WO2003065886A1 - Verfahren und anordnung zur kontaktlosen bestimmung der blickrichtung - Google Patents

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Sebastian Berkes
Andreas GÖTZE
Günter HENNING
Peter Husar
Kai-Uwe Plagwitz
Klaus Schellhorn
Dirk Strauss
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Technische Universität Ilmenau
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B3/00—Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
    • A61B3/10—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
    • A61B3/113—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for determining or recording eye movement

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for the contactless determination of the current line of sight (optical orientation) of a measurement object, e.g. of the human eye.
  • the method according to the invention with the associated arrangement is important for medicine and for applied sciences. It can be used in all cases in which a non-invasive and sufficiently quick determination of the current line of sight is to be implemented without impairing the visual field.
  • Corneal reflex method With this method, the eye is illuminated by an infrared source so as not to disturb the view in the visible area. The projected light creates a reflex (corneal reflex) on the cornea, which can be captured with an image processing system. This reflex appears on the camera image as a light spot on the eye. The viewing direction is calculated from the position of the reflex with respect to the anatomical points of the eye.
  • a disadvantage here is the enormous amount of computation required for real-time image processing.
  • Another disadvantage is that the temporal resolution, in accordance with the television standard usually used, is in the range of 20 milliseconds, which is only sufficient for simple applications.
  • Search coil method A contact lens is placed on the eye that contains thin wire loops that are connected to an evaluation system via cables.
  • the spatial position 'of the wire loops can be determined and the view direction are determined therefrom.
  • the disadvantage of this method is the very high technical complexity and the associated enormous costs. From a medical point of view, it is particularly disadvantageous that this is a semi-invasive procedure in which the sensor is placed directly on the eye and is connected to the system by cable. This method cannot be used if a medically contactless procedure is indicated.
  • Limbus tracking Light sources are attached close to the eye, illuminating the area between the cornea and the eyeball. The reflected light is recorded with optical sensors and its intensity measured. The displacement of the eye and thus the direction of view is determined from the intensity differences that form when the light passes from the cornea to the eyeball and vice versa.
  • a disadvantage is the very weak signal of the measuring arrangement, which can be severely affected by external interference. Medically very problematic is the severe restriction of the visual field, which cannot be accepted, especially in ophthalmic examinations.
  • EOG derivation The electrical activity of the eye dipole is recorded and evaluated vertically and horizontally by the skin surface close to the eye. With each eye movement there are typical potential curves that are proportional to the deflection of the eye and that determine the direction of the gaze. be used.
  • a disadvantage of this method is the real properties of the electro-log used: The zero line drifts relatively strongly during the examination, so that a reference to the starting point is hardly possible and only relative changes in position can be recorded. The intra- and inter-individual variability of the EOG is so strong that an individual calibration is necessary and even the measurements cannot be reproduced individually. In addition, there are potential disturbances in the surrounding muscles, which can significantly distort the measurement result.
  • the viewing direction is understood to be the position taken by the human eye to capture an image. In general, this means the alignment of a measurement object in relation to a previously determined point.
  • An advantage of the method according to the invention over the known prior art is that both the projection device and the optoelectronic sensor can be positioned in the room in such a way that they do not or only slightly impair the field of vision of the viewer.
  • the detection of the spatial position of the cornea (cornea) can be done at a much higher speed than with conventional systems. This enables an almost real-time detection of the viewing direction. Another medically significant advantage is that no calibration is necessary before the measurement. This eliminates problems due to subjective incorrect settings or lack of cooperation by the viewer.
  • the direction of view of a human eye can be determined using the method according to the invention, the individual steps of which also result from the following description.
  • the optical alignment of other objects can also be determined.
  • a beam shaping module 2 For this purpose, light from a light source 1 is processed in a first step by means of a beam shaping module 2.
  • the beam shaping module consists of suitable optics and apertures or optomechanical or optoelectronic components (e.g. Cylinder optics or moving deflecting mirrors) with which the generation of a line beam is possible.
  • the line beam can either consist of a fast-running parallel fan beam or a “curtain” of parallel beams.
  • the beam provided by the beam shaping module 2 is then fed to a deflection unit 3, which converts it into a line-shaped light band.
  • the light band is deflected by the deflection unit 3 onto a measurement object 4, e.g. a human eye, projected. Due to the projection, the deflection unit 3 can be positioned at a greater distance in front of the measurement object / eye, so that the measurement to be carried out, for example, hardly impairs the image acquisition to be carried out by a test person.
