CN111772575A - 基于led光学无损特殊儿童检测仪及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LED光学无损特殊儿童检测仪，包括：头戴式的眼镜框，两块镜片，安装在眼镜框上；点阵式排列的LED光源，设置在镜片上，LED光源的发光方向朝向眼镜框的眼睛侧；光源控制模块，设置在眼镜框上且与LED光源连接；图像采集模块，设置在眼镜框上，图像采集模块的取景方向朝向眼镜框的眼睛侧；图像数据存储模块，设置在眼镜框上，用于存储图像采集模块采集的图像数据；主控模块，设置在眼镜框上且与光源控制模块、图像采集模块、图像数据存储模块连接；无线通信模块，设置在眼镜框上且与主控模块连接，用于接收外部控制指令和输出图像数据。本发明可以减少对孩子眼睛的伤害，对使用环境的要求也比较低，眼镜式结构体积小，佩戴方便。
Description
技术领域
本发明属于眼动检测的技术领域，具体涉及一种基于LED光学无损特殊儿童检测仪及检测方法。
背景技术
眼动追踪是历经了一个长期的发展过程才成熟起来的技术。目前热门的眼动追踪技术主要是基于眼睛视频分析的“非侵入式”技术，其基本原理是：将一束光线和一台摄像机对准被试者的眼睛，通过光线和后端分析来推断被试者注视的方向，摄像机则记录交互的过程。目前的眼动仪多采用的是基于瞳孔-角膜反射光斑的识别技术，其所利用的眼动过程保持不变的特征，是眼球角膜外表面上的普尔钦斑——眼球角膜上的一个亮光点，由进入瞳孔的光线在角膜外表面上反射而产生。
由于眼动仪(含摄像机)的位置固定，光源的位置也固定、眼球中心位置不变(假设眼球为球状，且头部不动)，普尔钦斑的绝对位置并不随眼球的转动而变化。但其相对于瞳孔和眼球的位置则是在不断变化的——比如，当你盯着摄像头时，普尔钦斑就在你瞳孔之间；而当你眼球抬起时，普尔钦斑就在你的瞳孔下方。这样一来，只要实时定位眼睛图像上的瞳孔和普尔钦斑的位置，计算出角膜反射向量，便能利用几何模型，估算得到用户的视线方向。
相关技术中的眼动仪检测设备，其光源一般是独立设置，结构较为复杂，体积大，携带不便，无法随时随地进行检测。而且，光源的光线容易产生眩光，伤害到孩子眼睛。此外，由于检测时光源与眼睛距离较远，易受外界光线干扰，对使用环境的要求也比较高。
上述论述内容目的在于向读者介绍可能与下面将被描述和/或主张的本发明的各个方面相关的技术的各个方面，相信该论述内容有助于为读者提供背景信息，以有利于更好地理解本发明的各个方面，因此，应了解是以这个角度来阅读这些论述，而不是承认现有技术。
发明内容
为解决上述技术问题中的至少之一，本发明提出一种基于LED光学无损特殊儿童检测仪。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一方面，提供一种基于LED光学无损特殊儿童检测仪，包括：
头戴式的眼镜框，
两块镜片，安装在眼镜框上；
点阵式排列的LED光源，设置在所述镜片上，所述LED光源的发光方向朝向所述眼镜框的眼睛侧；
光源控制模块，设置在所述眼镜框上且与所述LED光源连接，以控制所述LED光源发出颜色和照度不同的光线；
图像采集模块，设置在所述眼镜框上，所述图像采集模块的取景方向朝向所述眼镜框的眼睛侧；
图像数据存储模块，设置在所述眼镜框上，用于存储所述图像采集模块采集的图像数据；
主控模块，设置在所述眼镜框上且与所述光源控制模块、图像采集模块、图像数据存储模块连接，所述主控模块输出光源控制指令给所述光源控制模块以控制所述LED光源发出颜色和照度不同的光线，所述主控模块输出图像采集指令给所述图像采集模块以控制所述图像采集模块进行图像采集，所述主控模块输出图像存储、读取指令给所述图像数据存储模块以分别控制所述图像采集模块存储图像数据、从所述图像采集模块中读取图像数据；
