CN111603134B - 眼球运动测试的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种眼球运动测试装置，其特征在于，包括：一个用于分别显示三类图像的显示模块，将显示模块所显示的三类图像分别定义为A类图像、B类图像及C类图像，则有：A类图像包含波长为λ₁的可见光，但不包含波长为λ₂的可见光；B类图像包含波长为λ₂的可见光，但不包含波长为λ₁的可见光；C类图像同时包含波长为λ₁的可见光及波长为λ₂的可见光；一个眼球追踪模块；两个滤光片。本发明提供一种使用遥测式眼球追踪技术的眼球运动测试装置，以及基于该装置的方法，可以在通过遥测式眼动仪进行眼球运动测试时，方便地自动切换左眼测试、右眼测试和双眼测试，节约了时间，且使用方便。

Description

眼球运动测试的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种眼球运动测试的装置及方法，尤其是一种使用遥测式眼球追踪技术的眼球运动测试的装置及方法。

背景技术

眼球运动测试装置，也称为眼动仪，是追踪记录眼球运动的仪器装置。从使用距离远近来区分，可分为遥测式眼动仪和可穿戴式眼动仪。可穿戴式眼动仪的特点是眼动装置和人眼距离比较近，一般距离在几厘米之内，可集成于VR、AR、或和眼镜、头盔配合使用。遥测式眼动仪的特点是眼动装置和人眼的距离较远，一般在几十厘米远的距离或更远的距离，和电脑显示器配合使用，或和投影仪、电视、手机、平板电脑等配合使用。

遥测式眼动仪大多采用近红外视频拍摄方法，其原理是用近红外摄像机拍摄包含人眼的人脸图像，通过图像处理算法提取左眼和右眼的区域，根据眼睛瞳孔中心及角膜反光点中心的相互位置关系计算眼动点，从而测得人眼所看的显示器、投影、电视屏幕、手机屏幕、平板电脑屏幕上的二维平面坐标。以看电脑显示器为例，左眼视线和显示器平面的交点称之为左眼的眼动点，右眼视线和显示器平面的交点称之为右眼的眼动点。

一般情况下，人的双眼是协调运动的，在双眼同时注视显示器平面的某一个位置的时候，左眼的眼动点和右眼的眼动点应该是重合或基本重合的。

然而，也有的研究者希望研究左眼和右眼的眼动点之间可能存在的差异。为了研究这种差异，需要客观准确地测量左眼的眼动点和右眼的眼动点。根据不同的研究需要，有些情况下需要在双眼都能看到测试材料时进行实验，同时测量左眼的眼动点和右眼的眼动点，然后比较左眼的眼动点和右眼的眼动点结果的异同；有些情况下需要分别测量单眼的眼动点数据，比如先遮挡右眼，记录只用左眼观看时的眼动点，然后遮挡左眼，记录只用右眼观看时的眼动点，再比较左眼的眼动点和右眼的眼动点结果的异同。

传统上用遥测式眼动仪进行眼动测量时，如果需要测量单眼数据，又不希望另外一只眼睛也同时看到测试内容产生干扰，需要用眼罩等方式遮挡另一只眼(类似看视力表测一只眼睛的视力时需要遮挡另外一只眼睛)。但因为研究的需要，有时需要比较快速频繁地切换左眼和右眼的眼动测量，此时如果仍用来回换眼罩的方式会带来时间上较大的浪费和测试的不方便，且眼罩佩戴摘取导致的视野忽明忽暗会引起瞳孔的明显缩放，并导致瞳孔大小测量的误差及眼动点测量的误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是关于遥测式眼动仪左眼测试、右眼测试和双眼测试自动方便切换的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是提供了一种眼球运动测试装置，其特征在于，包括：

一个用于分别显示三类图像的显示模块，将显示模块所显示的三类图像分别定义为A类图像、B类图像及C类图像，则有：A类图像包含波长为λ₁的可见光，但不包含波长为λ₂的可见光；B类图像包含波长为λ₂的可见光，但不包含波长为λ₁的可见光；C类图像同时包含波长为λ₁的可见光及波长为λ₂的可见光；

一个眼球追踪模块；

计算模块；

两个滤光片，按照布置位置的不同分别定义为左滤光片和右滤光片，左滤光片可透过波长为λ₁的可见光及波长为λ₃的近红外光，但不透波长为λ₂的可见光；右滤光片可透过波长为λ₂的可见光及波长为λ₃的近红外光，但不透波长为λ₁的可见光；在测试时：左眼通过左滤光片能看到显示模块显示的A类图像和C类图像，不能看到显示模块显示的B类图像，由眼球追踪模块通过左滤光片拍摄到人左眼的图像；右眼通过右滤光片能看到显示模块显示的B类图像和C类图像，不能看到显示模块显示的A类图像，由眼球追踪模块通过右滤光片拍摄到人右眼的图像；

眼球追踪模块包含至少一台近红外摄像机及至少一个近红外光源，近红外光源可发出波长为λ₃的近红外光，提供近红外摄像机拍摄的照明及作为角膜反光点参考点，眼球追踪模块中的近红外摄像机可以通过左滤光片和右滤光片拍摄到人左眼和右眼的图像，并将所拍摄到的图像传输到计算模块，通过计算模块进行眼动点计算。

优选地，利用头部固定支架对头部位置进行固定以提高精准度；所述左滤光片和所述右滤光片和头部固定支架的相对位置固定，且所述左滤光片及所述右滤光片的平面和所述显示模块的平面平行，防止反光干扰。

