基于dsp的嵌入式眼动跟踪系统设计与实现

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1、华中科技大学硕士学位论文法器，采用哈佛总线结构，有专用的寻址单元并能对算法进行流水处理，还有大容[14]量的片内存储器。大多数DSP还集成了丰富的外设资源，如千兆以太网控制器（EMAC）、DDR2接口、PCI接口、EMIF接口、I2C接口、McBSP接口、GPIO接口和JTAG仿真器接口等多种外设。这些特性让DSP在数据密集型的应用领域有强大优势，并具有良好的数据传输能力，因此DSP对于眼动跟踪系统来说是一个很好的选择。1.2国内外研究现状眼动仪作为研究和利用眼动的一种工具，在国外已走向了实用化和商业化阶段，但国内还只有一些用于科研

2、的实验性眼动仪。目前国外主流的眼动仪主要采用以下几种原理：（1）电势差原理角膜和视网膜在眼球运动时会因为生物电现象产生一个电势差，不同方向的眼球运动会产生不同的电势变化，通过记录这些电势变化就可以较为精确的跟踪眼动情况。法国的Metrovision公司生产的ModelMonEOG眼动仪就是利用电流记录原理的产品。这款仪器不用直接接触眼睛，头部运动也不会影响眼动跟踪效果，缺点在于当人眼周围皮肤的电势太小时会给眼动跟踪带来困难。（2）电磁感应原理这种原理通过测试吸附在眼睛上隐形镜片中线圈的感应电压，来对眼球水平方向和垂直方向的运行进行跟

3、踪。荷兰SKALAR公司根据该原理生产的电磁感应眼动仪已被用于神经生理学、神经病学的研究中。使用这类型的眼动仪最大的缺点在于被试者需要佩戴专用的隐形眼镜，会给眼镜带来不适感。（3）瞳孔和角膜反射原理[4][6-8]红外点光源经过瞳孔和角膜的反射，会形成耀点。通过建立2D或3D的眼球模型，进行光学几何运算可以对人眼视线进行跟踪。一般采用这种原理的眼动仪都是使用摄像机采集眼睛图像，使用图像处理技术提取瞳孔和耀点。加拿大SR公司生产的Eyelink2000型眼动仪、德国SMI公司生产的iViewXRED型眼动仪和瑞典[27]Tobii公司

4、生产的T120型眼动仪是利用这种原理的尖端产品。大部分的基于图像处理的眼动仪使用PC为眼动跟踪做算法处理和程序控制，但已有部分眼动仪使用嵌入式技术，将处理器嵌入眼动仪内部，使其能够在移动中便2华中科技大学硕士学位论文携使用。例如像瑞典Tobii公司开发的TobiiGlasses产品，如下图1.1所示，直接佩戴眼镜即可在行动中对眼动进行跟踪。TobiiGlasses采样率为30Hz，摄像头分辨率为640×480，最大记录时间为70分钟。图1.1TobiiGlasses在嵌入式眼动仪的研究当中，文献[28]提出了一种基于EOG（眼动电图

5、）技术的嵌入式眼动仪设计方案，其使用AVR32芯片作为其处理器。文献[29]提出了一种使用CMOS图像传感器阵列，直接通过硬件电路对眼睛图像进行处理的办法。文献[30]设计了一种基于SOC的嵌入式人机交互装置。文献[31]设计了一种使用InterCoreDuo内核，并使用Linux操作系统的嵌入式残疾人辅助系统。随着传感器和IC技术及其工艺的迅速发展，眼动仪正朝着精确度更高、使用更方便的方向发展。1.3论文内容和章节安排本文一共六个章节，具体内容如下：第一章，绪论。引入课题的研究背景，分析嵌入式眼动跟踪系统的应用前景以及设计基于DS

6、P的嵌入式眼动跟踪系统的可行性。介绍了国内外的研究现状和本文各章节的主要内容。第二章，眼动跟踪算法原理。介绍了基于3D模型的眼动跟踪系统原理以及人眼图像特征提取算法。第三章，基于多DSP的硬件系统设计。介绍了DSP的硬件资源和基于FPGA的多DSP互联方案，引入了系统设计方案。第四章，基于NDK的网络驱动程序设计。介绍了TMSC6455的千兆以太网硬件接口，设计了以太网底层驱动程序和网络应用程序，并给出网络数据传输实验结果和分析。第五章，眼动跟踪核心算法的板上实现与优化。实现了OPENCV库函数和眼动3华中科技大学硕士学位论文跟踪核

7、心算法的从PC平台到DSP平台的移植，并对眼动跟踪核心算法做了优化。第六章，基于多DSP的嵌入式眼动跟踪系统实现。介绍了DSP/BIOS操作系统，并基于DSP/BIOS操作系统实现了眼动跟踪软件系统。最后给出眼动跟踪系统的实验数据和结果分析。4华中科技大学硕士学位论文2眼动跟踪算法原理2.1基于3D模型的眼动跟踪系统原理[5]3D眼动跟踪系统克服了传统2D眼动跟踪系统头部不能移动的限制，它仅仅采用了一个相机与两个LED光源就可以确定角膜中心和瞳孔中心的精确三维坐标，与其他3D眼动跟踪系统相比，大大降低了成本。3D眼动跟踪算法，在图像

8、处理阶段得到瞳孔中心坐标和耀点（耀点是近红外光源经人眼角膜反射后在其表面上形成的亮斑）中心坐标后，需要求取角膜曲率中心三维坐标和瞳孔中心三维坐标，由这两个坐标可以求解出光轴的方程。人眼真正的[21]视线方向是视轴，而视轴与光轴之间有一