DE102008006090A1

DE102008006090A1 - Verfahren zur störungsfreien Erkennung der Position der Augen

Info

Publication number: DE102008006090A1
Application number: DE200810006090
Authority: DE
Inventors: Claudius Zelenka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2009-07-30

Abstract

Die Erkennung der Augenposition ist wesentliche Aufgabe in unterschiedlichen technischen Anwendungen. Sie ermöglicht z. B. die Erkennung der Blickrichtung zur Bedienung von Computern oder Maschinen, oder die Erkennung des sog. Sekundenschlafes. Im medizinischen und militärischen Bereich findet sie breite Anwendung. Mehrere Verfahren zur Erkennung der Blickrichtung wurden entwickelt, sie haben sich aber nicht sehr verbreitet, weil sie entweder zu umständlich oder zu anfällig auf störende Reflexe aus der Umgebung sind. Ein neuartiges Verfahren wird vorgestellt, mit dem störungsfreie Erkennung der Augenposition auch in realer Büroumgebung möglich ist. Das Verfahren beruht auf der Messung und Analyse der Polarisation. Spiegelnde Reflexion vom Auge verändert die Polarisation des Lichts kaum und kann deswegen erkannt und hervorgehoben werden. Störende Reflexe aus der Umgebung, die unpolarisiert sind, werden unterdrückt.

