[发明专利]一种基于集成化微小型头戴式系统的视线估计方法

说明书

本发明公开了一种基于集成化微小型头戴式系统的视线估计方法，相较于台式视线估计装置和2个摄像头多个光源的双目视觉视线估计装置，本发明以1个微距红外摄像头、2个近红外光源即可实现视线估计，实现集成化微小型设计，大幅降低设备功耗和对数据处理模块性能要求，减小装置对使用者负担。相较于多点标定训练，单点单次标定仅需对1个标定点进行1次注视，且使用过程中无训练拟合过程，大幅缩短了标定时间，提高了使用效率，减少了标定过程对使用者干扰，且可在使用过程中进行标定，保持视线估计精度。本发明可适用于单眼、双眼视线估计；使用单眼视线估计时，对不进行视线估计的眼睛无干扰，使用者可观察获取环境信息，双手可同时执行其它任务。

技术领域

本发明属于穿戴式智能设备技术领域，具体涉及一种基于集成化微小型头戴式系统的视线估计方法。

背景技术

视线估计技术利用测量设备记录人眼运动，从而实现对人眼视线的实时估计。通过人眼视线实现人机交互，具有较高的实时性和准确性，可作为复杂工作环境下的操控手段，减小使用者手动操控负担。本发明可用于用于军事领域，例如控制武器云台瞄准射击；科考领域，例如控制机械臂进行抓取、放置操作；医疗领域，例如进行心理学诊断；商业领域，例如人机交互优化、广告兴趣调查；以及助残等其它领域，具有十分广泛的应用。

目前，视线估计设备主要分为桌面式视线估计设备和头戴式视线估计设备。桌面式视线估计设备多应用于室内固定场景，无法在运动场景中应用；且对使用者头部位姿具有严格要求，对使用者限制较大。现有的头戴式视线估计设备原理主要包括两种：一种是检测瞳孔中心或瞳孔中心-角膜光斑向量作为输入量，通过多个标定点进行复杂繁琐的标定和训练，建立输入量与注视点之间映射关系；另一种是利用双目视觉原理，获取眼球表面局部区域内几点的三维信息进行视线估计。第一种方法标定和训练过程繁琐，耗时较长，对使用者干扰较大，难以实际应用。第二种方法一般利用双眼进行视线估计，通过双眼视线求解注视点；即使对一个眼睛进行视线估计，也需要2个相机和不少于4个光源进行视线估计。其中，为保证双目视觉精度，2个相机需相距一定距离、成一定角度排列；为保证准确提取光斑，多个光源需均匀分散排布。为满足上述要求，使用双目视觉原理的头戴式视线估计装置一般体积较大，难以实现集成化微小型，影响使用者佩戴使用；且图像处理、光斑检测任务工作量大，每进行1次视线估计需处理4张图像、不少于16个光斑，对数据处理设备性能有较高要求，导致数据处理设备功耗较高、体积重量较大；若对双眼进行视线估计，使用者无法观察获取场景信息，虽能解放双手操作，但双手难以从事其它工作。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于集成化微小型头戴式系统的视线估计方法，无需繁琐标定训练过程，单一标定点单次标定即可实现高精度的视线估计；本系统装置结构微型化、紧凑化、轻量化，减小对使用者干扰。

一种视线估计方法，包括如下步骤：

步骤1、人头部前方设置广角摄像头，用于获取场景图像，并在眼前方设置头戴显示器上显示该图像，向人眼提供场景图像；头戴式显示器上方和下方分别设置第一近红外光源和第二近红外光源，用于分别在人眼角膜上投射一个光斑；头戴式显示器下方设置微距红外摄像头，用于拍摄人眼及角膜上光斑的图像；建立如下空间直角坐标系：定义与头戴显示器表面垂直并指向两眼球中心点的方向为x轴方向，x轴与头戴显示器表面交点为原点O；与显示器表面平行，并沿两个近红外光源连线向上为z轴，y轴由x轴和z轴根据右手螺旋定则确定；

步骤2、获得光斑1与光斑2像素距离与成像平面与坐标原点O距离之间的映射函数；

步骤3、调整头戴式显示器位置，使眼睛正对头戴式显示器屏幕，即眼球中心大致在x轴上；利用步骤2获得的映射函数解得2个光斑所在平面与头戴式显示器屏幕距离l_p1；根据解剖学眼球模型取眼球半径为标准值r_p，则得光斑所在平面与眼球中心距离l_p2：