一种单相机单光源视线追踪系统眼球参数标定方法技术方案

本发明专利技术提供一种单相机单光源视线追踪系统眼球参数标定方法，适用于简化的人眼参数标定系统，能够提高眼球参数标定结果的精度。所述方法包括：确定光源和两个屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置；在标定位置处，系统相机捕捉当前的人脸图像，提取虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标；在所述标定位置处所述系统相机坐标系下，根据确定的光源和屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置和提取的虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标，初步标定人眼的虹膜半径；根据初步标定的人眼的虹膜半径，初步标定人眼的角膜曲率半径；根据眼球的几何模型，对初步标定的人眼的虹膜半径和角膜曲率半径进行迭代优化。本发明专利技术涉及视觉测量技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种单相机单光源视线追踪系统眼球参数标定方法
本专利技术涉及视觉测量
，特别是指一种单相机单光源视线追踪系统眼球参数标定方法。
技术介绍
视线追踪的研究起源于有关眼睛运动规律的研究，最早可以追溯到古希腊时期，而真正采用仪器设备对眼睛运动规律进行实验和观察是从中世纪时期开始的。早期心理学家是用肉眼或借助简单的仪器来观察眼动情况，如：观察法、机械记录法、胶片记录法等，后来逐渐探索出了电流记录法、电磁线圈法、反光记录法、双普尔钦象法、角膜反射法等多种眼动分析方法。随着眼动技术研究的不断深入和发展，其应用的领域也越来越广泛。人们不再是单纯的分析眼球的运动，而是将它用于视线的分析与跟踪。视线追踪技术融合了众多学科领域的专业知识，包括图像识别、图像处理、计算机视觉、生物结构学、解剖学以及光学等等，是一门多学科交叉性的研究课题。目前视线追踪技术已广泛应用于人机交互、虚拟现实、车辆辅助驾驶、人因分析和心理研究等多个领域，有很好的应用前景。在视线追踪的发展过程中，提出了很多基于不同硬件配置系统的视线估计方法，例如，单相机多光源系统、多相机系统。在单相机多光源系统中，可以利用多个光源的反射，建立多个非线性方程，标定出角膜曲率半径等人眼不变参数，但求解过程复杂，运行速度慢，且得到的结果是数值解，因此大部分单相机多光源系统仍采用预先设定人眼参数这一方法。在多相机系统中，人眼的角膜曲率中心、瞳孔中心等三维空间点，甚至眼球光轴，可以根据多相机立体视觉的基本原理直接计算获得，可以使用户标定过程大大简化。但多相机系统的硬件配置相对复杂，成本较高，且系统标定过程复杂。例如，文献E.D.GuestrinandM.Eizenman,“Remotepoint-of-gazeestimationwithfreeheadmovementsrequiringasingle-pointcalibration提出了一种能实现单点标定且头部可以自由运动的视线估计方法，需要配置三个相机和多个光源。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种单相机单光源视线追踪系统眼球参数标定方法，以解决现有技术所存在的标定人眼参数方法所需的硬件系统复杂、成本较高、标定过程复杂的问题。为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种单相机单光源视线追踪系统眼球参数标定方法，包括：确定光源和两个屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置；在标定位置处，即用户盯视所述两个屏幕标定点时，系统相机捕捉当前的人脸图像，并对捕捉到的人脸图像进行处理，提取虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标；在所述标定位置处所述系统相机坐标系下，根据确定的光源和屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置和提取的虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标，初步标定人眼的虹膜半径；根据初步标定的人眼的虹膜半径，初步标定人眼的角膜曲率半径；根据眼球的几何模型，对初步标定的人眼的虹膜半径和角膜曲率半径进行迭代优化，直至符合预设的迭代终止条件。