DE102010032193A1

DE102010032193A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Augentorsion

Info

Publication number: DE102010032193A1
Application number: DE102010032193A
Authority: DE
Inventors: Saso Spasovski
Original assignee: CHRONOS VISION GmbH
Current assignee: CHRONOS VISION GmbH
Priority date: 2010-07-24
Filing date: 2010-07-24
Publication date: 2012-01-26
Also published as: WO2012013186A3; WO2012013186A2; US9675245B2; US20130162947A1

Abstract

Eine Vorrichtung (20) zur Bestimmung der Augentorsion umfasst eine Kamera (21) und eine Bildverarbeitungseinheit (22), die zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung der Augentorsion ausgestaltet ist. Bei dem Verfahren werden mindestens zwei Bilder eines Auges (1) erfasst und daraus Bilddaten erzeugt, und es wird mindestens ein charakteristischen Merkmal des Auges (1) aus den Bilddaten identifiziert, beispielsweise ein Blutgefäß. Es werden Richtungshistogramme des Merkmals in beiden Bildern erzeugt und miteinander verglichen. Aus der Verschiebung der Richtungen in den Richtungshistogrammen wird der Winkel der Torsion des Auges (1) bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Augentorsion.
Hintergrund der Erfindung
Im Bereich der Medizintechnik sowie für Gleichgewichtsuntersuchungen ist die Bestimmung der Torsion des menschlichen Auges, das heißt die Verdrehung des Auges um die Blickrichtung (z-Achse), von Bedeutung. In der Medizintechnik muss zum Beispiel für die Einsetzung torischer Intraokularlinsen eine Verdrehung des Auges genau bekannt sein, um die exakte Ausrichtung der Linse relativ zum Auge sicherzustellen. Aber auch bei einer Laserbehandlung des Auges oder deren Vorbereitung führt die Kenntnis von Torsionsbewegungen des Auges zu einem genaueren Ergebnis. Weitere mögliche Anwendungsgebiete sind neurowissenschaftliche Forschungen oder die Untersuchungen der Wirkung von Bildern bzw. optischen Reizen auf den Menschen, zum Beispiel im Bereich der Werbung und Kommunikation.
Die Druckschrift DE 10 2006 002 001 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Relation eines Auges bezüglich einer Kameravorrichtung, bei der ein Modell des Auges konstruiert wird und eine Referenzrelation des Augenmodells unter Verwendung eines Referenzbildes des Auges bestimmt wird. Anschließend werden Positions- oder Rotationskoordinaten durch Anpassung des Augenmodells an ein momentanes Bild des Auges bestimmt. Das Augenmodell umfasst eine Texturinformation, die als eine Merkmalstemplatekarte gespeichert wird. Merkmale der Merkmalstemplatekarte sind Blutgefäße, Iris-Merkmale, Limbus, Limbuszentrum, Pupillenzentrum, Pupillenrand und künstliche Marker. Die Erstellung und Anpassung von Augenmodellen ist jedoch aufwändig und erfordert eine hohe Rechenleistung bzw. entsprechende Rechenzeiten.
