CN203759720U - 影像撷取模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种影像撷取模块，用以撷取眼睛的虹膜影像。影像撷取模块包括载架、光源及影像感测单元。光源设置于载架上，用以发射一光束至眼睛，影像感测单元设置于载架上，并利用从眼睛所反射的光束来撷取虹膜影像，其中载架用于将影像感测单元与光源固定在眼睛的前方，而影像感测单元与光源分别设置于通过眼睛的中心的纵向基准面的不同侧。

Description

影像撷取模块

技术领域

本实用新型关于一种眼球追踪装置及其组件，特别是指一种眼球追踪装置及使用于此眼球追踪装置的影像撷取模块。

背景技术

眼球追踪(Eye-tracking)技术可侦测眼球的运动，以感测被侦测者的凝视点(Point of gaze)。此项技术已被应用于医疗设备、眼动仪(eye tracker)、视动鼠标(eye mouse)及头戴式显示器(Head Mounted Display，HMD)。

一般眼球追踪装置通常具有多个发光源及摄影机，而各发光源发出光线照射于个别的眼睛，摄影机接收由眼睛所反射的光线，并撷取瞳孔(Pupil)与虹膜(iris)的影像。利用影像处理技术，可判断虹膜的位置，进一步侦测眼球的运动。

然而，由于不同受测对象的虹膜颜色并不一定相同。若受测者的虹膜颜色较浅，在进行影像处理时，虹膜外缘(outer edge of the iris)影像的灰阶会接近巩膜(sclera)影像的灰阶，以至于眼球追踪装置撷取到的虹膜外缘较模糊(blurry)的影像，造成眼球追踪装置可能会不易精确地判断眼球的运动。

实用新型内容

本实用新型提供一种眼球追踪装置，其利用光源和影像感测单元的位置设置(arrangement)，来得到较锐利(sharp)的虹膜影像。

本实用新型提供一种影像撷取模块，其应用于上述眼球追踪装置。

本实用新型提出一种影像撷取模块，用以撷取眼睛的虹膜影像。影像撷取模块包括载架、光源及影像感测单元。光源设置于载架上，用以发射一光束至眼睛，影像感测单元设置于载架上，并利用从眼睛所反射的光束来撷取虹膜影像，其中载架用于将影像感测单元与光源固定在眼睛的前方，而影像 感测单元与光源分别设置于通过眼睛中心的纵向基准面的不同侧。

本实用新型还提出一种眼球追踪装置，其用以感测眼睛的虹膜的移动。眼球追踪装置包括前述的影像撷取模块及处理单元，用以接收并处理影像撷取模块中的影像感测单元所传递的信号，以辨识虹膜的影像。

优选地，该光源的一第一光轴与该纵向基准面形成一第一夹角θ1，而该影像感测单元的一第二光轴与该纵向基准面形成一第二夹角θ2，该第一夹角θ1及该第二夹角θ2满足下列关系式：90°>θ1≥θ2。

优选地，该第一夹角θ1满足下列关系式：0°<θ1≤70°，且该第二夹角θ2满足下列关系式：0°<θ1≤70°。

优选地，该光源的一第一光轴与该纵向基准面形成一第一夹角θ1，而该影像感测单元的一第二光轴与该纵向基准面形成一第二夹角θ2，其中该第一夹角θ1与该第二夹角θ2满足下列关系式：θ2＝θ1±20°。

优选地，该纵向基准面是根据该眼睛的一横断面所定义，该纵向基准面位于该眼睛的一内眼角与一外眼角之间，并垂直于该横断面。该影像感测单元及该光源可以设置于该横断面的相同侧或不同侧。

优选地，该影像感测单元及该光源都设置于该横断面以下。

优选地，该影像感测单元及该光源都设置于该横断面以上。

优选地，该光束为不可见光。

优选地，该光源为红外光发光二极管。

优选地，该处理单元为一数字信号处理器。

优选地，该载架为一镜架。

本实用新型的有益效果是光源及影像感测单元分别设置于纵向基准面的不同侧，因此相较于公知技术而言，眼球追踪装置可以撷取到较为锐利的虹膜影像。即使是撷取虹膜颜色较浅的眼睛影像，上述眼球追踪装置也能撷取到较为锐利的清晰虹膜影像。如此，当处理单元对影像感测单元所撷取到的影像进行处理，以判定使用者的视线移动方向时，本实用新型除了可简化后续处理单元所执行的处理程序之外，也可降低因虹膜与巩膜之间的对比度偏低所造成的误差，从而有助于准确地侦测眼睛的运动。

为了能更进一步了解本实用新型的技术，请参阅以下详细说明与图式，相信本实用新型的特征，当可由此得以具体了解。然而，所附图式与附件仅 提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。

