基于fpga的眼动跟踪系统研究与实现

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1、基于FPGA的眼动跟踪系统研究与实现重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：黄科指导教师：何伟教授专业：信号与信息处理学科门类：工学重庆大学通信工程学院二O一四年四月DesignandImplementationofEyeTrackingSystemBasedonFPGAAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByHuangKeSupe

2、rvisedbyProf.HeWeiSpecialty:SignalandInformationProcessingCollegeofCommunicationEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2014中文摘要摘要眼动跟踪技术是机器视觉的一个重要分支，主要研究人眼特征的检测和识别，并根据检测结果定位人眼的注视点。在神经科学、心理学、人机交互学、人机工程学以及临床诊断等领域，眼动跟踪技术有着广阔的应用前景。眼动跟踪系统采用的方法原理决定

3、了其性能指标。其中，采用瞳孔角膜反射原理的眼动跟踪系统具有视点定位精度高的优点，且用户无需佩戴头具，因此得到了广泛应用。本课题采用瞳孔角膜反射原理，结合图像处理技术、SOPC技术等设计实现了非接触式的眼动跟踪系统。系统主要应用于办公环境的人机交互中。根据系统需求，本文提出了系统的设计方案，并从硬件、软件两方面开展系统设计。系统以DE2开发板为硬件平台，硬件设计主要包括红外LED光源模块、图像采集模块、SOPC系统、VGA显示模块、MP3放音模块等。LED光源为系统提供良好的光照环境，增强了抗干扰能力；图像采

4、集模块对摄像头捕获的视频信号解码，获取灰度图像；SOPC系统以NiosII为核心并集成众多外设，是系统硬件设计的主要任务；VGA显示模块以SRAM为显存，为了克服显存容量和显示效果的矛盾，定义了显存中数据的格式，由自定义的VGA控制器对数据解码并产生控制信号驱动显示器；MP3通过UART串口和FPGA通信，是实现语音求助功能的主要外设。软件设计的核心是图像处理。首先采用设计的人眼定位算法找到人眼并获得局部人眼图像。该人眼定位算法充分利用了图像梯度、灰度及人眼几何位置的信息，具有快速、准确的优点。接着采用阈值

5、分割、边缘检测、圆拟合等一系列算法分析人眼局部图像，定位瞳孔、光斑中心并计算二者相对偏移量。之后，通过校准确定瞳孔光斑相对偏移量和屏幕坐标系的映射函数关系。根据映射函数关系，结合当前获得的瞳孔光斑偏移量计算人眼注视点，并叠加在VGA显示器上，进一步实现了眼控人机交互功能。最后，对设计实现的眼动跟踪系统进行了实际测试。系统测试结果表明，本系统实现了眼动跟踪功能，并且能够应用到人机交互系统中，实现眼动控制的人机交互，满足系统的功能需求。该眼动跟踪系统抗环境光线干扰能力强，在昼夜环境均能使用。系统结构简单、成本低

6、廉，视点定位精度较高、软硬件可升级。在研究眼控人机交互方面，该系统具有一定的参考价值。关键词：眼动跟踪，SOPC，瞳孔角膜反射原理，图像处理，人机交互I重庆大学硕士学位论文II英文摘要ABSTRACTEyetrackingtechnologyisanimportantbranchofmachinevision.Themainresearchisfeaturedetectionandrecognitionofhumaneye，thenusethedetectionresulttocalculatetheeye

7、fixation.Inneuroscience,psychology,human-computerinteraction,ergonomics,clinicaldiagnosisandotherfields,eye-trackingtechnologyhasabroadapplicationprospects.Thedesignmethodandprincipleofeye-trackingsystemdeterminesitsperformance.Amongtheseeyetrackingsystems

8、,theoneusepupilcornealreflectionprinciplehashighaccuracyofeyefixationlocating,andtheuserdoesnotneedtowearahelmet.Sotheprinciplehasbeenwidelyapplied.Inthisdissertation,anon-contacteyetrackingsystemisdesignedan