优选地，所述左滤光片和所述右滤光片为眼镜式，可戴在被测者头上。

优选地，对左眼图像区域或右眼图像区域进行自适应灰度调整，从而在拍摄到的左眼图像和右眼图像的整体灰度有差别时，准确提取左眼瞳孔位置或右眼瞳孔位置并达到准确计算左眼的瞳孔角膜向量或右眼的瞳孔角膜向量的目的。

本发明的另一个技术方案是提供了一种使用上述的眼球运动测试装置进行眼球运动测试的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

分别对左眼和右眼进行标定：

左眼标定时，所述显示模块显示的标定点图像属于所述A类图像，只有左眼能看到所述显示模块所显示的图像；左眼标定结束后，通过计算模块得到左眼的瞳孔角膜向量和显示模块平面坐标的映射函数；

右眼标定时，所述显示模块显示的标定点图像属于所述B类图像，只有右眼能看到显示模块所显示的图像；右眼标定结束后，通过计算模块得到右眼的瞳孔角膜向量和显示模块平面坐标的映射函数。

优选地，使用自适应标定方法进行所述左眼标定或所述右眼标定，自适应标定方法所采用的标定点的个数最少为2个点，最多为9个点，按照特定的显示顺序依次显示标定点并进行标定，直到第9个标定点标定结束，或遇到无效标定点为止；最大的有效标定点序号记作N_max，使用N_max所对应的映射函数计算所述映射函数的系数。

优选地，所述特定的显示顺序为顺序式标定时序或交叉式标定时序，设有M个标定点，M>1，设由属于所述A类图像的所述标定点图像显示的所有M个标定点为左标定点，由属于所述B类图像的所述标定点图像显示的所有M个标定点为右标定点，则顺序式标定时序为：

先显示所有的M个左标定点，再显示所有的M个右标定点；或者先显示所有的M个右标定点，再显示所有的M个左标定点；

交叉式标定时序为：

先显示第m个左标定点，再显示第m个右标定点，或者先显示第m个右标定点，再显示第m个左标定点，m＝1,…,M，左标定点及右标定点依顺序交替显示直至M个左标定点及M个右标定点全部显示完毕。

本发明的另一个技术方案是提供了基于上述的标定方法对左眼、或右眼、或双眼进行眼动测试的方法，其特征在于：左眼测试时，显示模块只显示属于A类图像的用于进行眼动测试的图像，只有左眼能看到显示模块所显示的图像，并根据左眼的瞳孔角膜向量和左眼的映射函数计算得到左眼在显示模块的眼动点坐标；右眼测试时，显示模块只显示属于B类图像的用于进行眼动测试的图像，只有右眼能看到显示模块所显示的图像，并根据右眼的瞳孔角膜向量和右眼的映射函数计算得到右眼在显示模块的眼动点坐标；双眼测试时，显示模块只显示属于C类图像的用于进行眼动测试的图像，左眼和右眼都能看到显示模块所显示的图像，并根据左眼的瞳孔角膜向量和左眼的映射函数计算得到左眼在显示模块的眼动点坐标，根据右眼的瞳孔角膜向量和右眼的映射函数计算得到右眼在显示模块的眼动点坐标。

本发明的另一个技术方案是提供了一种根据上述的对左眼、或右眼、或双眼进行眼动测试的方法的应用，其特征在于：可进行注视测试，即在显示模块上显示若干个固定位置的点，测试左眼、右眼、双眼的眼动点注视时间和注视准确度。

本发明的另一个技术方案是提供了一种根据上述的对左眼、或右眼、或双眼进行眼动测试的方法的应用，其特征在于，可进行扫视测试，即在显示模块上显示若干次来回跳动的点，测试左眼、右眼、双眼的眼动点扫视准确率、扫视速度、扫视反应时。

本发明的另一个技术方案是提供了一种根据上述的对左眼、或右眼、或双眼进行眼动测试的方法的应用，其特征在于，可进行跟随测试，即在显示模块上显示在不同位置平滑移动点，测试左眼、右眼、双眼的眼动点平均跟随误差、跟随误差标准差、最大跟随误差。

本发明的另一个技术方案是提供了一种根据上述的对左眼、或右眼、或双眼进行眼动测试的方法的应用，其特征在于，在测试时可在显示模块上实时反馈左眼、右眼、双眼的眼动点位置，进行视觉训练。

本发明具有有益效果是：提供一种使用遥测式眼球追踪技术的眼球运动测试装置，以及基于该装置的方法，可以在通过遥测式眼动仪进行眼球运动测试时，方便地自动切换左眼测试、右眼测试和双眼测试，节约了时间，且使用方便。

附图说明

图1是该装置各部件的位置示意图；

图2(a)及图2(b)是左滤光片和右滤光片的透光率图；

图3(a)至图3(d)是灰度不同的左眼图像和右眼图像及各自的灰度直方图，和瞳孔角膜向量示意图，其中，图3(a)为左右灰度不同的左眼图像和右眼图像，图3(b)为左眼图像的灰度直方图，图3(c)为右眼图像的灰度直方图，图3(d)为瞳孔角膜向量示意图；

图4是标定点显示顺序及在显示模块位置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

根据本发明的实施方式，提出了一种使用遥测式眼球追踪技术的眼球运动测试装置，以及基于该装置的方法，可以在通过遥测式眼动仪进行眼球运动测试时，方便地自动切换左眼测试、右眼测试和双眼测试，节约了时间，且使用方便。

