BE1028997B1 - Procédé et système de détermination d'une taille normalisée d'une pupille d'un œil - Google Patents

Abstract

Procédé de détermination d’une taille normalisée d’une pupille d’un œil, le procédé comprenant les étapes suivantes : (i) déterminer une taille de la pupille, (ii) déterminer une taille d’un limbe de l’œil, (iii) déterminer la taille normalisée de la pupille sur base de la taille déterminée aux étapes (i) et (ii), dans lequel la taille normalisée de la pupille est déterminée à l’étape (iii) sur base d’un calcul d’un ratio entre les tailles déterminées aux étapes (i) et (ii).

Description

- 1 - Procédé et système de détermination d’une taille normalisée d’une pupille d’un œil Domaine technique La présente invention conceme un procédé et un système de détermination d'une taille normalisée d’une pupille d’un œil. Art antérieur À diverses fins, il est connu d'étudier le comportement de la pupille d’un œil d’un sujet et notamment de mesurer sa taille. Celle-ci est généralement déterminée à partir d’une représentation de l’æil capturée par exemple via une image enregistrée par une caméra traditionnelle qui fournit une série d'images à des intervalles réguliers (dont la plus simple représentation est le sténopé) ou via un ensemble d'évènements délivrés par une caméra asynchrone. Les caméras asynchrones ne produisent pas d'images en tant que tel mais plutôt une représentation spatiotemporelle d’un scène au moyen d’une série d'évènements.

Cette série d'évènements représente notamment des changements de luminosités de chaque pixel indépendamment.

La mesure de la taille de la pupille est toutefois affectée par de nombreux facteurs tels que la pose de la caméra par rapport au sujet, l'environnement du sujet, le praticien, etc. Ainsi, même en fixant temporairement les mouvements de la pupille d’un sujet pharmacologiquement, des variations apparentes de la taille de la pupille sont générées par une modification de la pose relative entre l'œil du sujet et la caméra. Il est dès lors difficile de comparer les résultats obtenus lors de différentes campagnes de mesures, même avec des sujets et des protocoles expérimentaux identiques. La pose de la caméra définit l’orientation et la position de la caméra par rapport au sujet enregistré. La pose prend en compte le changement de référentiel entre la caméra et le sujet filmé, par exemple l’œil ou les yeux.

De plus, la détermination de la taille de pupille dépend également de la résolution des caméras qui capturent les images de l'œil. En effet, une augmentation de la résolution, et donc une augmentation du nombre de pixels

- 2 - correspondant à la pupille, est susceptible d'entraîner une augmentation de la mesure de la taille de pupille obtenue. Exposé de l’invention Un objet de la présente invention est de permettre d'obtenir une mesure de taille de la pupille plus indépendante des conditions de mesure.

À cet effet, l'invention propose un procédé de détermination d’une taille normalisée d’une pupille d’un œil, le procédé comprenant les étapes suivantes : (1) déterminer une taille de la pupille, (ii) déterminer une taille d’un limbe de l'oeil, (iii) déterminer la taille normalisée de la pupille sur base de la taille déterminée aux étapes (i) et (ii), dans lequel la taille normalisée de la pupille est déterminée à l’étape (iii) sur base d’un calcul d’un ratio entre les tailles déterminées aux étapes (i) et (ii).

Grâce à l'invention qui propose d'utiliser une normalisation de la taille de pupille par rapport à la taille du limbe de l’œil, influence des conditions de mesure sur le résultat est réduite voire éliminée. En effet, lorsque les conditions de mesure varient, la taille du limbe et celle de la pupille évoluent, de sorte que les conditions de mesure n'auront plus ou peu d'impact sur le résultat qui est une taille normalisée et non une valeur absolue.

Le limbe dans la revendication 1 peut être défini de différentes manières mais est par exemple la frontière entre la cornée et la sclérotique d’un œil. Ces termes sont connus d’un homme du métier.

Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, le procédé présente en outre de préférence l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) : - la taille déterminée à l’étape (ii) est une taille d’une déformation affine du limbe ; - l’étape (ii) comprend une détermination d’une taille d’un iris de l’œil ou d’un globe oculaire de l’œil comme déformation affine du limbe ;

- 3 - - l'étape (ii) comprend une mesure d’une taille d'une déformation affine du limbe et une détermination de la taille du limbe sur base de cette mesure ; - la taille déterminée à l’étape (ii) est une taille d’une transformation projective du limbe ; - l’étape (ii) comprend une détermination d’une taille d’un iris de l’œil ou d’un globe oculaire de l’œil comme transformation projective du limbe ; - l'étape (ii) comprend une mesure d'une taille d’une transformation projective du limbe et une détermination de la taille du limbe sur base de cette mesure ; - chacune des tailles déterminées aux étapes (i) et (ii) sont déterminées par une mesure d’une aire, et/ou d’un diamètre, et/ou d’un rayon, et/ou d'axes, et/ou d’un périmètre, d’une forme géométrique essentiellement circulaire ou elliptique, et/ou par une mesure de toutes tailles associées à une forme géométrique essentiellement circulaire ou elliptique ; - le procédé comprend en outre une étape de capture d’au moins une image d'au moins une partie de l’œil comprenant la pupille au moyen d’une caméra disposée à une distance de l’œil et orientée selon un angle par rapport à un plan pupillaire relatif à l’œil, dans lequel les tailles sont déterminées aux étapes (i) et (ii) sur base de l’au moins une image, et dans lequel la taille normalisée de la pupille déterminée à l’étape (iii) est sensiblement indépendante de la distance et dudit angle ; - la mesure de l’aire, et/ou du diamètre, et/ou du rayon, et/ou des axes de la forme géométrique correspond à un nombre de pixels de lau moins une image.

Une déformation affine signifie une déformation sous la transformation affine. Des exemples de transformations affines comprennent la translation, la dilatation, Vhomothétie, la similitude, la réflexion, la rotation, et leurs compositions dans n'importe quelle combinaison et séquence.

De plus, l’utilisation d’une caméra pour la prise d’image peut impliquer l'utilisation d’une transformation projective à laquelle peut être associé un sous- ensemble de déformations affines liées à la position et l'orientation de la caméra

- 4 - par rapport au sujet (appelée « pose » de la caméra) ou aux optiques, liées à la lentille par exemple. La transformation projective peut être aussi associée à un sous-ensemble de déformations linéaires ou non-linéaires liées aux optiques des caméras.

Une définition d'une transformation projective est la suivante: la transformation projective est la transformation géométrique créée par un système optique qui projette des objets localisés dans l’espace sur un plan image. Une transformation projective apparaît par exemple lorsqu'une caméra du type pinhole est utilisée.

La projection perspective est un exemple de la transformation projective.

L’usage, dans ce document, du verbe « comprendre », de ses variantes, ainsi que ses conjugaisons, ne peut en aucune façon exclure la présence d'éléments autres que ceux mentionnés. L'usage, dans ce document, de l’article indéfini « UN », « une », ou de l’article défini « le », «la» ou «1 », pour introduire un élément n’exclut pas la présence d'une pluralité de ces éléments.

La présente invention propose également un système de détermination d’une taille normalisée d’une pupille d’un œil comprenant une unité logique pour mettre en œuvre les étapes (i) à (iii) du procédé tel que décrit ci-dessus.

Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le système de détermination comprend en outre une caméra apte à être disposée à une distance de l'œil et à être orientée selon un angle quelconque par rapport à un plan pupillaire relatif à l'œil pour capturer au moins une image ou une représentation évènementielle spatiotemporelle d’au moins une partie de l'œil comprenant la pupille, l’unité logique étant apte à déterminer les tailles des étapes (1) et (ii) sur base de lau moins une image.

La présente invention propose également un smartphone comprenant un système de détermination tel que décrit ci-dessus.

La présente invention propose également un véhicule routier comprenant un système de détermination tel que décrit ci-dessus.

