WO2025256828A1 - Vorrichtung und verfahren zur detektion einer pupille, die vorrichtung umfassende datenbrille - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur detektion einer pupille, die vorrichtung umfassende datenbrille

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WO2025256828A1
WO2025256828A1 PCT/EP2025/062593 EP2025062593W WO2025256828A1 WO 2025256828 A1 WO2025256828 A1 WO 2025256828A1 EP 2025062593 W EP2025062593 W EP 2025062593W WO 2025256828 A1 WO2025256828 A1 WO 2025256828A1
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WO
WIPO (PCT)
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pupil
voroni
line
row
cells
Prior art date
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Pending
Application number
PCT/EP2025/062593
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Meyer
Michael Muehlbauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V40/00—Recognition of biometric, human-related or animal-related patterns in image or video data
    • G06V40/10—Human or animal bodies, e.g. vehicle occupants or pedestrians; Body parts, e.g. hands
    • G06V40/18—Eye characteristics, e.g. of the iris
    • G06V40/19—Sensors therefor
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V40/00—Recognition of biometric, human-related or animal-related patterns in image or video data
    • G06V40/10—Human or animal bodies, e.g. vehicle occupants or pedestrians; Body parts, e.g. hands
    • G06V40/18—Eye characteristics, e.g. of the iris
    • G06V40/193—Preprocessing; Feature extraction

Definitions

  • Device and method for detecting a pupil comprising data glasses
  • the invention relates to a device and a method for detecting a pupil and to data glasses comprising the device.
  • the device and method for detecting a pupil according to the independent claims enable pupil detection with low latency.
  • the method for detecting a pupil involves scanning a region line by line with an infrared laser beam.
  • Line by line the brightness of reflections from the infrared laser beam is recorded, and the brightest reflections, whose brightness exceeds a predefined threshold, are identified.
  • a Voroni diagram is generated line by line.
  • the brightest reflections, whose brightness exceeds the predefined threshold form the origin centers of Voroni cells in the Voroni diagram.
  • the pupil is then detected based on the positions of these Voroni cells in the Voroni diagram.
  • By generating the Voroni diagram line by line and detecting the pupil based on it it is not necessary to wait until the end of the entire scanning process before the pupil is detected. This reduces the detection latency.
  • it is provided that Voroni cells with an area smaller than a given area are assigned to the pupil, and/or that Voroni cells with an area larger than a given area are assigned to a neighborhood of the pupil.
  • the Voroni cells depending on a classification of an area of the respective Voroni cell, are assigned as belonging to the pupil or as belonging to the environment using an artificial neural network.
  • a two-dimensional, in particular binary, representation of the Voroni diagram is determined, in particular row by row, wherein the two-dimensional representation in the areas of the Voroni cells associated with the pupil comprises pixels representing the pupil, wherein the two-dimensional representation in the areas of the Voroni cells associated with the pupil comprises pixels representing the environment, wherein each pixel is assigned a first position of the respective pixel in the first dimension of the two-dimensional representation, wherein each pixel is assigned a second position of the respective pixel in the second dimension of the two-dimensional representation, wherein a two-dimensional normal distribution is determined, in particular row by row, which in each dimension comprises a normal distribution over the positions of pixels representing the pupil, wherein the pupil is detected in the two-dimensional representation depending on the two-dimensional normal distribution.
  • Voroni cells have a grown shape. The two-dimensional normal distribution allows for an approximate detection of an oval or round pupil.
  • a mean and a standard deviation of the pixel positions in the respective dimension representing the pupil are determined.
  • the mean provides a good indication of the actual position of the pupil and can be easily updated, especially row by row.
  • the representation of the Voroni diagram is determined row by row, with the second position representing a position in the respective row. This assignment simplifies the calculation.
  • the row-by-row determination of the Voroni diagram and the representation is aborted if the row-by-row determined mean of the normal distribution determined for the second dimension no longer changes for at least one row. This reduces the latency, as the remainder of the sampling range is no longer evaluated.
  • an image of the scanned area is determined, where the image comprises pixels, and where the pupil in the image is detected according to the two-dimensional normal distribution.
  • This image and the pupil detected within it are available immediately after the last line of the image has been scanned. This reduces latency.
  • Estimating the position of the pupil involves assigning the pixels from the image to the pupil that lie within a confidence interval defined by the two-dimensional normal distribution around the mean of the two-dimensional normal distribution.
  • a device for detecting a pupil provides that the device comprises a beam deflection device for scanning with an infrared laser beam and at least one receiving unit for detecting reflections of the infrared laser beam, wherein the device is configured to carry out the method.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of data glasses with a device for detecting a pupil
  • Fig. 2 shows an exemplary Voroni diagram of a sampling range
  • Fig. 3 a histogram of the area of the surfaces of Voroni cells from the Voroni diagram
  • Fig. 4 a binary representation of the detected pupil and its surroundings
  • Fig. 5 a part of the Voroni diagram of the area based on already scanned lines
  • Fig. 7 shows an image of the scanning area with an ellipse representing the detected pupil in its surroundings.
  • Fig. 8 shows a flowchart with steps of a procedure for pupil detection.
  • Figure 1 schematically shows a data glasses 100 with a device 102 for detecting a pupil 104.
  • the device 102 comprises a micromirror 106 for scanning with an infrared laser beam 108 and at least one photodiode 110 for detecting reflections of the infrared laser beam 108.
  • the device 102 comprises an infrared laser 112 for generating the infrared laser beam 108.
  • the infrared laser 112 emits light, preferably at 850nm or 940nm or another wavelength in the infrared range.
  • the infrared laser 112 is, for example, a laser diode.
  • the infrared laser 112 is, for example, implemented as an edge emitter or VCSEL.
  • the light is then deflected by the micromirror 106.
  • the micromirror 106 is an example of a beam deflection device designed to scan a two-dimensional area with the infrared laser beam 108.
  • the micromirror 106 and the infrared laser 112 are arranged in such a way that the pupil of a wearer of the data glasses 100 lies within the scanning area.