Bei der Ermittlung der Torsion aus Bildern des Auges, die mit einer Kamera aufgenommen werden, besteht ein Problem unter anderem auch darin, dass neben der Verdrehung die Bildausschnitte auch unterschiedlich groß und gegeneinander verschoben sein können. Dies erschwert das Auffinden von korrespondierenden Bildbereichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Torsion des Auges schnell und genau bestimmt werden kann. Weiterhin soll eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung der Augentorsion geschaffen werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Bestimmung der Augentorsion gemäß Patentanspruch 1, durch die Vorrichtung zur Bestimmung der Augentorsion gemäß Patentanspruch 8, und durch das Computerprogramm gemäß Patentanspruch 10. Weitere vorteilhafte Merkmale und Details ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die grundlegende Idee der erfindungsgemäßen Ermittlung der Torsion des Auges liegt darin, korrespondierende Bildbereiche in verschiedenen Bildern zu identifizieren und aus deren relativen Lage auf die Verdrehung oder Torsion zu schließen, wobei das Histogramm zum Beispiel von Gradienten- oder Tangentialrichtungen eines Merkmals zur Bestimmung der Torsion herangezogen wird. Ist das Bild verdreht, dann bleibt die Form des Histogramms gleich. Es tritt lediglich eine Verschiebung auf der Richtungsachse des Histogramms auf. Aus dem Grad der Verschiebung wird auf den Torsionswinkel geschlossen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mindestens zwei Bilder des Auges erfasst und daraus Bilddaten erzeugt, aus denen mindestens ein charakteristisches Merkmal identifiziert wird. Anschließend wird ein Richtungshistogramm des Merkmals des Auges in den beiden Bildern erzeugt und die Richtungshistogramme des Merkmals in beiden Bildern werden miteinander verglichen. Aus der Verschiebung der Richtungen in den Richtungshistogrammen wird der Winkel einer Torsion des Auges ermittelt.
Durch die Erfindung können Torsionen des Auges sehr schnell und genau gemessen werden. Dabei können die zur Bestimmung der Torsion herangezogenen Bildbereiche auch unterschiedlich groß und gegeneinander verschoben sein.
Das Richtungshistogramm ist insbesondere ein Histogramm der Gradienten- oder Tangentialrichtungen des Merkmals.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Blutgefäß oder eine Gruppe von Blutgefäßen als Merkmal für die Erstellung der Richtungshistogramme verwendet wird. Die Richtungshistogramme der Blutgefäße haben skalierungs- und translationsinvariante Eigenschaften, das heißt, sie bleiben unabhängig von ihrer Größe und Lage in ihrer Form konstant. Bei einer Verdrehung oder Torsion verschiebt sich jedoch das Histogramm auf der Richtungsachse, woraus auf den Torsionswinkel geschlossen werden kann. Aufgrund ihrer geometrischen Struktur, farblichen Zusammensetzung und charakteristischer Farbverläufe entlang oder quer zur Gefäßrichtung können Blutgefäße besonders sicher und schnell im Bild identifiziert werden. Dadurch können detaillierte Richtungshistogramme sicher erstellt werden, was die Zuverlässigkeit der Messung und die Messgenauigkeit erhöht.
Es ist aber auch möglich, andere Merkmale zu wählen, die zur Bestimmung der Torsion geeignet sind und entsprechende Eigenschaften aufweisen, wie zum Beispiel markante Muster in der Iris. Vorteilhafterweise werden markante Strukturen wie zum Beispiel Blutgefäße des Augenhintergrundes oder der Sclera als charakteristische Merkmale gewählt. Weiterhin können auch künstlich aufgebrachte Markierungen auf der Sclera und/oder der Kornea als charakteristische Merkmale gewählt werden.
In einer optionalen Ausgestaltung des Verfahrens wird in beiden Bildern jeweils ein Gesamtrichtungshistogramm einer Vielzahl von Blutgefäßen berechnet, aus deren Verschiebung der Torsionswinkel des Auges ermittelt wird. Anstatt die Histogrammbetrachtungen auf einzelne Merkmale zu beschränken, können auch die Gesamtrichtungshistogramme aller Blutgefäße oder auch nur besonders markanter Blutgefäße beider Bilder berechnet werden. Wenn die Verteilung der Gradientenrichtungen ausreichend charakteristisch ist, lässt sich somit ebenfalls eine Verschiebung der Histogramme und damit der Torsionswinkel ermitteln.
Als Alternative oder Ergänzung kann aber auch jedes Bild in Teilbereiche zerlegt werden, und in jedem Teilbereich ein Richtungshistogramm berechnet und zum Vergleich verwendet werden. Das heißt, das Bild kann zum Beispiel in N Teilbereiche zerlegt werden, die sich partiell überlappen können. In jedem Bereich wird dann separat ein Gradientenrichtungshistogramm berechnet.