La présente invention propose également un dispositif de suivi oculaire comprenant un système de détermination tel que décrit ci-dessus.

- 5 - La présente invention propose également une utilisation du système tel que décrit ci-dessus pour détecter la fatigue et/ou le niveau de concentration d’un sujet.

Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles : - La figure 1 illustre la taille normalisée de la pupille par rapport à un facteur de zoom de la caméra ; - La figure 2 illustre la taille non normalisée de la pupille par rapport au facteur de zoom de la caméra.

Les dessins des figures ne sont pas à l’échelle. Des éléments semblables sont en général dénotés par des références semblables dans les figures. Dans le cadre du présent document, les éléments identiques ou analogues peuvent porter les mêmes références. En outre, la présence de numéros ou lettres de référence aux dessins ne peut être considérée comme limitative, y compris lorsque ces numéros ou lettres sont indiqués dans les revendications.

Description détaillée de certains modes de réalisation de l’invention Cette partie présente une description détaillée de modes de réalisation préférés de la présente invention. Cette dernière est décrite avec des réalisations particulières et des références à des figures mais l'invention n’est pas limitée par celles-ci. En particulier, les dessins ou figures décrits ci-dessous ne sont que schématiques et ne sont pas limitants. Les références représentées sur certaines de ces figures correspondent à des repères géométriques abstraits utilisés pour quantifier et/ou visualiser des propriétés de modes de réalisation de l'invention.

Le procédé de détermination selon l'invention commence par une étape (i) de détermination d’une taille de la pupille. La taille de la pupille peut être déterminée de différentes manière. Par exemple, elle peut se référer à une mesure d'une aire, et/ou d’un diamètre, et/ou d’un rayon, et/ou d'axes, et/ou de

- 6 - toutes tailles représentatives d’une forme géométrique donnée. De préférence, une telle forme est essentiellement un cercle ou une ellipse.

Le procédé de détermination comprend ensuite une étape (ii) de détermination d’une taille associée à un limbe de l’œil. Cette taille associée au limbe est la taille du limbe. Selon un autre mode de réalisation, cette taille associée au limbe est la taille d'une déformation du limbe, par exemple une déformation affine, ou une transformation projective. De préférence, les caméras sont calibrées.

Lorsque l’étape (ii) détermine la taille d’une déformation affine du limbe, cette étape (ii) comprend par exemple une détermination de taille de l'iris de l'oeil ou d'un globe oculaire de l’œil.

Lorsque l'étape (ii) détermine la taille d’une transformation projective du limbe, cette étape (ii) comprend par exemple une détermination de taille de l'iris de l'œil ou d’un globe oculaire de l'œil.

Finalement, à l’étape (iii), le procédé de l'invention permet de déterminer une taille normalisée de la pupille sur base de la taille déterminée aux étapes (i) et (ii). La taille normalisée de la pupille déterminée à l'étape (iii) est basée sur un calcul d’un ratio entre les tailles déterminées aux étapes (i) et (ii).

D'autres modes de réalisation sont néanmoins possibles.

De préférence, le procédé selon l'invention comprend une étape de capture d'au moins une image d'au moins une partie de l'oeil comprenant la pupille au moyen d’un capteur, tel une caméra par exemple. Ainsi, il n’est pas nécessaire d’avoir une image complète de l’œil pour le procédé de l'invention. Par exemple, pour déterminer une ellipse, seulement cinq points sont nécessaires au lieu d’une image complète de cette ellipse. Cette étape de capture d'image a lieu par exemple avant l’étape (i).

Le capteur (caméra par exemple) est disposé à une certaine distance de l’œil. Quand il s’agit d'une caméra, elle est orientée selon un angle par rapport à un plan pupillaire relatif à l’œil. Le plan pupillaire est défini comme le plan qui coïncide avec la pupille et comprend la pupille et l'iris. L'angle de la caméra par rapport au plan pupillaire est défini comme l'angle entre l'axe symétrique

- 7 - rotationnel de l’objectif de la caméra et le plan pupillaire. Autrement dit, la caméra peut être disposée juste devant un œil lorsque l'œil regarde droit devant, ou à un certain angle par rapport à la direction du regard lorsque l’œil regarde droit devant.