附图说明

图1显示本实用新型实施例的眼球追踪装置的前视示意图。

图2A显示本实用新型实施例的眼球追踪装置位于眼睛前方的示意图。

图2B显示图2A沿线A-A剖面所绘示的眼球追踪装置及眼睛的剖面示意图。

图3显示本实用新型的眼球追踪装置与公知眼球追踪装置两者所撷取的虹膜影像的灰阶值变化示意图。

图4A及图4B显示本实用新型实施例的眼球追踪装置的局部示意图。

图5A及图5B显示本实用新型实施例的眼球追踪装置的局部示意图。

附图标记

眼球追踪装置 1

影像撷取模块 10

处理单元 11

载架 100

光源 110

光束 L1

第一光轴 O1

第一夹角 θ1

影像感测单元 120

反射光束 L2

第二光轴 O2

第二夹角 θ2

镜框 102

镜脚 103

眼睛 E1

眼球球心 E0

内眼角 C1

外眼角 C2

瞳孔 P1

虹膜 I1

巩膜 S1

横断面 F1

纵向基准面 F2

眼睛影像 30

曲线 3a、3b

具体实施方式

图1是本实用新型实施例的眼球追踪装置的前视示意图。眼球追踪装置1包括影像撷取模块10及处理单元11。影像撷取模块10包括载架100、光源110及影像感测单元120。光源110与影像感测单元120皆装设于载架100上，而光源110与影像感测单元120可以利用胶黏(adhesive)、螺丝锁固(screwing)或机械卡合的方式装设于载架100。

本实用新型的眼球追踪装置1可应用于眼镜型显示器或头戴式显示器等电子装置。当使用者使用上述电子装置时，载架100用以使光源110与影像感测单元120配置在使用者的眼睛E1前方。在本实用新型实施例中，载架100可为镜架，并包括至少一个镜框(frame)102与一固定部。所述的固定部在本实施例中为一对镜脚(temple)103，并让载架100能配戴在脸上，以使光源110与影像感测单元120配置在使用者的面前。

此外，在图1的实施例中，载架100包括一对镜框102，但在其它实施例中，载架100所包括的镜框102的数量可以仅为一个。镜脚103连接镜框102。例如，镜脚103可枢接镜框102，以使镜脚103能相对于镜框102转动。此外，镜脚103也可以固定于镜框102，即镜脚103整体上不会与镜框102相对转动。或者是，镜框102与镜脚103可以采用一体成型之设计。

上述关于载架100的描述仅为举例说明，但不以此为限。举例而言，在其它实施例中，本实用新型的眼球追踪装置1也能应用于头戴式显示器，而前述固定部可以是一根支撑杆，并使镜框102能够悬挂于使用者眼前。

处理单元11为一数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)，其用以针对影像感测单元120所撷取的影像作影像处理，以得知眼睛E1的运动。 根据对眼睛E1运动的分析，处理单元11能得知使用者视线的移动方向。举例而言，处理单元11透过影像感测单元120取得影像后，可利用轮廓比对方式从上述影像来分析出虹膜外缘和眼眶之间的相对距离，进一步判定使用者视线移动的方向。以下先针对眼球追踪装置1位于一眼睛前方的情况说明如下。

请参照图2A及图2B。图2A显示本实用新型实施例的眼球追踪装置位于眼睛前方的示意图。图2B显示图2A沿线A-A之眼球追踪装置及眼睛的剖面示意图。眼睛E1具有一横断面F1与一纵向基准面F2，其中横断面F1与纵向基准面F2垂直。在本实用新型实施例中，横断面F1与纵向基准面F2皆通过眼睛E1的中心，而纵向基准面F2是位于眼睛E1的内眼角C1与外眼角C2之间。

详细而言，前述眼睛E1的中心实际上是指当眼睛E1正视前方时，瞳孔P1的中心位置。在本实用新型实施例中，线A-A通过眼睛的中心，且前述的横断面F1是通过线A-A。而并且，线A-A与纵向基准面F2的法线方向平行，而线B-B与横断面F1的法线方向平行。此外，横断面F1与纵向基准面F2也都通过眼睛E1的眼球球心E0。

光源110用以发出光束L1至眼睛E1，而光束L1照射到眼睛E1上。光源110在一实施例中可为发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，而光源110所产生的光束L1可以是可见光(visible light)或不可见光(invisible light)，其中此不可见光例如是红外光(infrared light)。具体而言，光源110可为红外光发光二极管。