Vorteilhafterweise wird die Form der Histogramme verglichen, wobei für Histogramme gleicher Form die Verschiebung auf der Richtungsachse des Histogramms bestimmt wird. Gibt es nur wenige oder keine Gemeinsamkeiten, so handelt es sich wahrscheinlich nicht um das gleiche Merkmal.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Augentorsion umfasst eine Kameravorrichtung zum Erfassen von mindestens zwei Bildern des Auges und zur Erzeugung von Bilddaten, eine Bildverarbeitungseinheit zum Identifizieren von mindestens einem charakteristischen Merkmal aus den Bilddaten und zum Erstellen eines Richtungshistogramms des Merkmals in beiden Bildern, wobei die Bildverarbeitungseinheit zum Vergleichen der Richtungshistogramme des Merkmals in beiden erfassten Bildern ausgestaltet ist und aus einer Verschiebung der Richtungen in den Richtungshistogrammen den Torsionswinkel des Auges bestimmt.
Dabei ist die Bildverarbeitungseinheit insbesondere zur Durchführung des Verfahrens ausgestaltet und weist entsprechende Merkmale auf.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Computerprogramm und eine Rechnereinheit mit Computerprogrammcode geschaffen, der zusammen mit einer an eine Kameravorrichtung angeschlossenen Bildverarbeitungseinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.
Merkmale und Details der Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, gelten auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung und umgekehrt.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigen:
1 ein Beispiel einer Vorrichtung zur Bestimmung der Torsion eines Auges;
2a und 2b ein mit einer Kamera aufgenommenes Bild eines Auges und eine zugehörige Farbverteilung entlang einer Linie im Bild;
3 ein schematisch dargestelltes Gradientenrichtungshistogramm eines Blutgefäßes;
4 zwei gegeneinander verschobene Gradientenrichtungshistogramme eines Blutgefäßes, die aus zwei Bildern des Auges erstellt wurden;
5a und 5b ein stilisiertes Blutgefäß (5a) und ein zugehöriges Histogramm der Normalenrichtung (5b);
6a und 6b das stilisierte Blutgefäß aus 5a mit zugehörigem Histogramm der Normalenrichtung, wobei das Blutgefäß jedoch um 10 Grad gedreht ist;
7 die Histogramme aus 5b und 6b zur Ermittlung der Torsion des Auges;
8 eine Abbildung eines Augenhintergrundes mit Blutgefäßen; und
9 ein Bild eines Auges mit einer künstlich aufgebrachten Markierung.
1 zeigt schematisch ein Beispiel einer Vorrichtung 20 zur Bestimmung der Torsion eines Auges 1. Dabei dient eine Kamera 21 zur Aufnahme von Bildern des Auges 1. Die Kamera 21 ist elektrisch mit einer Bildverarbeitungseinheit 22 verbunden und überträgt die Bilddaten der aufgenommenen Bilder zur Bildverarbeitungseinheit 22, mit der ein Torsionswinkel des Auges 1 wie nachfolgend erläutert bestimmt wird.
2a zeigt ein durch die Kamera 21 aufgenommenes Bild 10 des Auges 1. Im Bereich der Sclera 2 befinden sich Blutgefäße 3, die zur Versorgung der Sclera 2 und der Hornhaut dienen. Die Blutgefäße 3 haben unterschiedliche Richtungen und bilden ein verzweigtes System oder Netz, das sich im Wesentlichen über die gesamte Sclera 2 erstreckt. Mittels der Bildverarbeitungseinrichtung 22 (s. 1) erfolgt eine Extraktion der Blutgefäße 3 aus dem aufgenommenen Bild 10. Beispielhaft ist nachfolgend die Extraktion entlang einer Linie 4 dargestellt.
2b zeigt die Farbverteilung im Bild 10 entlang der Linie 4. Dabei sind die Intensitäten der Farben Rot, Grün und Blau (R, G, B) in den Kurven 5a (= R), 5b (= G) und 5c (= B) dargestellt. Anhand der Intensitäten werden die Blutgefäße und deren Verläufe ermittelt. In den Kurven 5b, 5c ergeben sich lokale Minima an den Orten A, B, C, während die Kurve 5a dort kaum oder nur relativ gering verändert ist. Das heißt, dass an diesen Stellen im Bild 10 Intensitätsminima für Grün und Blau vorliegen, während Rot im Wesentlichen unverändert ist. Dies ist ein Kriterium für das Erkennen der Blutgefäße 3 im Bild 10.