实施例1：

本发明提供的一种眼球运动测试装置结构为：包括计算模块101、显示模块102、眼球追踪模块103、左滤光片104及右滤光片105、头部固定支架106，参考附图1。

其中左滤光片可透过一种波长的可见光及近红外光，不透其他波长的光；右滤光片可透过另外一种波长的可见光及近红外光，不透其他波长的光。

本实施例中左滤光片104为可透波长为530nm绿光及波长为850nm近红外光的双带通滤光片，右滤光片105为可透波长为670nm红光及波长为850nm近红外光的双带通滤光片，如附图2(a)及附图2(b)所示。

本实施例中显示模块102为一台显示器。显示模块102还可以为投影仪、电视、手机、平板电脑等。

本实施例中计算模块101使用一台电子计算机主机。

其中显示模块102和眼球追踪模块103位于左滤光片104的同一侧，在测试时左眼位于左滤光片104的另一侧，左眼通过左滤光片104观看显示模块102上显示的内容。

其中显示模块102和眼球追踪模块103位于右滤光片105的同一侧，在测试时右眼位于右滤光片105的另一侧，右眼通过右滤光片105观看显示模块102上显示的内容。

眼球追踪模块103包含1台近红外摄像机及2个发光波长为850nm的LED近红外光源，2个近红外光源位于近红外摄像机的两侧，距离红外摄像机均为15cm，眼球追踪模块103中的近红外摄像机可以通过左滤光片104和右滤光片105拍摄到人左眼和右眼的图像，光源提供近红外摄像机拍摄的照明并产生角膜反光点作为眼动点计算的参考点。

显示模块102可显示三类图像：A类图像，本实施例为绿色，RGB值为(0,255,0)；B类图像，本实施例为红色，RGB值为(255,0,0)、C类图像，本实施例为白色，RGB值为(255,255,255)。

左眼通过左滤光片104只能看到显示模块102的A类图像和C类图像，不能看到显示模块102的B类图像；右眼通过右滤光片105只能看到显示模块102的B类图像和C类图像，不能看到显示模块102的A类图像；

眼球追踪模块103位于显示模块102正下方。

为了进一步提高眼动数据的精准度，减小头动带来的测试误差，本实施例使用头部固定支架106进行头部固定，在测试时只有眼睛可以运动。

左滤光片104和右滤光片105和头部固定支架106的相对位置固定，且滤光片平面和显示模块102平面平行，防止反光干扰。因为眼球追踪模块103位于显示模块102下方，且和显示模块102平面有一定角度的夹角，在本实施例中夹角为20度，是斜向上方向拍摄人眼的，因此这样可以防止近红外光源的近红外光通过滤光片直接反射到近红外摄像机中产生反光干扰。

在另外的实施例中，左滤光片104和右滤光片105可以为眼镜式，可戴在被测者头上。这种测试方式适用于不适合使用头部固定支架的年龄较小的儿童。

具体测试方法为，包括以下步骤：

(1)受试者坐在本测试装置前，将下巴放在头部固定支架106上，眼睛朝向显示模块102方向。左眼通过左滤光片104看显示模块102，右眼通过右滤光片105看显示模块102。两只眼睛距离显示模块102为60cm。

(2)计算瞳孔中心和角膜反光点中心，得到左眼和右眼的瞳孔角膜向量。

具体方法是：

a)近红外摄像机拍摄到的角膜反光点亮度高，灰度级可达255，两个角膜反光点成对出现且距离接近。根据此特性从红外摄像机拍摄到整幅图像中找到眼睛的大致区域。左眼图像和右眼图像如附图3(a)所示。

b)考虑到左滤光片104和右滤光片105因生产工艺误差等原因，透近红外光的透光率可能有所不同，从而导致红外摄像机拍摄到的左右眼睛整体灰度不同，进而可能导致瞳孔区域提取失败或瞳孔大小不稳定导致的瞳孔中心计算偏差，本实施例进行了左眼图像和右眼图像的自适应灰度调整。即计算左眼区域和右眼区域的灰度直方图，因为最暗的区域为瞳孔区域，计算左眼灰度直方图中最暗的波峰的平均灰度(灰度0至第一个波谷的灰度积分的平均值)，与右眼的灰度直方图中最暗的波峰的平均灰度(灰度0至第一个波谷的灰度积分的平均值)进行比较。如平均灰度差值为E，则在较暗的眼睛区域整体灰度加E，再进行后续图像处理。本实施例中右眼比左眼暗9个灰度，故右眼区域整体灰度加9。如附图3(b)和附图3(c)所示。

c)进行左眼图像和右眼图像的自适应灰度调整后，设置一个高于瞳孔的灰度而低于周围虹膜、皮肤区域灰度的灰度阈值，低于所述灰度阈值的区域标记为可能的瞳孔区域；设置一个排除掉眼睫毛等黑色物体干扰的面积阈值，从而确定瞳孔所在的区域；根据左眼瞳孔区域的中心得到左眼瞳孔中心的坐标；根据左眼两个角膜反光点的平均坐标得到角膜反光点中心坐标；瞳孔中心坐标减去角膜反光点中心坐标得到左眼的瞳孔角膜向量。如附图3(d)所示：先计算左眼两个角膜反光点B1和B2的平均坐标，左眼瞳孔中心A的坐标减去左眼两个角膜反光点平均坐标得到左眼的瞳孔角膜向量(x_e,y_e)。同理可得到右眼的瞳孔角膜向量。