  • the device 102 is designed to scan the micromirror 106 line by line.
  • the photodiode 110 is configured to detect reflections pixel by pixel.
  • the device 102 is configured to determine pixels of a two-dimensional image of the scanning area based on the reflections.
  • the device 102 is configured to detect the pixels of the image during line-by-line scanning.
  • the two-dimensional image has a first dimension and a second dimension.
  • the first dimension represents the position of each pixel within a row.
  • the second dimension represents the position of the row within the image.
  • the device 102 is designed to detect the brightness of the respective pixel and the position of the respective pixel during line-by-line scanning.
  • An optional projection lens can be provided between the micromirror 106 and the scanning area, which collimates or focuses the infrared laser beam 108.
  • the brightness of the pixel depends on whether the infrared laser beam 108 hits the sclera, cornea, iris or pupil 104.
  • the infrared laser beam 108 is reflected, scattered or absorbed according to the scattering properties of the surface.
  • the infrared laser beam 108 when the infrared laser beam 108 penetrates the pupil, it acts as an aperture for the scattered light, so that little light is reflected back.
  • backscattered light is directed via the micromirror 106 to the photodiode 110.
  • the photodiode 110 is an example of a receiving device.
  • the receiving device is integrated into the infrared laser 112.
  • the infrared laser 112 comprises a laser cavity containing the laser diode.
  • the laser diode includes a rear laser facet with a distributed Bragg reflector (DBR).
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the photodiode 110 is, for example, directly integrated into the distributed Bragg reflector (DBR) of the rear laser facet of the laser diode, so that the photodiode 110 measures the optical power of the infrared laser 112. When light is reflected back into the laser cavity, this leads to a modulation (by interference) of the optical power, which is then measured by the photodiode 110.
  • the receiving device may be integrated into the beam path of the infrared laser beam 108, particularly via a beam splitter. Alternatively, the receiving device may be externally mounted or reach the scattered light without reflection via the micromirror 106.
  • the receiving device can be implemented as a single photon avalanche photodiode (SPAD) CCD or CMOS sensor.
  • the receiving device can include a neuromorphic camera.
  • the infrared laser 112 is controlled via a laser driver.
  • the laser driver is integrated into a System On Chip (SoC) 114.
  • SoC System On Chip
  • the infrared laser 112 is controlled by the system on chip (SoC) 114 via a control line 116.
  • SoC system on chip
  • the infrared laser 112 is operated by the system-on-chip (SoC) 114 in a continuous wave (CW) mode.
  • the infrared laser 112 is modulated by the system-on-chip (SoC) 114.
  • the modulation can be either on-off keying (OOK) or continuous frequency modulated continuous wave (FMCW).
  • the micromirror 106 is controlled via a driver circuit.
  • the driver circuit is integrated into the SoC 114.
  • the micromirror 106 for example, is controlled by the SoC 114 via a control line 118.
  • the control line 118 transmits, for example, a current angle ⁇ for the deflection in the first dimension and a current angle ⁇ for the deflection in the second dimension. This means that the position of the pixels and the position that the infrared laser 108 scans in the scanning area are correlated and known for each pixel.
  • the backscattered light is amplified, filtered and digitized, for example via a preamplifier and an analog-to-digital converter.
  • the SoC 114 includes the preamplifier and the analog-to-digital converter.
  • the photodiode 110 is connected to the SoC 114 via a signal line 120.
  • a lens and/or a bandpass filter tuned to the laser wavelength can be integrated in front of the photodiode 110 in order to improve the signal transmitted via the signal line 120 by increasing photon collection efficiency or to minimize interference signals via the bandpass filter.
  • the device 102 is designed to perform a method for detecting the pupil.
  • Pupil detection is based on a Voroni diagram of the sampling range.
  • FIG 2 shows an example Voroni diagram 200 over the sampling range.
  • the sampling range is square and extends in a first direction 202 and a second direction 204.
  • the second direction 204 represents the direction of the lines during sampling.
  • the first direction 202 corresponds to the sequence in which the respective lines are sampled.
  • Voroni diagram 200 comprises Voroni cells.
  • An example Voroni cell is labeled 206 in Figure 2.
  • Each Voroni cell contains an exit center.
  • the exit centers of the Voroni cells are represented as points in Voroni diagram 200.
  • the exit center of the example Voroni cell is labeled 208 in Figure 2.
  • Figure 2 shows an area 210 which contains more Voroni cells with a smaller area compared to the other areas than an area surrounding region 208.
  • Voroni diagram 200 is represented by pixels.
  • the pixels captured during scanning and the pixels of Voroni diagram 200 are mapped one-to-one.
  • "one-to-one mapped" means that the positions of the pixels that are mapped one-to-one are identical.
  • the surfaces of the Voroni cells differ from each other.
  • Figure 3 shows a histogram 300 plotted against the areas 302 of Voroni cells from the Voroni diagram 200 plotted against the frequency 304. Using the histogram, Voroni cells with areas smaller than a predefined value are assigned to the pupil. Similarly, Voroni cells with areas larger than a predefined value are assigned to the area surrounding the pupil.
  • Figure 4 shows a binary representation 400 of the Voroni diagram 200.
  • the binary representation 400 extends in the first direction 202 and in the second direction 204.
  • Figure 4 shows a detected pupil and its surroundings.
  • the two-dimensional representation 400 includes pixels 402, representing the pupil, within the areas of the Voroni cells assigned to the pupil.
  • the two-dimensional representation 400 also includes pixels 404, representing the surroundings, within the areas of the Voroni cells assigned to the pupil.
  • Each pixel is assigned a first position of the respective pixel in the first direction 202 and a second position of the respective pixel in the second direction of the two-dimensional representation 400.
  • the pupil is detected in region 210 of Voroni diagram 200.
  • the surrounding area is region 208 from Voroni diagram 200.
  • the Voroni diagram 200 is determined in the example by scanning the sampling range row by row.
  • Figure 5 shows a portion of the Voroni diagram 200, based on already sampled lines. This portion of the Voroni diagram extends in the first direction 202 and the second direction 204. The sampled lines extend in the second direction 204.
