基于视线的儿童专注力测试分析系统和方法与流程

本发明属于眼球追踪技术领域，具体涉及一种基于视线的儿童专注力测试分析系统和方法。

背景技术：

心理学的研究表明人类的任何心理活动、情绪反应均会引起相应地生理参量的变化，这些生理参量由于受植物神经系统支配，植物神经系统由于指挥中枢在下丘脑而不在大脑皮层，所以一般不受人的意识控制，而是自主动作，在外界刺激下会出现一系列条件反射现象。

所谓专注力，通常指注意力，在心理学的范畴上指较长时间内仍把注意力保持集中在某一活动上的能力。对于儿童来说，就是指他们能把视觉、听觉、触觉等感官集中在某一事物上，达到认识事物的目的。专注力是幼儿发展的第一要素，也是伴随儿童终身发展比不可少的重要品质。心理学研究表明，专注状态极其有利于儿童对客观事物做出清晰、完整的判断，以保证智力活动顺利地产生和发展。

通常，对于儿童专注力的测试评估可以通过父母的观察，老师的反馈，以及周围同学的反馈得出，也可以通过儿童专注力测试的问卷调查得出。例如：美国范德比尔特注意力诊断报告家长测评表，目前世界范围最权威的注意力测评表格，指导了DSM-IV标准(美国神经状况诊断和统计手册)。通过家长完成一定的问卷调查，对儿童注意力进行专业评估。

目前的儿童专注力测试技术方案中，不能客观的评价出儿童专注力的等级，仅仅通过主观问答得出的评价报告具备一定的片面性以及个人感情色彩。因此，如何设计一种更加理性且成本低的儿童专注力测试分析系统就变得极其重要。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于视线的儿童专注力测试分析系统及方法。包括：儿童专注力测试阅读设备和儿童专注力测试结果记录分析装置，且所述儿童专注力测试阅读设备和儿童专注力测试结果记录分析装置相互通信连接；所述儿童专注力测试结果记录分析装置包括瞳孔图像采集器、处理器、存储器；其中，

在初始化阶段，所述瞳孔图像采集器采集被测儿童注视所述儿童专注力测试阅读设备中的亮点时的第一瞳孔图像，并通过所述处理器利用所述第一瞳孔图像和所述儿童专注力测试阅读设备中的亮点进行被测儿童阅读视线轨迹定位的初始化；

在测试阶段，控制所述瞳孔图像采集器采集被测儿童阅读显示内容时的第二瞳孔图像，通过所述处理器根据所述第二瞳孔图像的图像数据计算被测儿童阅读时，其视线在所述儿童专注力测试阅读设备上的位置，形成被测儿童阅读视线轨迹，将所述被测儿童阅读视线轨迹与所述儿童专注力测试阅读设备的显示内容的顺序轨迹进行对比，最终形成测试分析数据。

在上述发明的基础上，所述儿童专注力测试阅读设备包括：平板电脑或电子阅读器。

在上述发明的基础上，所述儿童专注力测试结果记录分析装置为眼镜系统，包括镜框、镜腿和设置于所述镜腿末端的USB接口及设置于所述镜框中间位置处的瞳孔图像采集器。

在上述发明的基础上，所述处理器和所述存储器均设置于镜腿靠近所述镜框的位置处。

本发明还提供一种基于视线的儿童专注力测试分析方法，包括：

采集被测儿童注视儿童专注力测试阅读设备中的亮点时的第一瞳孔图像；

利用所述第一瞳孔图像和所述儿童专注力测试阅读设备中的亮点进行被测儿童阅读视线轨迹定位的初始化；

采集被测儿童阅读所述儿童专注力测试阅读设备按预先设定的规则显示的内容时的第二瞳孔图像；

根据所述第二瞳孔图像的图像数据计算所述儿童专注力测试阅读设备的屏幕位置坐标，形成被测儿童阅读视线轨迹；

对比所述被测儿童阅读视线轨迹与预先设定的规则显示轨迹形成测试分析数据。

在上述发明的基础上，被测儿童注视儿童专注力测试阅读设备中的亮点，包括：

所述儿童专注力测试阅读设备屏幕中依次出现M个亮点，并且提示被测儿童分别依次注视该M个亮点，所述M个亮点按照程序设定显示在所述儿童专注力测试阅读设备屏幕的不同位置处。

