TWM474479U - 眼球追跡裝置及其影像擷取模組 - Google Patents

Description

眼球追跡裝置及其影像擷取模組

本創作乃關於一種眼球追跡裝置及其元件，特別是指一種眼球追跡裝置及使用於此眼球追跡裝置的影像擷取模組。

眼球追跡(Eye-tracking)技術可偵測眼球的運動，以感測被偵測者的凝視點(point of gaze)。此項技術已被應用於醫療設備、眼動儀(eye tracker)、視動滑鼠(eye mouse)及頭戴式顯示器(Head Mounted Display，HMD)。

一般眼球追跡裝置通常具有多個發光源及攝影機，而各發光源發出光線照射於個別的眼睛，攝影機接收由眼睛所反射的光線，並擷取瞳孔(pupil)與虹膜(iris)的影像。利用影像處理技術，可判斷虹膜的位置，進一步偵測眼球的運動。

然而，由於不同受測對象的虹膜顏色並不一定相同。若受測者的虹膜顏色較淺，在進行影像處理時，虹膜外緣(outer edge of the iris)影像的灰階會接近鞏膜(sclera)影像的灰階，以至於眼球追跡裝置擷取到的虹膜外緣較模糊(blurry)的影像，造成眼球追跡裝置可能會不易精確地判斷眼球的運動。

本創作提供一種眼球追跡裝置，其利用光源和影像感測單元的位置設置(arrangement)，來得到較銳利(sharp)的虹膜影像。

本創作提供一種影像擷取模組，其應用於上述眼球追跡裝置。

本創作一實施例提出一種影像擷取模組，用以擷取眼睛的虹膜影像。影像擷取模組包括載架、光源及影像感測單元。光源設置於載架上，用以發射一光束至眼睛，影像感測單元設置於載架上，並利用從眼睛所反射的光束來擷取虹膜影像，其中載架用於將影像感測單元與光源固定在眼睛的前方，而影像感測單元與光源分別設置於通過眼睛中心的縱向基準面的不同側。

本創作另一實施例提出一種眼球追跡裝置，其用以感測眼睛的虹膜的移動。眼球追跡裝置包括前述的影像擷取模組及處理單元，用以接收並處理影像擷取模組中的影像感測單元所傳遞的訊號，以辨識虹膜的影像。

為了能更進一步瞭解本創作的技術，請參閱以下詳細說明與圖式，相信本創作的特徵，當可由此得以具體瞭解。然而，所附圖式與附件僅提供參考與說明用，並非用來對本創作加以限制者。

1‧‧‧眼球追跡裝置

10‧‧‧影像擷取模組

11‧‧‧處理單元

100‧‧‧載架

110‧‧‧光源

L1‧‧‧光束

O1‧‧‧第一光軸

θ1‧‧‧第一夾角

120‧‧‧影像感測單元

L2‧‧‧反射光束

O2‧‧‧第二光軸

θ2‧‧‧第二夾角

102‧‧‧鏡框

103‧‧‧鏡腳

E1‧‧‧眼睛

E0‧‧‧眼球球心

C1‧‧‧內眼角

C2‧‧‧外眼角

P1‧‧‧瞳孔

I1‧‧‧虹膜

S1‧‧‧鞏膜

F1‧‧‧橫斷面

F2‧‧‧縱向基準面

30‧‧‧眼睛影像

3a、3b‧‧‧曲線

圖1 顯示本創作實施例之眼球追跡裝置的前視示意圖。

圖2A顯示本創作實施例的眼球追跡裝置位於眼睛前方之示意圖。

圖2B顯示圖2A沿線A-A剖面所繪示之眼球追跡裝置及眼睛之剖面示意圖。

圖3顯示本創作的眼球追跡裝置與習知眼球追跡裝置兩者所擷取的虹膜影像的灰階值變化示意圖。

圖4A及圖4B顯示本創作實施例的眼球追跡裝置的局部示意圖。

圖5A及圖5B顯示本創作實施例的眼球追跡裝置的局部示意圖。

圖1是本創作實施例的眼球追跡裝置的前視示意圖。眼球追 跡裝置1包括影像擷取模組10及處理單元11。影像擷取模組10包括載架100、光源110及影像感測單元120。光源110與影像感測單元120皆裝設於載架100上，而光源110與影像感測單元120可以利用膠黏(adhesive)、螺絲鎖固(screwing)或機械卡合的方式裝設於載架100。