  • Figure 6 shows a first normal distribution 602 and a second normal distribution 604 over the binary representation 400.
  • Normal distributions each have a mean and a standard deviation.
  • the first normal distribution 602 describes the distribution of the positions of the pixels in the first direction, which are assigned to the pupil in the binary representation 400.
  • the first normal distribution 602 is characterized by a first mean and a first standard deviation.
  • the second normal distribution 604 describes the distribution of the positions of the pixels in the second direction, which are assigned to the pupil in the binary representation 400.
  • the second normal distribution 604 is characterized by a second mean /z 2 and a second standard deviation a 2 .
  • the first normal distribution and the second normal distribution are parts of a two-dimensional normal distribution over the positions of pixels representing the pupil.
  • the pixels of the two-dimensional representation 400 that lie within a given confidence interval around the mean of the two-dimensional normal distribution are determined to be the pixels assigned to the pupil.
  • Figure 7 shows an image 700 of the sampling area with an ellipse 702.
  • the ellipse 702 represents the confidence interval, i.e., the detected pupil in its vicinity 704.
  • Figure 8 shows a flowchart with steps of the procedure for pupil detection.
  • the procedure includes step 802.
  • step 802 one line of the sampling range is sampled.
  • step 802 the brightness of reflections from the infrared laser beam 108 is measured.
  • the reflections are detected, for example, by photodiode 110.
  • the brightness of the reflections is defined, for example, by the amplitude of a signal generated by photodiode 110.
  • step 804 is executed.
  • step 804 the brightest reflections, whose brightness exceeds a predefined threshold, are determined line by line.
  • Threshold defines, for example, the size of the amplitude at which a reflection is considered the output center of a Voroni cell.
  • step 806 is executed.
  • step 806 the Voroni diagram 200 is determined line by line, depending on the brightness values recorded line by line.
  • the brightest reflections form the starting centers of the Voroni cells in the Voroni diagram 200.
  • step 808 is executed.
  • step 808 the pupil is detected depending on the positions of the Voroni cells in the Voroni diagram 200.
  • steps 802 to 808 are performed row by row. This means that the pupil is detected in step 808 using the Voroni diagram, which has been extended by the respective row.
  • an infrared laser beam is used to scan an area, the scanning area.
  • Voroni cells representing this area, are identified.
  • the pupil is then detected based on the number of Voroni cells within this area.
  • the area of the eye is scanned.
  • the infrared laser beam is moved to the next line by changing a first angle of the micromirror 106.
  • the infrared laser beam is moved within the line by changing a second angle of the micromirror 106.
  • the position in the first direction 202 is defined by the first angle.
  • the position in the second direction 204 is defined by the second angle.
  • the position of the output centers of the Voroni cells is determined, for example, depending on the angles at which the brightest reflections, whose brightness exceeds the specified threshold, are detected.
  • the threshold value By specifying the threshold value, the sensitivity and granularity of the detection and the number of output centers are influenced.
  • the reflection is assigned to the angle of the micromirror 106 that is present at the same time as the reflection is detected. This assignment is made, for example, using the respective time.
  • the binary representation 400 of the pupil and the area surrounding the pupil is determined depending on the areas of the Voroni cells.
  • Voroni cells whose area is smaller than a predefined area are assigned to the pupil.
  • the other Voroni cells are assigned to, for example, the surrounding area. This represents a rule-based evaluation.
  • Voroni cells are assigned to either pupil 402 or environment 404, depending on a classification of the areas using an artificial neural network. Classification with a specially trained artificial neural network further reduces latency compared to rule-based evaluation.
  • the two-dimensional normal distribution is determined.
  • the two-dimensional normal distribution is determined row by row.
  • the two-dimensional normal distribution comprises, for each dimension, a normal distribution over the positions of the pixels representing the pupil.
  • the two-dimensional normal distribution includes the first normal distribution 602 and the second normal distribution 604.
  • the pupil is detected based on the two-dimensional normal distribution.
  • the pixels of the two-dimensional representation 400 that lie within a predefined confidence interval around the mean of the two-dimensional normal distribution are identified as corresponding to the pupil.
  • the assignment of Voroni cells to the pupil or surrounding area is determined after the scanning of each row is complete, based on the Voroni diagram that comprises that row. It is possible to initiate the assignment during the scanning process, for example, for Voroni cells that have already fully grown. Alternatively, it is possible to maintain the assignment of previously assigned Voroni cells during the scanning process, for example, for Voroni cells that have already fully grown and will no longer change as a result of the scanning. ...

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Abstract

Vorrichtung (102) und Verfahren zur Detektion einer Pupille, wobei mit einem Infrarot-Laserstrahl (108) ein Abtastbereich zeilenweise abgetastet wird, wobei zeilenweise Helligkeiten von Reflexionen (110) des Infrarot-Laserstrahls (108) erfasst werden, wobei die insbesondere hellsten Reflexionen bestimmt werden, deren Helligkeit einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wobei abhängig von den zeilenweise erfassten Helligkeiten zeilenweise ein Voroni-Diagramm (200) bestimmt wird, wobei die insbesondere hellsten Reflexionen, deren Helligkeit den vorgegebenen Schwellwert überschreitet, die Ausgangszentren von Voroni-Zellen im Voroni-Diagramm bilden, und die Pupille abhängig von Positionen der Voroni-Zellen im Voroni-Diagramm detektiert wird, die Vorrichtung (102) umfassende Datenbrille (100).

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung und Verfahren zur Detektion einer Pupille, die Vorrichtung umfassende Datenbrille
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion einer Pupille und eine die Vorrichtung umfassende Datenbrille.
Offenbarung der Erfindung
Die Vorrichtung und das Verfahren zur Detektion einer Pupille gemäß den unabhängigen Ansprüchen ermöglichen eine Detektion der Pupille mit geringer Latenz.
