一种基于塑料光纤实现眼球追踪的装置和方法与流程

本技术涉及眼球运动追踪，尤其是涉及一种基于塑料光纤实现眼动追踪的装置和方法。

背景技术：

1、眼动追踪是指自动实现眼球瞳孔中心及注视点定位的过程。人类获取的外部信息主要通过人眼感知的视觉信息，而眼动能直观地反映人的注视点和注视时间，其在人机交互、脑神经科学研究、视力验光矫正等领域都有应用。在大数据时代，眼动追踪还用于分析消费者的消费意愿，医疗辅助诊断等领域，例如婴幼儿自闭症诊断，阿尔兹海默症、精神分裂症的诊断。

2、眼动追踪主要分为侵入式追踪和非侵入式追踪两种。其中，侵入式追踪的典型是电磁巩膜搜索线圈，该线圈被嵌入到隐形眼镜中，通过电磁感应原理产生的信号来测量眼球水平及垂直方向的运动，眼球的运动会产生感应电压，通过分析系统接收到的电信号，从而完成眼动的追踪。该系统具有较高的精度和很低的延时，但是在实验前需要麻醉实验者的眼睛，再把设备吸附在眼球上，这种方法对实验者的眼睛有一定的伤害。侵入式追踪的应用还包括双眼浦肯(purkinje)成像系统(dpi)等眼动追踪设备，这种追踪设备虽然没有物理接触到眼睛，但仍需要一个咬合棒来稳定头部，并且允许的视野很小，追踪精度不高。

3、非侵入式追踪包括视频追踪方法、虹膜边缘法以及瞳孔角膜反射法。其中，视频追踪法需要外部设备做支持，常见的方式有头盔式、遥测式、固定式，通常是安装一个或多个相机。当安装一个相机时，需要使用红外光源来引起暗瞳效应，红外光源在眼球上发生反射时瞳孔颜色较深，而虹膜颜色较亮，通过图像分析可以分离瞳孔从而完成眼动追踪。而倘若安装多个相机，也仅有一个相机用于实现追踪眼球，其余的相机则是为了识别头部的位置从而完成对眼球运动的校准，在一定程度上提升了眼动识别的准确率。

4、虹膜边缘法是通过红外光照射人眼，在眼睛附近安装的两只红外光敏管用来接收巩膜和虹膜边缘处两部分反射的红外光。接收到的红外光会随着眼睛的运动而变化，当眼球向一侧运动时，虹膜就转向这边，这一侧的光敏管所接受的红外线就会减少；而另一侧的巩膜反射部分增加，导致这边的光敏管所接受的红外线增加。利用这个差分信号就能实现无接触追踪眼球。这种方法测得的结果在水平精度上较高，但垂直方向精度较低、干扰大、头部误差大。

5、瞳孔角膜反射追踪方法利用眼摄像机拍摄眼睛图像，接着通过图像处理得到瞳孔中心位置。然后把角膜反射点作为眼摄像机和眼球的相对位置的基点，根据图像处理得到的瞳孔中心即可以得到视线向量坐标，从而确定人眼注视点。在找到较好的瞳孔角膜反射点后，通过设定的校准程序，找出瞳孔与角膜反射点间组成的向量与屏幕注视点之间的映射函数，然后通过检测瞳孔与角膜向量的变化量，实时跟踪出人在屏幕中所凝视的点位。

6、综上所述，由于侵入式追踪方法对眼睛造成一定的损伤，其已经被市场淘汰。而基于视频或图像识别的眼动追踪需要把相机安装在头戴设备上，通过增加设备的重量来得到追踪结果，而设备的重量增加可能会限制测试员自然眼动，影响准确的眼动数据采集，甚至受多个器件的互相影响，校准过程和运动校正等过程复杂，复杂的流程增大测试误差，使得眼动追踪的结果得不到保障。

技术实现思路

1、为了解决现有眼动追踪结果质量低、眼动追踪设备复杂、重量偏大的问题，本技术提供一种基于塑料光纤实现眼动追踪的装置和方法。

2、在本技术的第一方面，提供了一种基于塑料光纤实现眼动追踪的装置。该装置包括采集模块和处理模块；

3、所述采集模块包括眼镜和光纤，所述眼镜包括镜框，所述光纤一端与所述镜框连接且端口涂敷有隔离层，所述光纤与所述镜框接触的光纤段上设置有抛光区，在测试员佩戴眼镜时，所述抛光区的抛光面的朝向方向与所述测试员的眼球在平视时的视线方向一致，所述眼球的反射光在所述抛光区发生反射得到入射信号；

4、所述处理模块包括工业相机和服务器，所述工业相机的输入端与所述光纤的另一端连接，所述工业相机的输出端与所述服务器连接，所述工业相机用于生成散斑信号，所述散斑信号是所述入射信号经过所述光纤传输后形成的散斑；所述服务器内存储有眼动识别模型，所述服务器通过将所述散斑信号输入所述眼动识别模型中，得到眼动追踪结果。