本創作的眼球追跡裝置1可應用於眼鏡型顯示器或頭戴式顯示器等電子裝置。當使用者使用上述電子裝置時，載架100用以使光源110與影像感測單元120配置在使用者的眼睛E1前方。在本創作實施例中，載架100可為鏡架，並包括至少一個鏡框(frame)102與一固定部。所述的固定部在本實施例中為一對鏡腳(temple)103，並讓載架100能配戴在臉上，以使光源110與影像感測單元120配置在使用者的面前。

此外，在圖1的實施例中，載架100包括一對鏡框102，但在其他實施例中，載架100所包括的鏡框102的數量可以僅為一個。鏡腳103連接鏡框102。例如，鏡腳103可樞接鏡框102，以使鏡腳103能相對於鏡框102轉動。此外，鏡腳103也可以固定於鏡框102，即鏡腳103整體上不會與鏡框102相對轉動。或者是，鏡框102與鏡腳103可以採用一體成型之設計。

上述關於載架100的描述僅為舉例說明，但不以此為限。舉例而言，在其他實施例中，本創作的眼球追跡裝置1也能應用於頭戴式顯示器，而前述固定部可以是一根支撐桿，並使鏡框102能夠懸掛於使用者眼前。

處理單元11為一數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)，其用以針對影像感測單元120所擷取的影像作影像處理，以得知眼睛E1的運動。根據對眼睛E1運動的分析，處理單元11能得知使用者視線的移動方向。舉例而言，處理單元11透過影像感測單元120取得影像後，可利用輪廓比對方式從上述影像來分 析出虹膜外緣和眼眶之間的相對距離，進一步判定使用者視線移動的方向。以下先針對眼球追跡裝置1位於一眼睛前方的情況說明如下。

請參照圖2A及圖2B。圖2A顯示本創作實施例的眼球追跡裝置位於眼睛前方之示意圖。圖2B顯示圖2A沿線A-A之眼球追跡裝置及眼睛之剖面示意圖。眼睛E1具有一橫斷面F1與一縱向基準面F2，其中橫斷面F1與縱向基準面F2垂直。在本創作實施例中，橫斷面F1與縱向基準面F2皆通過眼睛E1的中心，而縱向基準面F2是位於眼睛E1的內眼角C1與外眼角C2之間。

詳細而言，前述眼睛E1的中心實際上是指當眼睛E1正視前方時，瞳孔P1的中心位置。在本創作實施例中，線A-A通過眼睛的中心，且前述的橫斷面F1是通過線A-A。而並且，線A-A與縱向基準面F2的法線方向平行，而線B-B與橫斷面F1之法線方向平行。此外，橫斷面F1與縱向基準面F2也皆通過眼睛E1的眼球球心E0。

光源110用以發出光束L1至眼睛E1，而光束L1照射到眼睛E1上。光源110在一實施例中可為發光二極體(Light Emitting Diode，LED)，而光源110所產生的光束L1可以是可見光(visible light)或不可見光(invisible light)，其中此不可見光例如是紅外光(infrared light)。具體而言，光源110可為紅外光發光二極體。

在本實施例中(如圖2A與圖2B所示)，眼球追跡裝置1對單一顆眼睛E1只發出一條光束L1，但在其他實施例中，眼球追跡裝置1能發出多條光束L1照射於單一顆眼睛E1，並於此顆眼睛E1上形成多個亮點(glint，未繪示)，其中眼球追跡裝置1可以包括多個光源110來對單一顆眼睛E1發出這些光束L1。在這些亮點當中，其中至少部分亮點可位於瞳孔P1以外的區域。