在上述发明的基础上，利用所述第一瞳孔图像和所述儿童专注力测试阅读设备中的亮点进行被测儿童阅读视线轨迹定位的初始化，包括：

根据所述第一瞳孔图像处理确定瞳孔边缘信息，并根据所述瞳孔边缘信息确定所述被测儿童的瞳孔中心；

根据所述M个亮点相对于所述儿童专注力测试阅读设备屏幕中的方位坐标和所述瞳孔中心的方位坐标形成对应的映射模型(X,Y)＝F(x,y)以完成儿童阅读视线定位的初始化；其中，(X,Y)为所述M个亮点相对于所述儿童专注力测试阅读设备屏幕中的方位坐标，(x,y)为所述瞳孔中心的方位坐标，F为映射函数。

在上述发明的基础上，根据所述第一瞳孔图像处理确定瞳孔边缘信息，并根据所述瞳孔边缘信息确定所述被测儿童的瞳孔中心，包括：

对所述第一瞳孔图像进行处理形成灰度变化图；

在所述灰度变化图中选择初始点，并以初始点为中心沿不同射线方向寻找灰度变化率最大的点作为沿当前射线方向的瞳孔边缘点；

将多个所述瞳孔边缘点进行拟合形成类椭圆曲线；

计算所述类椭圆曲线的长轴和短轴的交点形成所述瞳孔中心。

在上述发明的基础上，根据所述第二瞳孔图像的图像数据计算儿童专注力测试阅读设备的屏幕位置坐标，形成被测儿童阅读视线轨迹，包括：

根据所述第二瞳孔图像确定被测儿童在所述第二瞳孔图像中的瞳孔中心的方位坐标；

根据所述映射模型(X,Y)＝F(x,y)计算所述被测儿童当前的阅读视线在所述儿童专注力测试阅读设备的屏幕位置的方位坐标；

根据儿童专注力测试阅读设备的屏幕位置坐标拟合为运动曲线，即可形成被测儿童阅读视线轨迹。

本发明实施例，通过采用视线追踪的方式记录被测儿童阅读视线的运动轨迹，记录存储该运动轨迹并且可以拷贝或者传送该阅读视线的运动轨迹给测试者，该方式能够提准确客观的评估儿童专注力等级且该产品成本低廉，有广阔的市场前景。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于视线的儿童专注力测试分析系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种儿童专注力测试结果记录分析装置的外形结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种儿童专注力测试结果记录分析装置的外形结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种儿童专注力测试结果记录分析装置的电路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的儿童专注力测试分析方法的示意图；

图6为本发明实施提供的一种视线定位方法的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于视线的儿童专注力测试分析系统的结构示意图。该系统10包括儿童专注力测试阅读设备11和儿童专注力测试结果记录分析装置13。该儿童专注力测试阅读设备11可以为平板电脑和电子阅读器。其中，该儿童专注力测试阅读设备11和儿童专注力测试结果记录分析装置13配合完成被测儿童进行专注力测试之前的视线定位初始化工作。

请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种儿童专注力测试结果记录分析装置的外形结构示意图，儿童专注力测试结果记录分析装置13的形状可以设置为类似于眼镜的形状，包括镜框131、镜腿133和设置于镜腿133末端的USB接口134，及设置于镜框131的中间位置的瞳孔图像采集器135。其中，可以在镜框131内侧设置多个瞳孔图像采集器135，此处不做任何限制。选择眼镜形状的外观的好处在于：在做儿童专注力测试时，佩戴眼镜这种常见装置，对于减轻儿童的紧张情绪起到较大的作用，易于被儿童接受，顺利完成测试。