Auf diese Weise wird das gesamte Bild 10 im Hinblick auf die Blutgefäße 3 analysiert. Es ist aber auch möglich, lediglich ein oder mehrere Teilbereiche des Bildes 10 zu analysieren, oder nur die intensitätsstärksten Blutgefäße zu bestimmen bzw. zu extrahieren.
Darüber hinaus können auch weitere Bedingungen für das Vorliegen von Blutgefäßen überprüft und zur Extraktion herangezogen werden, beispielsweise ein hoher Weißanteil in der Umgebung des Blutgefäßes, ein geringer Rot-Gradient entlang des Blutgefäßes und ein großer Rot-Gradient senkrecht dazu.
3 zeigt schematisch ein Gradientenrichtungshistogramm 6a eines Blutgefäßes 3, das beispielsweise wie oben beschrieben aus einem Bild des Auges 1 extrahiert wird. Die Erstellung von Gradientenrichtungshistogrammen (engt.: Histogram of oriented gradients) ist im Bereich der Bildverarbeitung allgemein bekannt, so dass sie an dieser Stelle nicht näher erläutert wird. Das Gradientenrichtungshistogramm 6a zeigt die Häufigkeiten der Richtungen der Gradienten- bzw. Normalenrichtung des mittels Bildverarbeitung extrahierten Blutgefäßes 3. Dabei ist auf der Richtungsachse bzw. x-Achse die jeweilige Gradientenrichtung angegeben, während auf der y-Achse die relative Häufigkeit N der Gradientenrichtungen angegeben ist.
4 zeigt das Gradientenrichtungshistogramm 6a, das aus einem ersten Bild des Auges 1 erstellt wurde, sowie ein weiteres Gradientenrichtungshistogramm 6b in schematischer Darstellung, das beispielsweise aus einem zweiten Bild des Auges 1 erstellt wird. Die Form der Histogramme 6a und 6b ist gleich, jedoch tritt eine Verschiebung α des Histogramms 6b gegenüber dem Histogramm 6a entlang der Richtungsachse auf. Die Verschiebung α ist ein Maß für den Torsionswinkel, das heißt für den Winkel der Verdrehung des Auges 1, die zwischen beiden Kameraaufnahmen stattgefunden hat.
Dabei hat eine zusätzliche relative Verschiebung der aufgenommenen Bilder keinen Einfluss auf das Histogramm. Eine unterschiedliche Skalierung führt dazu, dass sich die entsprechenden Histogramme um einen konstanten Faktor unterscheiden. In diesem Fall bestehen die Merkmale bzw. Blutgefäße in den beiden Bildern aufgrund der unterschiedlichen Bildgröße aus unterschiedlich vielen Pixeln, was gegebenenfalls mit Hilfe einer Normierung egalisiert bzw. ausgeglichen wird. Können jedoch die beiden Histogramme nicht ineinander überführt werden, zum Beispiel durch Korrelationsbetrachtungen, so handelt es sich nicht um das gleiche Merkmal.
5a zeigt ein stilisiertes Blutgefäß 3 in einer ersten Position mit den zugehörigen Gradienten- oder Normalenrichtungen R. In diesem Beispiel hat ein relativ großer Teil des Blutgefäßes eine Normalenrichtung R von 90 Grad. Zwei relativ kurze Abschnitte des Blutgefäßes haben eine Normalenrichtung R von Null Grad bzw. 135 Grad, und ein anderer Abschnitt hat eine Normalenrichtung R von 135 Grad. 5b zeigt das zugehörige Histogramm der Gradienten- bzw. Normalenrichtungen R.
