林浩輝，彭建中，吳南壽，曾興暉，李曉雯，唐艷紅，鐘俊平

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 物理與光電工程學(xué)院，廣東 佛山 528200）

0 引言

瞳孔定位在醫(yī)學(xué)方面上應(yīng)用廣泛，在眼底檢測(cè)方面，通過觀察眼底視網(wǎng)膜、視盤形態(tài)可以對(duì)老年黃斑變性、青光眼、糖尿病視網(wǎng)膜病變等疾病進(jìn)行診斷和早期治療的作用[1,2]。在醫(yī)學(xué)臨床上常用光學(xué)相干斷層掃描儀（OCT）獲得眼底視網(wǎng)膜圖片，OCT眼科儀器的探測(cè)范圍在2mm～3mm左右，在獲得眼底視網(wǎng)膜圖片的過程中，需要將OCT眼科儀器對(duì)準(zhǔn)瞳孔中心，使得探測(cè)光進(jìn)入眼睛，并且移動(dòng)到OCT眼科儀器的探測(cè)范圍內(nèi)，才可以采集到眼底圖像[3,4]。在為被檢測(cè)者進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，有手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)和自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)兩種瞳孔對(duì)準(zhǔn)方式，手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)對(duì)需要操作者與被測(cè)者進(jìn)行配合，并且需要醫(yī)院人員有較高的操作水平；自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)是通過圖像處理算法計(jì)算出瞳孔當(dāng)前位置，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)移動(dòng)圖像采集裝置到適合位置，對(duì)準(zhǔn)瞳孔中心進(jìn)行眼底圖像采集。目前比較流行的眼科自動(dòng)化輔助儀器多為二維移動(dòng)方向的裝置，用于眼睛生物參數(shù)測(cè)量上[5]，并沒有三維移動(dòng)方向上的需求；還有關(guān)于無人看守的眼底篩查儀器的自動(dòng)化裝置，大部分只有二維方向上對(duì)準(zhǔn)瞳孔功能，并不能自動(dòng)定位到最適合眼底篩查儀器采集圖像的位置[6]。因此，一種基于計(jì)算機(jī)的測(cè)距技術(shù)對(duì)于眼底檢測(cè)設(shè)備有著重要意義。

目前比較流行測(cè)距定位算法在國內(nèi)外已有深入研究[7-9]，有單目視覺測(cè)距和雙目視覺測(cè)距，如董峰等[10]采取攝像機(jī)標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)雙目視覺對(duì)放療過程中的精確定位，該方法對(duì)于放療位置定位準(zhǔn)確，但是卻不適用于瞳孔測(cè)距；李賢輝等[11]將單目視覺應(yīng)用到瞳孔定位中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人臉圖像中瞳孔與到攝像機(jī)鏡頭間的距離探測(cè)，但精確度上還有待提高。

鑒于此，提出一種基于雙攝像相機(jī)瞳孔測(cè)距定位方法，在紅外LED（中心波長850nm）照射下對(duì)人眼無刺激與損傷，有著使瞳孔與背景的區(qū)分度大，能清晰地呈現(xiàn)瞳孔特征等優(yōu)點(diǎn)。以先驗(yàn)知識(shí)得知OCT眼科儀器最佳拍攝位置作為目標(biāo)位置，再采集到圖像進(jìn)行圖片預(yù)處理操作，快速識(shí)別瞳孔中心并且將瞳孔與背景分離，求得圖像采集裝置的距離與目標(biāo)位置的偏差，并通過電機(jī)使得圖像采集裝置達(dá)到設(shè)定位置，該方法適用于OCT眼科儀器的輔助裝置上，可有效提高輔助裝置的準(zhǔn)確性、快速性，并且滿足OCT眼科儀器對(duì)輔助裝置實(shí)時(shí)性的要求。

