KR20220036449A - Image-based pupil detection method - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an image-based pupil detection method. In more detail, it is possible to improve the reliability of pupil measurement by accurately detecting the pupil even if the pupil is distorted through reflected light or occlusion of the eyelids in the eyeball image input through a camera, in the image-based pupil detection method.

Description

영상 기반의 동공 검출 방법{Image-based pupil detection method}Image-based pupil detection method

본 발명은 영상 기반의 동공 검출 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 카메라를 통해 입력된 안구 영상 내에 반사광, 눈꺼풀 가림 현상 등을 통해 동공이 왜곡되어도 동공을 정확하게 검출하여 동공 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 영상 기반의 동공 검출 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an image-based pupil detection method, and more particularly, to accurately detect the pupil even if the pupil is distorted through reflected light or eyelid occlusion in an eyeball image input through a camera, thereby improving the reliability of pupil measurement. It relates to an image-based pupil detection method.

동공은 홍채의 중심에 위치한 원모양의 빈 공간으로, 시각인지를 최대화하기 위하여 망막으로 도달되는 빛의 양을 조절하고, 초점의 심도를 높여 색수차 및 구면수차를 줄이는 역할을 수행한다.The pupil is a circular empty space located at the center of the iris, and controls the amount of light reaching the retina in order to maximize visual perception, and reduces chromatic and spherical aberration by increasing the depth of focus.

최근들어, 동공은 사용자의 시선을 추적하는 시선 추적, 동공 검사, 사용자 인증 등에 활용되고 있으며, 이러한 분야에 활용되기 위해서는 자동으로 동공을 검출하고, 측정할 수 있는 동공 측정 기술이 필요하다.Recently, the pupil is used for eye tracking, pupil examination, and user authentication for tracking the user's gaze, and in order to be utilized in these fields, a pupil measurement technology capable of automatically detecting and measuring the pupil is required.

종래에는 동공을 검출하기 위해서 홍채와 동공의 경계선을 검출한 후, 동공을 탐색하는 방법이 활용되었으나, 이러한 방식은 정확도가 떨어지는 문제가 있으며, 동공을 검출하기 위해 고해상도의 영상을 사용하기도 하였으나, 고해상도의 영상을 사용할 경우 처리 시간이 기하급수적으로 늘어 활용도가 떨어지는 문제가 있다.Conventionally, in order to detect the pupil, a method of detecting the boundary line between the iris and the pupil and then searching for the pupil has been used. When using images of

또한, 현재 동공 검출 기술은 눈에 비치는 반사광, 눈꺼풀 가림 현상, 급격한 동공 크기 변화 등으로 인해 측정 정확도가 낮아지는 문제가 발생하고 있다In addition, the current pupil detection technology has a problem in that measurement accuracy is lowered due to reflected light reflected in the eye, occlusion of the eyelids, and rapid pupil size change.

KR10-2013275 B1 "동공 검출 장치 및 동공 검출 방법"KR10-2013275 B1 "Pupillary detection device and pupil detection method" KR10-2015-0081680 A "동공 검출 방법, 상기 방법을 기록한 컴퓨터 판독 가능 저장매체 및 동공 검출 장치KR10-2015-0081680 A "Pupillary detection method, computer readable storage medium recording the method, and pupil detection apparatus KR10-2014-0106926 A "동공 검출 장치 및 동공 검출 방법"KR10-2014-0106926 A "Pupillary detection device and pupil detection method"