在本实施例中(如图2A与图2B所示)，眼球追踪装置1对单一颗眼睛E1只发出一条光束L1，但在其它实施例中，眼球追踪装置1能发出多条光束L1照射于单一颗眼睛E1，并于此颗眼睛E1上形成多个亮点(glint，未绘示)，其中眼球追踪装置1可以包括多个光源110来对单一颗眼睛E1发出这些光束L1。在这些亮点当中，其中至少部分亮点可位于瞳孔P1以外的区域。

影像感测单元120利用从眼睛E1所反射的光束L2来撷取虹膜I1的影像，所以影像感测单元120能撷取波长范围与光束L1相同或相似的光线所形成的影像，意即影像感测单元120可为可见光影像传感器或红外线影像传感器(IR image sensor)。另外，在一实施例中，影像感测单元120可为互补 式金属氧化物半导体感测组件(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Sensor，CMOS Sensor)或电荷耦合组件(Charge-Coupled Device，CCD)。

请参照图2B，在本实用新型实施例中，就单一颗眼睛E1而言，影像感测单元120与光源110分别设置于纵向基准面F2的不同侧。换言之，光源110与影像感测单元120分别设置于眼睛E1的内眼角C1的一侧及外眼角C2的一侧。

具体而言，光源110的第一光轴O1与纵向基准面F2形成第一夹角θ1，而影像感测单元120的第二光轴O2与纵向基准面F2形成第二夹角θ2，其中第一夹角θ1与第二夹角θ2为锐角，并且第一夹角θ1大于或等于第二夹角θ2。换言之，第一夹角θ1与第二夹角θ2将满足关系式：90°>θ1≥θ2。

进一步而言，第一光轴O1与第二光轴O2在纵向基准面F2分别形成一第一正投影向量及一第二正投影向量，而所述的第一夹角θ1是指第一光轴O1和第一正投影向量之间的夹角。相似地，第二夹角θ2是指第二光轴O2和第二正投影向量之间的夹角。

在一实施例中，第一夹角θ1与第二夹角θ2为锐角，并且满足关系式：θ1＝θ2±20°，意即第一角度θ1也可以小于第二角度θ2。此外，在其它实施例中，第一夹角θ1可满足关系式：0°<θ1≤70°，且第二夹角θ2也可满足关系式：0°<θ2≤70°。藉由前述的设置关系，可避开光源110与影像感测单元120较难入射眼睛及接收反射光束L2成像的位置。

基于上述，当光源110发出光束L1，而光束L1从纵向基准面F2的一侧入射至眼睛E1时，光束L1能被眼睛E1反射成光束L2，而反射光束L2会从纵向基准面F2的另一侧出射。由于影像感测单元120与光源110分别设置于同一颗眼睛E1的纵向基准面F2不同侧，因此反射光束L2位于影像感测单元120处的照度会偏高，使得影像感测单元120能有效地接收反射光束L2，从而撷取虹膜I1的影像。

请参照图3，显示本实用新型的眼球追踪装置与公知眼球追踪装置两者所撷取的虹膜影像的灰阶值变化示意图，其中图3所示的曲线3a与曲线3b代表图3中沿线A-A的灰阶值变化。

曲线3a与曲线3b都是针对同一使用者的同一只眼睛所量测的结果。前述的使用者为白种人，并且其用来测试的眼睛的虹膜颜色较浅。曲线3a所 示为使用本实用新型的眼球追踪装置1所撷取之虹膜I1影像沿线A-A的灰阶值变化。由曲线3a可看出虹膜I1与巩膜S1之间的灰阶值落差较大，而使影像感测单元120所撷取到的虹膜I1影像具有较锐利(sharp)的边缘。也就是说，当处理单元11接收到影像感测单元120所传递的信号，并进行影像处理时，处理单元11不需要进行太复杂的处理程序，例如调整对比度或者是过滤噪声等处理程序，即可分辨虹膜I1外缘所在的位置。

而曲线3b为采用公知眼球追踪装置所测得结果。由曲线3b看出，影像感测单元120所撷取到的虹膜I1影像边缘较模糊(blurry)。因此，影像感测单元120所撷取到的影像，须要由处理单元11进行较复杂的影像处理技术，才能辨别虹膜I1与巩膜S1之间的界线。因此，相较于公知光源110和影像感测单元120设置于纵向基准面F2同侧的情况而言，当使用者的虹膜I1颜色较浅，且光源110和影像感测单元120分别设置于纵向基准面F2的不同侧时，影像感测单元120所撷取到的影像中，虹膜I1与巩膜S1的对比度较高，且虹膜I1影像的外缘较锐利。

