PDF de programación - Sistema de software para la medición de la respuesta pupilar

Centro de Investigación y de Estudios Avanzados

del Instituto Politécnico Nacional

Unidad Zacatenco

Departamento de Computación

Sistema de software para la medición de la respuesta

pupilar

Tesis que presenta

Leonor Borja Martínez

para obtener el Grado de

Maestro en Ciencias

en la Especialidad de Ingeniería Eléctrica

Director de la Tesis

Dr. Luis Gerardo de la Fraga

México D.F.

Diciembre 2006

ii

Agradecimientos

Al Dr. Luis Gerardo de la Fraga:
Por todo su apoyo y motivación durante todo este período de elaboración de Tesis. Por
compartir sus conocimientos, por brindar asesoría siempre que lo necesité, por las
enseñanzas de sus cursos y por la atención que nos brindó a cada uno de nosotros.

Al Dr. Tonatiuh Matos:
Por creer en mi y apoyarme para obtener el grado de maestría. Por escucharme y
motivarme para llegar hasta aquí.

A mis padres:
Por inculcarme valores que me han servido para culminar ésta tesis. Por su apoyo
incondicional en momentos difíciles, por su comprensión, por su cariño, por preocuparse
por mi y por los sacrificios que han hecho para el logro de mis objetivos.

A mis hermanos:
Por que en ningún momento me han dejado sola, por todo su apoyo, por las palabras de
motivación que me han brindado, por su compañia en noches de trabajo y por todo su
cariño.

A Juan Jesus Flores Barrera:
Por compartir conmigo momentos difíciles y alegres durante mi estancia en el
CINVESTAV, por sus palabras de aliento que me han ayudado a superar y a crecer
como persona, porque en ningún momento ha dejado de creer en mi, por ser un gran
apoyo en mi vida, por toda su comprensión y por todo su cariño.

A Sofia Reza:
Por ser más que una amiga.

A mis amigos.

Al Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN.
Al Departamento de Computación.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.
Al proyecto 45306 del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.

Resumen

La pupila es el orificio redondo del iris por el cual penetra la luz en el ojo. Cuando
la intensidad de la luz incidente en el ojo es grande, la pupila reacciona disminuyendo
el tamaño del orificio pupilar. En cambio, cuando la intensidad disminuye, aumenta la
abertura pupilar.

La respuesta pupilar consiste en medir el área de la pupila del ojo bajo una prueba de

varios estímulos luminosos.

En el laboratorio de Bioelectrónica del departamento de Ingeniería Eléctrica, del CIN-
VESTAV, se desarrolló una metodología instrumental para el análisis de las variaciones
de respuestas pupilares a estímulos para contraer y dilatar la pupila. Este examen es
grabado en un video analógico con una duración de 15 minutos, aproximadamente. El
cálculo de la respuesta pupilar, se realiza midiendo el área de la pupila en cada marco
del video analógico con un compás y una regla. Este proceso de medición es muy tardado
ya que por cada segundo se podrían analizar 30 marcos en video digital, por lo tanto, se
realizarían a mano 15 · 60 · 30 = 27, 000 mediciones.

En esta tesis se diseñó un procedimiento para la obtención automática de la respues-
ta pupilar a partir de video digital. Primero se obtiene cada marco del video usando la
biblioteca libre Kino; luego se localiza la posición del ojo en los primeros marcos. Pos-
teriormente, se aplican técnicas de procesamiento de imágenes para obtener los píxeles
del perímetro de la pupila. Finalmente, estos píxeles se ajustan a una elipse usando un
algoritmo de ajuste algebraico para aproximar el área de la pupila con el área de la elipse.