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 눈에 비치는 반사광, 눈꺼풀 가림 현상, 급격한 동공 크기 변화에도 안구 영상 내에서 동공을 정확하게 검출하여 동공 측정의 정확성을 향상시킴으로써, 시선 추적, 동공 검사 및 사용자 인증 등에 활용할 수 있으며 더불어 고해상도 영상의 동공 검출을 위한 처리 시간을 단축시킬 수 있는 영상 기반의 동공 검출 방법을 제공하는 데 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to accurately detect a pupil in an eyeball image despite reflected light reflected in the eye, an eyelid occlusion phenomenon, and a sudden change in pupil size, thereby improving the accuracy of pupil measurement. An object of the present invention is to provide an image-based pupil detection method that can be used for tracking, pupil inspection, and user authentication, and can reduce processing time for pupil detection of high-resolution images.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 각기 다른 크기의 원이 생성된 이진화 영상들을 포함하는 필터뱅크를 생성하는 단계; 카메라로 촬영된 안구 영상를 입력받는 단계; 상기 안구 영상을 상기 필터뱅크의 이진화 영상들과 연산하여 예상되는 동공 위치(이하,"예상 동공 영역"이라함)를 추출하는 단계; 및 상기 예상 동공 영역에서 타원 형상을 갖는 경계 영역들을 추출하고, 상기 경계 영역들 중 기설정된 조건과 비교하여 최종 동공 위치(이하,"실제 동공 영역",이라함)를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 기반의 동공 검출 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of: generating a filter bank including binarized images in which circles of different sizes are generated; receiving an eyeball image captured by a camera; extracting an expected pupil position (hereinafter, referred to as an “expected pupil region”) by calculating the eyeball image with the binarized images of the filter bank; and extracting boundary regions having an elliptical shape from the predicted pupil region and determining a final pupil position (hereinafter referred to as “actual pupil region”) by comparing it with a preset condition among the boundary regions. It provides an image-based pupil detection method, characterized in that.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 필터뱅크를 생성하는 단계:는 다양한 영상 크기를 갖는 복수의 영상 배경을 생성하는 단계; 상기 영상 배경들의 각 중심 좌표를 기반으로 다양한 크기의 원을 투영하는 단계; 및 상기 영상 배경들에 투영된 원의 내부에 해당하는 영역의 픽셀 값을 "0", 이외의 영역의 픽셀 값을 "255"로 이진화된 영상들을 포함하는 제1 필터뱅크와 상기 영상 배경들의 투영된 원의 내부의 픽셀 값을 "255"로하고, 이외의 영역의 픽셀 값을 "0"으로 이진화된 영상들을 포함하는 한 제2 필터뱅크를 생성하는 단계;를 포함한다.In a preferred embodiment, the generating of the filterbank comprises: generating a plurality of image backgrounds having various image sizes; projecting circles of various sizes based on the respective center coordinates of the image backgrounds; and a first filter bank including images in which a pixel value of a region corresponding to the inside of the projected circle on the image backgrounds is “0” and a pixel value of a region other than “255” is binarized and the projection of the image backgrounds and generating a second filter bank including images in which the pixel value of the inner circle is set to “255” and the pixel value of the other region is set to “0”.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 예상 동공 영역을 추출하는 단계:는 상기 안구 영상를 상기 제1 필터뱅크의 이진화 영상들과 각각 합성곱 연산을 수행하여 제1 컨볼루션 영상들을 생성하고, 상기 안구 영상를 상기 제2 필터뱅크의 이진화 영상들과 각각 합성곱 연산을 수행하여 제2 컨볼루션 영상들을 생성하는 단계; 상기 제2 컨볼루션 영상들을 반전시키는 단계; 상기 컨볼루션 영상들을 영상 생성 단계에서 서로 동일한 크기의 이진화 영상이 사용된 제1 컨볼루션 영상과 반전된 제2 컨볼루션 영상을 서로 곱셈 연산하여 곱셈 영상들을 추출하는 단계; 상기 곱셈 영상들 중 가장 높은 밝기값을 갖는 곱셈 영상(이하,"유효 곱셈 영상"이라함)의 픽셀 좌표(이하,"유효 좌표",이라함)와 상기 유효 곱셈 영상를 추출하기 위해 사용된 이진화 영상(이하,"유효 이진화 영상",이라함)의 크기를 추출하는 단계; 및 상기 안구 영상에서 상기 유효 좌표와 대응되는 픽셀 좌표를 상기 유효 이진화 영상의 중심 좌표로 설정하고, 상기 유효 이진화 영상의 영상 크기만큼을 상기 안구 영상에서 예상 동공 영역으로 추출하는 단계;를 포함한다.In a preferred embodiment, the step of extracting the predicted pupil region: generates first convolutional images by performing a convolution operation on the eyeball image with the binarized images of the first filter bank, respectively, and converts the eyeball image to the first generating second convolutional images by performing a convolution operation with each of the binarized images of two filter banks; inverting the second convolutional images; extracting multiplied images by multiplying the first convolutional image and the inverted second convolutional image using the binarized image of the same size in the image generating step of the convolutional images; The pixel coordinates (hereinafter referred to as "effective coordinates") of the multiplication image (hereinafter referred to as "effective multiplication image") having the highest brightness value among the multiplication images and the binarized image used to extract the effective multiplication image extracting the size of (hereinafter referred to as "effective binarized image"); and setting pixel coordinates corresponding to the effective coordinates in the eyeball image as central coordinates of the effective binarized image, and extracting an image size of the effective binarized image as an expected pupil region from the eyeball image.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 실제 동공 영역을 추출하는 단계:는 추출된 예상 동공 영역의 윤곽선 영상과 그래디언트 영상를 추출하는 단계; 상기 윤곽선 영상로부터 타원 형상을 갖는 경계 영역들을 검출하는 단계; 상기 경계 영역들에 대응되는 상기 그래디언트 영상의 픽셀 좌표에서 기설정된 값 이상의 그래디언트 값을 갖는 픽셀 개수를 카운트하는 단계; 카운트된 픽셀 개수가 가장 많은 경계 영역을 추출하는 단계; 및 추출된 경계 영역이 기설정된 조건에 해당하는지 적합성을 판단하는 단계;를 포함하며, 상기 경계 영역이 기설정된 조건에 적합할 경우 실제 동공 영역으로 추출하고, 적합하지 않을 경우 상기 경계 영역들을 검출하는 단계부터 반복 수행한다.In a preferred embodiment, the extracting of the actual pupil region comprises: extracting a contour image and a gradient image of the extracted expected pupil region; detecting boundary regions having an elliptical shape from the outline image; counting the number of pixels having a gradient value greater than or equal to a preset value in pixel coordinates of the gradient image corresponding to the boundary regions; extracting a boundary region having the largest number of counted pixels; and determining whether or not the extracted boundary region corresponds to a preset condition, extracting the boundary region as an actual pupil region if the boundary region meets the preset condition, and detecting the boundary regions if not suitable Repeat from step.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 그래디언트 영상는 수직 방향으로 미분된 수직 그래디언트 영상와 수평 방향으로 미분된 수평 그래디언트 영상를 포함한다.In a preferred embodiment, the gradient image includes a vertical gradient image differentiated in a vertical direction and a horizontal gradient image differentiated in a horizontal direction.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 적합성 판단 단계는 상기 경계 영역의 장축과 단축 비율이 설정된 비율 이하이고, 크기가 기설정된 범위 이내에 해당되며, 일정 프레임 내 상기 경계 영역의 중심 좌표와 크기의 변화가 오차 범위 이내에 해당될 경우 적합으로 판단한다.In a preferred embodiment, in the suitability determination step, the ratio between the major axis and the minor axis of the boundary area is less than or equal to a set ratio, the size falls within a predetermined range, and the change in the center coordinate and size of the boundary area within a certain frame is within an error range It is judged as suitable if applicable within the