进一步地，所述对捕捉到的人脸图像进行处理，提取虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标包括：对捕捉到的人脸图像进行处理，识别出人眼区域；通过Hough变换分别得到人眼图像和普尔钦斑图像；对人眼图像进行插值、边缘检测、Hough变换后拟合出虹膜椭圆，得到用户盯视所述两个屏幕标定点时图像上虹膜成像椭圆特征参数；对普尔钦斑图像进行插值处理后，利用质心法求取用户盯视所述两个屏幕标定点时的普尔钦斑中心坐标。进一步地，所述虹膜成像椭圆特征参数包括：椭圆长轴、短轴、中心和倾角。进一步地，所述在所述标定位置处所述系统相机坐标系下，根据确定的光源和屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置和提取的虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标，初步标定人眼的虹膜半径包括：根据确定的虹膜成像椭圆特征参数，建立虹膜椭圆方程；将虹膜作为一个空间圆目标，在所述标定位置处所述系统相机坐标系下，根据建立的虹膜椭圆方程，确定对应的空间中三维的虹膜中心及虹膜法向量的表达式；根据虹膜中心及其法向量的表达式，重建人眼的光轴，得到光轴的表达式；根据确定的光源在系统相机坐标系下的位置、提取的普尔钦斑中心坐标及得到的光轴的表达式，确定角膜曲率中心；将人眼的光轴单位方向向量用虹膜法向量表示，人眼的视轴单位方向向量用屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置与确定的角膜曲率中心坐标表示，确定人眼的光轴与视轴之间的夹角Kappa角；根据用户盯视所述两个屏幕标定点时Kappa角不变的性质，初步标定人眼的虹膜半径。进一步地，建立的虹膜椭圆方程表示为：au2+bv2+cuv+du+ev+f＝0其中，a、b、c、d、e、f都表示系数，amajor表示椭圆长轴，aminor表示椭圆短轴，(xe,ye)表示椭圆中心，κ表示椭圆倾角，(u，v)表示虹膜椭圆的坐标。进一步地，所述根据确定的光源在系统相机坐标系下的位置、提取的普尔钦斑中心坐标及得到的光轴的表达式，确定角膜曲率中心包括：利用角膜曲率中心、系统相机光心、确定的光源和普尔钦斑在同一个反射平面内，且光轴经过角膜曲率中心，根据光轴与反射平面相交，确定角膜曲率中心。进一步地，角膜曲率中心表示为：其中，C表示角膜曲率中心，L＝(l1,l2,l3)表示光源在系统相机坐标系下的位置，g＝(g1,g2,g3)表示普尔钦斑中心坐标，D＝(d1d2d3)T表示虹膜法向量，I＝r*(i1i2i3)T表示虹膜中心，r为待标定的人眼的虹膜半径，T表示矩阵转置。进一步地，用户盯视所述两个屏幕标定点时Kappa角不变的性质表示为：其中，S1、S2分别为第一屏幕标定点、第二屏幕标定点，D1、D2分别表示用户盯视第一屏幕标定点、第二屏幕标定点时的虹膜法向量，C1、C2分别表示用户盯视第一屏幕标定点、第二屏幕标定点时的角膜曲率中心坐标。进一步地，所述根据初步标定的人眼的虹膜半径，初步标定人眼的角膜曲率半径包括：光源L在角膜外表面产生反射，形成反射点G，其法线的延长线交光源L与系统相机光心O的连线于点M，其中，∠LGM＝∠MGO＝α，∠LOG＝ο；通过第一公式和第二公式初步标定人眼的角膜曲率半径；其中，所述第一公式表示为：其中，R为待标定的角膜曲率半径；l为光源L与系统相机光心O之间的距离；CV是过角膜曲率中心C到屏幕的垂线，与屏幕相交于点V，CV与虹膜法向量D之间的夹角表示为γ；OG与屏幕法向量之间的夹角为θ；所述第二公式表示为：其中，g表示普尔钦斑中心坐标，i'g表示点i'与点g的连线，i'为I,的成像点，I,是过反射点G作的与系统相机成像面平行的直线与人眼光轴的交点，f0表示系统相机的焦距，MN表示眼睛光轴与屏幕的相交点N与点M的连线。进一步地，所述根据眼球的几何模型，对初步标定的人眼的虹膜半径和角膜曲率半径进行迭代优化，直至符合预设的迭代终止条件包括：根据眼球的几何模型，得到包含虹膜半径r、角膜曲率半径R的非线性方程组：其中，C表示角膜曲率中心，CI表示角膜曲率中心C与虹膜中心I的连线；对非线性方程组F(x)采用牛顿迭代法进行求解，将初步标定的虹膜半径r和角膜曲率半径R作为初始值代入迭代，直至相邻两次迭代得到的虹膜半径和角膜曲率半径均小于设定的精度误差时，当前的虹膜半径为最优的虹膜半径、当前的角膜曲率半径为最优的角膜曲率半径。