Selon un exemple de l'invention, l'étape (ii) comprend une mesure d’une taille d'une déformation affine du limbe et puis, une détermination de la taille du limbe lui-même sur base de cette mesure.

Selon un autre exemple de l'invention, l'étape (ii) comprend une mesure d’une taille d’une transformation projective du limbe et puis, une détermination de a taille du limbe lui-même sur base de cette mesure.

En variant ou en complément, la taille déterminée à l'étape (ii) est déterminée par une mesure d’une aire, et/ou d’un diamètre, et/ou d’un rayon, et/ou d’axes d’une forme géométrique essentiellement circulaire ou elliptique.

Par exemple, l’étape (ii) peut comprendre une détermination d’une taille d’un globe oculaire de l'oeil comme déformation affine du limbe.

En variante ou en complément, l’étape (ii) peut comprendre une détermination d’une taille d’un globe oculaire de l'œil comme transformation projective du limbe.

Lorsque le procédé de détermination comprend une étape de capture d’au moins une image d'au moins une partie de l’œil au moyen d’une caméra, les tailles déterminées aux étapes (i) et (ii) le sont sur base de cette au moins une image.

Selon un mode de réalisation possible de l'invention, la mesure de l'aire, et/ou du diamètre, et/ou du rayon, et/ou des axes de la forme géométrique correspond à un nombre de pixels de lau moins une image capturée.

Grâce au procédé de l'invention, la taille normalisée de la pupille déterminée à l'étape (iii) peut être rendue sensiblement indépendante de la pose entre la caméra et l’œil. Cela est illustré à la figure 1.

Sur la figure 1, l'axe X représente le facteur de zoom de la caméra, et l'axe Y représente la taille normalisée de la pupille (ici le ratio des tailles entre la pupille et le limbe). Le facteur de zoom est défini comme le ratio entre une distance de

- 8 - référence entre la caméra et l'œil et la distance actuelle entre l’œil et la caméra. On peut constater que la taille normalisée de la pupille déterminée par la méthode de l'invention reste relativement constante à un niveau d'environ 0,301, malgré la variation de la distance entre la caméra et l'œil.

En comparaison, la figure 2 représente une détermination de taille non normalisée de la pupille. Comme pour la figure 1, l’axe X représente le facteur de zoom de la caméra. L’axe Y représente ici la taille de la pupille (non normalisée) exprimée en nombres de pixels. On voit clairement que cette taille augmente lorsque la caméra s'approche à l'œil.

Grâce à l'invention, la taille normalisée de la pupille déterminée à l’étape (iii) peut être rendue indépendante de l’angle entre la caméra et le plan pupillaire relatif à œil.

Cette invariance peut être en outre prouvée de manière mathématique : Considérons l’espace à trois dimensions classique avec le repère X, Y, Z, et deux cercles de centre (0,0,0), de rayons R er r respectif avec R>r dans le plan XZ (r est le rayon de la pupille, R est le rayon du limbe). On suppose que la caméra regarde perpendiculairement au plan XZ (selon la direction de l'axe Y). Ce qu’elle voit c'est donc bien les deux cercles.

Maintenant si le sujet tourne l’œil, les deux cercles ne sont plus dans le plan XZ. Par contre la caméra regarde toujours vers ce plan.

Ce quelle voit est donc la projection orthogonale des deux cercles ayant subi une rotation.

Le ratio entre la taille du limbe et celle de la pupille est de la forme R?/r? ou R/r selon le choix de mesure dans le plan XZ. Ci-dessous est la démonstration que ce nombre reste invariant sous la composition d’une rotation dans l’espace 3D avec une projection orthogonale sur le plan XZ.