또한, 본 발명은 컴퓨터와 결합하여 상기 영상 기반의 동공 검출 방법을 수행하기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 더 제공한다.In addition, the present invention further provides a computer program stored in a medium for performing the image-based pupil detection method in combination with a computer.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.The present invention has the following excellent effects.

본 발명의 영상 기반의 동공 검출 방법에 따르면, 다양한 크기의 원이 투영된 이진화 영상들을 포함하는 필터 뱅크를 이용하여 입력된 안구 영상에서 예상 동공 영역을 1차적으로 검출한 후 예상 동공 영역의 윤곽선 영상과 그래디언트 영상을 통해 최종 동공 위치를 검출하기 때문에 반사광뿐만 아니라 동공의 불규칙한 모양에 상관없이 동공을 정확하게 검출할 수 있어 동공 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.According to the image-based pupil detection method of the present invention, the predicted pupil region is primarily detected from the input eye image using a filter bank including binarized images projected with circles of various sizes, and then a contour image of the predicted pupil region Since the final pupil position is detected through the and gradient image, the pupil can be accurately detected regardless of the irregular shape of the pupil as well as the reflected light, which has the advantage of improving the reliability of pupil measurement.

또한, 본 발명의 영상 기반의 동공 검출 방법에 따르면, 예상 동공 영역을 1차적으로 검출한 후 실제 동공 영역을 추출하기 위한 연산이 수행되기 때문에 불필요한 연산 작업과 오검출을 최소화할 수 있는 장점이 있다.In addition, according to the image-based pupil detection method of the present invention, since the operation for extracting the actual pupil region is performed after first detecting the expected pupil region, there is an advantage in that unnecessary computational work and erroneous detection can be minimized. .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기반의 동공 검출 방법의 순서도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 예상 동공 영역 추출 과정을 설명하기 위한 순서도,
도 3은 본 발명의 일 실시에에 따른 예상 동공 영역 추출 과정을 설명하기 위한 개략도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실제 동공 영역 판단 과정을 설명하기 위한 순서도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실제 동공 영역 판단 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
1 is a flowchart of an image-based pupil detection method according to an embodiment of the present invention;
2 is a flowchart for explaining a process of extracting an expected pupil region according to an embodiment of the present invention;
3 is a schematic diagram for explaining a process of extracting an expected pupil region according to an embodiment of the present invention;
4 is a flowchart for explaining an actual pupil region determination process according to an embodiment of the present invention;
5 is a schematic diagram for explaining an actual pupil region determination process according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출우너인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.As for the terms used in the present invention, general terms that are currently widely used are selected as possible, but in certain cases, there are also terms arbitrarily selected by the owner. should be taken into account to understand its meaning.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments shown in the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Like reference numerals refer to like elements throughout.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기반의 동공 검출 방법의 순서도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 예상 동공 영역 추출 과정을 설명하기 위한 순서도, 도 3은 본 발명의 일 실시에에 따른 예상 동공 영역 추출 과정을 설명하기 위한 개략도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실제 동공 영역 판단 과정을 설명하기 위한 순서도,도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실제 동공 영역 판단 과정을 설명하기 위한 개략도이다.1 is a flowchart of an image-based pupil detection method according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a flowchart for explaining an expected pupil region extraction process according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an embodiment of the present invention A schematic diagram for explaining a process of extracting an expected pupil region according to , FIG. 4 is a flowchart for explaining a process for determining an actual pupil region according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is an actual pupil region according to an embodiment of the present invention It is a schematic diagram for explaining the judgment process.

도 1 내지 도 5를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기반의 동공 검출 방법은 카메라를 통해 촬영된 안구 영상을 입력받아 동공 위치를 정확하게 검출할 수 있는 방법이다.1 to 5 , the image-based pupil detection method according to an embodiment of the present invention is a method for accurately detecting a pupil position by receiving an eyeball image captured by a camera.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기반의 동공 검출 방법은 컴퓨터에 의해 수행되며, 상기 컴퓨터에는 컴퓨터를 기능시켜 상기 영상 기반의 동공 검출 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장된다.In addition, the image-based pupil detection method according to an embodiment of the present invention is performed by a computer, and the computer stores a computer program for operating the computer to perform the image-based pupil detection method.