无线通信模块，设置在所述眼镜框上且与所述主控模块连接，用于接收外部控制指令和输出图像数据；
电源模块，设置在所述眼镜框上且与所述LED光源、光源控制模块、图像采集模块、图像数据存储模块、主控模块，无线通信模块供电连接。
作为进一步的改进，所述图像采集模块包括设置在眼镜框上部的两台用于采集瞳孔光刺激反射图像的摄像头和设置在眼镜框下部的两台用于采集瞳孔变化图像的两台摄像头。
作为进一步的改进，所述LED光源包括用于持续照明瞳孔的发光波长为0nm的近红外LED、用于提供瞳孔光刺激的发光波长为0-0nm的LED。
作为进一步的改进，所述光源控制模块通过控制LED光源的电流，以控制所述LED光源发出颜色和照度不同的光线。
作为进一步的改进，所述无线通信模块为蓝牙无线通信模块。
作为进一步的改进，所述电源模块包括蓄电池和设置在眼镜框上且与蓄电池连接的充电接口。
本发明提供的基于LED光学无损特殊儿童检测仪，包括：头戴式的眼镜框，两块镜片，安装在眼镜框上；点阵式排列的LED光源，设置在所述镜片上，所述LED光源的发光方向朝向所述眼镜框的眼睛侧；光源控制模块，设置在所述眼镜框上且与所述LED光源连接，以控制所述LED光源发出颜色和照度不同的光线；图像采集模块，设置在所述眼镜框上，所述图像采集模块的取景方向朝向所述眼镜框的眼睛侧；图像数据存储模块，设置在所述眼镜框上，用于存储所述图像采集模块采集的图像数据；主控模块，设置在所述眼镜框上且与所述光源控制模块、图像采集模块、图像数据存储模块连接，所述主控模块输出光源控制指令给所述光源控制模块以控制所述LED光源发出颜色和照度不同的光线，所述主控模块输出图像采集指令给所述图像采集模块以控制所述图像采集模块进行图像采集，所述主控模块输出图像存储、读取指令给所述图像数据存储模块以分别控制所述图像采集模块存储图像数据、从所述图像采集模块中读取图像数据；无线通信模块，设置在所述眼镜框上且与所述主控模块连接，用于接收外部控制指令和输出图像数据；电源模块，设置在所述眼镜框上且与所述LED光源、光源控制模块、图像采集模块、图像数据存储模块、主控模块，无线通信模块供电连接。本发明采用点阵式排列的LED光源，光源分布得更加均匀，不容易产生眩光，可以减少对孩子眼睛的伤害，此外，由于光源设置在镜片上，检测时离眼睛比较近，不容易受外界光线干扰，对使用环境的要求也比较低。再者，光源设置在镜片上，图像采集模块设置在眼镜框上，组成眼镜式结构，体积小，佩戴简单方便。
另一方面，本发明还提供一种基于上述基于LED光学无损特殊儿童检测仪的检测方法，包括如下步骤：
S1、将眼镜框戴在受检测者的头上；
S2、通过光源控制模块控制LED光源的电流，控制所述LED光源发出颜色和照度不同的光线唤起瞳孔光刺激反射响应；
S3、通过图像采集模块获取光刺激反射响应的瞳孔多帧连续图像；
S4、对瞳孔多帧连续图像进行处理，通过提取瞳孔图像动态参数，得到瞳孔反射曲线。
作为进一步的改进，在步骤S2中，采用发光波长为880nm的近红外LED持续照明瞳孔，选择不同发光波长460-650nm的LED用于提供100ms的闪光灯刺激瞳孔。
作为进一步的改进，在步骤S3中，包括瞳孔图像采集和瞳孔光刺激反射图像采集，所述瞳孔图像采集首先获取基线瞳孔图像1秒钟，然后LED光源形成100ms的闪光灯，继续进行瞳孔图像获取四秒钟，以捕获整个瞳孔缩小和恢复过程；所述瞳孔光刺激反射图像采集，通过定位眼睛图像上的瞳孔和普尔钦斑的位置，计算出角膜反射向量和瞳孔变化大小数据，通过光线和后端分析，估算得到用户的视线变化方向。