Die 6a zeigt das Blutgefäß 3 mit seinen Gradienten- bzw. Normalenrichtungen R in einer zweiten Position, in der es gegenüber der in 5a dargestellten ersten Position um zehn Grad verdreht ist. Das in 6b dargestellte zugehörige Histogramm zeigt Normalenrichtungen von zehn Grad, 55 Grad, 100 Grad und 145 Grad.
In 7 ist schematisch der Matching-Prozess dargestellt, mit dem der Torsionswinkel zwischen den beiden in 5a und 6a dargestellten Positionen bestimmt wird. Das Matching besteht darin, die Histogramme aus 5b und 6b durch eine eindimensionale Verschiebung M zur bestmöglichen Deckung zu bringen. Aus der Verschiebung ergibt sich die Torsion des Auges.
8 zeigt eine Aufnahme eines Augenhintergrundes 15. Als Beispiel für markante Strukturen sind Blutgefäße 16 erkennbar, die gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung als charakteristisches Merkmal in den Bilddaten identifiziert werden, um daraus wie oben beschrieben Richtungshistogramme zu erstellen und aus den Richtungshistogrammen den Torsionswinkel des Auges zu ermitteln.
9 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der eine künstlich aufgebrachte Markierung 17 auf der Sclera und/oder der Kornea des Auges 1 als charakteristisches Merkmal zur Bestimmung der Augentorsion herangezogen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006002001 [0003]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Augentorsion, gekennzeichnet durch die Schritte: Erfassen von mindestens zwei Bildern (10) eines Auges (1) und Erzeugen von Bilddaten; identifizieren von mindestens einem charakteristischen Merkmal (3) des Auges (1) aus den Bilddaten; Erstellen eines Richtungshistogramms (6a, 6b) des Merkmals (3) in beiden Bildern (10); Vergleichen der Richtungshistogramme (6a, 6b) des Merkmals (3) in beiden erfassten Bildern (10); und Ermittlung einer Verschiebung α der Richtungen R in den Richtungshistogrammen (6a, 6b) als ein Maß für den Torsionswinkel des Auges (1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Richtungshistogramm (6a, 6b) ein Histogramm der Gradienten- oder Tangentialrichtungen oder dazu in konstanter Winkelbeziehung stehender verschobener Richtungen des Merkmals (3) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das charakteristische Merkmal (3) ein Blutgefäß oder eine Gruppe von Blutgefäßen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das charakteristische Merkmal Strukturen des Augenhintergrundes oder Markierungen auf der Sclera und/oder der Kornea umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Bildern (10) jeweils ein Gesamtrichtungshistogramm einer Vielzahl von Blutgefäßen berechnet wird, aus deren Verschiebung der Torsionswinkel des Auges (1) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bild (10) in Teilbereiche zerlegt wird, und in jedem Teilbereich ein Richtungshistogramm (6a, 6b) berechnet und zum Vergleich verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Richtungshistogramme (6a, 6b) verglichen wird, wobei für Richtungshistogramme gleicher Form die Verschiebung auf der Richtungsachse des Histogramms bestimmt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung der Augentorsion, gekennzeichnet durch eine Kameravorrichtung (21) zum Erfassen von mindestens zwei Bildern (10) des Auges (1) und zum Erzeugen von Bilddaten; eine Bildverarbeitungseinheit (22) zum Identifizieren von mindestens einem charakteristischen Merkmal (3) des Auges (1) aus den Bilddaten und zum Erstellen eines Richtungshistogramms (6a, 6b) des Merkmals (3) in beiden Bildern (10); wobei die Bildverarbeitungseinheit (22) zum Vergleichen der Richtungshistogramme (6a, 6b) des Merkmals (3) in beiden erfassten Bildern (10) ausgestaltet ist und aus einer Verschiebung α (6a, 6b) der Richtungen in den Richtungshistogrammen den Torsionswinkel des Auges (1) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit (22) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgestaltet ist.
Computerprogramm mit Computerprogrammcode, der zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer an eine Kameravorrichtung (21) angeschlossenen Bildverarbeitungseinheit (22) ausgestaltet ist.