请参见图3和图4，图3为本发明实施例提供的另一种儿童专注力测试结果记录分析装置的外形结构示意图，图4为本发明实施例提供的一种儿童专注力测试结果记录分析装置的电路结构示意图。该儿童专注力测试结果记录分析装置13的电路组成包括：瞳孔图像采集器、存储器、处理器及通信模块，优选在外部还设置有LED指示灯。其中，瞳孔图像采集器、存储器、通信模块均电连接至处理器。通信模块优选采用WIFI模块，瞳孔图像采集器为包括至少一个红外灯源的摄像器。该存储器、处理器、通信模块及指示灯均设置于类眼镜结构的镜腿133靠近镜框131位置处1331。

具体的工作原理如下：

1、初始化阶段，在儿童专注力测试阅读设备11启动后，配置相关通信参数，自动连接儿童专注力测试结果记录分析装置的通信模块，完成儿童专注力测试阅读设备11和儿童专注力测试结果记录分析装置13的相互通信连接。

触发儿童专注力测试阅读设备11发出第一初始化控制命令，儿童专注力测试结果记录分析装置13接收到该第一初始化控制命令后，发送到儿童专注力测试结果记录分析装置13的处理器，完成儿童专注力测试结果记录分析装置13的初始化，启动瞳孔图像采集器，并且向儿童专注力测试阅读设备11发送第二初始化命令。儿童专注力测试阅读设备11接收到第二初始化命令后，在儿童专注力测试阅读设备11的屏幕中依次出现M个亮点，并且提示被测儿童分别依次注视该M个亮点。其中当被测儿童注视某一亮点时，瞳孔图像采集器拍摄第一瞳孔图像，并且将该第一瞳孔图像发送至处理器，由处理器根据初始化程序中同步得到儿童专注力测试阅读设备11中的亮点位置信息确定被测儿童阅读视线轨迹模型的参数。假设被测儿童当前瞳孔中心坐标为(x,y)，屏幕中的亮点位置的坐标为(X,Y)，则建立对应映射模型为：(X,Y)＝F(x,y)。

2、测试阶段，在初始化完成后，处理器将儿童视线轨迹模型(X,Y)＝F(x，y)存储于存储器中，并通过通信模块向儿童专注力测试阅读设备11发出响应，儿童专注力测试阅读设备11收到响应后提示测试者。测试者收到提示后，点击启动儿童专注力测试阅读设备11中的测试功能进入测试阶段。

具体地，儿童专注力测试阅读设备11中的测试功能为阅读内容的显示，被测阅读内容在儿童专注力测试阅读设备的屏幕中显示，测试被测儿童开始阅读显示内容，并且处理器控制瞳孔图像采集器采集被测儿童的第二瞳孔图像，将所述第二瞳孔图像的图像数据同步传输至处理器以供所述处理器进行处理。处理器利用第二瞳孔图像的图像数据，通过映射模型(X,Y)＝F(x,y)，计算出坐标(X,Y)，即为该儿童当前的视线投射在儿童专注力测试阅读设备的屏幕上的位置坐标。处理器通过相关算法拟合屏幕位置坐标，形成被测儿童阅读视线轨迹，并存储于存储器中。该被测儿童视线轨迹的存储格式可以为JPE、BMP、GIF、PNG等，并且可以通过通信模块或者USB接口导出。

需要指出的是，形成的被测儿童阅读视线轨迹与儿童专注力测试阅读设备中显示内容的轨迹差异不得超过预设的阈值，则认为被测儿童的专注力较好。其中，被测儿童阅读视线轨迹为该儿童的实时轨迹，显示内容的轨迹也为实时轨迹。根据上述两种实时轨迹的吻合程度，对该儿童的注意力进行评价。