Das Verfahren zur Detektion einer Pupille sieht vor, dass mit einem Infrarot- Laserstrahl ein Abtastbereich zeilenweise abgetastet wird, wobei zeilenweise Helligkeiten von Reflexionen des Infrarot-Laserstrahls erfasst werden, wobei die insbesondere hellsten Reflexionen bestimmt werden, deren Helligkeit einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wobei abhängig von den zeilenweise erfassten Helligkeiten zeilenweise ein Voroni-Diagramm bestimmt wird, wobei die insbesondere hellsten Reflexionen, deren Helligkeit den vorgegebenen Schwellwert überschreitet, die Ausgangszentren von Voroni-Zellen im Voroni- Diagramm bilden, und die Pupille abhängig von Positionen der Voroni-Zellen im Voroni-Diagramm detektiert wird. Durch das zeilenweise Bestimmen des Voroni- Diagramms und die darauf basierende Detektion der Pupille muss nicht bis zum Ende des Abtastens insgesamt gewartet werden, bis die Pupille erkannt wird. Dies verringert die Latenz der Detektion. In einem Beispiel ist vorgesehen, dass Voroni-Zellen mit einer Fläche kleiner als eine vorgegebene Fläche der Pupille zugehörig zugeordnet werden, und/oder dass Voroni-Zellen mit einer Fläche größer als eine vorgegebene Fläche einer Umgebung der Pupille zugehörig zugeordnet werden.
In einem Beispiel ist vorgesehen, dass die Voroni-Zellen abhängig von einer Klassifizierung einer Fläche der jeweiligen Voroni-Zelle mit einem künstlichen neuronalen Netz als der Pupille zugehörig oder als der Umgebung zugehörig zugeordnet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass eine zweidimensionale insbesondere binäre Repräsentation des Voroni-Diagramms insbesondere zeilenweise bestimmt wird, wobei die zweidimensionale Repräsentation in den Flächen der Voroni-Zellen, die der Pupille zugehörig zugeordnet sind, Pixel umfasst, die die Pupille repräsentieren, wobei die zweidimensionale Repräsentation in den Flächen der Voroni-Zellen, die der Umgebung der Pupille zugehörig zugeordnet sind, Pixel umfasst, die die Umgebung repräsentieren, wobei den Pixeln jeweils eine erste Position des jeweiligen Pixels in der ersten Dimension der zweidimensionalen Repräsentation zugeordnet ist, wobei den Pixeln jeweils eine zweite Position des jeweiligen Pixels in der zweiten Dimension der zweidimensionalen Repräsentation zugeordnet ist, wobei eine zweidimensionale Normalverteilung insbesondere zeilenweise bestimmt wird, die je Dimension eine Normalverteilung über die Positionen von die Pupille repräsentierenden Pixel umfasst, wobei die Pupille in der zweidimensionalen Repräsentation abhängig von der zweidimensionalen Normalverteilung detektiert wird. Voroni-Zellen weisen eine gewachsene Form auf. Die zweidimensionalen Normalverteilung ermöglicht eine näherungsweise Detektion einer ovalen oder runden Pupille.
Beispielsweise werden je Normalverteilung ein Mittelwert und eine Standardabweichung der Positionen der Pixel in der jeweiligen Dimension bestimmt, die die Pupille repräsentieren. Der Mittelwert bietet einen guten Anhaltspunkt für die tatsächliche Position der Pupille und ist insbesondere zeilenweise gut aktualisierbar. Beispielsweise wird die Repräsentation des Voroni-Diagramms zeilenweise bestimmt, wobei die zweite Position eine Position der jeweiligen Zeile repräsentiert. Diese Zuordnung vereinfacht die Berechnung.
Es kann vorgesehen sein, dass die zeilenweise Bestimmung des Voroni- Diagramms und der Repräsentation abgebrochen wird, wenn sich der zeilenweise bestimmte Mittelwert der für die zweite Dimension bestimmten Normalverteilung für wenigstens eine Zeile nicht mehr ändert. Dadurch wird die Latenz verringert, da der Rest des Abtastbereichs nicht mehr ausgewertet wird.
Beispielsweise wird ein Bild des Abtastbereichs bestimmt, wobei das Bild Pixel umfasst, und wobei die Pupille im Bild abhängig von der zweidimensionalen Normalverteilung detektiert wird. Dieses Bild und die darin detektierte Pupille stehen unmittelbar nach dem Abtasten der letzten Zeile des Bildes bereit. Dadurch wird die Latenz verringert.
Eine Schätzung der Position der Pupille sieht vor, das die Pixel aus dem Bild der Pupille zugeordnet werden, die innerhalb eines durch die zweidimensionale Normalverteilung definierten Konfidenzintervalls um den Mittelwert der zweidimensionalen Normalverteilung liegen.
Eine Vorrichtung zur Detektion einer Pupille sieht vor, dass die Vorrichtung eine Strahlablenkeinrichtung zum Abtasten mit einem Infrarot- Laserstrahl und wenigstens eine Empfangseinheit zur Erfassung von Reflexionen des Infrarot- Laserstrahls umfasst, wobei die Vorrichtung ausgebildet das Verfahren auszuführen.
Es kann eine Datenbrille vorgesehen sein, die die Vorrichtung umfasst.
Weitere Ausführungsformen sind der folgenden Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Datenbrille mit einer Vorrichtung zur Detektion einer Pupille,
Fig. 2 ein beispielhaftes Voroni-Diagramm eines Abtastbereichs, Fig. 3 ein Histogramm über Flächeninhalte der Flächen von Voroni-Zellen aus dem Voroni-Diagramm,
Fig. 4 eine binäre Repräsentation der detektierten Pupille und ihrer Umgebung, Fig. 5 ein Teil des Voroni-Diagramms des Bereichs basierend auf bereits abgetasteten Zeilen,
Fig. 6 Normalverteilungen über der binären Repräsentation,
Fig. 7 ein Bild des Abtastbereichs mit einer Ellipse, die die detektierte Pupille in ihrer Umgebung repräsentiert,
Fig. 8 ein Flussdiagramm mit Schritten eines Verfahrens zur Detektion der Pupille.
In Figur 1 ist eine Datenbrille 100 mit einer Vorrichtung 102 zur Detektion einer Pupille 104 schematisch dargestellt.