  • the light band is projected onto the eye by the deflection unit 3 as a so-called parallel scan.
  • the scan or movement direction of the beam fan or “curtain”, the speed of the scan (swept width per unit of time) and the direction vector of the impact (normal vector) of the light bath are defined and stored in the arrangement for further data processing.
  • the light which is reflected on the surface of the measurement object 4 and changes in time and direction is detected by means of suitably arranged optoelectronic sensors 5.
  • the sensors 5 are to be arranged closely (ie with the highest possible resolution) in the reflection direction that is to be expected. The extent of the area to be monitored by the sensors must be adapted to the expected divergence of the reflected radiation. Individual sensors, a light-sensitive sensor array or other image acquisition systems can be used as sensors be applied. Because of the strong divergence of the relatively weak reflections thrown back by the eye, the sensors 5 should be arranged as close as possible to the eye 4.
  • the arrangement furthermore includes an evaluation and control unit 6.
  • This controls the deflection unit 3 and determines the information sought, based on predetermined anatomical eye features, from the spatially and temporally variable sensor data that are supplied by the sensors 5, e.g. the current viewing direction of the monitored eye 4.
  • the anatomical eye features represent predetermined data, on the basis of which the measurement object can be identified. These can be, for example, the iris, individual iris segments and the iris structure or the pupil. Suitable other features must be selected for other measurement objects.
  • the sensor data supplied by the sensors 5 change with the movement of the measurement object 4, for example when the viewing direction changes.
  • the evaluation and control unit 6 now calculates the current viewing direction by relating the received sensor data to the values of the beam deflection, which are typical for the parallel scan.
  • the change in the viewing direction and, taking into account initial values, the current viewing direction can also be determined.
  • the data processing required for this uses known methods of image and signal processing, so that a more detailed description can be dispensed with here.
  • a dichroic mirror can also be positioned in front of the eye.
  • the projection of the light band can be coupled into the visual field of the eye via this mirror.
  • the reflections can also be directed to the sensors via the mirror.
  • the current line of sight of the measurement object which is important, for example, for medicine and applied sciences, can be determined non-invasively, the visual field not or only slightly impaired and sufficiently quickly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur kontaktlosen Bestimmung der Blickrichtung (optische Ausrichtung) eines Messobjekts, insbesondere von menschlichen Augen. Dazu wird eine Projektionseinrichtung positioniert, die einen schnell laufenden parallelen Fächerstrahl auf das Messobjekt projiziert. Das vom Messobjekt reflektierte Licht wird von optoelektronischen Sensoren, die an vorgestimmten Stellen im Raum befestigt sind, erfasst. Aus dem zeitlichen Verlauf der Sensorsignale wird die räumliche Position der Kornea bestimmt und daraus die Blickrichtung ermittelt.

Description

Verfahren und Anordnung zur kontaktlosen Bestimmung der Blickrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur kontaktlosen Bestimmung der aktuellen Blickrichtung (optischen Ausrichtung) eines Messobjektes, z.B. des menschlichen Auges .
Das erfindungsgemäße Verfahren mit der dazugehörigen Anordnung ist für die Medizin und für angewandte Wissenschaften bedeutungsvoll. Es kann überall in den Fällen eingesetzt werden, in denen eine nichtinvasive und hinreichend schnelle Bestimmung der aktuellen Blickrichtung ohne Beeinträchtigung des Gesichtsfeldes realisiert werden soll.
Im Stand der Technik sind mehrere Verfahren und Anordnungen bekannt, mit denen die Blickrichtung bestimmt werden kann:
Kornealreflexmethode : Bei dieser Methode wird das Auge von einer Infrarotquelle angestrahlt, um den Blick im sichtbaren Bereich nicht zu stören. Das projizierte Licht erzeugt auf der Kornea einen Reflex (Kornealreflex) , der mit einem Bildverarbeitungssystem erfasst werden kann. Dieser Reflex erscheint auf dem Kamerabild als ein heller Fleck auf dem Auge. Aus der Position des Reflexes bezüglich der anatomischen Punkte des Auges wird die Blickrichtung berechnet. Nachteilig ist hierbei der enorme Rechenaufwand, der zur echtzeitfähigen Bildverarbeitung notwendig ist. Weiterhin ist nachteilig, dass die zeitliche Auflösung, entsprechend der üblicherweise eingesetzten Fernsehnorm, im Bereich von 20 Millisekunden liegt, was nur für einfache Anwendungen ausreichend ist. Search-Coil-Methode: Auf das Auge wird eine Kontaktlinse aufgesetzt, die dünne Drahtschleifen enthält, die mit einem Auswertesystem über Kabel verbunden sind. Nach dem Prinzip der magnetischen Induktion kann die räumliche Position' der Drahtschleifen bestimmt und daraus die Blickrichtung ermittelt werden. Nachteilig bei dieser Methode sind der sehr hohe technische Aufwand und die damit zusammenhängenden enormen Kosten. Aus der medizinischen Sicht ist von besonderem Nachteil das es sich um ein semiinvasi- ves Verfahren handelt, bei dem der Sensor direkt auf dem Auge platziert und per Kabel mit der Anlage verbunden ist. Diese Methode ist nicht einsetzbar, wenn ein medizinisch kontaktloses Verfahren indiziert ist.