5、通过采用上述技术方案，首先，在眼镜框上配置光纤，并在光纤背离眼球的面上设置有抛光区，通过抛光区将眼球的反射光传入光纤内，由光纤传输眼球的反射光后在工业相机中形成散斑，再由服务器根据该散斑和预存的眼动识别结果得到眼动追踪结果。所以在实际使用时，测试员仅需像佩戴日常的眼镜一样，其眼动不受限制，且佩戴过程中本技术的装置能够基于环境光在眼球上的反射光来完成眼动追踪，测试过程简单、易于实现，能够提升本技术的眼动追踪结果的质量。

6、在一种可能的实现方式中：所述抛光区内设置有多个并列的凹槽，多个所述凹槽的开口端的朝向方向均与所述眼球在平视时的视线方向一致，多个所述凹槽的槽底均呈45°，且多个所述凹槽中的每一个所述凹槽靠近涂敷有隔离层的光纤的一端的侧壁均呈90°。

7、通过采用上述技术方案，在抛光区内刻蚀的多个并列的凹槽被用来收集眼球的反射光，并将多个凹槽的槽底设置为45°，且多个凹槽中的每一个凹槽靠近涂敷有隔离层的光纤的一端的侧壁均呈90°，使得本技术的装置不仅能够增加眼睛的反射光在凹槽内的耦合效率，还能够保障将反射光从涂敷有隔离层的光纤的一端，传输至连接有工业相机的光纤的一端，以提高所得的散斑信号的准确度。

8、在一种可能的实现方式中：所述凹槽的数量为三个，三个所述凹槽等距分布在所述抛光区内。

9、通过采用上述技术方案，三个凹槽等距分布在抛光区内，能够收集到眼球向各个不同方向上的反射光，同时还能避免凹槽数量过多使得影响散斑的分布的要素过多，从而降低校准难度。

10、在一种可能的实现方式中：多个所述凹槽的侧壁上涂敷有反光层。

11、通过采用上述技术方案，可以在凹槽的侧壁上涂敷反光层，来降低眼球的反射光再次被折射出光纤的耦出效率，以提升眼球的反射光的耦合效率。

12、在一种可能的实现方式中：所述光纤的数量至少为两根；

13、所述镜框包括左镜框和右镜框，所述左镜框和所述右镜框均包括上缘和下缘，所述上缘是指位于所述眼球的上方，所述下缘是指位于所述眼球的下方；

14、在所述左镜框的上缘和下缘分别连接有一根所述光纤；和/或

15、在所述右镜框的上缘和下缘分别连接有一根所述光纤。

16、通过采用上述技术方案，本技术可以选择追踪单眼或者双眼，并通过在上缘和下缘分别设置有光纤，避免因眼球移动距离镜框的中心较远的位置而无法采集到眼球的反射光的情况出现，从而保障所得的散斑信号的准确度。

17、在一种可能的实现方式中：还包括设置在所述左镜框和所述右镜框之间的红外光照射源。

18、通过采用上述技术方案，在一些自然光线昏暗的环境中，通过开启该红外光照射源，增强眼球的反射光强度，可以实现在该种环境下采集眼球的反射光的目的，从而提高本技术的装置的应用范围。

19、在一种可能的实现方式中：所述光纤采用塑料光纤。

20、通过采用上述技术方案，相比于其他类的光纤，如石英光纤，塑料光纤的芯径更大、数值孔径更大，属于多模光纤。当眼球的反射光在塑料光纤中传输时，各种传输模式在光纤中发生模间干扰，在光纤的输出端生成了由亮点和暗点组成的散斑，从而便于工业相机采集和识别到散斑信号，进而为识别和追踪眼动提供硬件支持。

21、在本技术的第二方面，提供了一种基于塑料光纤实现眼动追踪的方法。该方法由上述的装置执行，该方法包括：

22、获取散斑信号；

23、将所述散斑信号输入眼动识别模型中得到眼动追踪结果。

24、在一种可能的实现方式中：通过如下计算公式计算得到所述眼动追踪结果：

25、e(x,y)＝o(ξ,η)×t(x,y；ξ,η)，

26、其中，t(x,y；ξ,η)为光纤的传输矩阵，o(ξ,η)和e(x,y)分别是眼动追踪结果和散斑信号。

27、在一种可能的实现方式中：通过如下方法建立所述眼动识别模型：

28、采集测试员的眼球随着标记物移动时所述工业相机对应得到的散斑信号，多个所述散斑信号组合而成测试集；

29、获取所述标记物每一次移动的坐标得到输入信号，多个所述输入信号组合而成对照集；

30、通过卷积神经网络建立测试集中每一个散斑信号和对照集中每一个输入信号的非线性映射关系，得到所述光纤的传输矩阵；

31、根据所述传输矩阵得到眼动识别模型。

32、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

33、首先，在眼镜框上配置光纤，并在光纤背离眼球的面上设置有抛光区，通过抛光区将眼球的反射光传入光纤中，由光纤传输眼球的反射光后在工业相机中形成散斑，再由服务器根据该散斑和预存的眼动识别结果得到眼动追踪结果。所以在实际使用时，测试员仅需像佩戴日常的眼镜一样，其眼动不受限制，且佩戴过程中本技术的装置能够基于环境光在眼球上的反射光来完成眼动追踪，测试过程简单、易于实现，能够提升本技术的眼动追踪结果的质量。