作为进一步的改进，在步骤S3中，在一次5秒钟的检测中，从每只眼睛获取575张图像，图像大小为659像素×494像素，分辨率为12位。
本发明提供的基于上述基于LED光学无损特殊儿童检测仪的检测方法，其应当具有检测仪相同或者相应的有益效果，因此不再进行赘述。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是基于LED光学无损特殊儿童检测仪的正面结构示意图。
图2是图1的左视图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
结合图1和图2所示，本发明实施例提供的一种基于LED光学无损特殊儿童检测仪，包括：头戴式的眼镜框1，眼镜框1设置有两个镜腿以及两个安装镜片的安装槽；
两块镜片2，安装在眼镜框1上；
点阵式排列的LED光源3，设置在所述镜片2上，所述LED光源3的发光方向朝向所述眼镜框1的眼睛侧；所述LED光源3包括用于持续照明瞳孔的发光波长为880nm的近红外LED、用于提供瞳孔光刺激的发光波长为460-650nm的LED。采用点阵式排列的LED光源，光源分布得更加均匀，避免出现眩光，可以减少对孩子眼睛的伤害，并可调整环境以满足自闭症儿童的需求。
光源控制模块4，设置在所述眼镜框1上且与所述LED光源3连接，以控制所述LED光源3发出颜色和照度不同的光线；具体的，光源控制模块4可镶嵌在眼镜框1中，所述光源控制模块4通过控制LED光源3的电流，以控制所述LED光源3发出颜色和照度不同的光线，实现照射位置相同但颜色和照度不同的光线均匀进入瞳孔，以达到光学刺激目的。
图像采集模块5，设置在所述眼镜框1上，所述图像采集模块5的取景方向朝向所述眼镜框1的眼睛侧；具体的，所述图像采集模块5包括设置在眼镜框1上部的两台用于采集瞳孔光刺激反射图像的摄像头和设置在眼镜框1下部的两台用于采集瞳孔变化图像的两台摄像头，摄像头安装在眼镜框朝向眼睛的一侧，摄像头采用高采样率摄像头。
图像数据存储模块6，设置在所述眼镜框1上，用于存储所述图像采集模块5采集的图像数据；具体的，图像数据存储模块6可镶嵌在眼镜框1中。
主控模块7，设置在所述眼镜框1上且与所述光源控制模块4、图像采集模块5、图像数据存储模块6连接，主控模块7可镶嵌在眼镜框1中。所述主控模块7输出光源控制指令给所述光源控制模块4以控制所述LED光源3发出颜色和照度不同的光线，所述主控模块7输出图像采集指令给所述图像采集模块5以控制所述图像采集模块5进行图像采集，所述主控模块7输出图像存储、读取指令给所述图像数据存储模块6以分别控制所述图像采集模块5存储图像数据、从所述图像采集模块5中读取图像数据；
无线通信模块8，设置在所述眼镜框1上且与所述主控模块7连接，用于接收外部控制指令和对外输出图像数据；所述无线通信模块8为蓝牙无线通信模块。主控模块7和无线通信模块8可采用基于STM32的蓝牙模块，可以收集瞳孔图像数据，将瞳孔图像存储在图像数据存储模块6并通过蓝牙发射出去。
电源模块9，设置在所述眼镜框1上且与所述LED光源3、光源控制模块4、图像采集模块5、图像数据存储模块6、主控模块7，无线通信模块8供电连接。所述电源模块9包括蓄电池和设置在眼镜框1上且与蓄电池连接的充电接口。
本发明实施例提供的基于LED光学无损特殊儿童检测仪的光源设置在镜片上，检测时离眼睛比较近，不容易受外界光线干扰，对使用环境的要求也比较低。再者，光源设置在镜片上，图像采集模块设置在眼镜框上，组成眼镜式结构，体积小，佩戴简单方便。
