CC BY
62
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 680.5.01:621.384
В. Н. Гридин, В. С. Титов, М. И. Труфанов
Курский государственный технический университет
ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БИНОКУЛЯРНОГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ОТКЛОНЕНИЙ ГЛАЗОДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Представлены принципы измерения параметров движений зрачков глаз человека и выявления косоглазия бинокулярным оптико-электронным устройством. Устройство получает изображения глаз человека, распознает зрачки, определяет их трехмерные координаты и выявляет косоглазие на основе анализа саккадических движений зрачков.
Широко распространенные способы диагностики бинокулярного зрения человека практически не изменились за последние несколько десятилетий и основаны на субъективном анализе признаков заболевания врачом [1], что приводит в случае низкой квалификации врача к несвоевременному и, иногда, неправильному определению диагноза. Применение инструментальных средств диагностики позволяет точно измерять количественные признаки заболевания и объективно ставить диагноз.
Для диагностики офтальмологических заболеваний наиболее целесообразным является применение оптико-электронных устройств (ОЭУ), позволяющих бесконтактно и быстро измерять параметры зрения человека и адекватно и своевременно ставить диагноз. Одним из заболеваний, вызванным отклонениями глазодвигательного аппарата, является косоглазие. Недостатками известных способов и оптико-электронных устройств диагностики заболеваний, связанных с отклонениями бинокулярного зрения [2, 3], является сложность их практического применения (особенно при работе с детьми), длительность процесса диагностики, низкая точность измерения степени косоглазия.
Предлагаемое оптико-электронное устройство обеспечивает диагностику связанных с отклонениями глазодвигательного аппарата офтальмологических заболеваний и отличается от известных инструментальных средств аналогичного назначения простотой практического применения, высокой точностью, низкой стоимостью, малыми габаритами, высоким уровнем автоматизации, диагностикой косоглазия на ранней стадии.
Устройство реализует принцип диагностики косоглазия, основанный на измерении параметров саккадических (быстрых) движений зрачков глаз при фиксации взгляда человека на заданной врачом точке по изображениям, поступающим с двух видеокамер, составляющих бинокулярную оптико-электронную систему. Отличительными особенностями принципа функционирования устройства является измерение трехмерных координат зрачков глаз, позволяющее с большей точностью определять степень косоглазия, а также обнаружение зрачков на изображении способом, характеризующимся низкой вычислительной сложностью,
Принципы функционирования бинокулярного оптико-электронного устройства 49
обеспечивающим измерение параметров движений зрачков (направления, амплитуды) при помощи несложного с точки зрения схемотехнической реализации аппаратного модуля.
Устройство состоит из двух видеокамер, блоков ввода изображения, микропроцессорного контроллера, ОЗУ, специализированных вычислителей на ПЛИС, инфракрасного осветителя (рис. 1).
ИК осветитель
Рис. 1
Алгоритм диагностики косоглазия представлен на рис. 2.
С
Начало
3
Калибровка оптико-электронной системы
2
Установка О лица че ЭС напротив ловека
I___
Конец ^
Рис. 2
До использования ОЭУ производят калибровку (блок 1 алгоритма) положения видеокамер на основе способа [4] для реализации функции трехмерного зрения (калибровка производится однократно в процессе изготовления ОЭУ). Откалиброванную ОЭС устанавливают напротив лица человека (блок 2) так, чтобы каждая из видеокамер находились напротив каждого из глаз и при этом изображения обоих глаз попадали в поле зрения видеокамер (рис. 3). Освещают лицо человека инфракрасным осветителем для получения контрастного изображения зрачка.
В процессе функционирования оптико-электронного устройства формируемое видеокамерами изображение глаз человека поступает через блоки ввода изображения и контроллер в ОЗУ. Блоки ввода изображения в процессе записи изображения в ОЗУ производят коррекцию дисторсии [5] оптической системы видеокамер для повышения точности последующего определения степени косоглазия. Затем по полученному изображению контроллер формирует его контурное описание, каждый контур которого описывается множеством из N1 пар координат точек
УiУ■
Границы областей обзора
Глаза
ХГ7
XV
Первая и вторая видеокамеры
Рис. 3
К = {(хЬ у0,^2, У2),. .., X . .,(хЖ1, УмЙ)}.
Определение яркости B точки (х, у) контурного изображения контроллер производит по формуле
B(x, у) =
при С(х,у) > Lp 10, при в(х,у) < Lp
в(x, у) = 11(х +1, у) + 1(х -1, у) + 1(х, у +1) + 1(х, у -1) - 41(х,у) |,
где Ьр — пороговое значение изменения яркости, по которому определяется принадлежность точки изображения фону или контуру; 1(х,у) — яркость точки с координатами (х, у).