Limbus-Tracking: Nah am Auge sind Lichtquellen befestigt, die den Bereich zwischen der Kornea und dem Augapfel beleuchten. Mit optischen Sensoren wird das reflektierte Licht erfasst und seine Intensität gemessen. Aus den Intensitätsdifferenzen, die sich beim Übergang des Lichtes von der Kornea auf den Augapfel und umgekehrt bilden, wird die Verschiebung des Auges und damit die Blickrichtung ermittelt. Nachteilig ist das sehr schwache Signal der Messanordnung, das durch Störeinflüsse von außen stark beeinträchtigt werden kann. Medizinisch sehr problematisch ist die starke Einschränkung des Gesichtsfeldes, die vor allem bei ophthalmologischen Untersuchungen nicht akzeptiert werden kann.
EOG-Ableitung: Die elektrische Aktivität des Augendipols wird von der augennahen Hautoberfläche vertikal und horizontal erfasst und ausgewertet. Bei jeder Augenbewegung entstehen typische Potentialverläufe, die der Auslenkung des Auges proportional sind und zur Blickrichtungsermitt- lung genutzt werden. Nachteilig sind bei dieser Methode die realen Eigenschaften des verwendeten Elektrooku- logramms : Die Nulllinie driftet relativ stark während der Untersuchung, so dass ein Bezug zum Startpunkt kaum möglich ist und nur noch relative Positionsänderungen aufgenommen werden können. Die intra- und interindividuelle Variabilität des EOG ist so stark, dass eine individuelle Kalibrierung notwendig ist und selbst individuell sind die Messungen nicht reproduzierbar. Hinzu kommen Störpotentiale der umliegenden Muskulatur, die das Messergebnis deutlich verfälschen können.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine dazugehörige Anordnung anzugeben, welche eine hinreichend schnelle, kontaktlose Bestimmung der aktuellen Blickrichtung eines Messobjektes ohne oder mit zumindest geringerer Einschränkung des Gesichtsfeldes ermöglichen. Unter Blickrichtung wird im speziellen Fall die vom menschlichen Auge eingenommene Stellung zum Erfassen eines Bildes verstanden. Allgemein bedeutet dies somit die Ausrichtung eines Messobjektes, bezogen auf einen vorher bestimmten Punkt.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren bzw. die im Patent- anspruch 6 genannte Anordnung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dazugehörigen Anordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem bekannten Stand der Technik besteht darin, dass sowohl die Projektionseinrichtung als auch die optoelektronischen Senso- ren so im Raum positioniert werden können, dass sie das Gesichtsfeld des Betrachters nicht oder nur geringfügig beeinträchtigen.
Die Erfassung der räumlichen Position der Kornea (Hornhaut) kann mit einer wesentlich höheren Geschwindigkeit, als bei herkömmlichen Systemen, erfolgen. Damit ist eine nahezu echt- zeitfähige Blickrichtungserfassung möglich. Ein weiterer medizinisch signifikanter Vorteil besteht darin, dass vor der Messung keine Kalibrierung notwendig ist. Damit entfallen Probleme durch subjektive Fehleinstellungen bzw. fehlende Kooperation des Betrachters.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In der einzigen Figur ist eine schematische Darstellung einer Anordnung zur kontaktlosen Bestimmung der Blickrichtung eines Auges gezeigt.
Mit Hilfe der in der Fig. gezeigten Anordnung kann in Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, dessen einzelne Schritte sich ebenfalls aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben, die Blickrichtung eines menschlichen Auges bestimmt werden. Generell kann auch die optische Ausrichtung anderer Objekte bestimmt werden.