또한, 상기 컴퓨터는 일반적인 퍼스널 컴퓨터뿐만 아니라, 통신망을 통해 접속가능한 서버 컴퓨터, 클라우드 시스템, 스마트폰, 테블릿 PC와 같은 스마트 기기, 보안카메라 등에 내장되는 임베디드 시스템을 포함하는 광의의 컴퓨터이다.In addition, the computer is not only a general personal computer, but also a server computer accessible through a communication network, a cloud system, a smart phone, a smart device such as a tablet PC, a security camera, etc. It is a computer in a broad sense including embedded systems.

또한, 상기 컴퓨터 프로그램은 별도의 기록 매체에 저장되어 제공될 수 있으며, 상기 기록매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되어 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다.In addition, the computer program may be provided by being stored in a separate recording medium, and the recording medium may be specially designed and configured for the present invention or may be known and available to a person skilled in the art of computer software. .

예를 들면, 상기 기록매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD, DVD와 같은 광 기록 매체, 자기 및 광 기록을 겸할 수 있는 자기-광 기록 매체, 롬, 램, 플래시 메모리 등 단독 또는 조합에 의해 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치일 수 있다.For example, the recording medium includes a hard disk, a magnetic medium such as a floppy disk and a magnetic tape, an optical recording medium such as a CD and DVD, a magneto-optical recording medium capable of both magnetic and optical recording, ROM, RAM, and flash memory. and the like, alone or in combination, may be a hardware device specially configured to store and execute program instructions.

또한, 상기 컴퓨터 프로그램은 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등이 단독 또는 조합으로 구성된 프로그램일 수 있고, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라, 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드로 짜여진 프로그램일 수 있다In addition, the computer program may be a program composed of program instructions, a local data file, a local data structure, etc. alone or in combination, and may be executed by a computer using an interpreter as well as machine code such as generated by a compiler It can be a program written in a high-level language code

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기반의 동공 검출 방법은 크게 필터 뱅크를 생성하는 단계(S1000), 안구 영상을 입력받는 단계(S2000), 안구 영상으로부터 예상되는 동공 위치(이하,"예상 동공 영역",이라함)를 추출하는 단계(S3000) 및 상기 예상 동공 영역에서 최종 동공 위치(이하,"실제 동공 영역", 이라함)를 판단하는 단계(S4000)를 포함하여 이루어진다.In addition, the image-based pupil detection method according to an embodiment of the present invention largely includes the steps of generating a filter bank (S1000), receiving an eyeball image (S2000), and a pupil position expected from the eyeball image (hereinafter, “expected”). Extracting the pupil region (referred to as “,”) (S3000) and determining the final pupil position (hereinafter, referred to as “actual pupil region”) from the expected pupil region (S4000).

상기 영상 기반의 동공 검출 방법은 먼저, 필터 뱅크를 생성한다(S1000).The image-based pupil detection method first creates a filter bank (S1000).

본 발명의 상기 필터 뱅크는 아래에서 설명할 상기 예상 동공 영역을 추출하기 위해 필요한 이진화 영상들의 집합을 의미하며, 상기 필터 뱅크를 생성하기 위해서는 먼저, 다양한 크기를 갖는 복수의 영상 배경을 생성한다(S1100).The filter bank of the present invention means a set of binarized images necessary for extracting the predicted pupil region, which will be described below. In order to generate the filter bank, a plurality of image backgrounds having various sizes are first generated (S1100). ).

다음, 복수의 영상 배경의 각 중심 좌표를 기반으로 각 영상 배경마다 하나의 원을 투영하여 생성한다(S1200).Next, one circle is projected for each image background based on the respective center coordinates of the plurality of image backgrounds (S1200).

이때, 각 영상 배경마다 각기 다른 크기의 원이 형성될 수 있으며, 그 크기가 한정되는 것은 아니다.In this case, circles of different sizes may be formed for each image background, and the size is not limited.

다음, 원이 투영된 영상 배경들을 이진화한 영상을 추출하고 수집하여 필터 뱅크를 생성한다(S1300).Next, a filter bank is generated by extracting and collecting an image obtained by binarizing the image backgrounds on which the circle is projected (S1300).

상세하게는, 상기 영상 배경들에 투영된 원의 내부에 해당하는 영역의 픽셀 값을 "0"으로, 이외에 영역의 픽셀 값을 "255"로 이진화된 영상들을 포함하는 제1 필터 뱅크와 반대로 상기 영상 배경들에 투영된 원의 내부에 해당하는 영역의 픽셀 값을 "255"로, 이외에 영역의 픽셀 값을 "0"으로 이진화된 영상들을 포함하는 제2 필터 뱅크를 생성한다. In detail, as opposed to the first filter bank including images in which the pixel value of the region corresponding to the inside of the circle projected on the image backgrounds is “0”, and the pixel value of the region is “255”, in contrast to the first filter bank A second filter bank including images in which the pixel value of the region corresponding to the inside of the circle projected on the image backgrounds is “255” and the pixel value of the region is “0” is generated.