1 瞳孔距離定位原理的理論

雙攝像機(jī)視覺測(cè)量是采用兩臺(tái)攝像相機(jī)從不同角度采集圖像，基于透鏡成像的原理[12]，利用位于空間中的點(diǎn)在兩臺(tái)攝像相機(jī)成像平面上的透視成像點(diǎn)坐標(biāo)。采用雙目攝像機(jī)透鏡成像原理建立系統(tǒng)模型如圖1所示，將兩個(gè)相同規(guī)格的攝像機(jī)對(duì)稱固定在位移平臺(tái)上，O1，O2為左、右透鏡光心，O1P和O2P為左、右相機(jī)的光軸，P為兩相機(jī)光軸的交點(diǎn)，左、右相機(jī)與水平線的夾角均為θ。兩透鏡光心的距離即基線距離為2b，過P點(diǎn)作PC垂直于基線，可得C為基線的中點(diǎn)，即O1C的長度為b。以左相機(jī)為例，Q為基線的中線上的任意一點(diǎn)，左光軸與像平面交于O11，Q在像平面分別對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為Q11，過Q分別作QF垂直于左相機(jī)光軸。

圖1 雙目攝像機(jī)透鏡成像原理系統(tǒng)模型Fig.1 Binocular camera lens imaging principle system model

若設(shè)P點(diǎn)為目標(biāo)位置，Q點(diǎn)將要對(duì)P點(diǎn)進(jìn)行定位，則設(shè)Q1O11為△x，PQ為△z，把Q點(diǎn)設(shè)為三維空間中的物點(diǎn)，Q1點(diǎn)則是Q投影在成像平面上的像點(diǎn)，則物距u和像距v分別為FO1和O1O11，根據(jù)相似三角形原理易得三角形O1QF相似于Q1O11O1，由角度變換關(guān)系可得∠PQF的值也為θ，則QF的長度即為Δzcosθ，物距u=O1P+PF=b/cosθ+Δzsinθ。根據(jù)透鏡成像公式1/u+1/v=1/f得：

根據(jù)三角關(guān)系得：

當(dāng)Δx1=Δx2=0時(shí)，則Q點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P點(diǎn)，即兩光軸相交處，Q點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)位置。

2 雙目視覺瞳孔測(cè)距定位系統(tǒng)的組成

基于雙目視覺瞳孔測(cè)距定位裝置由CCD相機(jī)、位移平臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)和托頭架組成。其中，將兩個(gè)攝像頭光軸與水平線以夾角θ=35°進(jìn)行擺放，被測(cè)試者的頭部被托頭架托載，減少頭部的晃動(dòng)，以便于圖像采集。位移平臺(tái)承載著雙目相機(jī)，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的指令帶動(dòng)位移平臺(tái)進(jìn)行前后方向上的移動(dòng)，流程圖如圖2所示。

在近紅外LED（中心波長850nm）光照環(huán)境下，可以清晰地分辨瞳孔與虹膜的邊緣，兩臺(tái)攝像機(jī)從不同的角度采集圖片，由于在采集瞳孔圖片的過程中存在著反射光斑，并且眼瞼、睫毛方面會(huì)對(duì)瞳孔進(jìn)行部分遮蓋，還有由于拍攝角度問題，瞳孔的形狀近似于橢圓，這些因素都會(huì)影響到瞳孔中心位置的定位。首先，要對(duì)采集的圖片進(jìn)行預(yù)處理，先進(jìn)行中值濾波對(duì)圖片進(jìn)行去噪，能有效地保留后續(xù)處理所需的信息；由于采集的圖像中，瞳孔灰度值低于人臉其他部位，采取閾值分割可以有效地將瞳孔與人類其他部位進(jìn)行區(qū)分，然后對(duì)圖像進(jìn)行圖像二值化處理，篩選出瞳孔輪廓；對(duì)瞳孔進(jìn)行面積計(jì)算，設(shè)定閾值將背景與小面積的光斑移除；再利用canny邊緣檢測(cè)算法[13]進(jìn)行邊緣細(xì)化，最后利用最小二乘法橢圓擬合輪廓，并將橢圓中心作為瞳孔中心；將雙目相機(jī)的中軸線對(duì)準(zhǔn)瞳孔，設(shè)置偏移量k=Δxl-Δxr，設(shè)Δxl為左圖像圓心橫坐標(biāo)xl與圖像中心點(diǎn)橫坐標(biāo)的差值，Δxr為右圖像圓心橫坐標(biāo)xr與圖像中心點(diǎn)橫坐標(biāo)的差值，由于雙目相機(jī)左右對(duì)稱，則當(dāng)偏移量k不滿足設(shè)定時(shí)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)位移平臺(tái)進(jìn)行前后方向的移動(dòng)，判定當(dāng)k與預(yù)設(shè)值的差值在誤差允許范圍內(nèi)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止工作。