Description

Stand der Technik:
Als Beispiel für Stand der Technik dient das Patent WO 2004/045399 A1 der Firma Tobii Technology.
In diesem Patent wird der Messbereich mit mehreren punktförmigen Lichtquellen beleuchtet. Die Reflexe von der Hornhaut des Auges werden mit einer Kamera aufgenommen und anschließend mit einem mathematischen Algorithmus ausgewertet. Die Intensität der Reflexe von der Hornhaut beträgt ca. nur 4% der Beleuchtungsintensität und ist damit von ähnlicher Größe, wie die Intensität von störenden Reflexen und Lichtquellen.
Störungen durch fremde Lichtquellen können teilweise durch Verwendung einer Beleuchtung mit schmalem Spektrum zusammen mit einem optischen Bandpassfilter vor der Kamera reduziert werden.
Störende Reflexe aus der Umgebung können aber auf diese Weise nicht beseitigt werden.
In einer praktischen Umgebung im Büro sind bisher bekannte Verfahren deswegen nur begrenzt verwendbar.
In einer realen Büroumgebung ist es auch nicht möglich, störende Reflexe durch Unterbringung der Kamera in unmittelbarer Nähe des Kopfes zu reduzieren, wie es oft bei militärischen Systemen durchgeführt wird.
Das hier vorgestellte neuartige Verfahren gewährleistet dagegen eine effektive und zuverlässige Erkennung der Augenposition auch in einer realen Büroumgebung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung:
Auf 1 ist eine bevorzugte Anordnung zur Erkennung der Augenposition dargestellt.
In den Ecken eines Computermonitors befinden sich vier linear polarisierte Lichtquellen, derer Polarisationsebene ferngesteuert verändert werden kann. Grundsätzlich kann das hier beschriebene Verfahren auch bei anderer Anzahl von Lichtquellen verwendet werden.
Eine Kamera mit digitaler Schnittstelle überträgt das Bild der Szene in einen Computer. Vor dem Objektiv der Kamera ist ein Linear-Polarisationsfilter angebracht.
Das Linear-Polarisationsfilter kann z. B. bei der Firma Schneider in Kreuznach unter der Bezeichnung P-W 44 bezogen werden.
Eine Lichtquelle mit umschaltbarer Polarisation lässt sich preisgünstig realisieren. Am einfachsten ist es, eine Leuchtdiode mit einem drehbaren Linear-Polarisationsfilter zu versehen. Eine andere Lösung, die keine beweglichen Teile erfordert, benötigt zwei Leuchtdioden und einen Polarisationsstrahlteiler.
Die Polarisation der Lichtquelle kann auch mit Hilfe von Flüssigkristallen oder anderen elektrooptischen Komponenten gesteuert werden.
Das Verfahren wird am folgenden Ausführungsbeispiel erläutert:
Im ersten Schritt werden die Lichtquellen so eingestellt, dass sie linear polarisiertes Licht mit vertikaler Polarisation aussenden. Auch das Polarisationsfilter auf der Kamera wird so eingestellt, das es vertikal polarisiertes Licht durchlässt. Durch spiegelnde Reflexion auf der Hornhaut verändert sich die Polarisation des Lichtes nur geringfügig. Das von der Hornhaut reflektierte Licht erreicht daher ohne wesentliche Abschwächung die Kamera.
Von der Kamera wird ein erstes Bild aufgenommen.
Bei störenden Reflexen aus der Umgebung handelt es sich vorwiegend um diffus gestreutes Licht, das im Wesentlichen unpolarisiert ist. Diese Reflexe werden durch das Polarisationsfilter abgeschwächt, sie sind aber immer noch stark störend.
Im zweiten Schritt wird die Polarisation der Lichtquellen um 90° gedreht, sie liegt jetzt in der horizontalen Ebene. Das Polarisationsfilter an der Kamera wird nicht verändert. Spiegelnde Reflexe von der Hornhaut haben jetzt eine im Wesentlichen horizontale Polarisation und werden von dem Polarisationsfilter an der Kamera stark gedämpft. Die Kamera nimmt jetzt im Wesentlichen nur noch das Streulicht aus der Umgebung auf. Von der Kamera wird ein zweites Bild aufgenommen.
Im dritten Schritt werden beide Bilder auf solche Art kombiniert, dass die störenden Reflexe unterdrück werden.
In der bevorzugten Ausführung werden die Bilder voneinander subtrahiert. Dadurch wird das Streulicht vom Hintergrund weitgehend ausgelöscht.
Reflexe von der Hornhaut, die nur auf dem ersten Bild vorhanden sind, werden durch die Subtraktion beider Bilder nicht abgezogen.
Noch ein etwas besseres Ergebnis kann erzielt werden, wenn beide Bilder in ein Verhältnis gesetzt werden, oder wenn sie auf geeignete Weise kombiniert werden.
Wesentliches Merkmal des Verfahrens ist die Auswertung der Polarisation des aufgenommenen Bildes zur Unterdrückung der störenden Reflexe.
In dem vorigen Beispiel wurden Lichtquellen mit umschaltbarer Polarisation verwendet. In einem anderen Ausführungsbeispiel können Lichtquellen mit gleichbleibender Polarisation, zusammen mit einem drehbaren Linear-Polarisationsfilter vor dem Objektiv der Kamera, verwendet werden.
Bei unterschiedlichen Einstellungen des Linear-Polarisationsfilters an der Kamera werden zwei Bilder aufgenommen, die in der oben beschriebenen Weise zur Unterdrückung der störenden Reflexe kombiniert werden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel können Lichtquellen mit zirkularer Polarisation verwendet werden. Solche Polarisation kann mit einer linear polarisierten Lichtquelle und einer Lambda/4 Platte erzeugt werden. Eine weitere Lambda/4 Platte wird vor dem Linear-Polarisationsfilter am Objektiv der Kamera angebracht. Solche Lambda/4 Platten können bei der Firma Schneider in Kreuznach unter der Bezeichnung P-ZN/R bezogen werden. Auch in diesem Fall kann die Polarisation entweder an der Lichtquelle oder an der Kamera umgeschaltet werden.
So wie im vorherigen Ausführungsbeispiel, werden zwei Bilder bei unterschiedlicher Einstellung der Polarisationseinrichtung aufgenommen, die zur Unterdrückung der störenden Reflexe kombiniert werden.
Das Ergebnis aller drei Ausführungsbeispiele ist ein Bild, in dem Reflexe von den Augen deutlich sichtbar werden, während störende Reflexe und fremde Lichtquellen weitgehend unterdrückt werden. Anschließend kann ohne großen Rechenaufwand die Position der Augen im aufgenommenen Bild bestimmt werden.
Dazu genügt es, in dem Bild Maximalwerte zu finden oder Schwerpunkte zu bilden. Natürlich können auch andere Verfahren, die einem Fachmann auf dem Gebiet der Bildverarbeitung bekannt sind, angewandt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2004/045399 A1 [0001]

Claims

Verfahren zur Erkennung der Position der Augen mit mindestens einer Lichtquelle und mindestens einer Kamera dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswertung der Polarisation des von der Kamera aufgenommenen Bildes störende Reflexe von der Umgebung erkannt und unterdrückt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lichtquelle linear polarisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lichtquelle zirkular polarisiert ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass vor mindestens einer Kamera ein Polarisationsfilter angebracht ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisation mindestens einer Lichtquelle verändert werden kann.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Kamera eine Polarisationseinrichtung angebracht wird, die verändert werden kann.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass von der Kamera mindestens zwei Bilder bei unterschiedlicher Polarisation aufgenommen werden, die kombiniert werden, mit dem Ziel störende Reflexe zu unterdrücken.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Information über Position der Augen zur Erkennung der Kopfbewegung verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Information über Position der Augen zur Erkennung der Blickrichtung verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Information über Position der Augen zur Erkennung der Entfernung der Augen verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Information über Position der Augen zur Erkennung vom Sekundenschlaf verwendet wird.