Automatic pupil size and eyelid position measurement from video

Abstract

Työterveyslaitoksen Aivotyölaboratorion Monitehtävä-projektissa tutkitaan aivotyön rasittavuutta sekä ihmisten suorituskykyä kognitiivisia kykyjä vaativissa tehtävissä. Koehenkilöt suorittavat sekä univajeessa että ilman univajetta aivojen eri funktionaalisia osia kuormittavia tehtäviä tietokoneella. Kokeen aikana koehenkilöiltä mitataan muun muassa EOG, EEG, EKG, verenpaine, hengitysliike sekä ihon sähkönjohtavuus. Tarkoituksena on tutkia, mitkä fysiologiset signaalit korreloivat työssä suoriutumisen kanssa.

Pupillin koon vaihtelusta ollaan kiinnostuttu, koska sen on osoitettu kertovan tunnetilasta, kognitiivisesta rasituksesta ja sitä voisi mahdollisesti käyttää myös väsymyksen indikaattorina. Silmänräpäysten taajuuden sekä keston on osoitettu kertovan tarkkaavaisuustilasta.

Osassa mittauksista silmänliikkeet mitataan SensoMotoric Instrumentsin iView-video-okulografialaitteisto. Laitteisto antaa myös pupillin koon ja silmänräpäykset voidaan arvioida siitä, kun pupilli katoaa. Tässä työssä tarkoituksena oli kehittää menetelmä, jolla pupillin kokoa ja silmäluomen asentoa voidaan mitata tarkemmin kuin käytössä olevalla iView-laitteistolla.

Video tallennettiin iView-laitteiston kamerasta DVD:lle offline-analyysiä varten. Videokuvan analysoimiseen laadittiin tietokoneohjelma kirjallisuusanalyysin perusteella. Analyysiohjelmassa toteutettiin useita analyysialgoritmejä. Pupillin reunapisteiden tunnistamiseen käytettiin sovellettua Hough-muunnosta, pupillin reunan kaarevuutta sekä pupillin etsimistä iiriksen avulla. Silmäluomen asennon määrittämiseksi käytettiin ellipsin sovitusta iirikseen ja silmäluomen leikkauspisteiden etsimistä tästä sekä iiriksen ja valkuaisen etsimistä näiden väri-informaation perusteella.

Kehitetyn analyysiohjelman antamia tuloksia verrattiin iView-laitteistolla saatuihin tuloksiin. Kehitetyn ohjelman tarkkuus pupillin koon määrityksessä on huomattavasti aiempaa laitteistoa parempi ja menetelmä antaa parempia tuloksia erityisesti, kun koehenkilöt ovat univajeessa ja ylempi silmäluomi peittää osan pupillista. Silmäluomen liike saadaan rekisteröityä ja sitä voidaan käyttää väsymyksen analysoimisessa, kun aiemmassa laitteistossa saatiin vain informaatio siitä onko silmä auki.

Kehitetyllä ohjelmalla analysoitiin myös tavallisella videokameralla kuvattuja urheiluampujien silmävideoita ja osoitettiin, että menetelmä on sovellettavissa kenttäkäyttöön. Jatkossa menetelmää onkin tarkoitus kehittää siten, että sitä voisi käyttää todellisissa työtilanteissa jatkuvaan vireyden ja mahdollisesti myös kognitiivisen rasituksen arviointiin.