Die Vorrichtung 102 umfasst einen Mikrospiegel 106 zum Abtasten mit einem Infrarot-Laserstrahl 108 und wenigstens eine Fotodiode 110 zur Erfassung von Reflexionen des Infrarot-Laserstrahls 108. Im Beispiel umfasst die Vorrichtung 102 einen Infrarot- Laser 112 zum Erzeugen des Infrarot-Laserstrahls 108.
Der Infrarot-Laser 112 emittiert Licht, vorzugsweise bei 850nm oder 940nm oder einer anderen Wellenlänge im Infrarot-Bereich.
Der Infrarot-Laser 112 ist z.B. eine Laserdiode. Der Infrarot-Laser 112 ist z.B. als Kantenemitter oder VCSEL ausgeführt.
Das Licht wird anschließend über den Mikrospiegel 106 abgelenkt. Der Mikrospiegel 106 ist ein Beispiel für eine Strahlablenkeinrichtung, die ausgebildet ist, einen zweidimensionalen Abtastbereich mit dem Infrarot- Laserstrahl 108 abzutasten.
In der Datenbrille 100 ist der Mikrospiegel 106 und der Infrarot-Laser 112 derart angeordnet, dass die Pupille eines Trägers der Datenbrille 100 im Abtastbereich liegt.
Die Vorrichtung 102 ist ausgebildet, den Mikrospiegel 106 zum zeilenweisen
Abtasten des Abtastbereichs mit dem Infrarot-Laserstrahl 108 anzusteuern. Im Beispiel ist vorgesehen, dass ein rechteckiger Abtastbereich zeilenweise abgetastet wird.
Die Fotodiode 110 ist ausgebildet, die Reflexionen pixelweise zu erfassen. Die Vorrichtung 102 ist ausgebildet, abhängig von den Reflexionen Pixel eines zweidimensionalen Bildes des Abtastbereichs zu bestimmen. Die Vorrichtung 102 ist ausgebildet, die Pixel des Bildes während des zeilenweisen Abtastens zu erfassen.
Das zweidimensionale Bild weist eine erste Dimension und eine zweite Dimension auf. Die erste Dimension repräsentiert die Position eines jeweiligen Pixels innerhalb einer Zeile. Die zweite Dimension repräsentiert eine Position der Zeile im Bild.
Die Vorrichtung 102 ist ausgebildet, eine Helligkeit des jeweiligen Pixels und die Position des jeweiligen Pixels beim zeilenweisen Abtasten zu erfassen.
Zwischen dem Mikrospiegel 106 und dem Abtastbereich kann eine optionale Projektionslinse vorgesehen sein, die den Infrarot-Laserstrahl 108 kollimiert oder fokussiert.
Die Helligkeit des Pixels hängt davon ab, ob der Infrarot-Laserstrahl 108 auf die Sklera, Cornea, Iris oder Pupille 104 trifft.
Ausgehend von der Fläche des Auges, welche vom Infrarot-Laserstrahl 108 getroffen wird, wird der Infrarot-Laserstrahl 108 entsprechend den Streueigenschaften der Oberfläche reflektiert, gestreut oder absorbiert.
Insbesondere wenn der Infrarot-Laserstrahl 108 in die Pupille eindringt, wirkt diese als Apertur für das Streulicht, sodass wenig Licht zurückgeworfen wird.
Rückgestreutes Licht wird im Beispiel über den Mikrospiegel 106 zur Fotodiode 110 geleitet.
Die Fotodiode 110 ist ein Beispiel für eine Empfangseinrichtung. Im Beispiel ist die Empfangseinrichtung in den Infrarot-Laser 112 integriert. Beispielsweise umfasst der Infrarot-Laser 112 eine Laserkavität mit der Laserdiode. Beispielsweise umfasst die Laserdiode eine hinteren Laserfacette mit einem Distributed Bragg Reflektor (DBR). Die Fotodiode 110 ist z.B. direkt in den Distributed Bragg Reflektor (DBR) der hinteren Laserfacette der Laserdiode integriert, sodass die Fotodiode 110 die optische Leistung des Infrarot-Lasers 112 misst. Wird Licht zurück in die Laserkavität geworfen, führt dies zu einer Modulation (durch Interferenz) der optischen Leistung, die dann durch die Fotodiode 110 gemessen wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Empfangseinrichtung insbesondere über einen Beamsplitter in den Strahlengang des Infrarot-Laserstrahls 108 integriert ist. Es kann vorgesehen sein, dass die Empfangseinrichtung extern aufgebaut oder ohne Reflektion über den Mikrospiegel 106 vom gestreuten Licht erreicht wird.
Alternativ kann die Empfangseinrichtung als Single Photon Avalanche Photodiode (SPAD) CCD oder CMOS Sensor ausgeführt sein. Alternativ kann die Empfangseinrichtung eine Neuromorphe Kamera umfassen.
Der Infrarot-Laser 112 wird beispielsweise über einen Lasertreiber angesteuert.
Im Beispiel ist der Lasertreiber in ein System On Chip (SoC) 114 integriert.
Der Infrarot-Laser 112 wird beispielsweise vom System On Chip (SoC) 114 über eine Steuerleitung 116 angesteuert.
Der Infrarot-Laser 112 wird beispielsweise vom System On Chip (SoC) 114 in einem continuous wave (CW) Modus betrieben. Der Infrarot-Laser 112 wird beispielsweise vom System On Chip (SoC) 114 moduliert. Bei der Modulation kann eine On-Off Keying (OOK) Modulation vorgesehen sein. Bei der Modulation auch ein kontinuierliche Frequency modulated continuous wave (FMCW) Betriebs Modus vorgesehen sein.
Der Mikrospiegel 106 wird im Beispiel über eine Treiberschaltung gesteuert. Im Beispiel ist die Treiberschaltung im SoC 114 integriert. Der Mikrospiegel 106 wird beispielsweise vom SoC 114 über eine Steuerleitung 118 angesteuert.