Une telle rotation peut s'exprimer comme composition de trois rotations autour des axes X, Y, et Z respectivement. Tout d’abord, il faut remarque que la rotation selon l'axe Y ne va pas influencer le résultat : elle va juste induire une

- 9 - rotation du cercle ou de l’ellipse projetée dans le plan XZ sans rien changer d'autre. II suffit sans perte de généralité de prendre en compte les rotations selon les deux autres axes. Une telle rotation composée avec la projection sur le plan XZ s'exprime comme composition des matrices Cosa Sina 0 -Sina Cosa 0 0 0 1 (rotation autour de Z) 1 0 0 0 Cosb Sinb 0 -Sinb Cosb (rotation autour de X) et i0 0 000 001 (projection orthographique sur le plan XZ) Il faut appliquer le tout aux points de la forme (x , 0 , z) satisfaisant x2+z2=R2 d'une part, et x2+z2=r? d'autre part.

Le résultat de ce calcul donne les points de la forme (x Cos a + z Sin a Sin b , 0 , z Cos b) où z peut être remplacé par + racine carrée de (R2-x2) ou + racine carrée de (r?-x2) selon le cas.

Il faut alors déterminer le grand et le petit axe de ces ellipses (lorsqu’elles ne sont pas dégénérées, ce qui peut arriver selon les angles a et b).

Mais on voit à l'expression obtenue que les points 3D obtenus seront évidemment les mêmes à un facteur R/r (ou l'inverse) près. Ce facteur va

- 10 - simplement se répercuter proportionnellement sur les dimensions des grands et petits axes de chaque ellipse, de sorte que les rapports R2r2 ou R/r seront inchangés. Pour illustrer exactement cela, prenons le cas simple b=0. Dans ce cas, les points sont de la forme (x Cos a + z Sin a Sin 0,0 , z Cos 0) = (x Cos a, 0, 7).

Ces points forment une ellipse d’équation (X/Cos a)? + 22 = R2 ou 2 qui est équivalente à (x/(R Cos a))? + (z/R)2= 1 ou (x/(r Cos a))? + (z/r)2 = 1 Donc les grands et petits rayons sont R Cos a et R (ou r Cos a et r), ce facteur Cos a traduisant la déformation du cercle tourné autour de Z et projeté.

Le rapport des grands rayons est R/r (les Cos a se simplifient). L'aire d’une ellipse correspond au produit des rayons multiplié par TT. Le rapport des aires donnent donc aussi R?/r? (les TT Cos a se simplifient).

Le rapport est donc bien constant. Le même raisonnement s'applique pour a=0 et b non nul.

Ci-dessous est un exemple de la présente invention illustrant le ratio constant entre les tailles de la pupille et du limbe lorsque l’orientation entre la caméra et l’œil change et lorsque l'image capturée comporte une transformation projective par exemple de type perspective. On note que lorsque la caméra n’est pas directement en face de l’œil, la pupille et le limbe capturés par la caméra ne présentent plus les formes en cercles mais deviennent les ellipses. Par ailleurs, même si la caméra est en face de l'œil, la pupille et le limbe capturés par la caméra peuvent présenter des formes en ellipses, ou à tout le moins pas parfaitement circulaires.

Les expériences montrent que lorsque l’orientation de la caméra varie entre -20° et +20° par rapport à sa position en face de l’œil dans un plan essentiellement horizontal, les variations du ratio des grands axes d’ellipses du limbe et de la pupille et des petits axes d'ellipses du limbe et de la pupille sont les suivants : le ratio des grands axes d'ellipse : 2,4059 + 0,0075

- 11 - le ratio des petits axes d'ellipse : 2,4002 + 0,0080 On constate que la variation des ratios est inféreure à 0,35 % (0,0075/2,4059 = 0,31%; 0,0080/2,4002 = 0,33%). En comparaison, sans normalisation comme proposée par la présente invention, une inclinaison de la camera par rapport à la face de l’œil entraîne nécessairement une diminution de l’aire de la pupille observée par cette caméra. Ainsi, grâce à l'invention, on peut obtenir une information de taille constante de la pupille peu importe l'angle d'observation d’une caméra par rapport à l'œil. Ceci est un avantage important de l'invention.

