[发明专利]一种基于动态交比的凝视点估计方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于动态交比的凝视点估计方法及其系统。

背景技术

随着人机交互技术的发展，越来越多的人机交互产品深入了我们的日常生活，眼动跟踪也日益成为的研究热点，从传统的接触式到现在的非接触式，人机交互方式朝着更自然，舒适方便的方向发展，眼睛作为人类心灵的窗口，作为人类表达思想和情感，获取信息的重要来源，眼动跟踪技术无疑是方便的交流方式，经过长时间的发展，眼动跟踪技术也在不断完善，依靠眼睛进行操作的应用与设备也越来越多，很多时候取代了手指的行为动作，因此，对眼动跟踪系统眼睛具有十分重要的意义。

基于投影空间中交比不变性的眼动跟踪技术一直是眼动跟踪研究者们的热点，通过标定建立虚拟投影平面进而进行凝视点估计是其途径之一。有研究者提出了采用建立虚拟平面的方法，通过标定来设定虚拟平面，后来又在原来参数的基础上添加了垂直分量。另外一些研究者也在此基础上进行了研究，在没有改变标定参数的情况下，对结果进行了误差修正，通过注视屏幕中已知的五个点，人为对结果进行修正。2011年，Morimoto总结了基于交比眼动跟踪方法，指出现在的基于交比不变性的眼动跟踪系统对头部位置的变化较敏感，作者总结了现在的两种扩展的方法来提高头部位置的鲁棒性，第一种方法是动态补偿角膜反射模型导致的误差变化(Dynamic Displacement Vector Correction(CR-DD))，该方法侧重在结果上进行误差修正，第二种方法(Planarization of CR Features(PL-CR)method)估计真正的共面眼睛特征，通过建立虚拟平面模型，从而使得交比可以使用，该方法侧重修改参数，使得瞳孔中心和光斑中心所在的虚拟平面共面。作者还补充说明了第二种方法对头部的适应性较好。

采用动态交比进行凝视点估计的方法，用户进行凝视点估计的差异性主要由以下两种原因导致：1)人眼的视轴与光轴之间的偏差，这个每个人的可能不一样，一般小于5°；2)如何精确拟合线交比和弧交比的关系是提高凝视点精度的关键。本发明旨在拟合线交比和弧交比关系即第二个问题。

眼睛作为一个球体，利用交比不变性来估计凝视点时，需要建立虚拟投影平面。如图1所示，此方法在用户通过标定得到四个参数，计算四个虚拟投影点，以此建立一个虚拟平面，使瞳孔中心和光斑的虚拟投影点处于同一个平面，然后利用交比不变性来估计凝视点，但是该方法会产生四个虚拟点的误差，从而最终产生较大的凝视点误差。而为了消除这四个点的误差，即直接利用四个光斑点的坐标来计算。

因此需要一种无需构造虚拟平面，即省略了计算虚拟光斑投影点这一步骤，通过离线学习线交比和弧交比的比例关系,直接利用检测到的光斑点来估计凝视点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于动态交比的凝视点估计方法及其系统，获取基于近红外光图像的光斑点中心与瞳孔中心，拟合线交比和弧交比的关系，直接利用检测到的光斑点进行凝视点估计；解决现有技术为了使用交比不变性的原理来估计凝视点,需要通过构造一个虚拟平面，使瞳孔中心和光斑的虚拟投影点处于同一个平面，然后利用交比不变性来估计凝视点的方法会产生四个虚拟点的误差，从而最终产生较大的凝视点误差的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于动态交比的凝视点估计方法，它包括以下子步骤：

S1：建立动态交比模型，推导线交比和弧交比的关系；

S2：根据相机采集到的图像中光斑点间的距离，对线交比和弧交比的交比比例关系进行拟合；

S3：对凝视点估计计算：根据步骤S2中拟合得到的线交比和弧交比的关系式，实时计算交比值并计算凝视点。

所述的推导线交比和弧交比的关系包括以下子步骤：

S11：在四点共线的情况下得到线交比表达式CR_L，其中四点分别为A、B、C和D，发射点为P，包括以下子步骤：

S1101：在ΔAPC、ΔBPC、ΔAPD、ΔBPD中，根据三角形正弦定理我们可以得到下面四个关系式：

S1102：将步骤S1101中得到的四个公式相乘，得到四点共线的交比表达式CR_L：

S12：在四点共圆的情况下得到弧交比表达式CR_C，其中四点分别为A、B、C和D，发射点为P，圆心为O，包括以下步骤：

S1201：在ΔAPC、ΔBPC、ΔAPD、ΔBPD中，根据三角形正弦定理我们可以得到下面四个关系式：