즉, 상기 필터 뱅크는 두 개의 필터 뱅크를 갖으며, 각 필터 뱅크에는 원의 크기 뿐만 아니라, 영상 크기가 다양한 이진화 영상들이 있으며, 원의 내부 영역이 "0" 또는 "255"의 값을 갖는다.That is, the filter bank has two filter banks, and each filter bank has binarized images having various image sizes as well as a circle size, and an inner region of the circle has a value of “0” or “255”.

다음, 상기 필터 뱅크를 생성한 이후에는, 카메라로부터 촬영된 안구 영상을 입력받는다(S2000).Next, after the filter bank is created, an eyeball image captured by the camera is received (S2000).

상기 카메라는 컴퓨터에 연결하는 캠(CAM), 스마트 기기, 의료용 카메라, 헤드 마운트 등일 수 있으며, 상기 안구 영상은 상기 카메라를 통해 검출된 사용자의 얼굴로부터 별도의 안구 검출 알고리즘을 통해 추출될 수 있다.The camera may be a CAM connected to a computer, a smart device, a medical camera, a head mount, etc., and the eyeball image may be extracted from a user's face detected through the camera through a separate eye detection algorithm.

다음, 입력된 안구 영상을 상기 필터뱅크의 이진화 영상들과 연산하여 예상 동공 영역을 추출한다(S3000). Next, an expected pupil region is extracted by calculating the inputted eye image with the binarized images of the filter bank (S3000).

상기 예상 동공 영역을 추출하기 위해 먼저, 상기 안구 영상을 상기 제1 필터뱅크의 이진화 영상들과 각각 합성곱 연산을 수행하여 제1 컨볼루션 영상들을 생성하고, 상기 안구 영상을 상기 제2 필터뱅크의 이진화 영상들과 각각 합성곱 연산을 수행하여 제2 컨볼루션 영상들을 생성한다(S3100).In order to extract the predicted pupil region, first convolutional operations are performed on the eyeball image with the binarized images of the first filter bank to generate first convolutional images, and the eyeball image is converted into the second filter bank. A convolution operation is performed on each of the binarized images to generate second convolutional images (S3100).

따라서, 생성된 제1 필터뱅크에는 동공 위치의 특징이 부각되는 제1 컨볼루션 영상들이 생성되며 제2 필터뱅크에는 동공 위치 이외의 안국 영역의 특징이 부각되는 제2 컨볼루션 영상들이 생성된다.Accordingly, first convolutional images emphasizing the characteristic of the pupil position are generated in the generated first filter bank, and second convolution images in which the characteristics of the eye-guk region other than the pupil position are emphasized are generated in the second filter bank.

한편, 상기 합성곱 연산을 수행하기 이전에 합성곱 연산의 결과가 상기 안구 영상의 크기와 동일한 영상 크기를 출력하기 위해 상기 안구 영상에 패딩(Padding) 작업을 수행하는 것이 바람직하다., On the other hand, before performing the convolution operation, it is preferable to perform a padding operation on the eyeball image in order to output an image size in which the result of the convolution operation is the same as the size of the eyeball image.

다음, 상기 제2 컨볼루션 영상들을 반전시키고, 상기 제1 컨볼루션 영상들과 상기 제2 컨볼루션 영상들을 곱셈 연산하여 곱셈 영상들을 추출한다(S3200).Next, the second convolution images are inverted, and multiplication images are extracted by multiplying the first convolution images and the second convolution images ( S3200 ).

상세하게는 상기 컨볼루션 영상을 생성하는 단계(S3100)에서 서로 동일한 영상 크기의 이진화 영상이 사용된 제1 컨볼루션 영상과 반전된 제2 컨볼루션 영상을 서로 곱셈 연산한다.In detail, in the step of generating the convolutional image ( S3100 ), a first convolutional image using a binarized image of the same image size and an inverted second convolutional image are multiplied by each other.

한편, 상기 제2 컨볼루션 영상을 반전시킴으로써, 기존의 어두운 부분이 밝아지고 밝았던 부분이 어두워지면서 동공 영역의 특징이 부각되게되며, 이 상태에서 상기 제1 컨볼루션 영상들과 곱하게 되면, 동공 영역이 안구의 다른 영역보다 밝게 나타나는 특징이 있다. On the other hand, by inverting the second convolutional image, the existing dark part becomes bright and the bright part becomes dark, and the characteristic of the pupil region is emphasized. There is a characteristic that an area appears brighter than other areas of the eyeball.

다음, 추출된 곱셈 영상들 중 가장 높은 픽셀 값을 갖는 곱셈 영상(이하,"유효 곱셈 영상"이라함)의 픽셀 좌표(이하,"유효 좌표",이라함)와 상기 유효 곱셈 영상을 추출하기 위해 사용된 이진화 영상(이하, 유효 이진화 영상", 이라함)의 영상 크기를 추출한다(S3300).Next, to extract the pixel coordinates (hereinafter referred to as "effective coordinates") of the multiplication image (hereinafter referred to as "effective multiplication image") having the highest pixel value among the extracted multiplication images and the effective multiplication image The image size of the used binarized image (hereinafter, referred to as "effective binarized image") is extracted (S3300).