本专利技术的上述技本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单相机单光源视线追踪系统眼球参数标定方法，其特征在于，包括：确定光源和两个屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置；在标定位置处，即用户盯视所述两个屏幕标定点时，系统相机捕捉当前的人脸图像，并对捕捉到的人脸图像进行处理，提取虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标；在所述标定位置处所述系统相机坐标系下，根据确定的光源和屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置和提取的虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标，初步标定人眼的虹膜半径；根据初步标定的人眼的虹膜半径，初步标定人眼的角膜曲率半径；根据眼球的几何模型，对初步标定的人眼的虹膜半径和角膜曲率半径进行迭代优化，直至符合预设的迭代终止条件。

【技术特征摘要】
1.一种单相机单光源视线追踪系统眼球参数标定方法，其特征在于，包括：确定光源和两个屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置；在标定位置处，即用户盯视所述两个屏幕标定点时，系统相机捕捉当前的人脸图像，并对捕捉到的人脸图像进行处理，提取虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标；在所述标定位置处所述系统相机坐标系下，根据确定的光源和屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置和提取的虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标，初步标定人眼的虹膜半径；根据初步标定的人眼的虹膜半径，初步标定人眼的角膜曲率半径；根据眼球的几何模型，对初步标定的人眼的虹膜半径和角膜曲率半径进行迭代优化，直至符合预设的迭代终止条件。2.根据权利要求1所述的单相机单光源视线追踪系统眼球参数标定方法，其特征在于，所述对捕捉到的人脸图像进行处理，提取虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标包括：对捕捉到的人脸图像进行处理，识别出人眼区域；通过Hough变换分别得到人眼图像和普尔钦斑图像；对人眼图像进行插值、边缘检测、Hough变换后拟合出虹膜椭圆，得到用户盯视所述两个屏幕标定点时图像上虹膜成像椭圆特征参数；对普尔钦斑图像进行插值处理后，利用质心法求取用户盯视所述两个屏幕标定点时的普尔钦斑中心坐标。3.根据权利要求1所述的单相机单光源视线追踪系统眼球参数标定方法，其特征在于，所述虹膜成像椭圆特征参数包括：椭圆长轴、短轴、中心和倾角。4.根据权利要求1所述的单相机单光源视线追踪系统眼球参数标定方法，其特征在于，所述在所述标定位置处所述系统相机坐标系下，根据确定的光源和屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置和提取的虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标，初步标定人眼的虹膜半径包括：根据确定的虹膜成像椭圆特征参数，建立虹膜椭圆方程；将虹膜作为一个空间圆目标，在所述标定位置处所述系统相机坐标系下，根据建立的虹膜椭圆方程，确定对应的空间中三维的虹膜中心及虹膜法向量的表达式；根据虹膜中心及其法向量的表达式，重建人眼的光轴，得到光轴的表达式；根据确定的光源在系统相机坐标系下的位置、提取的普尔钦斑中心坐标及得到的光轴的表达式，确定角膜曲率中心；将人眼的光轴单位方向向量用虹膜法向量表示，人眼的视轴单位方向向量用屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置与确定的角膜曲率中心坐标表示，确定人眼的光轴与视轴之间的夹角Kappa角；根据用户盯视所述两个屏幕标定点时Kappa角不变的性质，初步标定人眼的虹膜半径。5.根据权利要求4所述的单相机单光源视线追踪系统眼球参数标定方法，其特征在于，建立的虹膜椭圆方程表示为：au2+bv2+cuv+du+ev+f＝0其中，a、b、c、d、e、f都表示系数，amajor表示椭圆长轴，aminor表示椭圆短轴，(xe,ye)表示椭圆中心，κ表示椭圆倾角，(u，v)表示虹膜椭圆的坐标。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：迟健男，刘佳惠，张国胜，
申请(专利权)人：北京科技大学，交通运输部公路科学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11