。656 北京科技大学学报 第31卷 采集卡选用黑白工业专用图像采集卡，适用于 图3(b):反之，当红外光源远离摄像机的光轴时，所 工业检测和科学图像处理及医疗影像等科研开发领 发出的光线与摄像机的光轴夹角较大，这样照射到 域.图像采集卡除了将采集到的视频图像传输至计 瞳孔的光线几乎很少反射回CCD摄像机，图像中就 算机外，还提取了图像的帧同步信号以供微处理器 出现了“暗瞳”现象，如图3(a). 读取并作相应的处理. (a) 微处理器选用了STC12C5410AD型单片机，用 其外部中断捕获图像采集卡提供的图像帧同步信 号.当微处理器捕获到奇帧同步信号时，便输出信 号控制光源外环亮、内环灭：当微处理器捕获到偶帧 同步信号时，便输出信号控制光源内环亮、外环灭. 图3“亮暗瞳”实际图 如此交替进行，即可在相邻两帧图像中分别得到用 Fig.3 Photos of bright pupil and dark pupil 户的“亮瞳”和“暗瞳”两种图像.红外光源使用了 近红外LED(light emitting diode)发光二极管，波长 1.2红外光源系统设计 为880nm,在配合了相应的滤光片后，既可以产生 基于上述原理，设计了双环形红外光源以实现 “亮暗瞳”，又不会由于光照影响用户的使用.图1 “亮暗瞳”效果.为了不影响用户的使用，并能产生 为视线追踪系统原理图. 相对较好的亮度效果，红外光源选用了880nm波长 的近红外发光二极管，同时为CCD摄像机配置了相 同波段的干涉窄带滤光片，以消除可见光和自然光 微处理器 采集卡 对图像的干扰.内环光源直径接近CCD摄像机外 径，除了可以产生“亮瞳”外，还可以产生普尔钦斑： 外环远离光轴，在不产生“亮瞳”的情况下，选用了与 计算机 内环数量相同的发光二极管，以保证“暗瞳”图像中 其他像素的灰度值与“亮瞳”图像中的相近，方便后 续的图像处理.图4为红外光源的原理图. 外环光源内环光源 图1视线追踪系统原理图 红外光源 CCD Fig.I Sketch of an eye tracking system 光圈 摄像头 11红外光源设计原理 红外光照射产生“亮瞳”的原理与照相机拍摄照 片时产生的“红眼”原理类似.图2为“亮暗瞳”产生 滤光片 原理图，图3为“亮暗瞳”实际图.当红外光源靠近 正面图 侧面图 摄像机的光轴时，所发出的光线与摄像机的光轴近 似平行，这样大部分照射到瞳孔的光线就可以反射 图4红外光源原理图 回CCD摄像机，图像中就出现了“亮瞳”现象，如 Fig 4 Sketch of IR light source 红外光源 瞳孔 2视线追踪系统算法设计 CCD 反射光线 摄像机 依据硬件系统的设计，视线追踪系统算法主要 入射光线 分为瞳孔位置检测、瞳孔位置追踪和视线映射模型 红外光源 眼睛 设计三大部分 2.1瞳孔位置检测 人射光线 CCD ()“亮暗瞳”图像做差.为了得到瞳孔的位 摄像机 反射光线 置，首先要进行的是对相邻两帧的“亮瞳”和“暗瞳” 瞳孔 图像做差 图2“亮暗瞳”产生原理图 图5显示了“亮暗瞳”图像做差及处理后的效 Fig.2 Principle of bright and dark pupils 果.图5中(a)和(b)分别为相邻两帧的“亮瞳”和采集卡选用黑白工业专用图像采集卡, 适用于 工业检测和科学图像处理及医疗影像等科研开发领 域.图像采集卡除了将采集到的视频图像传输至计 算机外, 还提取了图像的帧同步信号以供微处理器 读取并作相应的处理 . 微处理器选用了 STC12C5410AD 型单片机, 用 其外部中断捕获图像采集卡提供的图像帧同步信 号.当微处理器捕获到奇帧同步信号时, 便输出信 号控制光源外环亮、内环灭;当微处理器捕获到偶帧 同步信号时, 便输出信号控制光源内环亮 、外环灭 . 如此交替进行, 即可在相邻两帧图像中分别得到用 户的 “亮瞳”和“暗瞳” 两种图像.红外光源使用了 近红外 LED( lig ht emitting diode) 发光二极管, 波长 为880 nm, 在配合了相应的滤光片后, 既可以产生 “亮暗瞳”, 又不会由于光照影响用户的使用 .图 1 为视线追踪系统原理图. 图 1 视线追踪系统原理图 Fig.1 Sketch of an eye tracking system 图 2 “亮暗瞳”产生原理图 Fig.2 Principle of brigh t and dark pupils 1.1 红外光源设计原理 红外光照射产生“亮瞳”的原理与照相机拍摄照 片时产生的“红眼”原理类似.图 2 为“亮暗瞳”产生 原理图, 图 3 为“ 亮暗瞳”实际图 .当红外光源靠近 摄像机的光轴时, 所发出的光线与摄像机的光轴近 似平行, 这样大部分照射到瞳孔的光线就可以反射 回CCD 摄像机, 图像中就出现了“亮瞳” 现象, 如 图 3( b) ;反之, 当红外光源远离摄像机的光轴时, 所 发出的光线与摄像机的光轴夹角较大, 这样照射到 瞳孔的光线几乎很少反射回 CCD 摄像机, 图像中就 出现了“暗瞳”现象, 如图 3( a) . 图 3 “亮暗瞳”实际图 Fig.3 Phot os of bright pupil and dark pupil 1.2 红外光源系统设计 基于上述原理, 设计了双环形红外光源以实现 “亮暗瞳”效果.为了不影响用户的使用, 并能产生 相对较好的亮度效果, 红外光源选用了 880 nm 波长 的近红外发光二极管, 同时为CCD 摄像机配置了相 同波段的干涉窄带滤光片, 以消除可见光和自然光 对图像的干扰.内环光源直径接近 CCD 摄像机外 径, 除了可以产生“亮瞳” 外, 还可以产生普尔钦斑; 外环远离光轴, 在不产生“亮瞳”的情况下, 选用了与 内环数量相同的发光二极管, 以保证“暗瞳”图像中 其他像素的灰度值与“ 亮瞳”图像中的相近, 方便后 续的图像处理.图 4 为红外光源的原理图. 图 4 红外光源原理图 Fig.4 Sketch of IR light source 2 视线追踪系统算法设计 依据硬件系统的设计, 视线追踪系统算法主要 分为瞳孔位置检测、瞳孔位置追踪和视线映射模型 设计三大部分. 2.1 瞳孔位置检测 ( 1) “亮暗瞳” 图像做差 .为了得到瞳孔的位 置, 首先要进行的是对相邻两帧的“亮瞳”和“暗瞳” 图像做差. 图 5 显示了“亮暗瞳” 图像做差及处理后的效 果 .图 5 中( a) 和( b) 分别为相邻两帧的“亮瞳” 和 · 656 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