다음, 상기 안구 영상에서 상기 유효 좌표와 대응되는 픽셀 좌표를 상기 유효 이진화 영상의 중심 좌표로 설정하고, 상기 유효 이진화 영상의 영상 크기만큼을 상기 안구 영상에서 예상 동공 영역으로 추출한다(S3400).Next, pixel coordinates corresponding to the effective coordinates in the eyeball image are set as the center coordinates of the effective binarized image, and an image size of the effective binarized image is extracted as an expected pupil region from the eyeball image (S3400).

상기 예상 동공 영역을 추출한 이후에는 실제 동공 영역을 판단한다(S4000).After the expected pupil region is extracted, the actual pupil region is determined (S4000).

상세하게는 상기 예상 동공 영역의 윤곽선(Edge) 영상과 그래디언트(Gradient) 영상을 추출한다(S4100).In detail, an edge image and a gradient image of the predicted pupil region are extracted (S4100).

여기서 상기 윤곽선 영상은 다양한 윤곽선 검출 알고리즘 중 캐니(Canny) 알고리즘을 사용하는 것이 바람직하다.Here, for the outline image, it is preferable to use a Canny algorithm among various outline detection algorithms.

또한, 상기 윤곽선 영상은 영상 내의 불필요한 소정 크기의 원, 짧은 선 등의 잡음을 제거하기 위한 모폴로지(Morpohology) 연산이 수행될 수 있다.In addition, the contour image may be subjected to a morphology operation for removing noise such as unnecessary circles and short lines of a predetermined size in the image.

또한, 상기 그래디언트 영상은 상기 예상 동공 영역을 수직 방향으로 미분한 수직 그래디언트 영상과 상기 예상 동공 영역을 수평 방향으로 미분한 수평 그래디언트 영상을 각각 포함한다.In addition, the gradient image includes a vertical gradient image obtained by differentiating the expected pupil area in a vertical direction and a horizontal gradient image obtained by differentiating the expected pupil area in a horizontal direction, respectively.

또한, 상기 그래디언트 영상은 소벨(Sobel) 알고리즘, 프리윗(Prewitt) 알고리즘, 로버츠(ROberts) 알고리즘, 라플라시안(laplacian) 알고리즘 등으로 추출될 수 있다.Also, the gradient image may be extracted using a Sobel algorithm, a Prewitt algorithm, a ROberts algorithm, a laplacian algorithm, or the like.

다음, 상기 윤곽선 영상으로부터 타원 형상을 갖는 경계 영역들을 검출한다(S4200).Next, boundary regions having an elliptical shape are detected from the outline image (S4200).

여기서, 상기 타원 형상을 검출하는 알고리즘은 허브 변환을 기반으로 하는 알고리즘 등 공지된 다양한 기술들이 사용될 수 있으며, 타원을 검출하기 위한 알고리즘이 한정된 것은 아니다.Here, as the algorithm for detecting the shape of the ellipse, various known techniques such as an algorithm based on hub transformation may be used, and the algorithm for detecting the ellipse is not limited.

다음, 상기 경계 영역들에 대응되는 상기 그래디언트 영상의 픽셀 좌표에서 기설정된 값 이상의 그래디언트 값을 갖는 픽셀 개수를 카운트하고(S4300), 카운트된 픽셀 개수가 가장 많은 경계 영역을 추출한다(S4400).Next, the number of pixels having a gradient value greater than or equal to a preset value in pixel coordinates of the gradient image corresponding to the boundary regions is counted (S4300), and a boundary region having the largest number of counted pixels is extracted (S4400).

다음, 추출된 경계 영역이 기설정된 조건에 해당하는지 적합성을 판단하여 실제 동공 영역을 검출한다(S4500).Next, it is determined whether the extracted boundary region corresponds to a preset condition, and the actual pupil region is detected (S4500).

여기서, 추출된 경계 영역의 적합성을 판단하기 위해 기설정된 조건은 다음과 같다.Here, preset conditions for determining suitability of the extracted boundary region are as follows.

1) 추출된 경계 영역의 장축과 단축 비율이 기설정된 비율 이하에 해당1) The ratio of the major axis and the minor axis of the extracted boundary area is less than or equal to a preset ratio

2) 추출된 경계 영역의 크기가 기설정된 범위 이내에 해당2) The size of the extracted boundary area falls within a preset range

3) 일정 프레임 내 추출된 경계 영역의 중심 좌표와 크기의 변화가 기설정된 오차 범위 이내에 해당3) The change in the center coordinates and size of the boundary area extracted within a certain frame falls within a preset error range

즉, 추출된 경계 영역이 기설정된 조건에 해당하는지 판단하여(S4510) 모든 조건에 해당할 경우 적합으로 판단하고, 추출된 경계 영역을 실제 동공 영역으로 추출한다(S4520) That is, it is determined whether the extracted boundary region corresponds to a preset condition (S4510), and if all conditions are satisfied, it is determined to be suitable, and the extracted boundary region is extracted as an actual pupil region (S4520).