(3)根据本实施例的眼球运动测试装置和步骤(2)所述的瞳孔角膜向量计算方法，进行眼球运动测试眼动点的标定，包括如下步骤：

分别对左眼和右眼进行标定。左眼标定时，显示模块102显示的标定点为A类图像，本实施例中为直径为1cm的绿色圆点，只有左眼能看到显示模块平面上的A类图像；右眼标定时，显示模块102显示的标定点为B类图像，本实施例中为直径为1cm的红色圆点，只有右眼能看到显示器平面上的B类图像；左眼标定结束后，通过计算模块101得到左眼的瞳孔角膜向量和显示模块平面坐标的映射函数(“瞳孔角膜向量和显示模块平面坐标的映射函数”以下简称“映射函数”)；右眼标定结束后，通过计算模块101得到右眼的瞳孔角膜向量和显示模块平面坐标的映射函数。这里需要说明的是：根据实际测试的需要，如果只需要测试左眼，或只测试右眼，则本步骤只需要对相应的单眼进行标定。本实施例是左眼、右眼都进行标定。

具体方法是：

a)在标定时间周期内，一般会计算多个瞳孔角膜向量，例如眼球追踪模块中的红外摄像头每秒拍摄100帧，标定时间周期为2秒，则2秒内可以得到200个瞳孔角膜向量。通过聚类算法去除距离平均坐标较远的，显然不是在看该标定点的瞳孔角膜向量，取剩余的有效瞳孔角膜向量的平均坐标作为标定时所用的瞳孔角膜向量，我们定义为标定点平均瞳孔角膜向量。

b)本实施例使用了一种自适应标定方法，标定点的个数最少为2个点，最多为9个点，按照特定的显示顺序依次显示标定点并进行标定，标定点显示的位置和顺序示意图如附图4所示。标定点显示的位置只要是在显示模块上确定的坐标位置即可。左眼标定点的位置和右眼标定点的位置是相同的。

按照上述位置和顺序依次显示标定点。如9个标定点都为有效标定点，则Nmax＝9。或遇到无效标定点为止，此时Nmax为遇到无效标定点之前的最大的有效标定点序号。

这里的“有效标定点”指的是：标定时间周期内，持续看标定点的时间达到一定阈值。本实施例中时间阈值为1秒。

这里的“无效标定点”指的是，被测者由于注意力不集中或理解能力不足等原因(例如年龄较小的儿童)，显示某个标定点后，不能看此标定点，或持续看标定点的时间太短导致时间未达到一定阈值。本实施例中时间阈值为1秒。

本实施例使用了一种自适应标定方法，可以根据被测者完成的最大有效标定点N_max，自动选择最适合的映射函数。左眼和右眼的映射函数都适用这种方法。

一般来说，标定点数量越多，在整个显示范围内的眼动测试的总体误差会越小。但因为标定过程需要被测者较长时间内保持较高的注意力，所以标定点数量越多越难以完成整个标定过程，导致后续的测试无法进行，尤其是对于儿童等注意力不易集中的人。传统的方法一般是先用较多固定数量的标定点，比如9点，如果不能全部完成，再用较少的标定点重新标定一次，比如5点，这样重复标定反而浪费了时间。本方法的优点在于，即使每个被测者的完成标定点的数量不完全相同，但可根据其最大有效标定点N_max自适应选择较佳的映射函数，只需一次标定就能得到有效的映射函数，便于进行下一步测试。对于整体误差影响较大的映射函数系数，我们通过设计标定点的显示顺序可以优先求解，对于整体误差影响较小的映射函数系数，在显示顺序靠后的几个标定点完成后求解。

在下面所有的映射函数中，x_s为眼动点在显示模块平面上的横坐标，y_s为眼动点在显示模块平面上的纵坐标；x_e为瞳孔角膜向量的水平方向的值，y_e为瞳孔角膜向量的竖直方向的值。

当N_max＝2时，设定映射函数①为：

因为2个标定点的在显示模块平面上的坐标(x_s1,y_s1)、(x_s2,y_s2)是已知的；在眼睛看这两个标定点时，根据前面步骤可计算出标定点平均瞳孔角膜向量分别为(x_e1,y_e1)、(x_e2,y_e2)。代入方程组：

此时(x_s1,y_s1)、(x_s2,y_s2)、(x_e1,y_e1)、(x_e2,y_e2)都是已知的值。根据4个方程，4个未知数，可解出映射函数系数a₀，b₀，a₁，b₁。这样在标定结束后，测试者看显示模块平面的任意位置时，根据映射函数①就可计算出此时测试者在显示模块平面所看位置的具体坐标(x_s,y_s)，即眼动点坐标。

映射函数系数中的常数项a₀，b₀代表了瞳孔角膜向量和显示模块平面坐标之间的左右上下平移系数，a₁，b₁代表了瞳孔角膜向量和显示模块平面坐标之间的横向纵向大小缩放系数，这4个系数对标定效果影响最大，所以在只有两个有效标定点时优先求解。

当N_max＝3时，设定映射函数②为：

因为3个标定点的在显示模块平面上的坐标(x_s1,y_s1)、(x_s2,y_s2)、(x_s3,y_s3)是已知的；在眼睛看这3个标定点时，根据前面步骤可计算出标定点平均瞳孔角膜向量分别为(x_e1,y_e1)、(x_e2,y_e2)、(x_e3,y_e3)。代入方程组：