影像感測單元120利用從眼睛E1所反射的光束L2來擷取虹 膜I1的影像，所以影像感測單元120能擷取波長範圍與光束L1相同或相似的光線所形成的影像，意即影像感測單元120可為可見光影像感測器或紅外線影像感測器(IR image sensor)。另外，在一實施例中，影像感測單元120可為互補式金屬氧化物半導體感測元件(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Sensor，CMOS Sensor)或電荷耦合元件(Charge-Coupled Device，CCD)。

請參照圖2B，在本創作實施例中，就單一顆眼睛E1而言，影像感測單元120與光源110分別設置於縱向基準面F2的不同側。換言之，光源110與影像感測單元120分別設置於眼睛E1的內眼角C1的一側及外眼角C2的一側。

具體而言，光源110的第一光軸O1與縱向基準面F2形成第一夾角θ1，而影像感測單元120的第二光軸O2與縱向基準面F2形成第二夾角θ2，其中第一夾角θ1與第二夾角θ2為銳角，並且第一夾角θ1大於或等於第二夾角θ2。換言之，第一夾角θ1與第二夾角θ2將滿足關係式：90°>θ1≧θ2。

進一步而言，第一光軸O1與第二光軸O2在縱向基準面F2分別形成一第一正投影向量及一第二正投影向量，而所述的第一夾角θ1是指第一光軸O1和第一正投影向量之間的夾角。相似地，第二夾角θ2是指第二光軸O2和第二正投影向量之間的夾角。

在一實施例中，第一夾角θ1與第二夾角θ2為銳角，並且滿足關係式：θ1=θ2±20°，意即第一角度θ1也可以小於第二角度θ2。此外，在其他實施例中，第一夾角θ1可滿足關係式：0°<θ1≦70°，且第二夾角θ2也可滿足關係式：0°<θ2≦70°。藉由前述的設置關係，可避開光源110與影像感測單元120較難入射眼睛及接收反射光束L2成像的位置。

基於上述，當光源110發出光束L1，而光束L1從縱向基準面F2的一側入射至眼睛E1時，光束L1能被眼睛E1反射成光束L2， 而反射光束L2會從縱向基準面F2的另一側出射。由於影像感測單元120與光源110分別設置於同一顆眼睛E1的縱向基準面F2不同側，因此反射光束L2位於影像感測單元120處的照度會偏高，使得影像感測單元120能有效地接收反射光束L2，從而擷取虹膜I1的影像。

請參照圖3，顯示顯示本創作的眼球追跡裝置與習知眼球追跡裝置兩者所擷取的虹膜影像的灰階值變化示意圖，其中圖3所示的曲線3a與曲線3b代表圖3中沿線A-A的灰階值變化。

曲線3a與曲線3b皆是針對同一使用者的同一隻眼睛所量測的結果。前述的使用者為白種人，並且其用來測試的眼睛的虹膜顏色較淺。曲線3a所示為使用本創作之眼球追跡裝置1所擷取之虹膜I1影像沿線A-A的灰階值變化。由曲線3a可看出虹膜I1與鞏膜S1之間的灰階值落差較大，而使影像感測單元120所擷取到的虹膜I1影像具有較銳利(sharp)的邊緣。也就是說，當處理單元11接收到影像感測單元120所傳遞的訊號，並進行影像處理時，處理單元11不需要進行太複雜的處理程序，例如調整對比度或者是過濾雜訊等處理程序，即可分辨虹膜I1外緣所在的位置。

而曲線3b為採用習知眼球追跡裝置所測得結果。由曲線3b看出，影像感測單元120所擷取到的虹膜I1影像邊緣較模糊(blurry)。因此，影像感測單元120所擷取到的影像，須要由處理單元11進行較複雜的影像處理技術，才能辨別虹膜I1與鞏膜S1之間的界線。因此，相較於習知光源110和影像感測單元120設置於縱向基準面F2同側的情況而言，當使用者的虹膜I1顏色較淺，且光源110和影像感測單元120分別設置於縱向基準面F2的不同側時，影像感測單元120所擷取到的影像中，虹膜I1與鞏膜S1的對比度較高，且虹膜I1影像的外緣較銳利。