Сформированное контурное описание изображения используется для формирования эталона зрачка текущего анализируемого пациента. Для этого на основе априорной информации об изображении зрачка и глаза (зрачок овальный, на его изображении выделяются две области — радужная оболочка и непосредственно сам зрачок, зрачок имеет цвет, отличный от кожи и глазного яблока, уголки глаз имеют острый угол) контроллер производит распознавание зрачка (блок 7). Сформированный эталон зрачка в дальнейшем используется для быстрого распознавания зрачка вычислителями ОЭУ.
Следующей операцией (блок 8) является определение границ области движения зрачка, выполняемое для сокращения объема вычислений при последующем обнаружении зрачка. Сокращение вычислений производится за счет дальнейшего поиска зрачка только в небольшой области изображения.
В блоках 9, 10 алгоритма производится анализ контраста зрачка на изображении, и контроллер устанавливает такую мощность инфракрасного освещения, при которой контраст максимальный. Для обеспечения получения изображения с максимальным контрастом и, как следствие, наибольшей точности локализации зрачка контроллер производит плавное изменение мощности инфракрасного осветителя в заданном диапазоне значений и выбор такой мощности, при которой контраст максимальный. Контраст КТ оценивается по сумме значений двух параметров: отношению К1 максимальной /шах и минимальной 1тт яркостей пикселей глаза и четкости К контура зрачка, обратно пропорциональной количеству разрывов
Принципы функционирования бинокулярного оптико-электронного устройства 51
контурной линии зрачка и прямо пропорциональной значению первой производной Ок изображения контура зрачка по вертикальному и горизонтальному направлению:
Кт = к/К/ + kgKg;
К =. .
1шт
Kg = Ок, Я Ж
где к/, ^ — весовые коэффициенты.
Следующей выполняемой оптико-электронным устройством операцией является операция быстрого распознавания зрачка (блок 11), обеспечивающая возможность отслеживания саккадических движений глаз в целях повышения точности определения косоглазия. Распознавание зрачка производится путем сравнения изображения в области движения зрачка с ранее сформированным эталоном. Распознавание выполняется на основе метода, основной операцией которого является поэлементное вычитание изображения эталона (сформированного в блоке 7) из анализируемого изображения. Распознавание и локализацию зрачка выполняют вычислители, реализованные на программируемой логической интегральной схеме. В процессе распознавания контролер считывает из ОЗУ изображения областей возможных движений каждого зрачка и передает их на вычислители, которые определяют положение зрачков глаз (каждый вычислитель распознает зрачок по изображению только одного глаза) и формируют на своих выходах координаты зрачков, поступающие в контроллер. Контроллер записывает в ОЗУ координаты зрачков и время, в которое зрачки занимали данное положение.
Применение двух различных методов позволяет достоверно обнаруживать зрачок любого человека за счет использования общего описания эталона зрачка и глаза. Затем по сформированному эталону зрачка конкретного человека, зрение которого анализируют на основе метода, характеризующегося низкой вычислительной сложностью, достоверно обнаруживать его зрачки на основе алгоритмов, характеризующихся низкой вычислительной сложностью и возможностью реализации не в микропроцессорном устройстве, а на логической схеме. На достоверность и скорость распознавания зрачка также влияет использование его изображения в инфракрасном диапазоне, при котором темным является только зрачок, а радужная оболочка и остальная часть глаза — светлыми.
После определения двухмерных координат зрачков на каждой паре поступающих с видеокамер стереоизображений контроллер производит расчет трехмерных координат зрачков и определение угла между направлениями взгляда каждого глаза, характеризующего величину косоглазия (блок 13). Двухмерные координаты зрачков определяют как центр масс точек, составляющих зрачки.
В трехмерной декартовой системе координат, в которой оси абсцисс и ординат совпадают с осями абсцисс и ординат плоскости изображения левой видеокамеры, а ось аппликат направлена из центра кадра изображения левой видеокамеры и совпадает с ее главной оптической осью, пространственные координаты левого (хе1, уе1,ге1) и правого (хе2, уе2, ^е2) зрачков равны:
х = Ьхеш . Ь . ^ = Ь/
хе1 = ; уе1 = -уе1/1---> 2е1 = /;
Хе1/2 - Хе1/1 хе112 хе111 хе112 - Хе1/1
х = Ьхе111 . Ь . ^ =
е2 = --> уе2 = -уе211---> 2е2 = ---/ ,
хе2/2 хе2/1 хе212 хе2П хе212 хе2/1
где (хец1, ует), (хец2, уеш) — двухмерные координаты левого зрачка на изображениях, поступающих с левой и правой видеокамер соответственно; Ь — расстояние между видеокамерами по горизонтали; / — фокусное расстояние видеокамер; (хе2и, уе2п), (хе212, уе212) — двухмерные координаты правого зрачка на изображениях, поступающих с левой и правой видеокамер соответственно.