根据6个方程，6个未知数，可解出映射函数系数a₀,a₁,a₂,b₀,b₁,b₂。这样在标定结束后，测试者看显示模块平面的任意位置时，根据映射函数②就可计算出此时测试者在显示模块平面所看位置的具体坐标(x_s,y_s)，即眼动点坐标。

a₀,a₁,a₂,b₀,b₁,b₂是反映了瞳孔角膜向量和显示模块平面坐标之间的平移、缩放和线性倾斜校正的系数。

当N_max＝4时，设定映射函数③为：

因为4个标定点的在显示模块平面上的坐标(x_s1,y_s1)、(x_s2,y_s2)、(x_s3,y_s3)、(x_s4,y_s4)是已知的；在眼睛看这4个标定点时，根据前面步骤可计算出标定点平均瞳孔角膜向量分别为(x_e1,y_e1)、(x_e2,y_e2)、(x_e3,y_e3)、(x_e4,y_e4)。代入方程组：

根据8个方程，8个未知数，可解出映射函数系数a₀,a₁,a₂,a₃,b₀,b₁,b₂,b₃。这样在标定结束后，测试者看显示模块平面的任意位置时，根据映射函数③就可计算出此时测试者在显示模块平面所看位置的具体坐标(x_s,y_s)，即眼动点坐标。

a₀,a₁,a₂,a₃,b₀,b₁,b₂,b₃是反映了瞳孔角膜向量和显示模块平面坐标之间的平移、缩放、线性倾斜校正及部分非线性校正的系数。

当N_max＝5时，设定映射函数④为：

因为5个标定点的在显示模块平面上的坐标(x_s1,y_s1)、(x_s2,y_s2)、(x_s3,y_s3)、(x_s4,y_s4)、(x_s5,y_s5)是已知的；在眼睛看这5个标定点时，根据前面步骤可计算出标定点平均瞳孔角膜向量分别为(x_e1,y_e1)、(x_e2,y_e2)、(x_e3,y_e3)、(x_e4,y_e4)、(x_e5,y_e5)。代入方程组：

根据10个方程，10个未知数，可解出映射函数系数a₀,a₁,a₂,a₃,a₄,b₀,b₁,b₂,b₃,b₄。这样在标定结束后，测试者看显示模块平面的任意位置时，根据映射函数④就可计算出此时测试者在显示模块平面所看位置的具体坐标(x_s,y_s)，即眼动点坐标。

a₀,a₁,a₂,a₃,a₄,b₀,b₁,b₂,b₃,b₄是反映了瞳孔角膜向量和显示模块平面坐标之间的平移、缩放、线性倾斜校正及更多的非线性校正的系数。

当N_max＝6时，设定映射函数⑤为：

因为6个标定点的在显示模块平面上的坐标(x_s1,y_s1)、(x_s2,y_s2)、(x_s3,y_s3)、(x_s4,y_s4)、(x_s5,y_s5)、(x_s6,y_s6)是已知的；在眼睛看这6个标定点时，根据前面步骤可计算出标定点平均瞳孔角膜向量分别为(x_e1,y_e1)、(x_e2,y_e2)、(x_e3,y_e3)、(x_e4,y_e4)、(x_e5,y_e5)、(x_e6,y_e6)。代入方程组：

根据12个方程，12个未知数，可解出映射函数系数a₀,a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅。这样在标定结束后，测试者看显示模块平面的任意位置时，根据映射函数⑤就可计算出此时测试者在显示模块平面所看位置的具体坐标(x_s,y_s)，即眼动点坐标。

a₀,a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅是反映了瞳孔角膜向量和显示模块平面坐标之间的平移、缩放、线性倾斜校正及更多的非线性校正的系数。

当N_max＝7～9时，仍然使用映射函数⑤：

以N_max＝9为例，因为9个标定点的在显示模块平面上的坐标(x_s1,y_s1)、(x_s2,y_s2)、(x_s3,y_s3)、(x_s4,y_s4)、(x_s5,y_s5)、(x_s6,y_s6)、(x_s7,y_s7)、(x_s8,y_s8)、(x_s9,y_s9)是已知的；在眼睛看这9个标定点时，根据前面步骤可计算出标定点平均瞳孔角膜向量分别为(x_e1,y_e1)、(x_e2,y_e2)、(x_e3,y_e3)、(x_e4,y_e4)、(x_e5,y_e5)、(x_e6,y_e6)、(x_e7,y_e7)、(x_e8,y_e8)、(x_e9,y_e9)。代入方程组：

因为此时方程数大于未知变量的个数，需按最小二乘法解超定方程组，求得最小二乘解a₀,a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅。这样在标定结束后，测试者看显示模块平面的任意位置时，根据映射函数⑤就可计算出此时测试者在显示模块平面所看位置的具体坐标(x_s,y_s)，即眼动点坐标。N_max＝7和N_max＝8时也采用同样的方法。

c)对左眼和右眼进行标定的时序，一种方式是其中一只眼睛标定结束后再标定另外一只眼睛，即顺序式标定时序，假设有大于1的M个标定点，则时序是：左1，左2，……左M，右1，右2，……右M。这里左右眼标定的先后顺序是可以根据需要任意设定的。

另外一种方式是交叉式标定时序。具体过程是在从1到M的每个标定点显示过程中，假设每个标定点显示的时间为T，则每个标定点显示的前半段T/2的时间对左眼进行标定，后半段T/2的时间对右眼进行标定。对于大于1的M个标定点，时序是：左1，右1，左2，右2，……左M，右M，直至左眼和右眼结束标定。这样的优点是标定点在显示器上显示的次数最多只有9次。如果先左眼标定9次，右眼再标定9次，因为眼睛在移动时也需要一定的时间，则眼睛移动次数较多则花费的总时间也较多。这里在一个时间周期T内左右眼标定的先后顺序是可以根据需要任意设定的。