만약, 기설정된 조건에 하나라도 해당되지 않을 경우 상기 경계 영역들을 검출하는 과정부터 반복 수행시킨다.If at least one of the preset conditions is not met, the process of detecting the boundary regions is repeatedly performed.

따라서, 본 발명의 영상 기반 동공 검출 방법은 1차적으로 예상 동공 영역을 검출하고, 검출된 예상 동공 영역에서 실제 동공 영역을 찾기 위한 연산이 수행되기 때문에 불필요한 연산 수행과 오검출을 최소화할 수 있다.Therefore, in the image-based pupil detection method of the present invention, unnecessary operation and erroneous detection can be minimized because the predicted pupil region is primarily detected and the operation to find the actual pupil region from the detected predicted pupil region is performed.

또한, 예상되는 동공 영역에서 윤곽선 영상에서 타원 형상을 검출 후 타원 형상의 크기 및 비율, 일정값 이상의 그래디언트 값을 포함하는 픽셀 개수 등을 이용하여 실제 동공 영역에 해당하는 위치를 검출해 내기 때문에 반사광뿐만 아니라 동공의 불규칙한 모양에 상관없이 동공을 정확하게 검출할 수 있어 동공 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.In addition, after detecting the elliptical shape from the outline image in the expected pupil region, the position corresponding to the actual pupil region is detected using the size and ratio of the elliptical shape, the number of pixels including a gradient value over a certain value, etc. However, it is possible to accurately detect the pupil regardless of the irregular shape of the pupil, which has the advantage of improving the reliability of pupil measurement.

또한, 본 발명의 영상 기반 동공 검출 방법을 걸쳐 검출된 실제 동공 영역을 기반으로 동공의 크기 및 상태를 측정할 경우 동공 검출의 정확성이 높아 동공 측정 결과에 대한 높은 신뢰성을 얻을 수 있다..In addition, when the size and state of the pupil is measured based on the actual pupil region detected through the image-based pupil detection method of the present invention, the accuracy of pupil detection is high, so that high reliability of the pupil measurement result can be obtained.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.As described above, the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments, but it is not limited to the above-described embodiments, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains within the scope not departing from the spirit of the present invention Various changes and modifications will be possible.

Claims (7)

