视线跟踪系统中眼睛睁闭检测算法研究

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1、第17卷第1期2012年2月电路与系统学报JOURNALOFCIRCUITSANDSYSTEMSVol.17No.1February，2012文章编号：1007-0249(2012)01-0017-07视线跟踪系统中眼睛睁闭检测算法研究*邓宏平#，李斌，姚鹏，吴伟，王建宇，庄镇泉（中国科学技术大学电子科学与技术系微软教育部重点实验室，安徽合肥230027）摘要：眼睛睁闭检测在视线跟踪系统中具有重要意义。为提高检测的准确性，提出了一种基于Harris算子的检测方法。该方法首先利用Harris算子计算图像的角点量，然后搜索图像中

2、角点量最大的位置，以该位置为中心，设置一个区域，统计该区域内角点量总和占整幅图像角点量总和的比例，通过将该比例与阈值相比较来确定眼睛的状态。实验结果表明，本算法具有较高的鲁棒性和准确率，并能满足实时性要求。关键词：眼睛状态检测；Harris算子；角点量中图分类号：TP751文献标识码：A引言视线跟踪技术是近年来兴起的人机交互方式，通过分析由摄像头获取的眼部图像，可以计算出人眼凝视的位置，进而起到利用眼睛控制鼠标的功能。视线跟踪在军事、残疾人辅助、心理学研究和网页分析等方向有着重要应用。凝视点的位置，是通过眼部图像中瞳孔中心的

3、位置，结合瞳孔图像到场景图像之间的映射矩阵计算出来的。瞳孔中心位置与凝视点位置之间存在一一对应关系。因此，在视线跟踪的过程中，能否实现瞳孔中心的准确定位，将会直接决定人机交互的质量。现实生活中，人的眼睛会有随机性的眨眼活动，当眼睛闭合时，系统将无法获取瞳孔中心的准确位置，因此也无法对凝视点位置进行精确地定位。此时，就有可能造成视线跟踪的中断，无法完成正常的人机交互。另外，在视线跟踪系统中，通常需要凝视某一对象一定时间，才实现鼠标单击。在此期间，如果出现眨眼情况，凝视点位置将会产生偏移，则有可能造成错误的单击。因此，必须能够识

4、别出当前帧中眼睛的状态，才可避免此种情况的发生。对于闭眼的情形，可以将前一帧图像的瞳孔中心位置作为当前帧瞳孔中心位置，或者不作计算，从而不会影响系统的正常工作。当前眼睛状态检测主要有以下几个难题。第一，光照的影响。不同的视线跟踪系统，采用的照明系统可能不同，如可见光、红外光等，光源的位置也不尽相同，有前方、斜上方等。因此，采集到的眼部图像的光照分布各有不同，即便同一幅图像内，不同区域的亮度也有较大差别，因此在对图像进行二值化等操作时，很难选取有效的阈值。第二，眼睑和睫毛的干扰。眼睑和睫毛具有很低的灰度。很多基于边缘的算法会将

5、眼睑和睫毛误认为是瞳孔边缘，从而造成误判。因此如何降低各种因素的干扰，是提高眼睛状态检测正确率的关键。目前常见的眼睛状态检测方法可以分为两大类：基于图像的方法[1~8]和基于学习的方法[9~15]。基于图像的方法充分利用了睁眼和闭眼时，眼部特征的差异，如是否能检测到虹膜边缘，眼睑的方向是否相同，上下眼睑的距离等。这类方法的优点是算法比较容易实现，速度也较快，但容易受到眼睑、睫毛和镜面反光等干扰，准确率不高。基于学习的方法把眼睛状态的检测当作一种分类问题来处理，通过提取特征，利用分类器进行学习，根据学习结果实现眼睛状态的检测。

6、这类方法需要选择有效的特征，并选择大量的样本进行训练，才能得到比较理想的分类器。文献[1~3]首先提取眼部图像的轮廓，然后通过Hough变换检测虹膜边缘。Hough变换轮流对图像中的所有边缘点进行拟合，然后在参数空间中寻找最优的圆形作为虹膜的边缘。图像中边缘点的数量1*收稿日期：2010-04-23修订日期：2010-05-29基金项目：获得国家自然科学基金广东联合基金资助（U0835002）；国家自然科学基金资助项目（60902062）#通信作者：E-mail：denghp@mail.ustc.edu.cn决定了算法的速度

7、。在提取边缘的过程中，眼睑和睫毛的边缘很难完全滤除，容易被误认为是虹膜边缘，从而降低了算法的准确率和速度。此外，Hough变换需要预先估计瞳孔半径，但在实际跟踪过程中，瞳孔会受光照等因素的影响而发生显著的变化，很难准确地估计其大小，这也增加了Hough变换的难度。此外，Hough变换只能用来检测圆形瞳孔，当眼睛转动较大时，摄像机平面与眼球平面出现较大交角，瞳孔边缘就会呈现出椭圆形状，此时，Hough变换将失效。文献[4]中介绍了两种方法：一种是先对眼部图像进行二值化，然后利用水平投影曲线进行判断；另一种方法是先提取眼部图像的

8、边缘，然后利用水平投影曲线进行判断。这两种方法虽然速度较快，但二值化过程容易受到光照的影响，边缘的求取又容易受到睫毛以及眼睑方向等因素的影响，因此水平投影曲线并不能正确地反应眼睛的睁闭状态。例如，当眼睑发生较大倾斜时，睁眼与闭眼情况下得到的投影曲线，几乎没有太大差别。该方法也失去了意义。文