为了减少标定过程中眼睛在显示器上移动的次数，本实施例使用交叉式标定时序。

(4)根据本实施例的眼球运动测试装置，及根据步骤(3)的标定方法得到左眼、右眼的映射函数，对左眼、或右眼、或双眼进行眼动测试。这里需要说明的是：根据实际测试的需要，可以选择只测试左眼，只测试右眼，只测试双眼，或其中的任意组合。本实施例是选择左眼、右眼、双眼都进行测试。

左眼测试时，显示模块102平面上只显示A类图像，即本实施例中的绿色圆点，只有左眼能看到显示模块102平面上的图像，并根据左眼的瞳孔角膜向量和左眼标定后的映射函数计算得到左眼的眼动点坐标；右眼测试时，显示模块102平面上只显示B类图像，即本实施例中的红色圆点，只有右眼能看到显示模块102平面上的图像，并根据右眼的瞳孔角膜向量和右眼标定后的映射函数计算得到右眼的眼动点坐标；双眼测试时，显示C类图像，双眼都能看到显示模块102平面上的图像，并根据左眼和右眼瞳孔角膜向量和映射函数计算得到左眼和右眼的眼动点坐标。

a)以左眼、右眼和双眼的注视测试为例：首先进行左眼的注视测试，在显示模块102的显示平面中央显示直径为1cm的绿色圆点，此时只有左眼能通过左滤光片104看到绿色圆点，右眼通过右滤光片105看不到绿色圆点；绿色圆点显示时间持续20秒钟，此时通过前述方法可计算左眼眼动点落在绿色圆点及周围一定误差范围之内区域的时间，即注视时间。因为人眼眼动点由于生理特性本身会有一定的震动，且标定过程也会有一定的误差，所以眼动点在显示的目标点附近一定范围内都算作注视时间，本实施例中的误差范围设为圆点中心半径2cm内的区域。看完中点后，还可以在显示模块102显示平面的其他位置，比如左侧、右侧、上侧、下侧、左上角、右上角、左下角、右下角进行注视测试，并得到看各个点时左眼的注视时间、眼动点与所显示点的位置偏差(即注视准确度)、瞳孔大小、注视时眼动点的震动频率与幅度。

然后进行右眼的注视测试，显示图像为直径为1cm的红色圆点，此时只有右眼能通过右滤光片105看到红色圆点，左眼通过左滤光片104看不到红色圆点。其他的测试流程和左眼注视测试是一样的，测试完成后，可以得到看各个点时右眼的注视时间、眼动点与所显示点的位置偏差(即注视准确度)、瞳孔大小、注视时眼动点的震动频率与幅度。

然后进行双眼的注视测试，显示图像为直径为1cm的白色圆点，此时左眼能通过左滤光片104看到白色圆点(因为滤光片的滤光作用，主观感觉是绿色的)；此时右眼能通过右滤光片105看到白色圆点(因为滤光片的滤光作用，主观感觉是红色的)。其他的测试流程和左眼注视测试是一样的，测试完成后，可以得到看各个点时左眼与右眼的注视时间、眼动点与所显示点的位置偏差(即注视准确度)、瞳孔大小、注视时眼动点的震动频率与幅度。

b)左眼、右眼和双眼的扫视测试：首先进行左眼的扫视测试，一个直径为1cm的绿色圆点，在显示模块的左右两侧交替显示，左右两点显示的距离为20cm，显示的位置左右对称，此时只有左眼能通过左滤光片104看到绿色圆点，右眼通过右滤光片105看不到绿色圆点；绿色圆点显示时间每次持续2秒钟，左右两侧各显示5次，此时可通过前述方法计算得到左眼眼动点随绿色圆点跳动的扫视准确率、来回移动的扫视速度、扫视反应时等数据。其中扫视准确率是指，在每个点显示的2秒周期内，眼动注视点是否能落在绿色圆点及周围一定误差范围之内(本实施例中误差范围设为圆点中心半径为2cm内的区域)，在此范围之内算准确，总的准确次数和总的显示次数相除的值为扫视准确率。其中扫视速度是指眼动点扫视时的平均速度。扫视反应时是指绿色圆点跳动后，眼动点跟着跳动过去的时间差。

然后进行右眼的扫视测试，测试材料换成了同样大小的红色圆点，此时只有右眼能通过右滤光片105看到红色圆点，左眼通过左滤光片104看不到红色圆点；其他的测试流程和左眼扫视测试是一样的，测试完成后，可以得到右眼的扫视准确率、扫视速度、扫视反应时等数据。

然后进行左右双眼的扫视测试，测试材料换成了同样大小的白色圆点，此时左眼能通过左滤光片104看到白色圆点，此时右眼能通过右滤光片105看到白色圆点；其他的测试流程和左眼扫视测试是一样的，测试完成后，可以同时得到左眼和右眼的扫视准确率、扫视速度、扫视反应时等数据。

c)左眼、右眼和双眼的跟随测试：首先进行左眼的跟随测试，一个直径为1cm的绿色圆点，在显示模块上以显示模块中点为圆心，以10cm为直径，顺时针和逆时针各转2圈，圆点每转一圈的时间为10秒，此时只有左眼能通过左滤光片104看到绿色圆点，右眼通过右滤光片105看不到绿色圆点。此时通过前述方法计算得到左眼眼动点跟随绿色圆点移动的平均跟随误差、跟随误差标准差、最大跟随误差等数据。其中平均跟随误差是全部测试时间内眼动点和显示点的误差的平均值，跟随误差标准差是全部测试时间内眼动点和显示点的误差值标准差，最大跟随误差是全部测试时间内眼动点和显示点的误差值最大值。