本发明实施例还提供一种基于上述基于LED光学无损特殊儿童检测仪的检测方法，包括如下步骤：
S1、将眼镜框戴在受检测者的头上；
S2、通过光源控制模块控制LED光源的电流，控制所述LED光源发出颜色和照度不同的光线唤起瞳孔光刺激反射响应；采用发光波长为880nm的近红外LED持续照明瞳孔，选择不同发光波长(460-650nm)的LED用于提供100ms的闪光灯刺激瞳孔。
S3、通过图像采集模块获取光刺激反射响应的瞳孔多帧连续图像；包括瞳孔图像采集和瞳孔光刺激反射图像采集，所述瞳孔图像采集首先获取基线瞳孔图像1秒钟，然后LED光源形成100ms的闪光灯，继续进行瞳孔图像获取四秒钟，以捕获整个瞳孔缩小和恢复过程；所述瞳孔光刺激反射图像采集，通过定位眼睛图像上的瞳孔和普尔钦斑的位置，计算出角膜反射向量和瞳孔变化大小数据，通过光线和后端分析，估算得到用户的视线变化方向。在一次5秒钟的检测中，从每只眼睛获取575张图像，图像大小为659像素×494像素，分辨率为12位。
S4、对瞳孔多帧连续图像进行处理，通过提取瞳孔图像动态参数，得到瞳孔反射曲线。
下面详细结合本发明的基于LED光学无损特殊儿童检测仪说明本发明的检测方法，本发明的检测方法主要分为三大部分：
1、LED光源调控。首先，控制LED的电流，以改变刺激辐照度。可以采用发光波长为880nm的近红外LED持续照明瞳孔。选择不同发光波长的LED(460-650nm)用于提供100ms的光刺激，通过镜片上点阵式排列的led光源唤起瞳孔光刺激反射响应，照射位置相同但颜色和照度不同的光线均匀进入瞳孔，以达到光学刺激目的。
2、瞳孔采集图像
2.1瞳孔变化每帧图像采集。使用眼动仪框架下面两台摄像头来获取瞳孔图像。图像大小为659像素×494像素，分辨率为12位。在每次测试中，首先触发相机以获取基线瞳孔图像1秒钟。然后LED100ms的闪光灯。继续进行图像获取四秒钟，以捕获整个瞳孔缩小和恢复过程。在一次测试中(每5秒钟)，从每只眼睛总共获得575张图像。所有获取的图像均使用tiff格式保存。
2.2瞳孔光刺激反射图像采集，使用眼动仪框架上面两台摄像头获取。当使用者盯着摄像头时，普尔钦斑就在你瞳孔之间；而当眼球抬起时，普尔钦斑就在的瞳孔下方。这样一来，只要实时定位眼睛图像上的瞳孔和普尔钦斑的位置，计算出角膜反射向量，同样能计算瞳孔变化大小数据，通过光线和后端分析，估算得到用户的视线变化方向。
3、瞳孔图像处理。使用VisualC++开发的自定义图像处理软件，可以从图像序列中的每个记录的瞳孔图像(每只眼睛575张图像)自动计算瞳孔直径。在对比度拉伸瞳孔图像以定位瞳孔的边界像素之后，应用基于直方图的阈值。如图2所示，瞳孔边界的阈值被确定为与图像直方图的第一个最小值相对应的像素值。使用此阈值将图像二值化，并对瞳孔进行分割，然后提取瞳孔边界上的所有像素获得瞳孔边界拟合的椭圆。应用了直接最小二乘拟合算法，拟合椭圆的面积用于估计瞳孔面积。最后，得到瞳孔形状尺寸参数。通过提取瞳孔图像动态参数，可以得到典型的瞳孔反射曲线。
需要说明的是，还可以基于LED光学无损特殊儿童检测仪，建立配套的APP软件系统，其软件功能包括：
1、测试(核心功能)
APP致力于服务特殊儿童，通过眼镜收集使用对象的测试数据，比对正常数据、历史数据，更好地进行数据分析，进一步治疗，方便使用对象。
APP分为两个模式，一种为医生模式，一种为家庭模式。
医生模式：在注册界面，选择自己所在的医院或机构，点击【我是医生】，填写信息，即可注册成功。进入后，医生点击【患者管理】，然后添加患者，并填写患者的信息，录入原始数据，点击保存，即完成了患者的数据填写。再次检测时，直接点开检测对象的信息，点击测试。