En résumé, l'invention concerne un procédé de détermination d’une taille normalisée d’une pupille d’un œil, le procédé comprenant les étapes suivantes : (1) déterminer une taille de la pupille, (ii) déterminer une taille associée à un limbe de l'oeil, (iii) déterminer la taille normalisée de la pupille sur base de la taille déterminée aux étapes (i) et (ii).

La présente invention a été décrite en relation avec des modes de réalisations spécifiques, qui ont une valeur purement illustrative et ne doivent pas être considérés comme limitatifs. D’une manière générale, il apparaîtra évident pour un homme du métier que la présente invention n’est pas limitée aux exemples illustrés et/ou décrits ci-dessus.

Claims (14)

- 12 - Revendications

1. Procédé de détermination d’une taille normalisée d’une pupille d’un œil, le procédé comprenant les étapes suivantes : (i) déterminer une taille de la pupille, (ii) déterminer une taille d’un limbe de l'oeil, (iii) déterminer la taille normalisée de la pupille sur base de la taille déterminée aux étapes (i) et (ii), dans lequel la taille normalisée de la pupille est déterminée à l’étape (iii) sur base d'un calcul d’un ratio entre les tailles déterminées aux étapes (i) et (ii).

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape (ii) comprend une mesure d’une taille d’une déformation affine du limbe et une détermination de la taille du limbe sur base de cette mesure.

3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape (ii) comprend une détermination d’une taille d’un iris de l’œil ou d’un globe oculaire de l’œil comme déformation affine du limbe.

4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape (ii) comprend une mesure d’une taille d'une transformation projective du limbe et une détermination de la taille du limbe sur base de cette mesure.

5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'étape (ii) comprend une détermination d’une taille d’un iris de l'œil ou d’un globe oculaire de l'oeil comme transformation projective du limbe.

6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chacune des tailles déterminées aux étapes (i) et (ii) sont déterminées par une mesure d'une aire, et/ou d’un diamètre, et/ou d’un rayon, et/ou d’axes, et/ou d’un périmètre, d’une forme géométrique essentiellement circulaire ou elliptique.

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7. Procédé de détermination selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape de capture d’au moins une image d’au moins une partie de l'œil comprenant la pupille au moyen d'une caméra disposée à une distance de l’œil et orientée selon un angle par rapport à un plan pupillaire relatif à l'œil, dans lequel les tailles sont déterminées aux étapes (i) et (ii) sur base de lau moins une image, et dans lequel la taille normalisée de la pupille déterminée à l’étape (ii) est sensiblement indépendante de la distance et dudit angle.

8. Procédé selon la revendication 7 lorsqu’elle dépend de la revendication 6, dans lequel la mesure de l’aire, et/ou du diamètre, et/ou du rayon, et/ou des axes de la forme géométrique correspond à un nombre de pixels de Pau moins une image.

9. Système de détermination d’une taille normalisée d’une pupille d’un œil comprenant une unité logique pour mettre en œuvre les étapes (i) à (iii) du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.

10. Système selon la revendication précédente comprenant en outre une caméra apte à être disposée à une distance de l’œil et à être orientée selon un angle quelconque par rapport à un plan pupillaire relatif à l’œil pour capturer au moins une image ou une représentation évènementielle spatiotemporelle d'au moins une partie de l'œil comprenant la pupille, l’unité logique étant apte à déterminer les tailles des étapes (i) et (ii) sur base de l’au moins une image.

11. Smartphone comprenant un système selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10.

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12. Véhicule routier comprenant un système selon l’une quelconque des revendications 9 ou 10.

13. Dispositif de suivi oculaire comprenant un système selon l’une quelconque des revendications 9 ou 10.

14. Utilisation du système selon l’une quelconque des revendications 9 ou 10 pour détecter la fatigue et/ou le niveau de concentration d’un sujet.