然后进行右眼的跟随测试，测试材料换成了同样大小的红色圆点，此时只有右眼能通过右滤光片105看到红色圆点，左眼通过左滤光片104看不到红色圆点；其他的测试流程和左眼跟随测试是一样的，测试完成后，可以得到右眼的平均跟随误差、跟随误差标准差、最大跟随误差等数据。

然后进行左右双眼的跟随测试，测试材料换成了同样大小的白色圆点，此时左眼能通过左滤光片104看到白色圆点，此时右眼能通过右滤光片105看到白色圆点；其他的测试流程和左眼跟随测试是一样的，测试完成后，可以同时得到左右双眼的平均跟随误差、跟随误差标准差、最大跟随误差等数据。

实施例2：

在显示模块102上显示注视、扫视、跟随的静态或动态图像，并实时将被测者的眼动点位置信息反馈到同一个显示模块102上，使被测者能看到自己的眼动点位置和所看的图像是否重合，从而进行被测者的左眼、或右眼、或双眼的视觉训练。根据需要，视觉训练可以只训练左眼或右眼中的一只眼睛，也可以依次训练左右眼，或同时训练左右眼。例如：

(1)注视训练：

左眼的注视训练：在显示模块102中央，左侧、右侧、上侧、下侧、左上角、右上角、左下角、右下角随机显示一个半径为2cm的绿色气球图案，这个绿色气球图案只有左眼通过左滤光片104能看到。并在显示模块102上实时反馈显示一个以左眼的眼动点为中心的绿色十字瞄准器图案，大小为水平线和竖直线各1cm。在瞄准器中心落在气球区域的时间达到10秒时，显示打爆气球的动画，并自动进入下一个位置显示气球，直至训练结束。训练的次数可以根据需要进行设定。

右眼的注视训练显示右眼能看到的红色气球及红色瞄准器。其他过程同上。

双眼的注视训练显示左眼和右眼都能看到的白色气球及左眼能看到的绿色瞄准器及右眼能看到的红色瞄准器，且需要绿色瞄准器和红色瞄准器都落在气球上达到10秒。其他过程同上。

(2)扫视训练：

左眼的扫视训练：在显示模块的中央，左侧、右侧、上侧、下侧、左上角、右上角、左下角、右下角随机显示一个半径为2cm的绿色气球，这个绿色气球图案只有左眼通过左滤光片104能看到；并在显示模块102上实时反馈显示一个以左眼的眼动点为中心的绿色十字瞄准器图案，大小为水平线和竖直线各1cm。在瞄准器中心落在气球区域时，立刻显示打爆气球的动画，并立刻自动进入下一个位置显示气球，直至训练结束。训练的次数可以根据需要进行设定。

右眼的扫视训练显示右眼能看到的红色气球及红色瞄准器。其他过程同上。

双眼的扫视训练显示左眼和右眼都能看到的白色气球及左眼能看到的绿色瞄准器及右眼能看到的红色瞄准器，且需要绿色瞄准器和红色瞄准器都落在气球上。其他过程同上。

(3)跟随训练：

左眼的跟随训练：在显示模块102上显示一个半径为2cm的绿色气球，在显示模块102的屏幕范围内以一定的速度按照一定的轨道平滑移动，或随机游走。气球运动的速度可以根据需要进行设定，气球移动的轨道模式可以根据需要选择圆形、直线、方形、S形等几何图案。这个绿色气球图案只有左眼通过左滤光片104能看到；并在显示模块102上实时反馈显示一个以左眼的眼动点为中心的绿色十字瞄准器图案，大小为水平线和竖直线各1cm。本实施例中气球运行的速度是每秒1cm，气球运行的轨道是直径为10cm的圆形，气球顺时针运动。在瞄准器中心落在气球区域连续达到30秒阈值时，显示打爆气球的动画。然后以更快的气球移动速度显示动画，也可更换移动的轨道，或选择随机游走模式。直至训练结束。训练的次数可以根据需要进行设定。

右眼的跟随训练显示右眼能看到的红色气球及红色瞄准器。其他过程同上。

双眼的跟随训练显示左眼和右眼都能看到的白色气球及左眼能看到的绿色瞄准器及右眼能看到的红色瞄准器，且需要绿色瞄准器和红色瞄准器都落在气球上。其他过程同上。

Claims (12)

1.一种眼球运动测试装置，其特征在于，包括：

一个用于分别显示三类图像的显示模块，将显示模块所显示的三类图像分别定义为A类图像、B类图像及C类图像，则有：A类图像包含波长为λ₁的可见光，但不包含波长为λ₂的可见光；B类图像包含波长为λ₂的可见光，但不包含波长为λ₁的可见光；C类图像同时包含波长为λ₁的可见光及波长为λ₂的可见光；

一个眼球追踪模块；

计算模块；

两个滤光片，按照布置位置的不同分别定义为左滤光片和右滤光片，左滤光片可透过波长为λ₁的可见光及波长为λ₃的近红外光，但不透波长为λ₂的可见光；右滤光片可透过波长为λ₂的可见光及波长为λ₃的近红外光，但不透波长为λ₁的可见光；在测试时：左眼通过左滤光片能看到显示模块显示的A类图像和C类图像，不能看到显示模块显示的B类图像，由眼球追踪模块通过左滤光片拍摄到人左眼的图像；右眼通过右滤光片能看到显示模块显示的B类图像和C类图像，不能看到显示模块显示的A类图像，由眼球追踪模块通过右滤光片拍摄到人右眼的图像；