本实施例，通过采用视线追踪技术获取被测儿童阅读视线轨迹，并将该被测儿童阅读视线轨迹保存为图片格式，与被测阅读内容中的文字轨迹进行比对，评定出儿童专注力的等级。

实施例二

请参见图5，图5为本发明实施例提供的儿童专注力测试分析方法的示意图。本发明的儿童专注力测试分析方法包括如下步骤：

步骤1、控制瞳孔图像采集器采集被测儿童注视儿童专注力测试阅读设备中的亮点时的第一瞳孔图像；

步骤2、通过处理器利用所述第一瞳孔图像和所述儿童专注力测试阅读设备中的亮点进行被测儿童阅读视线轨迹定位的初始化；

步骤3、利用瞳孔图像采集器采集被测儿童阅读所述儿童专注力测试阅读设备按预先设定的规则显示的内容时的第二瞳孔图像；

步骤4、由所述处理器根据所述第二瞳孔图像的图像数据计算儿童专注力测试阅读设备的屏幕位置坐标，形成被测儿童阅读视线轨迹。

具体地，步骤1可以包括：

启动儿童专注力测试阅读设备11中的初始化功能，儿童专注力测试阅读设备11屏幕中依次出现M个亮点，并且提示被测儿童分别依次注视该M个亮点。其中当被测儿童注视某一亮点时，瞳孔图像采集器拍摄第一瞳孔图像。

步骤2可以包括：

步骤21、由所述处理器根据所述第一瞳孔图像处理确定瞳孔边缘信息，并根据所述瞳孔边缘信息确定所述被测儿童的瞳孔中心；

步骤22、根据所述M个亮点相对于儿童专注力测试阅读设备屏幕中的方位坐标和所述瞳孔中心的方位坐标形成对应的映射模型(X,Y)＝F(x,y)以完成儿童阅读视线定位的初始化；其中，(X,Y)为所述M个亮点相对于儿童专注力测试阅读设备屏幕中的方位坐标，(x,y)为所述瞳孔中心的方位坐标，F为映射函数。

具体地，所选取的映射函数可以为：

其中，通过M个亮点的坐标(X,Y)和对应的所述瞳孔中心点坐标(x,y)确定所述映射模型的参数a、b、c、d、e、f、g、h、k、l、m及n，以完成所述映射模型的建立。

例如，M个亮点相对于儿童专注力测试阅读设备屏幕中的坐标记录为X＝(X₁,X₂,X₃…X_m),Y＝(Y₁,Y₂,Y₃…Y_m)，对应的瞳孔中心坐标为x＝(x₁,x₂,x₃…x_m),y＝(y₁,y₂,y₃…y_m)，模型的建立则可以用下面的矩阵表达：

f(x,y)表示x和y的一种关系，代表着映射关系函数F，K表示瞳孔中心位置和屏幕坐标之间的映射参数。

本发明建立的模型如下：

将该模型使用矩阵形式表达为：

则

在本模型中，取M＝6时，X，Y对应有6个屏幕坐标，瞳孔相应也有6个对应中心坐标，X＝|X₁,X₂,X₃,X₄,X₅,X₆|，Y＝|Y₁,Y₂,Y₃,Y₄,Y₅,Y₆|，同理，x＝|x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆|，y＝|y₁,y₂,y₃,y₄,y₅,y₆|，那么上面的矩阵可以进一步改写为：

