RAPID — модель быстрой регистрации и трекинга зрачка глаза с помощью модифицированного метаэвристического метода дифференциальной эволюции на основе уравнения Ферхюльста-Пирла

Abstract

This paper proposes a model of fast registration and pupil tracking — «RAPID», for devices with limited computing resource (weak personal computers, smartphones, embedded systems based on ARM architecture) in order to reduce the cost of technology for individual use by people with disabilities and medical institutions. The model is based on the idea of representing the process of video oculography as a multidimensional global optimization problem and its solution by the metaheuristic method of differential evolution. The optimization problem (objective function) is formalized as a search for the region that approximates the pupil in the three-dimensional parameter space most completely — the position and approximate size of the pupil. For the considered optimization problem we propose a modification of differential evolution method based on the process of formation of genetic isolations of population of solutions in the neighborhood of all local and global extremums of the target function followed by growth of the most adapted isolation (near the global extremum) and degeneration of others according to the differential Verhulst-Pearl equation. This behavior makes the search algorithm less «greedy» and makes it possible to correctly extract the pupil from the full frame. The developed tracking model can be used in the development of software packages in the task of augmentative communication for patients with lateral amyotrophic sclerosis or diplegia syndromes, on non-specialized devices, as well as in ophthalmological complexes and infrared-pupillometers. В работе предлагается модель быстрой регистрации и трекинга зрачка «RAPID» для устройств с ограниченным вычислительным ресурсом (слабые персональные компьютеры, смартфоны, встраиваемые системы на базе архитектуры ARM) с целью снижения стоимости технологии для индивидуального использования людьми с ограниченными возможностями и медицинскими учреждениями. В основу модели легла идея представления процесса видеоокулографии, как задачи многомерной глобальной оптимизации и ее решение метаэвристическим методом дифференциальной эволюции. Задача оптимизации (целевая функция) формализована, как поиск региона, наиболее полно аппроксимирующего зрачок в трёхмерном пространстве параметров – положение и приблизительный размер зрачка. Для рассматриваемой задачи оптимизации предложена модификация метода дифференциальной эволюции, в основе которого лежит процесс формирования генетических изоляций популяции решений в окрестностях всех локальных и глобальных экстремумов целевой функции, с последующим ростом наиболее приспособленной изоляции (рядом с глобальным экстремумом) и вырождением иных, в соответствии с дифференциальным уравнением Ферхюльста-Пирла. Данное поведение делает алгоритм поиска менее «жадным» и дает возможность корректно выделять зрачок из полного кадра. Разработанная модель трекинга может быть использована при разработке программных комплексов в задаче аугментативной коммуникации для пациентов с синдромами латерального-амиотрофического склероза или диплегии, на неспециализированных устройствах, а также в офтальмологических комплексах и инфракрасных-пупиллометрах.