Über die Steuerleitung 118 wird z.B. ein aktueller Winkel a für die Ablenkung in der ersten Dimension und ein aktueller Winkel ß für die Ablenkung in der zweiten Dimension übertragen. Dadurch sind die Position der Pixel und der Position, die der Infrarot-Laser 108 im Abtastbereich abtastet, einander zugeordnet und für das jeweilige Pixel bekannt.
Das rückgestreute Licht wird z.B. über einen Vorverstärker und ein Analog Digital Wandler verstärkt, gefiltert und digitalisiert.
Im Beispiel umfasst das SoC 114 den Vorverstärker und den Analog Digital Wandler. Im Beispiel ist die Fotodiode 110 ist über eine Signalleitung 120 mit dem SoC 114 verbunden.
Vor der Fotodiode 110 kann eine Linse oder/und ein auf die Laserwellenlänge abgestimmter Bandpassfilter integriert sein, um das über die Signalleitung 120 übertragene Signal durch eine höhere Photonensammeleffizienz zu verbessern bzw. Störsignale über den Bandpassfilter zu minimieren.
Die Vorrichtung 102 ist ausgebildet ein Verfahren zur Detektion der Pupille auszuführen.
Die Detektion der Pupille basiert auf einem Voroni-Diagramm des Abtastbereichs.
In Figur 2 ist ein beispielhaftes Voroni-Diagramm 200 über dem Abtastbereich dargestellt. Der Abtastbereich ist im Beispiel quadratisch und erstreckt sich im Beispiel in einer ersten Richtung 202 und einer zweiten Richtung 204. Die zweite Richtung 204 ist im Beispiel die Richtung der Zeilen beim Abtasten. Die erste Richtung 202 ist im Beispiel der Reihenfolge zugeordnet, in der die jeweiligen Zeilen beim Abtasten aufeinanderfolgen. Das Voroni-Diagramm 200 umfasst Voroni-Zellen. Eine Beispielhafte Voroni- Zelle ist in Figur 2 mit 206 bezeichnet. Die Voroni-Zellen umfassen je ein Ausgangszentrum. Die Ausgangszentren der Voroni-Zellen sind als Punkte im Voroni Diagramm 200 dargestellt. Das Ausgangszentrum der beispielhaften Voroni-Zelle ist in Figur 2 mit 208 bezeichnet.
In Figur 2 ist ein Bereich 210 dargestellt, der mehr Voroni-Zellen mit gegenüber den anderen Flächen kleinem Flächeninhalt enthält, als eine Umgebung des Bereichs 208.
Die Positionen der Pixel, die beim Abtasten erfasst werden, sind eindeutig einer der Zellen des Voroni-Diagramms 200 zugeordnet. Im Beispiel wird das Voroni- Diagramm 200 durch Pixel repräsentiert. Beispielsweise sind die Pixel, die beim Abtasten erfasst werden, und die Pixel des Voroni-Diagramms 200 einander ein zu eins zugeordnet. Im Beispiel bedeutet, eins zu eins zugeordnet, dass die Positionen der einander eins zu eins zugeordneten Pixel identisch sind.
Die Flächen der Voroni-Zellen unterscheiden sich voneinander.
In Figur 3 ist ein Histogramm 300 über Flächeninhalte 302 der Flächen von Voroni-Zellen aus dem Voroni-Diagramm 200 über der Häufigkeit 304 dargestellt. Über das Histogramm werden Voroni-Zellen mit Flächeninhalten, die kleiner als eine vorgegebene Fläche sind, der Pupille zugeordnet. Über das Histogramm werden Voroni-Zellen mit Flächeninhalten, die größer als eine vorgegebene Fläche sind, einer Umgebung der Pupille zugeordnet.
In Figur 4 ist eine binäre Repräsentation 400 des Voroni-Diagramms 200 dargestellt. Die binäre Repräsentation 400 erstreckt sich im Beispiel in der ersten Richtung 202 und der zweiten Richtung 204.
In Figur 4 ist eine detektierte Pupille und ihrer Umgebung dargestellt. Die zweidimensionale Repräsentation 400 umfasst in den Flächen der Voroni-Zellen, die der Pupille zugehörig zugeordnet sind, Pixel 402, die die Pupille repräsentieren. Die zweidimensionale Repräsentation 400 umfasst in den Flächen der Voroni-Zellen, die der Umgebung der Pupille zugehörig zugeordnet sind, Pixel 404, die die Umgebung repräsentieren. Den Pixeln ist jeweils eine erste Position des jeweiligen Pixels in der ersten Richtung 202 und eine zweite Position des jeweiligen Pixels in der zweiten Richtung der zweidimensionalen Repräsentation 400 zugeordnet.
Die Pupille wird im Bereich 210 des Voroni-Diagramms 200 detektiert. Die Umgebung ist im Beispiel die Umgebung des Bereichs 208 aus dem Voroni- Diagramm.
Das Voroni-Diagramm 200 wird im Beispiel durch zeilenweises Abtasten des Abtastbereichs bestimmt.
In Figur 5 ist ein Teil des Voroni-Diagramms 200 dargestellt, der auf bereits abgetasteten Zeilen basiert. Der Teil des Voroni-Diagramms erstreckt sich in der ersten Richtung 202 und der zweiten Richtung 204. Die abgetasteten Zeilen erstrecken sich in der zweiten Richtung 204.
Durch das Abtasten der Zeilen wird jeweils eine neue Zeile in der ersten Richtung 202 zum Voroni-Diagramm 200 hinzugefügt.
In Figur 6 sind eine erste Normalverteilung 602 und eine zweite Normalverteilung 604 über der binären Repräsentation 400 dargestellt.
Die Normalverteilungen weisen jeweils einen Mittelwert und eine Standardabweichung auf.
Die erste Normalverteilung 602 beschreibt Verteilung der Positionen der Pixel in der ersten Richtung, die in der binären Repräsentation 400 der Pupille zugeordnet sind. Die erste Normalverteilung 602 ist durch einen ersten Mittelwert und eine erste Standardabweichung charakterisiert.