家长模式：在注册界面，点击【我是家长】，填写信息，即可注册成功。进入后绑定孩子信息，即可开始检测。
2、发现(拓展功能)
“发现”是APP的一个拓展功能，对于这个功能可能是很多用户都是不太理解的，发现页是由各种文章组成，包括自闭症的小知识、各大权威机构对自闭症的研究报告、赞助商的营销广告等。随着APP的进一步改善，平台上线开放转载功能，文章可以直接被转载到其他应用软件，如微信、微博，不需要人工再次确认。
平台后期会更新增加小店功能，小店基于微信支付、支付宝支付，包括添加商品、商品管理、订单管理、货架管理等功能，直营公司旗下所有产品，合作商家也可以通过本功能出售商品。
3、我的(辅助功能)
该应用APP中“我的”模块由【登录】、【历史记录】以及【设置】三个部分组成。【登录】功能让APP用户登录自己的账号便于测试以及今后测试结果的数据查找。【历史记录】部分保存对被测试者的所有历史测试数据，可通过查找被测者编号或姓名来快速查找。【设置】功能，对该应用APP版本、语言设置进行详细显示同时其中也设由【帮助与反馈】部分，便于用户对APP功能得熟悉以及相应问题的反馈。
上述软件系统使用说明如下：
1、根据配套软件选择模式，填写信息后即可开始点击测试，可控制镜片形成不同色系的光源，特殊儿童的瞳孔会随着光源变化而产生微妙变化。
2、采集的最原始的图像数据是屏幕坐标和瞳孔直径以及瞳孔每帧图像。数据经过配套软件的分析，大致可以得到以下数据：每帧瞳孔图像数据；注视数据：注视点数目、注视时长等；扫视数据：扫视频率，扫视幅度，扫视速度等；眨眼数据，瞳孔指标等同时，软件还根据摄像头生成热点图、视线轨迹图等直观的结果。
3、根据软件处理的结果，感测瞳孔变化，诊断自闭症儿童病情恢复等情况，对比研究自闭症儿童和正常儿童的瞳孔参数，找到自闭症儿童瞳孔光反射的特征参数。以此建立不同年龄、性别自闭症儿童瞳孔光刺激反射数据库，用于高风险儿童(有家族病史的儿童)早期检测。拓展功能有许多有关自闭症的相关知识和商品。
上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。
总之，本发明虽然列举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于LED光学无损特殊儿童检测仪，其特征在于，包括：
头戴式的眼镜框(1)，
两块镜片(2)，安装在眼镜框(1)上；
点阵式排列的LED光源(3)，设置在所述镜片(2)上，所述LED光源(3)的发光方向朝向所述眼镜框(1)的眼睛侧；
光源控制模块(4)，设置在所述眼镜框(1)上且与所述LED光源(3)连接，以控制所述LED光源(3)发出颜色和照度不同的光线；
图像采集模块(5)，设置在所述眼镜框(1)上，所述图像采集模块(5)的取景方向朝向所述眼镜框(1)的眼睛侧；
图像数据存储模块(6)，设置在所述眼镜框(1)上，用于存储所述图像采集模块(5)采集的图像数据；
主控模块(7)，设置在所述眼镜框(1)上且与所述光源控制模块(4)、图像采集模块(5)、图像数据存储模块(6)连接，所述主控模块(7)输出光源控制指令给所述光源控制模块(4)以控制所述LED光源(3)发出颜色和照度不同的光线，所述主控模块(7)输出图像采集指令给所述图像采集模块(5)以控制所述图像采集模块(5)进行图像采集，所述主控模块(7)输出图像存储、读取指令给所述图像数据存储模块(6)以分别控制所述图像采集模块(5)存储图像数据、从所述图像采集模块(5)中读取图像数据；