각기 다른 크기의 원이 생성된 이진화 영상들을 포함하는 필터뱅크를 생성하는 단계;
카메라로 촬영된 안구 영상를 입력받는 단계;
상기 안구 영상을 상기 필터뱅크의 이진화 영상들과 연산하여 예상되는 동공 위치(이하,"예상 동공 영역"이라함)를 추출하는 단계; 및
상기 예상 동공 영역에서 타원 형상을 갖는 경계 영역들을 추출하고, 상기 경계 영역들 중 기설정된 조건과 비교하여 최종 동공 위치(이하,"실제 동공 영역",이라함)를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 기반의 동공 검출 방법.
generating a filter bank including binarized images in which circles of different sizes are generated;
receiving an eyeball image captured by a camera;
extracting an expected pupil position (hereinafter, referred to as an “expected pupil region”) by calculating the eye image with the binarized images of the filter bank; and
extracting boundary regions having an elliptical shape from the predicted pupil region, and determining a final pupil position (hereinafter referred to as “actual pupil region”) by comparing it with a preset condition among the boundary regions; An image-based pupil detection method characterized in that.
제 1 항에 있어서,
상기 필터뱅크를 생성하는 단계:는
다양한 영상 크기를 갖는 복수의 영상 배경을 생성하는 단계;
상기 영상 배경들의 각 중심 좌표를 기반으로 다양한 크기의 원을 투영하는 단계; 및
상기 영상 배경들에 투영된 원의 내부에 해당하는 영역의 픽셀 값을 "0", 이외의 영역의 픽셀 값을 "255"로 이진화된 영상들을 포함하는 제1 필터뱅크와 상기 영상 배경들의 투영된 원의 내부의 픽셀 값을 "255"로하고, 이외의 영역의 픽셀 값을 "0"으로 이진화된 영상들을 포함하는 한 제2 필터뱅크를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 기반의 동공 검출 방법
The method of claim 1,
Creating the filter bank:
generating a plurality of image backgrounds having various image sizes;
projecting circles of various sizes based on the respective center coordinates of the image backgrounds; and
A first filter bank including images in which the pixel value of a region corresponding to the inside of the projected circle on the image backgrounds is “0” and pixel values of other regions are “255” and the projected images of the image backgrounds Creating a second filter bank including images in which the pixel value inside the circle is set to “255” and the pixel value in the other region is binarized to “0”; Pupil detection method
제 2 항에 있어서,
상기 예상 동공 영역을 추출하는 단계:는
상기 안구 영상를 상기 제1 필터뱅크의 이진화 영상들과 각각 합성곱 연산을 수행하여 제1 컨볼루션 영상들을 생성하고, 상기 안구 영상를 상기 제2 필터뱅크의 이진화 영상들과 각각 합성곱 연산을 수행하여 제2 컨볼루션 영상들을 생성하는 단계;
상기 제2 컨볼루션 영상들을 반전시키는 단계;
상기 컨볼루션 영상들을 영상 생성 단계에서 서로 동일한 크기의 이진화 영상이 사용된 제1 컨볼루션 영상과 반전된 제2 컨볼루션 영상을 서로 곱셈 연산하여 곱셈 영상들을 추출하는 단계;
상기 곱셈 영상들 중 가장 높은 밝기값을 갖는 곱셈 영상(이하,"유효 곱셈 영상"이라함)의 픽셀 좌표(이하,"유효 좌표",이라함)와 상기 유효 곱셈 영상를 추출하기 위해 사용된 이진화 영상(이하,"유효 이진화 영상",이라함)의 크기를 추출하는 단계; 및
상기 안구 영상에서 상기 유효 좌표와 대응되는 픽셀 좌표를 상기 유효 이진화 영상의 중심 좌표로 설정하고, 상기 유효 이진화 영상의 영상 크기만큼을 상기 안구 영상에서 예상 동공 영역으로 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 기반의 동공 검출 방법.
3. The method of claim 2,
Extracting the predicted pupil region:
First convolution operations are performed on the eyeball image with the binarized images of the first filter bank, respectively, to generate first convolutional images, and convolution operation is performed on the eyeball image with the binarized images of the second filter bank, respectively. 2 generating convolutional images;
inverting the second convolutional images;
extracting multiplied images by multiplying the convolutional images by multiplying a first convolutional image using a binarized image of the same size and an inverted second convolutional image in the image generating step;
The pixel coordinates (hereinafter referred to as "effective coordinates") of the multiplication image (hereinafter referred to as "effective multiplication image") having the highest brightness value among the multiplication images and the binarized image used to extract the effective multiplication image extracting the size of (hereinafter, referred to as "effective binarization image"); and
setting pixel coordinates corresponding to the effective coordinates in the eyeball image as the center coordinates of the effective binarized image, and extracting an image size of the effective binarized image as an expected pupil region from the eyeball image. An image-based pupil detection method.
제 3 항에 있어서,
상기 실제 동공 영역을 추출하는 단계:는
추출된 예상 동공 영역의 윤곽선 영상과 그래디언트 영상를 추출하는 단계;
상기 윤곽선 영상로부터 타원 형상을 갖는 경계 영역들을 검출하는 단계;
상기 경계 영역들에 대응되는 상기 그래디언트 영상의 픽셀 좌표에서 기설정된 값 이상의 그래디언트 값을 갖는 픽셀 개수를 카운트하는 단계;
카운트된 픽셀 개수가 가장 많은 경계 영역을 추출하는 단계; 및
추출된 경계 영역이 기설정된 조건에 해당하는지 적합성을 판단하는 단계;를 포함하며,
추출된 경계 영역이 기설정된 조건에 적합할 경우 실제 동공 영역으로 추출하고, 적합하지 않을 경우 상기 경계 영역들을 검출하는 단계부터 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 영상 기반의 동공 검출 방법
4. The method of claim 3,
Extracting the real pupil region:
extracting a contour image and a gradient image of the extracted predicted pupil region;
detecting boundary regions having an elliptical shape from the outline image;
counting the number of pixels having a gradient value greater than or equal to a preset value in pixel coordinates of the gradient image corresponding to the boundary regions;
extracting a boundary region having the largest number of counted pixels; and
Including; determining suitability whether the extracted boundary area corresponds to a preset condition;
An image-based pupil detection method, characterized in that if the extracted boundary region is suitable for a preset condition, it is extracted as an actual pupil region, and if not suitable, the step of detecting the boundary region is repeatedly performed
제 4 항에 있어서,
상기 그래디언트 영상는 수직 방향으로 미분된 수직 그래디언트 영상와 수평 방향으로 미분된 수평 그래디언트 영상를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상기반의 동공 검출 방법
5. The method of claim 4,
The gradient image is an image-based pupil detection method, characterized in that it includes a vertical gradient image differentiated in a vertical direction and a horizontal gradient image differentiated in a horizontal direction
제 4 항에 있어서,
상기 적합성 판단 단계는 추출된 경계 영역의 장축과 단축 비율이 설정된 비율 이하이고, 크기가 기설정된 범위 이내에 해당되며, 일정 프레임 내 추출된 경계 영역의 중심 좌표와 크기의 변화가 오차 범위 이내에 해당될 경우 적합으로 판단하는 것을 특징으로 하는 영상 기반의 동공 검출 방법
5. The method of claim 4,
In the suitability determination step, when the ratio of the major axis and the minor axis of the extracted boundary area is less than or equal to a set ratio, the size falls within a preset range, and the change in the center coordinate and size of the extracted boundary area within a certain frame falls within the error range Image-based pupil detection method, characterized in that it is judged as suitable
컴퓨터와 결합하여 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 영상 기반의 동공 검출 방법을 수행하기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.


A computer program stored in a medium for performing the image-based pupil detection method of any one of claims 1 to 6 in combination with a computer.


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