记录装置4的用户操作界面上修改未安装微距镜头5前的操作软件参数，得到新的采样率和分辨率组合的参数。

为使红外CCD摄像机3的位置调节更加方便，本实施例中还设置有升降机构6，用来调节红外CCD摄像机3的安装高度，配合角位移台的和底座2，调节变得更简单。该升降机构设置6可以设置在角位移台1下方，也可以设置在角位移台1和底座2之间，只要能起到调节红外CCD摄像机3高度的效果即可。

采用上的系统进行眼动监测时，采用下述的实验方法，包括以下步骤：

S1标定准实验动物眼睛的瞳孔中心；通过亮瞳-暗瞳交替的方法确定瞳孔中心；

S2调整红外CCD摄像机3的位置和角度，使红外CCD摄像机对准眼睛的瞳孔中心；红外CCD摄像机3可以在底座2上进行360度旋转，并且通过升降机构6调节底座2的高度，配合角位移台1来调节底座2倾斜角度，使红外CCD摄像机3对准瞳孔中心；

S3根据瞳孔尺寸选择匹配的采样率和分辨率组合，并通过红外CCD摄像机3获取相应精度的监测图像，记录眼动；

S4通过监测图像测算瞳孔中心点的相对位移角度，获取实验数据；瞳孔中心的偏移通过亮瞳-暗瞳交替的方法实时确定，或者，在实验后通过计算亮瞳重心的方法来确定。

参见图1，上述的步骤S2中，可以通过控制和记录装置4在线分析，以标定的瞳孔中心为原点，在线分析程序会自动形成空间角的数学模型，从而确定瞳孔与视觉刺激屏幕的相对位置(包括视觉刺激屏幕的位置和显示器的尺寸)。

本实施例提供的系统的造价远远低于市售产品，但并没有损失太多成像精度，如果摄像机性能足够，甚至不会有精度损失；其既可用于监测双眼眼动，也能够用于监测单眼眼动，并能平衡监测装置采样率和分辨率的权衡问题，获得最佳方案；还特别针对小动物直径小于2mm的瞳孔，在摄像机上加装了最多可放大5倍的微距镜头，实用性强。采用亮瞳-暗瞳交替的方法确定瞳孔中心的位移，配合能调节红外CCD摄像机3位置和角度的多个结构，能够在不移动底座2的情况下，使摄像机对准瞳孔中心，从而可将其用于研究动物的注视点和视觉相关的心理和行为。

综上所述，采用上述的技术方案，本发明提出的非人灵长类动物瞳孔监测及视线追踪系统及其实验方法，其系统结构简单，配置成本低，能够针对各种体型的动物进行准确的眼动记录，且其实验方法简单，可以方便的应用于动物的注视点和视觉相关研究。

需要说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种非人灵长类动物瞳孔监测及视线追踪系统，其特征在于，包括：角位移台、底座、红外CCD摄像机以及控制和记录装置；

所述底座安装在角位移台上，底座的上、下表面呈夹角a，所述夹角a是角度范围为10°-20°；

所述红外CCD摄像机安装于底座的上表面，并能在底座的上表面上做360°旋转，红外CCD摄像机的最高记录速度不小于每秒200帧，且其红外光源可以靠近或者远离摄像机的光轴；所述红外CCD摄像机上加装有微距镜头；

所述控制和记录装置与红外CCD摄像机电性连接，所述控制和记录装置内设置有多个可选的采样率和分辨率组合，以控制红外CCD摄像机的摄像精度。

2.根据权利要求1所述的非人灵长类动物瞳孔监测及视线追踪系统，其特征在于，还包括：升降机构，所述升降机构设置在角位移台下方，或者设置在角位移台和底座之间。

3.根据权利要求1所述的非人灵长类动物瞳孔监测及视线追踪系统，其特征在于，所述角位移台的调整角度为±15°。

4.根据权利要求1所述的非人灵长类动物瞳孔监测及视线追踪系统，其特征在于，所述微距镜头的最大放大倍率为5倍。

5.一种眼动监测的实验方法，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述的非人灵长类动物瞳孔监测及视线追踪系统进行实验，包括以下步骤：

S1标定实验动物眼睛的瞳孔中心；

S2调整红外CCD摄像机的位置和角度，使红外CCD摄像机对准眼睛的瞳孔中心；

S3根据瞳孔尺寸选择匹配的采样率和分辨率组合，并通过红外CCD摄像机获取相应精度的监测图像，记录眼动；

S4通过监测图像测算瞳孔中心点的相对位移角度，获取实验数据。

6.根据权利要求5所述的眼动监测的实验方法，其特征在于，步骤S1中，通过亮瞳-暗瞳交替的方法确定瞳孔中心。

7.根据权利要求5所述的眼动监测的实验方法，其特征在于，步骤S2中，通过控制和记录装置在线分析，以标定的瞳孔中心为原点，确定瞳孔与视觉刺激屏幕的相对位置。

8.根据权利要求5所述的眼动监测的实验方法，其特征在于，步骤S3中，选择的采样率和分辨率组合参数为加装微距镜头之后的采样率和分辨率组合的参数。

9.根据权利要求5所述的眼动监测的实验方法，其特征在于，步骤S4中，瞳孔中心的偏移通过亮瞳-暗瞳交替的方法实时确定，或者，在实验后通过计算亮瞳重心的方法来确定。