La gráfica de la respuesta pupilar es mostrada en una interfaz gráfica junto con el
video, donde además se tienen datos del paciente que son obtenidos de una base de datos.
La interfaz gráfica fue creada utilizando OpenGl, Qt y la biblioteca Kino. El acceso a
la base de datos se realiza con el gestor de base de datos Mysql. Esta interfaz tiene la
finalidad de que el usuario pueda observar y registrar el comportamiento de la pupila del
paciente durante el examen de estimulación.

iv

Abstract

The pupil is the round, dark opening in the center of the iris of the eye through which
light goes throw. The pupil changes its outline, depending on the illumination level: with
a bright light, the pupil is contracted and in darkness it is dilated.

The calculation of pupil response consists of meassuring the pupil’s area under a series

of light stimuli.

An instrumental metodology to analyze the variation of the pupil response by stimu-
li to contract and to dilate the pupil was developed at the Biolectronics laboratory of
Cinvestav’s Electrical Engineering Department. This test is recorded in analog video for
about fifteen minutes long. The calculation of the pupil response takes place by measuring
the pupil area using a ruler and a compass. Using digital video it is possible to analize
30 frames per second, this is, 15 · 60 · 30 = 27, 000 measurements if this process is done
manually. Thefore we need automatize the process of calculating the pupil response.

In this thesis a process to get the pupil response automatically was designed. First,
using the free software library Kino, we obtain each video frame; then, the eye’s posi-
tion is found on the initial frames; later, in order to obtain the perimeter’s pixels of the
pupil, standard image processing techniques are applied to the eye’s subimage. Finally,
the perimeter is fitted to an ellipse using an algebraic algorithm, and the pupil area is
approximated with the ellipse area.

The graph of the pupil response is showen in a graph interface with the digital video;
additionally we have the patient’s profile from a database. The graph interface has been
developed using OpengGl, Qt and the library Kino. The database’s access was created
with Mysql. This interface aims that the user can watch and register the behavior of the
pupil during the stimulation test.

Índice general

Lista de Figuras

1. Introducción

1.1. La importancia de la respuesta pupilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Descripción del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Organización de la tesis

VI

1
1
2
3

2. Teoría

7
7
2.1. El formato de video DV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Biblioteca Kino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.3. Técnicas de procesamiento de imagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1. Segmentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2. Correlación cruzada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.3. Morfología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4. Clasificador de mínima distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5. Ajuste algebraico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3. Desarrollo del Problema

21
3.1. Digitalización del video . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2. Procesamiento de marcos del video . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.1. Obtención de marcos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.2. Conversión a tonos de grises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.3. Definición del área de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3. Detección de la pupila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.1. Segmentación por umbral global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.2. Operación morfológica cerrando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.3. Extracción de los objetos y cálculo del vector de características . . . 26
3.3.4. Clasificación de los objetos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.1. Extracción del perímetro de la pupila . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.2. Eliminación del brillo de la luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.4. Cálculo de la respuesta pupilar

v

vi

ÍNDICE GENERAL

3.4.3.

Implementación del algoritmo de ajuste algebraico a una elipse . . . 35
3.5. Desarrollo de la interfaz gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5.1. Visualización del video digital
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5.2. Manipulación del video digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5.3. Visualización y manipulación de la gráfica de la respuesta pupilar
. 41
3.5.4. Conexión a una base de datos para mostrar los datos del paciente . 44

4. Resultados y Discusión

47
4.1. Obtención de la pupila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5. Conclusiones y Trabajo futuro

53
5.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2. Trabajo futuro

A. Lista de programas desarrollados

57
A.1. Procesamiento de video . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
A.2. Correlación cruzada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
A.3. Detección de la pupila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
A.4. Respuesta pupilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
A.5. Interfaz gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

B. Descripción de la interfaz gráfica

61

C. Gráficas de la respuesta pupilar

65
C.1. Gráficas de la respuesta pupilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
C.2. Gráficas con filtrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

D. Scripts desarrolladas

69
D.1. Animación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
D.2. Filtro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Índice de figuras

1.1. Un paciente es sometido a estímulos que consisten en la e