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig.2 System flow chart

2.1 圖像預(yù)處理

2.1.1 噪聲處理

圖像在采集過程中容易受到不同噪聲的影響，如機(jī)械噪聲、光學(xué)噪聲等，這里選用中值濾波對(duì)采集的瞳孔圖像進(jìn)行噪聲去除，因?yàn)橹兄禐V波在去除大部分正態(tài)分布的噪聲的同時(shí)可以較好地保留邊緣結(jié)構(gòu)，這里選用9×9的濾波模板。

2.1.2 閾值分割

通常情況下，人眼瞳孔部分的像素值會(huì)比臉部其他部分的低，根據(jù)人眼瞳孔這一特點(diǎn)，使用自適應(yīng)閾值分割的方法[14]。由于背景像素值與人臉瞳孔像素值差距較大，在閾值分割后消除大部分背景。此時(shí)圖像上會(huì)剩余多個(gè)輪廓，根據(jù)瞳孔的幾個(gè)特性，設(shè)定篩選條件，進(jìn)而篩選出瞳孔區(qū)域，由于相機(jī)是以一定角度對(duì)瞳孔進(jìn)行圖像采集，瞳孔呈現(xiàn)在圖像上為橢圓形，長寬比在1.2～1.5之間，在雙目相機(jī)有效拍攝距離內(nèi)，當(dāng)距采集裝置與眼睛距離不同時(shí)，輪廓大小也會(huì)隨著距離的變化而變化，經(jīng)過采集多張不同距離的眼睛瞳孔圖像，統(tǒng)計(jì)得出瞳孔輪廓像素點(diǎn)大概在5000～11000范圍內(nèi)，設(shè)定此面積范圍可提升提取瞳孔輪廓的準(zhǔn)確性，同時(shí)將剩余的輪廓排除，并且可以減少由于睫毛與眼睛相近造成的陰影相連影響，處理效果如圖3（b）所示。

2.1.3 邊緣檢測(cè)

將瞳孔輪廓提取出來后，需要對(duì)瞳孔輪廓進(jìn)行邊緣檢測(cè)，從而減少數(shù)據(jù)量，并且瞳孔輪廓的邊緣檢測(cè)的結(jié)果會(huì)直接影響后續(xù)瞳孔坐標(biāo)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響測(cè)距定位的精確度，使用Canny算子進(jìn)行瞳孔輪廓的邊緣檢測(cè)，Canny算子的特點(diǎn)在于對(duì)瞳孔輪廓進(jìn)行高斯平滑處理，使用了非最大抑制來對(duì)抑制多邊響應(yīng)輪廓的影響，雙閾值可以有效減少邊緣的漏檢，處理效果圖如圖3（c）所示。

2.1.4 邊緣擬合

提取出的瞳孔輪廓邊緣為不規(guī)則圖形，為了保持準(zhǔn)確性及快速性，選擇最小二乘橢圓法[15]擬合法將橢圓中心點(diǎn)求出并且獲得瞳孔邊緣。平面坐標(biāo)系中，橢圓的一般表示方程為：

上述參數(shù)，(x,y)為像素點(diǎn)的坐標(biāo)，A,B,C,D,E,F為二次曲線參數(shù)，其中還需滿足二次曲線才可以判定為橢圓。

從瞳孔輪廓邊緣任意選取6個(gè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)代入式（5）中，進(jìn)而求出上述5個(gè)參數(shù)，算出關(guān)于橢圓的二次曲線方程，擬合出橢圓的輪廓，通過對(duì)橢圓中心坐標(biāo)與輪廓邊緣的方差，選取方差最小的瞳孔輪廓邊緣作為最終的瞳孔輪廓，其相對(duì)應(yīng)的中心點(diǎn)即為瞳孔中心點(diǎn)，效果如圖3（d）所示。