請參照圖4A及圖4B，顯示本創作實施例的眼球追跡裝置的 局部示意圖。在本創作實施例中，當光源110與影像感測單元120設置於載架100上，並配置於眼睛E1前時，光源110與影像感測單元120是分別設置於橫斷面F1的不同側。舉例而言，光源110可設置於橫斷面F1的下方，而影像感測單元120可設置於橫斷面F1的上方，如圖4A所示。

進一步而言，光源110是設置於內眼角C1與外眼角C2連線的下方，而影像感測單元120設置於內眼角C1與外眼角C2連線的上方。此外，光源110的位置是靠近內眼角C1，而影像感測單元120的位置則靠近於外眼角C2。也就是說，當使用者配戴應用本創作之眼球追跡裝置1的電子產品後，光源110的位置較靠近鼻樑，而影像感測單元120的位置較遠離鼻樑。另外，在其他實施例中，光源110和影像感測單元120的位置可相互對調。也就是說，光源110可位於橫斷面F1的上方，並較靠近外眼角C2，而影像感測單元120可位於橫斷面F2的下方，並較靠近內眼角C1。

請參照圖4B，本實施例中光源110設置於橫斷面F1的上方，而影像感測單元120設置於橫斷面F1的下方。進一步而言，光源110是設置於內眼角C1與外眼角C2連線的上方，而影像感測單元120設置於內眼角C1與外眼角C2連線的下方。和前一實施例相似，光源110的位置較靠近內眼角C1，而影像感測單元120的位置較靠近外眼角C2。

請參照圖5A及圖5B，顯示本創作實施例的眼球追跡裝置的局部示意圖。在本創作實施例中，光源110與影像感測單元120皆設置於橫斷面F1的同側。舉例而言，光源110與影像感測單元120皆設置於橫斷面F1以上，也就是位於內眼角C1及外眼角C2的連線上方，如圖5A所示。另外，光源110與影像感測單元120也可皆設置於橫斷面F1以下，也就是位於內眼角C1及外眼角C2的連線下方，如圖5B所示。

綜上所述，在本創作實施例中，光源及影像感測單元分別設置於縱向基準面的不同側，因此相較於習知技術而言，眼球追跡裝置可以擷取到較為銳利的虹膜影像。即使是擷取虹膜顏色較淺的眼睛影像，上述眼球追跡裝置也能擷取到較為銳利的清晰虹膜影像。如此，當處理單元對影像感測單元所擷取到的影像進行處理，以判定使用者的視線移動方向時，本創作除了可簡化後續處理單元所執行的處理程序之外，也可降低因虹膜與鞏膜之間的對比度偏低所造成的誤差，從而有助於準確地偵測眼睛的運動。

以上所述僅為本創作的實施例，凡依本創作申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本創作之涵蓋範圍。

1‧‧‧眼球追跡裝置

10‧‧‧影像擷取模組

11‧‧‧處理單元

100‧‧‧載架

110‧‧‧光源

120‧‧‧影像感測單元

E1‧‧‧眼睛

C1‧‧‧內眼角

C2‧‧‧外眼角

P1‧‧‧瞳孔

I1‧‧‧虹膜

S1‧‧‧鞏膜

F1‧‧‧橫斷面

F2‧‧‧縱向基準面

Claims (20)