Dazu wird in einem ersten Schritt Licht einer Lichtquelle 1 mittels eines Strahlformungsmoduls 2 aufbereitet. Das Strahlformungsmodul besteht aus geeigneten Optiken und Blenden bzw. optomechanischen oder optoelektronischen Komponenten (z.B. Zylinderoptiken oder bewegte Ablenkspiegel) , mit denen die Erzeugung eines Linienstrahls möglich ist. Der Linienstrahl kann entweder in Form eines schnell laufenden parallelen Fächerstrahls oder in Form eines „Vorhangs" aus parallelen Strahlen bestehen.
Der vom Strahlformungsmodul 2 bereit gestellte Strahl wird anschließend eine Ablenkeinheit 3 zugeführt, die ihn in ein strichförmiges Lichtband umgesetzt. Das Lichtband wird durch die Ablenkeinheit 3 in zeitlich und räumlich definierter Weise auf ein Messobjekt 4, z.B. ein menschliches Auge, projiziert. Die Ablenkeinheit 3 kann aufgrund der Projektion in größerer Entfernung vor dem Messobjektes/Auges positioniert werden, so dass die auszuführende Messung beispiels- weise die von einer Testperson durchzuführende Bilderfassung kaum beeinträchtigt. Für die Blickrichtungsbestimmung wird das Lichtband von der Ablenkeinheit 3 als so genannter Parallelscan auf das Auge projiziert. Dabei sind die Scan- bzw. Bewegungsrichtung des Strahlfächers bzw. „Vorhangs", die Geschwindigkeit des Scans (überstrichene Breite pro Zeiteinheit) und der Richtungsvektor des Auftreffens (Normalvektor) des Lichtbades definiert und für die weitere Datenverarbeitung in der Anordnung gespeichert.
Das an der Oberfläche des Messobjektes 4 reflektierte, zeit- und richtungsveränderliche Licht wird mittels geeignet angeordneter optoelektronischer Sensoren 5 erfasst. Die Sensoren 5 sind engmaschig (d.h. mit möglichst hoher Auflösung) in der bevorzugt zu erwartenden Reflektionsrichtung anzuordnen. Die Ausdehnung der son den Sensoren zu überwachenden Fläche ist an die zur erwartende Divergenz der reflektierten Strahlung anzupassen. Als Sensoren können Einzelsensoren, ein lichtempfindliches Sensorarray oder andere Bilderfassungssysteme angewendet werden. Wegen der starken Divergenz der vom Auge zurück geworfenen, relativ schwachen Reflektionen sind die Sensoren 5 möglichst in der Nähe des Auges 4 anzuordnen.
Die Anordnung umfasst weiterhin eine Auswerte- und Steuerungseinheit 6. Diese steuert die Ablenkeinheit 3 und ermittelt aus den räumlich und zeitlich veränderlichen Sensordaten, die von den Sensoren 5 geliefert werden, anhand vorgegebener anatomischer Augenmerkmale die gesuchte Information, also z.B. die aktuelle Blickrichtung des überwachten Auges 4. Die anatomischen Augenmerkmale stellen vorgegebene Daten dar, anhand derer sich das Messobjekt identifizieren lässt. Dies können beispielsweise die Iris, einzelne Irissegmente sowie die Irisstruktur bzw. die Pupille sein. Bei anderen Messob- jekten müssen geeignete andere Merkmale gewählt werden. Die von den Sensoren 5 gelieferten Sensordaten verändern sich mit Bewegung des Messobjekts 4, beispielsweise bei Veränderung der Blickrichtung.