眼球追踪模块包含至少一台近红外摄像机及至少一个近红外光源，近红外光源可发出波长为λ₃的近红外光，提供近红外摄像机拍摄的照明及作为角膜反光点参考点，眼球追踪模块中的近红外摄像机可以通过左滤光片和右滤光片拍摄到人左眼和右眼的图像，并将所拍摄到的图像传输到计算模块，通过计算模块进行眼动点计算。

2.根据权利要求1所述的眼球运动测试装置，其特征在于，利用头部固定支架对头部位置进行固定以提高精准度；所述左滤光片和所述右滤光片和头部固定支架的相对位置固定，且所述左滤光片及所述右滤光片的平面和所述显示模块的平面平行，防止反光干扰。

3.根据权利要求1所述的眼球运动测试装置，其特征在于，所述左滤光片和所述右滤光片为眼镜式，可戴在被测者头上。

4.根据权利要求1所述的眼球运动测试装置，其特征在于，对左眼图像区域或右眼图像区域进行自适应灰度调整，从而在拍摄到的左眼图像和右眼图像的整体灰度有差别时，准确提取左眼瞳孔位置或右眼瞳孔位置并达到准确计算左眼的瞳孔角膜向量或右眼的瞳孔角膜向量的目的。

5.使用如权利要求1所述的眼球运动测试装置进行眼球运动测试的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

分别对左眼和右眼进行标定：

左眼标定时，所述显示模块显示的标定点图像属于所述A类图像，只有左眼能看到所述显示模块所显示的图像；左眼标定结束后，通过计算模块得到左眼的瞳孔角膜向量和显示模块平面坐标的映射函数；

右眼标定时，所述显示模块显示的标定点图像属于所述B类图像，只有右眼能看到显示模块所显示的图像；右眼标定结束后，通过计算模块得到右眼的瞳孔角膜向量和显示模块平面坐标的映射函数。

6.根据权利要求5所述的眼球运动测试的标定方法，其特征在于，使用自适应标定方法进行所述左眼标定或所述右眼标定，自适应标定方法所采用的标定点的个数最少为2个点，最多为9个点，按照特定的显示顺序依次显示标定点并进行标定，直到第9个标定点标定结束，或遇到无效标定点为止；最大的有效标定点序号记作N_max，使用N_max所对应的映射函数计算所述映射函数的系数。

7.根据权利要求6所述的眼球运动测试的标定方法，其特征在于，所述特定的显示顺序为顺序式标定时序或交叉式标定时序，设有M个标定点，M>1，设由属于所述A类图像的所述标定点图像显示的所有M个标定点为左标定点，由属于所述B类图像的所述标定点图像显示的所有M个标定点为右标定点，则顺序式标定时序为：

先显示所有的M个左标定点，再显示所有的M个右标定点；或者先显示所有的M个右标定点，再显示所有的M个左标定点；

交叉式标定时序为：

先显示第m个左标定点，再显示第m个右标定点，或者先显示第m个右标定点，再显示第m个左标定点，m＝1,…,M，左标定点及右标定点依顺序交替显示直至M个左标定点及M个右标定点全部显示完毕。

8.基于权利要求5所述的标定方法对左眼、或右眼、或双眼进行眼动测试的方法，其特征在于：左眼测试时，显示模块只显示属于A类图像的用于进行眼动测试的图像，只有左眼能看到显示模块所显示的图像，并根据左眼的瞳孔角膜向量和左眼的映射函数计算得到左眼在显示模块的眼动点坐标；右眼测试时，显示模块只显示属于B类图像的用于进行眼动测试的图像，只有右眼能看到显示模块所显示的图像，并根据右眼的瞳孔角膜向量和右眼的映射函数计算得到右眼在显示模块的眼动点坐标；双眼测试时，显示模块只显示属于C类图像的用于进行眼动测试的图像，左眼和右眼都能看到显示模块所显示的图像，并根据左眼的瞳孔角膜向量和左眼的映射函数计算得到左眼在显示模块的眼动点坐标，根据右眼的瞳孔角膜向量和右眼的映射函数计算得到右眼在显示模块的眼动点坐标。

9.根据权利要求8所述的对左眼、或右眼、或双眼进行眼动测试的方法的应用，其特征在于：可进行注视测试，即在显示模块上显示若干个固定位置的点，测试左眼、右眼、双眼的眼动点注视时间和注视准确度。

10.根据权利要求8所述的对左眼、或右眼、或双眼进行眼动测试的方法的应用，其特征在于，可进行扫视测试，即在显示模块上显示若干次来回跳动的点，测试左眼、右眼、双眼的眼动点扫视准确率、扫视速度、扫视反应时。

11.根据权利要求8所述的对左眼、或右眼、或双眼进行眼动测试的方法的应用，其特征在于，可进行跟随测试，即在显示模块上显示在不同位置平滑移动点，测试左眼、右眼、双眼的眼动点平均跟随误差、跟随误差标准差、最大跟随误差。

12.根据权利要求8所述的对左眼、或右眼、或双眼进行眼动测试的方法的应用，其特征在于，在测试时可在显示模块上实时反馈左眼、右眼、双眼的眼动点位置，进行视觉训练。

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