[发明专利]一种基于双光源的视线跟踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双光源的视线跟踪方法，属于视频、多媒体信号处理技术领域。

背景技术

随着计算机科学技术与产业的飞速发展，计算机的普通用户急剧增长，智能化的人机交互也日益受到关注。作为人类获取外界信息的重要途径，视线也可以在智能化人机交互中发挥它的巨大潜力，成为智能交互的有效工具。例如，我们可以通过视线来表达我们主观思想进而实现对外界事物地直接操控

T.Hutchinson等在1989年率先提出了用视线与计算机进行交互的思想。其诱人的应用前景吸引了无数国内外的研究者们从图像预处理、映射算法、校正等各方面对视线跟踪进行研究。如今，视线跟踪技术已日益成熟，其应用也不断得到人们的认可，从残疾人辅助、游戏开发、外观设计测评到3D盛行时代的自由视点视频，无一不给我们的生活带来方便，更是有力地推动了智能化科学技术的发展。

视线跟踪的方法有眼电图(EOG)、虹膜-巩膜边缘、角膜反射、瞳孔-角膜反射向量等多种，其中，基于瞳孔-角膜反射向量的方法由于其精度较高，用户使用舒适度高而备受青睐。D.H.Yoo等运用四光源于2001年提出的基于交比不变算法的视线跟踪系统可以较为精确地实现视线的估计。然而，由于受硬件集成、执行速度及应用前景的影响，人们更偏向于采用更少的光源来实现视线的估计。目前，要想在头部运动自由的情况下实现较为精确的视线估计至少需要两个红外光源。而现有的两光源视线跟踪方法计算比较复杂，即便允许头动，对头动的范围也有很大的限制。因此找到一种简单实用的视线跟踪映射方法具有重要的理论研究意义和重大的实际应用价值。

发明内容

针对现有双光源视线跟踪方法计算复杂、对头部运动范围限制性大的问题，本发明提供一种计算复杂度低、对头部运动限制性小、实用性强的基于双光源的视线跟踪方法。

根据人眼的注视特性以及相机的成像原理，如图4所示，屏幕上的两个光源L₁，L₂与其对应的在人眼角膜上形成的反射点V₀₁，V₀₂的连线以及屏幕上的注视点Q与瞳孔中心P₀的连线交于人眼的角膜曲率中心C；并且，根据球面折射原理，两红外光源在角膜上的反射点V₀₁，V₀₂以及瞳孔中心P₀与它们经角膜球面折射后的像V₁，V₂以及P在同一径向上，因此，用V₁，V₂以及P分别来代替V₀₁，V₀₂以及P₀不会影响注视点估计的结果。

在映射建立过程中，由于人眼球是一个球状体，所以两红外光源在人眼中形成的反射点V₁，V₂以及瞳孔中心在角膜上的折射点在Z轴方向上的坐标值虽不相同，但相差甚微。经分析计算得出：这三点在Z轴上的坐标值可认为近似相同，对注视点结果估计所造成的误差在X轴上最大为0.9887cm，在Y轴上最大为0.7852cm，并且误差的趋势呈现区域化分布，因此可以结合二次定标来减小由于近似而产生的误差，使得最终估计出的注视点的误差在实际应用中处于可接受范围之内。

本发明的基于双光源的视线跟踪方法，具体步骤如下：

(1)图像预处理：利用瞳孔和反射点灰度差的原理，对采集到的人脸图像进行预处理，提取出人眼图像中两个反射点和瞳孔区域，并计算出两个反射点及瞳孔中心在图像坐标系中的坐标，其中图像坐标系以图像的左上角为坐标原点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴；

(2)注视点估计：根据图像中瞳孔中心与两反射点构成的三角形和屏幕上注视点及两个红外光源构成的三角形近似为一对相似三角形来确定屏幕上注视点的近似位置。

(3)注视点校正：运用二次定标的方法来校正人眼视轴与光轴固有的偏差以及因近似而产生的估计误差，得到最终的注视点位置。

所述步骤(2)注视点估计的具体实现步骤为：

A.根据人眼的注视特性及相机的成像原理得出瞳孔中心与两反射点构成的三角形和屏幕上注视点及两个红外光源构成的三角形的近似相似性关系；

B.根据三角形相似性来估计屏幕上注视点的近似位置。

所述步骤(3)注视点校正的具体实现步骤为：

A区域划分：根据定标点的个数及分布将整个屏幕划分为五个区域；

B一点定标：通过屏幕中间位置的定标点进行一点定标；