无线通信模块(8)，设置在所述眼镜框(1)上且与所述主控模块(7)连接，用于接收外部控制指令和输出图像数据；
电源模块(9)，设置在所述眼镜框(1)上且与所述LED光源(3)、光源控制模块(4)、图像采集模块(5)、图像数据存储模块(6)、主控模块(7)，无线通信模块(8)供电连接。
2.根据权利要求1所述的基于LED光学无损特殊儿童检测仪，其特征在于：所述图像采集模块(5)包括设置在眼镜框(1)上部的两台用于采集瞳孔光刺激反射图像的摄像头和设置在眼镜框(1)下部的两台用于采集瞳孔变化图像的两台摄像头。
3.根据权利要求2所述的基于LED光学无损特殊儿童检测仪，其特征在于：所述LED光源(3)包括用于持续照明瞳孔的发光波长为880nm的近红外LED、用于提供瞳孔光刺激的发光波长为460-650nm的LED。
4.根据权利要求3所述的基于LED光学无损特殊儿童检测仪，其特征在于：所述光源控制模块(4)通过控制LED光源(3)的电流，以控制所述LED光源(3)发出颜色和照度不同的光线。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于LED光学无损特殊儿童检测仪，其特征在于：所述无线通信模块(8)为蓝牙无线通信模块。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的基于LED光学无损特殊儿童检测仪，其特征在于：所述电源模块(9)包括蓄电池和设置在眼镜框(1)上且与蓄电池连接的充电接口。
7.一种基于权利要求1至6中任一项所述的基于LED光学无损特殊儿童检测仪的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将眼镜框(1)戴在受检测者的头上；
S2、通过光源控制模块(4)控制LED光源(3)的电流，控制所述LED光源(3)发出颜色和照度不同的光线唤起瞳孔光刺激反射响应；
S3、通过图像采集模块(5)获取光刺激反射响应的瞳孔多帧连续图像；
S4、对瞳孔多帧连续图像进行处理，通过提取瞳孔图像动态参数，得到瞳孔反射曲线。
8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，在步骤S2中，采用发光波长为880nm的近红外LED持续照明瞳孔，选择不同发光波长的LED(460-650nm)用于提供100ms的闪光灯刺激瞳孔。
9.根据权利要求7或8所述的检测方法，其特征在于：在步骤S3中，包括瞳孔图像采集和瞳孔光刺激反射图像采集，所述瞳孔图像采集首先获取基线瞳孔图像1秒钟，然后LED光源形成100ms的闪光灯，继续进行瞳孔图像获取四秒钟，以捕获整个瞳孔缩小和恢复过程；所述瞳孔光刺激反射图像采集，通过定位眼睛图像上的瞳孔和普尔钦斑的位置，计算出角膜反射向量和瞳孔变化大小数据，通过光线和后端分析，估算得到用户的视线变化方向。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于：在步骤S3中，在一次5秒钟的检测中，从每只眼睛获取575张图像，图像大小为659像素×494像素，分辨率为12位。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2020
- 2020-06-02 CN CN202010491343.8A patent/CN111772575A/zh active Pending
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