请参照图4A及图4B，显示本实用新型实施例的眼球追踪装置的局部示意图。在本实用新型实施例中，当光源110与影像感测单元120设置于载架100上，并配置于眼睛E1前时，光源110与影像感测单元120是分别设置于横断面F1的不同侧。举例而言，光源110可设置于横断面F1的下方，而影像感测单元120可设置于横断面F1的上方，如图4A所示。

进一步而言，光源110是设置于内眼角C1与外眼角C2连线的下方，而影像感测单元120设置于内眼角C1与外眼角C2连线的上方。此外，光源110的位置是靠近内眼角C1，而影像感测单元120的位置则靠近于外眼角C2。也就是说，当使用者配戴应用本实用新型的眼球追踪装置1的电子产品后，光源110的位置较靠近鼻梁，而影像感测单元120的位置较远离鼻梁。另外，在其它实施例中，光源110和影像感测单元120的位置可相互对调。也就是说，光源110可位于横断面F1的上方，并较靠近外眼角C2，而影像感测单元120可位于横断面F2的下方，并较靠近内眼角C1。

请参照图4B，本实施例中光源110设置于横断面F1的上方，而影像感测单元120设置于横断面F1的下方。进一步而言，光源110是设置于内眼角C1与外眼角C2连线的上方，而影像感测单元120设置于内眼角C1与外眼角 C2连线的下方。和前一实施例相似，光源110的位置较靠近内眼角C1，而影像感测单元120的位置较靠近外眼角C2。

请参照图5A及图5B，显示本实用新型实施例的眼球追踪装置的局部示意图。在本实用新型实施例中，光源110与影像感测单元120都设置于横断面F1的同侧。举例而言，光源110与影像感测单元120皆设置于横断面F1以上，也就是位于内眼角C1及外眼角C2的连线上方，如图5A所示。另外，光源110与影像感测单元120也可都设置于横断面F1以下，也就是位于内眼角C1及外眼角C2的连线下方，如图5B所示。

综上所述，在本实用新型实施例中，光源及影像感测单元分别设置于纵向基准面的不同侧，因此相较于公知技术而言，眼球追踪装置可以撷取到较为锐利的虹膜影像。即使是撷取虹膜颜色较浅的眼睛影像，上述眼球追踪装置也能撷取到较为锐利的清晰虹膜影像。如此，当处理单元对影像感测单元所撷取到的影像进行处理，以判定使用者的视线移动方向时，本实用新型除了可简化后续处理单元所执行的处理程序之外，也可降低因虹膜与巩膜之间的对比度偏低所造成的误差，从而有助于准确地侦测眼睛的运动。

以上所述仅为本实用新型的实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，都应属本实用新型的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种影像撷取模块，用以撷取一眼睛的一虹膜影像，其特征在于该影像撷取模块包括：

一载架；

一光源，设置于该载架上，用以发射一光束至该眼睛；以及

一影像感测单元，设置于该载架上，并利用从该眼睛所反射的该光束来撷取该虹膜影像，其中该载架用于将该影像感测单元与该光源固定在该眼睛的前方，该影像感测单元与该光源分别设置于通过该眼睛之中心的一纵向基准面的不同侧。

2.如权利要求1所述的影像撷取模块，其特征在于：该光源的一第一光轴与该纵向基准面形成一第一夹角θ1，而该影像感测单元的一第二光轴与该纵向基准面形成一第二夹角θ2，该第一夹角θ1及该第二夹角θ2满足下列关系式：90°>θ1≥θ2。

3.如权利要求2所述的影像撷取模块，其特征在于：该第一夹角θ1满足下列关系式：0°<θ1≤70°，且该第二夹角θ2满足下列关系式：0°<θ1≤70°。

4.如权利要求1所述的影像撷取模块，其特征在于：该光源的一第一光轴与该纵向基准面形成一第一夹角θ1，而该影像感测单元的一第二光轴与该纵向基准面形成一第二夹角θ2，其中该第一夹角θ1与该第二夹角θ2满足下列关系式：θ2＝θ1±20°。

5.如权利要求1所述的影像撷取模块，其特征在于：该纵向基准面是根据该眼睛的一横断面所定义，该纵向基准面位于该眼睛的一内眼角与一外眼角之间，并垂直于该横断面，且该影像感测单元及该光源都设置于该横断面的相同侧。

6.如权利要求1所述的影像撷取模块，其特征在于：该纵向基准面是根据该眼睛的一横断面所定义，该纵向基准面位于该眼睛的一内眼角与一外眼角之间，并垂直于该横断面，且该影像感测单元及该光源分别设置于该横断面的不同侧。

7.如权利要求1所述的影像撷取模块，其特征在于：该光束为不可见光。

8.如权利要求1所述的影像撷取模块，其特征在于：该光源为红外光发 光二极管。