Die zweite Normalverteilung 604 beschreibt Verteilung der Positionen der Pixel in der zweiten Richtung, die in der binären Repräsentation 400 der Pupille zugeordnet sind. Die zweite Normalverteilung 604 ist durch einen zweiten Mittelwert /z2 und eine zweite Standardabweichung a2 charakterisiert. Die erste Normalverteilung und die zweite Normalverteilungen sind Teile einer zweidimensionalen Normalverteilung über die Positionen von die Pupille repräsentierenden Pixel. Die zweidimensionale Normalverteilung ist durch den Mittelwert . = ( I, 2) und Standardabweichung a = 2) charakterisiert.
Im Beispiel werden die Pixel der zweidimensionalen Repräsentation 400, die sich innerhalb eines vorgegebenen Konfidenzintervalls um den Mittelwert der zweidimensionalen Normalverteilung befinden, als der Pupille zugeordnete Pixel bestimmt. Das Konfidenzintervall umfasst z.B. die Pixel, für die mit einer Wahrscheinlichkeit, die innerhalb eines vorgegebenen Vielfachen der Standardabweichung a = 2) um den Mittelwert . = ( I, 2) der zweidimensionalen Normalverteilung liegt, festgestellt wird, dass die Pixel der Pupille zugeordnet sind.
In Figur 7 ist ein Bild 700 des Abtastbereichs mit einer Ellipse 702 dargestellt. Die Ellipse 702 repräsentiert das Konfidenzintervall, d.h. die detektierte Pupille in ihrer Umgebung 704.
In Figur 8 ist ein Flussdiagramm mit Schritten des Verfahrens zur Detektion der Pupille dargestellt.
Das Verfahren umfasst einen Schritt 802.
Im Schritt 802 wird eine Zeile des Abtastbereichs abgetastet.
Im Schritt 802 werden die Helligkeiten von Reflexionen des Infrarot-Laserstrahls 108 erfasst. Die Reflexionen werden z.B. mit der Fotodiode 110 erfasst. Die Helligkeit der Reflexionen ist z.B. durch eine Amplitude eines von der Fotodiode 110 erzeugten Signals definiert.
Anschließend wird ein Schritt 804 ausgeführt.
Im Schritt 804 werden zeilenweise die insbesondere hellsten Reflexionen bestimmt, deren Helligkeit einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Der Schwellwert definiert z.B. die Größe der Amplitude, bei der eine Reflexion als Ausgangszentrum einer Voroni-Zelle berücksichtigt wird.
Anschließend wird ein Schritt 806 ausgeführt.
Im Schritt 806 wird abhängig von den zeilenweise erfassten Helligkeiten zeilenweise das Voroni-Diagramm 200 bestimmt.
Die insbesondere hellsten Reflexionen, deren Helligkeit den vorgegebenen Schwellwert überschreitet, bilden im Beispiel die Ausgangszentren der Voroni- Zellen im Voroni-Diagramm 200.
Anschließend wird ein Schritt 808 ausgeführt.
Im Schritt 808 wird die Pupille abhängig von den Positionen der Voroni-Zellen im Voroni-Diagramm 200 detektiert.
Im Beispiel werden die Schritt 802 bis 808 zeilenweise durchgeführt. Das bedeutet, die Pupille wird im Schritt 808 mit dem um die jeweilige Zeile ergänzten Voroni-Diagramm detektiert.
Im Beispiel wird mit dem Infrarot-Laserstrahl ein Bereich, der Abtastbereich, abgetastet. Im Beispiel werden Voroni-Zellen bestimmt, die den Abtastbereich repräsentieren. Die Pupille wird abhängig von den Voroni-Zellen im Bereich detektiert.
Im Beispiel wird der Bereich des Auges abgetastet.
Zum Bewegen von einer Zeile zu einer nächsten Zeile wird z.B. der Infrarot- Laserstrahl durch Verändern eines ersten Winkels des Mikrospiegels 106 zur nächsten Zeile bewegt. Zum Abtasten innerhalb einer Zeile wird z.B. der Infrarot- Laserstrahl durch Verändern eines zweiten Winkels des Mikrospiegels 106 innerhalb der Zeile bewegt. Im Beispiel wird die Position in der ersten Richtung 202 durch den ersten Winkel definiert. Im Beispiel wird die Position in der zweiten Richtung 204 durch den zweiten Winkel definiert.
Die Position der Ausgangszentren der Voroni-Zellen werden z.B. abhängig von den Winkeln bestimmt, bei denen die insbesondere hellsten Reflexionen, deren Helligkeit den vorgegebenen Schwellwert überschreitet, erfasst werden.
Durch Vorgabe des Schwellwerts wird die Empfindlichkeit und Granularität der Detektion und die Anzahl der Ausgangszentren beeinflusst.
Die Reflexion wird in einem Beispiel dem Winkel des Mikrospiegels 106 zugeordnet, der zum selben Zeitpunkt anliegt, zu dem die Reflexion erfasst wird. Die Zuordnung erfolgt beispielsweise mittels des jeweiligen Zeitpunkts.
Im Beispiel wird abhängig von den Flächen der Voroni-Zellen die binäre Repräsentation 400 der Pupille und der Umgebung der Pupille bestimmt.
Beispielsweise werden die Voroni-Zellen, deren Fläche kleiner als eine vorgegebene Fläche ist, der Pupille zugeordnet. Die anderen Voroni-Zellen werden z.B. der Umgebung zugeordnet. Dies stellt eine regelbasierte Auswertung dar.
Es kann vorgesehen sein, dass die Voroni-Zellen abhängig von einer Klassifizierung der Flächen mit einem künstlichen neuronalen Netz als der Pupille 402 zugehörig oder als der Umgebung 404 zugehörig zugeordnet werden. Die Klassifizierung mit einem dazu trainierten künstlichen neuronalen Netz reduziert die Latenz gegenüber der regelbasierten Auswertung zusätzlich.
Abhängig von der zweidimensionalen Repräsentation 400 wird die zweidimensionale Normalverteilung bestimmt. Im Beispiel wir die zweidimensionale Normalverteilung zeilenweise bestimmt.
