[发明专利]基于SOPC的适合人机交互的视线跟踪系统

说明书

技术领域

本发明涉及人机交互技术领域，具体涉及基于SOPC的适合人机交互的视线跟踪系统。

背景技术

视线跟踪技术在人机交互中具有直接性、双向性和自然性的优点，已成为未来智能人机接口的关键技术。当前视线跟踪技术主要可以分为接触式和非接触式两类。非接触式跟踪精度高，但用户需要在头部佩戴特殊装置，给使用带来了不便，同时价格较为昂贵。非接触式则带来充分自由的用户体验，主流方案是通过摄像机获取用户眼部图像，通过图像处理技术获取用户的视线方向。当前非接触式视线跟踪技术的研究主要集中于原型算法，并已满足一定的精度和鲁棒性，其应用与推广的瓶颈在于高性能、微型化、低功耗和低成本的视线跟踪设备。由于算法的计算复杂度高，用纯软件的方式实现将占用大量系统资源，若利用硬件逻辑的并行性及流水操作，将算法中运算量高的部分用硬件模块实现，可以大大提高执行效率，在一个SOPC平台上即可实现整个视线跟踪系统。

发明内容

本发明的目的是提供开发基于机器视觉、无接触式的基于SOPC的适合人机交互的视线跟踪系统。本发明的技术方案如下：

基于SOPC的适合人机交互的视线跟踪系统，该系统包括模拟摄像头，红外光源，SOPC平台；其中SOPC平台包括：视频捕获模块、Adaboost人眼检测模块、RANSAC椭圆拟合模块、片上处理器和USB控制器；

所述模拟摄像头用于采集用户的正面人脸图像，采集人脸图像时红外光源打开并位于模拟摄像头右侧，在人眼的角膜上形成一个反射亮斑；

所述视频捕获模块用于对采集的人脸图像通过视频捕获模块转换成数字图像；

所述Adaboost人眼检测模块用于对人脸图像进行人眼区域的定位；

所述RANSAC椭圆拟合模块用于在所定位的人眼区域中，对瞳孔精确定位，得到瞳孔中心；同时提取亮斑中心，该中心即红外光源在人眼角膜上形成的反射亮斑的中心位置，对亮斑中心到瞳孔中心的P-CR向量，采用二维多项式映射得到视线向量，即用户在屏幕的注视点；

所述片上处理器负责对上述的视频捕获模块、Adaboost人眼检测模块、RANSAC椭圆拟合模块各进行调度，并通过USB控制器将视线向量传输到计算机作为人机交互的控制信号。

所述RANSAC椭圆拟合模块对瞳孔精确定位通过如下步骤实现：

（1）瞳孔轮廓预提取：在定位的人眼区域中，使用边缘检测算法提取瞳孔轮廓，生成瞳孔轮廓点集；

（2）从瞳孔轮廓点集中随机抽取四个点，生成最小子集；

（3）利用所抽取的四个点进行椭圆拟合，确定椭圆参数：椭圆可由方程

Ax²+By²+Cx+Dy＝1

进行描述，利用四个点的坐标即可求出椭圆参数A,B,C,D；

（4）计算瞳孔轮廓点集在步骤（3）求得的椭圆参数下的误差；

（5）对步骤（2）至（4）进行重复多次计算，选取误差最小的四个点及其对应的椭圆参数。

所述的RANSAC椭圆拟合模块包括以下子模块：

伪随机数生成器模块：负责生成伪随机数，从瞳孔轮廓点集中提取最小子集，以线性反馈位移寄存器法实现；

矩阵快速逆运算模块：采用基于LU分解的矩阵求逆法，以24位的定点数法实现，在分解过程中根据数据类型采用不同的定点位长；

基于代数距离的误差累计模块：代数距离将误差定义为方程在给定样本点下的偏差，也就是拟合误差或残差，椭圆方程如下：

F(x,y)＝Ax²+By²+Cx+Dy-1＝0，

对于瞳孔轮廓点集中的一点p_i＝{x_i,y_i}，把坐标值代入方程得到F(x_i,y_i)，即该点到椭圆的代数距离，也就是把瞳孔轮廓点集中的每个点到椭圆的代数距离的绝对值累加起来，作为衡量最小子集拟合结果的评判标准，其绝对值越小，则误差越小，拟合结果越佳。