[发明专利]一种基于头部姿态实现非接触式人机交互的方法

说明书

本发明公开了一种基于头部姿态实现非接触式人机交互的方法，包括以下步骤：建立3D人脸模型，建立相机坐标系，实时采集用户的人脸图像视频数据流，通过特征点坐标确定单位自动定位面部特征点，输出当前帧的特征点坐标，根据特征点坐标确定单位的输出结果，头部姿态确定单元选取特征点与3D人脸模型中的点对应，计算相机坐标系下的俯仰角和偏航角；记录第一次的输出的偏航角和俯仰角为初始位置，使当前角度对应至显示器上的中心点，计算角度的差值乘一个系数对应到屏幕的像素点上；移动头部实现非接触式人机交互，本发明在图像质量不高的情况下也能完成非接触且连续的人机交互，无需佩戴相关设备，成本低且识别准确率高。

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，具体是指一种基于头部姿态实现非接触式人机交互的方法。

背景技术

现有的人机交互方案，基本都需要靠人与机器进行直接接触来完成，比如手直接触摸设备，通过键盘鼠标滑动点击等，随着人工智能技术的快速发展，人与机器直接接触的人机交互方案已不能满足所有的应用场景；此外还有视线追踪方案，存在距离过远时精度不高、成本过高的问题，对图像质量也有很高的要求；基于手势的方案很难做到连续地发出指令，需要多次做出对应手势才能达到目的。

公开号为CN104123002B的中国发明公开了一种基于头部运动的无线体感鼠标，包括运动采集模块，用于采集头部运动的信息，记录头部的运动信号，将头部移动信号传输给数据处理模块；数据处理模块，用于接收运动采集模块传输的头部移动的数据，并进行处理，得到控制电脑光标所需的数据；无线接收与发送模块，实现设备与电脑间数据的无线传输；电源模块，用于给运动采集模块、数据处理模块、无线接收与发送模块提供工作电源，然而该无线体感鼠标不能满足所有的应用场景，还是需要携带在头部，移动头部从而移动光标。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种无需携带设备就可实现人机互交的基于头部姿态实现非接触式人机交互的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于头部姿态实现非接触式人机交互的方法，包括以下步骤：

步骤一、建立3D人脸模型，确保3D人脸模型的特征点数量与特征点坐标确定单元的输出结果相匹配，并以此3D人脸模型建立头部坐标系；

步骤二、建立相机坐标系，实时采集用户的人脸图像视频数据流，对单帧图像建立图像坐标系；

步骤三、通过特征点坐标确定单位自动定位面部特征点，输出当前帧的特征点坐标，特征点坐标位于图像坐标系；

步骤四、根据特征点坐标确定单位的输出结果，头部姿态确定单元选取特征点与3D人脸模型中的点对应，计算相机坐标系下的俯仰角和偏航角；

步骤五、根据头部姿态确定单元输出的偏航角和俯仰角，利用角度-坐标转换单元记录第一次的输出的偏航角和俯仰角为初始位置，使当前角度对应至显示器上的中心点，计算角度的差值乘一个系数对应到屏幕的像素点上；

步骤六、移动头部实现非接触式人机交互。

进一步的，对步骤二中单帧图像进行裁剪、旋转缩放至符合特征点坐标确定电源的输入要求。

进一步的，所述特征点包括左右眼内眼角、鼻梁、鼻尖、下巴点。

进一步的，所述俯仰角和航偏角的角度范围为-90~90度。

进一步的，所述俯仰角的绝对值大于25度或偏航角的绝对值大于40度时，不进行角度-坐标转换，所述转换的公式为：

其中，x， y为图像坐标系下特征点的坐标，U， V，W为头部坐标系的特征点坐标，R为旋转矩阵，T为平移向量，f_x， f_y， c_x，c_y为相机畸变参数。

进一步的，所述图像坐标系下特征点的坐标的计算公式为：