Для определения направления наблюдения глаза должны быть известны координаты его центра. Координаты центров левого (хс1, гс1) и правого (хс2, гс2) глаз рассчитывают путем решения системы уравнений, связывающей координаты зрачков при их различных положениях через уравнение сферы (окружности в случае равенства ординат зрачков нулю). Для расчета используют координаты зрачков при их крайних и центральном положениях:
! 2, 2 22 2,2,2, 2 2, 2,2 2 х =1 -Ъ&ха +21вха -г & в -га 2ш -хв га +г2 г в +х 1 га +г 1Ш -г зг 1 +г аг 1 +г в 2ж -х 1 гв.
с г 2 %Й й -х11Ш -21 142 +2иШ -х1В?1& +213х22
,2 2 2 2 . 2 . 2 . 2 2 2 . 2 . 22
1 щ Щй -хИ -хИх1й -хИ21& +хИхИ3 +хЛ21В +гИ Щй -гИ -х13 +х13Ч2 +хИ¥Ш -ггй Щй
га=~--,
2 шъй -хиг& -2шх1& +г1йхт -хт& +гтй
где / - номер глаза; (хй1, Zit1), (х^, гю), (хгя, ги3) — координаты (абсциссы и аппликаты) зрачков -го глаза в трехмерной системе координат.
Рассмотрим геометрическую схему для расчета угла косоглазия (рис. 4).
о
Рис. 4
При отсутствии косоглазия направления наблюдения каждого глаза, показанные прямыми р1 и р2, параллельны (для упрощения рассматриваются прямые в плоскости X0Z, см. рис. 4). При косоглазии направление наблюдения одного из глаз, показанное прямой р2ке, смещено относительно положения при здоровом зрении. Положения зрачков показаны точками Р1 и Р2. Уравнения прямыхр1,р2яе в плоскости Х02 записываются:
х = кр1г+Ьр1; х = кр2г+Ьр2,
где кр1, Ьр1, кр2, Ьр2 — параметры прямых р1, р2, причем кр1, кр2 являются арктангенсами углов наклона соответствующих прямых в плоскости Х02 к оси аппликат.
Принципы функционирования бинокулярного оптико-электронного устройства 53
Параметры кр1, кр2 определяют, решая систему уравнений, составленную на основе уравнений прямых р1, р2 при известных координатах центров глаз (хс1, гс1), (хс2, ^с2) и текущих координатах (хе1, ^1), (хе2, ^2) зрачков.
Углы, определяющие направления взгляда в плоскости Х02 левого 81 и правого 52 глаз, равны:
51 = аг^ (кр1); §2 = аг^ (кр2).
В плоскости Т02 определяющие направления взгляда углы рассчитывают аналогично. Угол косоглазия 5, равный углу между прямыми р1 р2, определяют по разности углов наклона прямых р1 и р2:
5 = аг^ (кр1) - аг^ (крт).
После определения направлений взгляда и угла косоглазия полученные результаты контроллер передает (блок 13 алгоритма) для дальнейшего анализа глазодвигательного аппарата и бинокулярного зрения человека.
Для экспериментальной проверки созданного устройства создана имитационная модель, описывающая принципы формирования изображения в оптико-электронном устройстве диагностики и процесс наблюдения точки в пространстве глазами человека. Результаты экспериментов на имитационной модели подтвердили возможность практической реализации предложенного устройства. Представленное устройство позволяет измерять движения зрачков и направления взгляда в реальном времени и выявлять косоглазие на ранней стадии посредством анализа саккадических движений зрачков. Устройство может быть применено при решении других медицинских задач, связанных с анализом движения зрачков глаз, например диагностики нистагма, и состояния вестибулярного аппарата человека.
Работа выполнена при поддержке фонда „Научный потенциал " (договор № 107, 2007 г.).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Урмахер Л. С. Справочник по офтальмологической оптике и приборам. М.: Медицина, 1971. 179 с.
2. Пат. № 2292836 РФ, МКИ А61В 3/08. Устройство для исследования бинокулярного зрения / В. В. Ковылин. Заявлено 20.12.2004; опубл. 10.02.2007 // Б. И. № 4. 7 с.
3. Пат. №2221475 РФ, МКИ А61В3/113. Способ исследования движения глаз по бинокулярному изображению и устройство для его реализации / Д. А. Усанов, А. В. Скрипаль, А. В. Скрипаль, А. В. Абрамов, Т. Б. Усанова,
4. Пат. № 2002116297/14 / Феклистов В. Б. Заявл. 19.06.2002; опубл. 20.01.2004. 15 с.
5. Пат. № 2286598 РФ, МКИ в09К32. Способ внешней калибровки бинокулярной системы технического зрения / С. В. Дегтярев, В. С. Титов, М. И. Труфанов, В. А. Денисюк. Заявлено 1.03.2005; опубл. 27.10.2006 // Б. И. № 30. 15 с.
6. Пат. № 2295153 РФ, МКИ в09К32/00. Корректирующее устройство ввода изображения в ЭВМ / М. И. Труфанов, Д. В. Титов. Заявлено 4.07.2005; опубл. 10.03.2007 // Б. И. № 7. 6 с.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
вычислительной техники Ol.09.07 г.