2.2 瞳孔距離定位

本方法只針對(duì)當(dāng)瞳孔位于兩攝像機(jī)基線的中線上的情況下，在此情況下探索瞳孔到基線的距離，拍攝將左右圖像瞳孔中心點(diǎn)重合位置設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，本裝置采集圖像大小為640×480通過圖像預(yù)處理后，求得左圖像瞳孔中心點(diǎn)與右圖像瞳孔中心點(diǎn)如圖4所示，得到左右瞳孔中心的坐標(biāo)，由式（3）和式（4）可得出偏移量Δx，通過偏移量轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)電信號(hào)，從而控制位移平臺(tái)達(dá)到預(yù)設(shè)定位點(diǎn)。則電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的表達(dá)式為：

圖3 圖像預(yù)處理圖Fig.3 Image preprocessing diagram

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證距離瞳孔定位系統(tǒng)的可行性，進(jìn)行重復(fù)誤差測(cè)試。對(duì)雙目系統(tǒng)準(zhǔn)確性驗(yàn)證，選取kingcent的KS2A418低照度夜視攝像頭作為雙目攝像機(jī)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境在CPU為i5-9700，內(nèi)存為16GB的硬件環(huán)境下，使用visual 2017和C#的軟件環(huán)境下運(yùn)行。

3.1 瞳孔中心定位結(jié)果

使用在紅外燈照環(huán)境下對(duì)10位同學(xué)采集圖片進(jìn)行距離瞳孔中心定位測(cè)試，圖5(a)為左偏且上偏的初始位置的圖像，當(dāng)瞳孔中心點(diǎn)移動(dòng)到左圖像中心點(diǎn)時(shí)，如圖5(b)所示。圖5(c)為距離18mm時(shí)的圖片，當(dāng)左圖片瞳孔中心與右圖片瞳孔中心點(diǎn)重合時(shí)，如圖5(d)所示，此時(shí)瞳孔距離眼底篩查設(shè)備距離范圍在14mm～15mm的范圍內(nèi)，圖5(e)為初始位置右偏且上偏的初始位置圖像，圖5(f)是在電機(jī)移動(dòng)后到達(dá)做圖像中心的圖像，圖5(g)為距離18mm時(shí)的圖像，圖5(h)的圖片是滿足OCT眼底篩查儀器的最佳圖片采集距離。綜上所述，本方法可以在任意隨機(jī)初始位置情況下均能到達(dá)OCT眼底篩查儀器采集圖片最為清晰的位置。

圖4 瞳孔中心圖Fig.4 The center of the pupil

圖5 工作過程圖Fig.5 Working process diagram

3.2 重復(fù)誤差測(cè)量

對(duì)10位同學(xué)進(jìn)行重復(fù)誤差測(cè)試，重復(fù)誤差測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。由精度測(cè)量數(shù)據(jù)表可以看出，在大多數(shù)情況下，本文瞳距定位方法的定位方差波動(dòng)在0.4以內(nèi)，偶爾有較大的波動(dòng)，可能是被測(cè)試者的坐姿發(fā)生改變，或者其他特殊因素導(dǎo)致的?？傮w情況較為樂觀，該方法的可行性較高。

4 結(jié)論

以瞳孔作為研究對(duì)象，在紅外LED（中心波長850nm）光照環(huán)境下對(duì)瞳孔進(jìn)行距離定位研究，利用紅外燈環(huán)境可以使得瞳孔與背景之間的像素值產(chǎn)生明顯差距的特性，以找到瞳孔大致位置，之后采用最小二乘橢圓擬合法擬合出瞳孔邊緣，求得瞳孔圖像中心點(diǎn)，最后根據(jù)透鏡原理進(jìn)行目標(biāo)位置進(jìn)行定位，搭配步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)瞳孔的距離中心定位與圖像采集中心點(diǎn)快速對(duì)準(zhǔn)，并且該系統(tǒng)的精確度基本達(dá)到±2mm以內(nèi)，有較高的精度，并且滿足了眼底篩查設(shè)備的輔助裝置實(shí)時(shí)性的要求，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化眼睛距離定位功能，能作為眼底篩查設(shè)備的輔助裝置，在后續(xù)研究中會(huì)進(jìn)一步提高距離定位精度以及魯棒性。

表1 重復(fù)誤差測(cè)量數(shù)據(jù)表Table 1 Repeated error measurement data table