通过方程组求出a、b、c、d、e、f、g、h、k、l、m及n，进而得到所述映射模型。

另外，步骤21可以包括：

步骤211、对所述第一瞳孔图像进行处理形成灰度变化图；

步骤212、在所述灰度变化图中选择初始点，并以初始点为中心沿不同射线方向寻找灰度变化率最大的点作为沿当前射线方向的瞳孔边缘点；

步骤213、将多个所述瞳孔边缘点进行拟合形成类椭圆曲线；

步骤214、计算所述类椭圆曲线的长轴和短轴的交点形成所述瞳孔中心。

其中，步骤212中初始点位置的选择可以采用如下方式：

采用灰度积分法在所述修正红外图像上估算瞳孔中心位置的坐标(xmin，ymin)；其中，xmin和ymin的公式为：

其中，min表示取最小值运算，sum表示求和运算。

因为瞳孔中心位置处最暗，通过上述求最小值的方法，可以估算出瞳孔中心的粗略位置，以该位置作为初始点。

步骤4可以包括：

步骤41、由所述处理器根据所述第二瞳孔图像确定被测儿童在所述第二瞳孔图像中中的瞳孔中心的方位坐标；

步骤42、根据所述映射模型(X,Y)＝F(x,y)计算所述被测儿童当前的阅读视线在儿童专注力测试阅读设备的屏幕位置的方位坐标；

步骤43、由所述处理器根据儿童专注力测试阅读设备的屏幕位置坐标拟合为运动曲线，即可形成被测儿童阅读视线轨迹。

本实施例，首先通过被测儿童注视儿童专注力测试阅读设备中的亮点位置坐标和对应的瞳孔中心的坐标确定儿童阅读视线方向，形成特定的映射关系后完成儿童阅读视线定位的初始化，其次通过定位阅读设备的屏幕的文字内容形成儿童阅读视线的运动轨迹，最后通过将儿童阅读视线的运动轨迹与被测阅读内容中的文字轨迹进行比对，供测试者评定儿童专注力的等级。

实施例三

请参见图6，图6为本发明实施提供的一种视线定位方法的示意图。该视线定位方法是在上述实施例的基础上，针对初始化阶段和测试阶段的视线定位方法进行详细描述。具体地，该方法包括：

步骤a、提取被测儿童的瞳孔边缘点；

步骤b、根据所述瞳孔边缘点确定被测试者的瞳孔中心点；

步骤c、根据瞳孔中心点和被测儿童观察的目标点确定被测儿童的视线方向。

其中，步骤a可以包括：

步骤a1、获取所述瞳孔图像信息；

步骤a2、对所述瞳孔图像信息进行处理，得到所述瞳孔图像信息在指定方向上灰度的梯度值，并将所述灰度的梯度值达到最大值时所在的位置确定为瞳孔边缘点的位置。

具体地，瞳孔内、外对红外线的反射有很明显的差异。拍摄的图像在瞳孔区域光线较强，亮度高；在非瞳孔区则图像较暗，亮度低。瞳孔区域灰度明显低于其他区域，在边缘位置处，梯度变化剧烈。过处理后的图像信息中，在指定的方向上，瞳孔区的灰度值与非瞳孔区的灰度值在交界处有剧烈的变化，在交界处的梯度值也会达到最大，据此判断出瞳孔边缘点的位置。

例如，设f(i,j)为图像f在坐标(i,j)处的灰度值，灰度值的偏微分为：

则该方向的灰度梯度D最大的点即为边缘点。

其中，步骤b可以包括：

步骤b1、提取所述瞳孔边缘点信息并拟合形成类椭圆曲线；

步骤b2、计算出所述类椭圆曲线长轴和短轴的交点，将所述交点确定为所述瞳孔中心点。

具体地，步骤b1可以包括：

步骤b11、从N个边缘点中选取任意5个点，使用最小二乘法进行椭圆拟合形成第一类椭圆方程；

步骤b12、对N个边缘点利用随机采样一致性算法通过所述第一类椭圆方程进行局内点和局外点甄别，统计得到M个局内点和N-M个局外点；

可选地，落在所述类椭圆上的点，视为局外点。当然，本发明不在此处做限制。

步骤b13、判断局内点占有率是否小于第一阈值t1；若是，则确定所述5个点为非典型特征点，拟合椭圆为非典型特征椭圆，则重新执行步骤b11；若否，则确定所述5个点为典型特征点，则执行步骤b14；

步骤b14、根据所述M个局内点利用最小二乘法对所述第一类椭圆方程进行优化形成第二类椭圆方程，并对所述N-M个局外点利用随机采样一致性算法通过所述第二类椭圆方程进行局内点和局外点甄别，最终统计得到M1个局内点和N-M1局外点；

步骤b15、判断局内点占有率是否大于第二阈值t2；如是，则终止迭代，认为所述第二类椭圆方程为最优方程；若否，则执行步骤b14。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。