Für die Auswertung der bei der Vermessung der Blickrichtung eines Auges gelieferten Sensordaten ist zu beachten, dass die Krümmung der Kornea, die Lage der Kornea im Raum und der Übergang der Kornea zur Sklera (Lederhaut) zu Geschwindig- keits- und Richtungsänderungen sowie Sprüngen in der Strahl- reflektion bzw. der Projektion des reflektierten Strahls in der Empfängerebene, gemäß der Geometrie der von einem Strahlsegment überstrichenen Oberfläche (Reflektionsgesetz) führen. Wird der Reflex des Strahlsegments auf eine Oberfläche projiziert (Empfängerebene) , so vollführt der Reflex eine in Geschwindigkeit und Richtung veränderliche, charakteristische Bewegung, die ausgewertet werden kann. Die Auswerte- und Steuerungseinheit 6 berechnet nun die aktuelle Blickrichtung, indem die empfangenen Sensordaten mit den Werten der Strahlablenkung, die für den Parallelscan typische sind, in Beziehung gesetzt werden. Aus der Abweichung ■ zwischen aufeinander folgenden Sensordaten kann die Änderung der Blickrichtung und bei Berücksichtigung von Ausgangswerten auch die aktuelle Blickrichtung ermittelt werden. Die dafür erforderliche Datenverarbeitung greift auf bekannte Verfahren der Bild- und Signalverarbeitung zurück, so dass hier auf eine detailliertere Beschreibung verzichtet werden kann.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann zusätzlich ein dichroitischer Spiegel vor dem Auge positioniert werden. Über diesen Spiegel kann die Projektion des Lichtbandes in das Gesichtsfeld des Auges eingekoppelt werden. Ebenso können die Reflexionen über den Spiegel an die Sensoren geleitet werden. Dadurch können sowohl die Ablenkeinheit als auch die Sensoren vollständig außerhalb des Gesichtsfeldes angeordnet werden, so dass dieses durch die Messanordnung nicht beeinträchtigt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die aktuelle Blickrichtung des Messobjektes, welche z.B. für die Medizin und angewandte Wissenschaften von Bedeutung ist, nichtinvasiv, das Gesichtsfeld nicht oder nur geringfügig beeinträchtigend und hinreichend schnell bestimmt werden. Bezugszeichenliste
1 - Lichtquelle
2 - Strahlformungsmodul
3 - Ablenkeinheit
4 - Messobjekt/Auge
5 - optoelektronischer Sensor 6 - Auswerte- und Steuereinheit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur kontaktlosen Bestimmung der Blickrichtung bzw. Ausrichtung eines Messobjektes (4) dadurch gekenn- zeichnet, dass auf das Messobjekt (4) optisch aufbereitetes Licht projiziert wird, dass das von der Oberfläche des Messobjektes (4) reflektierte Licht erfasst wird und dass aus dem gemessenen Lichtverlauf die aktuelle Blickrichtung bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Projektion des Lichtes auf das Messobjekt (4) räumlich und zeitlich definiert erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Licht vor der Projektion auf das Mess- objekt (4) in einen punktförmigen Einzelstrahl, in ein in einer Ebene fächerförmiges Strahlenbündel, in ein in einer Ebene paralleles Strahlenband oder in eine andere zur Auswertung geeignete Strahlform umgeformt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekenn- zeichnet, dass die zeitliche und räumliche Ablenkung des geformten Lichtstrahles auf das Messobjekt als eindimensionaler oder zweidimensionaler Rotations- oder Parallelscan erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Schritte umfassend:
• Erzeugen von Licht mit einer Lichtquelle (1) ;
• Umformen des erzeugten Lichts in einen Linienstrahl, mit Hilfe eines Strahlformungsmoduls (2) ;
• Umsetzung des Linienstrahls in ein strichförmiges Lichtband und Projektion des Lichtbandes auf das Messobjekt
(4), mit Hilfe einer Ablenkeinheit (3) ;
• Ausführung eines Parallelscans über das Messobjekt (4) mit dem Lichtband;
• Empfangen der vom Messobjekt (4) zurück geworfenen Lichtreflektionen an mehreren optoelektronischen Sensoren (5) , welche räumlich und zeitlich veränderliche Sensordaten liefern; • Bestimmung der Blickrichtung des Messobjekts (4) durch Auswertung der Sensordaten und unter Berücksichtigung des ausgeführten Parallelscans, mit Hilfe einer Auswerte- und Steuereinheit (6).
6. Anordnung zur kontaktlosen Bestimmung der Blickrichtung eines Messobjektes dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Lichtquelle (1), einem Strahlformungsmodul (2), einer Ablenkeinheit (3) , optoelektronischen Sensoren (5) und einer Auswerte- und Steuerungseinheit (6) besteht.
7. Anordnung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) sichtbares oder nicht sichtbares Licht emittiert.
BESTATIGUNGSKOPIE
8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (5) Einzelsensoren, Sensorarrays oder Bildaufnahme- und Verarbeitungseinheiten umfassen, wobei die Sensoren (5) so positioniert sind, dass sie das vom ■ Messobjekt (4) reflektierte Licht mit räumlich und zeitlich veränderlichen Eigenschaften erfassen können.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen dichroitischen Spiegel umfasst, welcher im Gesichtsfeld des Messobjektes angeordnet ist, um einerseits Umgebungslicht zum Messobjekt (4) weiterzuleiten und andererseits das von der Ablenkeinheit (3) bereitgestellte Messlicht auf das Messobjekt (4) umzuleiten und das vom Messobjekt (4) reflektierte Licht auf die Sensoren (5) umzuleiten.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche β bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie für die Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 konfiguriert ist.
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