Die zweidimensionale Normalverteilung umfasst je Dimension eine Normalverteilung über die Positionen von die Pupille repräsentierenden Pixel. Im Beispiel umfasst die zweidimensionale Normalverteilung die erste Normalverteilung 602 und die zweite Normalverteilung 604.
Die Pupille wird im Beispiel abhängig von der zweidimensionalen Normalverteilung detektiert. Im Beispiel werden die Pixel der zweidimensionalen Repräsentation 400, die sich innerhalb eines vorgegebenen Konfidenzintervalls um den Mittelwert der zweidimensionalen Normalverteilung befinden, als der Pupille zugeordnete Pixel bestimmt. Das Konfidenzintervall umfasst z.B. die Pixel, für die mit einer Wahrscheinlichkeit, die innerhalb eines vorgegebenen Vielfachen der Standardabweichung a = um den Mittelwert . = ( I, 2) der zweidimensionalen Normalverteilung liegt, festgestellt wird, dass die Pixel der Pupille zugeordnet sind.
Die Zuordnung der Voroni-Zellen zu der Pupille oder der Umgebung wird im Beispiel nach Abschluss des Abtastens der jeweiligen Zeile abhängig von dem Voroni-Diagramm bestimmt, das die jeweilige Zeile umfasst. Es kann vorgesehen sein, dass die Zuordnung während des Abtastens der Zeile bereits begonnen wird, z.B. für bereits vollständig gewachsene Voroni-Zellen. Es kann vorgesehen sein, dass die Zuordnung von bereits zuvor zugeordneten Voroni-Zellen während des Abtastens der Zeile beibehalten wird, z.B. für bereits vollständig gewachsenen, sich aufgrund des Abtastens der Zeile nicht mehr ändernden Voroni-Zellen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Detektion einer Pupille, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Infrarot-Laserstrahl (108) ein Abtastbereich zeilenweise abgetastet wird, wobei zeilenweise Helligkeiten von Reflexionen (110) des Infrarot- Laserstrahls (108) erfasst werden (802), wobei die insbesondere hellsten Reflexionen bestimmt werden (804), deren Helligkeit einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wobei abhängig von den zeilenweise erfassten Helligkeiten zeilenweise ein Voroni-Diagramm (200) bestimmt wird (806), wobei die insbesondere hellsten Reflexionen, deren Helligkeit den vorgegebenen Schwellwert überschreitet, die Ausgangszentren (208) von Voroni-Zellen (206) im Voroni-Diagramm (200) bilden, und die Pupille abhängig von Positionen der Voroni-Zellen (206) im Voroni-Diagramm (200) detektiert wird (808).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Voroni-Zellen (210) mit einer Fläche kleiner als eine vorgegebene Fläche der Pupille (402) zugehörig zugeordnet werden, und/oder dass Voroni-Zellen (206) mit einer Fläche größer als eine vorgegebene Fläche einer Umgebung (404) der Pupille zugehörig zugeordnet werden (808).
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Voroni- Zellen abhängig von einer Klassifizierung einer Fläche der jeweiligen Voroni- Zelle mit einem künstlichen neuronalen Netz als der Pupille (402) zugehörig oder als der Umgebung (404) zugehörig zugeordnet werden (808).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweidimensionale insbesondere binäre Repräsentation (400) des Voroni-Diagramms (200) insbesondere zeilenweise bestimmt wird (808), wobei die zweidimensionale Repräsentation (400) in den Flächen der Voroni-Zellen, die der Pupille zugehörig zugeordnet sind, Pixel (402) umfasst, die die Pupille repräsentieren, wobei die zweidimensionale Repräsentation (400) in den Flächen der Voroni-Zellen, die der Umgebung der Pupille zugehörig zugeordnet sind, Pixel (404) umfasst, die die Umgebung repräsentieren, wobei den Pixeln jeweils eine erste Position des jeweiligen Pixels in der ersten Dimension der zweidimensionalen Repräsentation zugeordnet ist, wobei den Pixeln jeweils eine zweite Position des jeweiligen Pixels in der zweiten Dimension der zweidimensionalen Repräsentation (400) zugeordnet ist, wobei eine zweidimensionale Normalverteilung insbesondere zeilenweise bestimmt wird, die je Dimension eine Normalverteilung über die Positionen von die Pupille repräsentierenden Pixel umfasst, wobei die Pupille in der zweidimensionalen Repräsentation abhängig von der zweidimensionalen Normalverteilung detektiert wird (808).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass je Normalverteilung ein Mittelwert und eine Standardabweichung der Positionen der Pixel in der jeweiligen Dimension bestimmt werden, die die Pupille repräsentieren.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Repräsentation des Voroni-Diagramms zeilenweise bestimmt wird, wobei die zweite Position eine Position der jeweiligen Zeile repräsentiert.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zeilenweise Bestimmung des Voroni-Diagramms und der Repräsentation abgebrochen wird, wenn sich der zeilenweise bestimmte Mittelwert der für die zweite Dimension bestimmten Normalverteilung für wenigstens eine Zeile nicht mehr ändert.
8. Verfahren nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bild des Abtastbereichs bestimmt wird, wobei das Bild Pixel umfasst, und wobei die Pupille im Bild abhängig von der zweidimensionalen Normalverteilung detektiert wird (808).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wobei die Pixel aus dem Bild der Pupille zugeordnet werden, die innerhalb eines durch die zweidimensionale Normalverteilung definierten Konfidenzintervalls (702) um den Mittelwert der zweidimensionalen Normalverteilung liegen.
10. Vorrichtung (102) zur Detektion einer Pupille, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (102) eine Strahlablenkeinrichtung (106) zum Abtasten mit einem Infrarot-Laserstrahl (108) und wenigstens eine Empfangseinheit (110) zur Erfassung von Reflexionen (110) des Infrarot-Laserstrahls (108) umfasst, wobei die Vorrichtung (102) ausgebildet das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
11. Datenbrille (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Datenbrille (100) die Vorrichtung (102) nach Anspruch 10 umfasst.
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