1. 一種影像擷取模組，用以擷取一眼睛的一虹膜影像，該影像擷取模組包括：一載架；一光源，設置於該載架上，用以發射一光束至該眼睛；以及一影像感測單元，設置於該載架上，並利用從該眼睛所反射的該光束來擷取該虹膜影像，其中該載架用於將該影像感測單元與該光源固定在該眼睛的前方，該影像感測單元與該光源分別設置於通過該眼睛之中心的一縱向基準面的不同側。
2. 如請求項1所述之影像擷取模組，其中該光源的一第一光軸與該縱向基準面形成一第一夾角θ1，而該影像感測單元的一第二光軸與該縱向基準面形成一第二夾角θ2，該第一夾角θ1及該第二夾角θ2滿足下列關係式：90°>θ1≧θ2。
3. 如請求項2所述之影像擷取模組，其中該第一夾角θ1滿足下列關係式：0°<θ1≦70°，且該第二夾角θ2滿足下列關係式：0°<θ1≦70°。
4. 如請求項1所述之影像擷取模組，其中該光源的一第一光軸與該縱向基準面形成一第一夾角θ1，而該影像感測單元的一第二光軸與該縱向基準面形成一第二夾角θ2，其中該第一夾角θ1與該第二夾角θ2滿足下列關係式：θ2=θ1±20°。
5. 如請求項1所述之影像擷取模組，其中該縱向基準面是根據該眼睛的一橫斷面所定義，該縱向基準面位於該眼睛的一內眼角與一外眼角之間，並垂直於該橫斷面，且該影像感測單元及該光源皆設置於該橫斷面的相同側。
6. 如請求項1所述之影像擷取模組，其中該縱向基準面是根據該眼睛的一橫斷面所定義，該縱向基準面位於該眼睛的一內眼角與一外眼角之間，並垂直於該橫斷面，且該影像感測單元及該光源 分別設置於該橫斷面的不同側。
7. 如請求項1所述之影像擷取模組，其中該光束為不可見光。
8. 如請求項1所述之影像擷取模組，其中該光源為紅外光發光二極體。
9. 一種眼球追跡裝置，用以感測一眼睛的一虹膜的移動，該眼球追跡裝置包括：一載架；一光源，設置於該載架上，並用以發射一光束至該眼睛；一影像感測單元，設置於該載架上，並利用從該眼睛所反射的該光束來擷取該虹膜的影像，其中該載架用於將該影像感測單元與該光源固定在該眼睛的前方，該影像感測單元與該光源分別設置於通過該眼睛之中心的一縱向基準面的不同側；及一處理單元，用以接收並處理該影像感測單元所傳遞的訊號，以辨識該虹膜的影像。
10. 如請求項9所述之眼球追跡裝置，其中該光源的一第一光軸與該縱向基準面形成一第一夾角θ1，而該影像感測單元的一第二光軸與該縱向基準面形成一第二夾角θ2，該第一夾角θ1及該第二夾角θ2滿足下列關係式：90°>θ1≧θ2。
11. 如請求項10所述之眼球追跡裝置，其中該第一夾角θ1滿足下列關係式：0°<θ1≦70°，且該第二夾角θ2滿足下列關係式：0°<θ1≦70°。
12. 如請求項9所述之眼球追跡裝置，其中該光源的一第一光軸與該縱向基準面形成一第一夾角θ1，而該影像感測單元的一第二光軸與該縱向基準面形成一第二夾角θ2，該第一夾角θ1與該第二夾角θ2滿足下列關係式：θ1=θ2±20°。
13. 如請求項9所述之眼球追跡裝置，其中該縱向基準面是根據該眼睛的一橫斷面所定義，該縱向基準面位於該眼睛的一內眼角與 一外眼角之間，並垂直於該橫斷面。
14. 如請求項13所述之眼球追跡裝置，其中該影像感測單元及該光源皆設置於該橫斷面以下。
15. 如請求項13所述之眼球追跡裝置，其中該影像感測單元及該光源皆設置於該橫斷面以上。
16. 如請求項13所述之眼球追跡裝置，其中該影像感測單元及該光源分別設置於該橫斷面的不同側。
17. 如請求項9所述之眼球追跡裝置，其中該光束為不可見光。
18. 如請求項9所述之眼球追跡裝置，其中該光源為紅外光發光二極體。
19. 如請求項9所述之眼球追跡裝置，其中該處理單元為一數位訊號處理器(digital signal processor)。
20. 如請求項9所述之眼球追跡裝置，其中該載架為一鏡架。