一种基于双眼策略的虹膜半径标定方法技术

本发明专利技术提供一种基于双眼策略的虹膜半径标定方法，适用于简化的人眼参数标定系统，能够提高人眼虹膜半径标定结果的精度。所述方法包括：确定光源和1个屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置；在标定位置处，即用户盯视所述屏幕标定点时，系统相机捕捉当前的人脸图像，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；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，基于双眼策略初步标定人眼的虹膜半径；根据虹膜半径的理论值范围对初步标定的人眼的虹膜半径进行检索优化，直至输出满足预设条件的虹膜半径值作为虹膜半径的标定结果。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】
一种基于双眼策略的虹膜半径标定方法
本专利技术涉及视觉测量
，特别是指一种基于双眼策略的虹膜半径标定方法。
技术介绍
视线追踪在人机交互(助老助残)、虚拟现实、车辆辅助驾驶、人因分析和心理研究等领域有着广泛的应用。视线追踪在国外有着较长的研究历史，起源于眼动检测技术。无论是穿戴式或遥测式都有实用产品，在很多领域有着广泛的应用。国内视线追踪开展较晚，开展的规模也较小，无论实用产品的研发还是关键技术的研究都与国外有较大的差距。在视线追踪的发展过程中，针对不同硬件配置下的视线追踪系统研究较多，其中主要分为单相机系统和多相机系统。利用单相机系统和多相机系统实现二维或三维的视线估计。在二维视线估计方法中，一般采用单相机系统(单相机单光源)确定一个建立视线落点与人眼特征之间的关系的二阶映射模型，这种方法对头部运动非常敏感，且由于要标定映射模型中的每个系数，所需的标定点较多，例如，9个，标定过程复杂。利用多相机系统可以补偿自由头动的影响，但标定过程仍需要多个标定点来完成。三维视线估计方法广泛应用于不同硬件配置的视线追踪系统。在单相机单光源系统中，由于单个相机无法直接感知三维信息，在计算空间中角膜曲率中心或瞳孔中心来重建眼睛光轴时，需要根据先验知识预先设定其中的一些人眼不变参数，如：角膜曲率半径、角膜曲率中心与瞳孔中心之间的距离、人眼到屏幕的垂直距离等，借助这些人眼参数来计算三维信息，用于视线追踪。但人眼存在个体差异，如果采用某一固定值，会在系统输入时引入一定量的误差，影响系统的精度。并且通过设定一些空间信息来重建三维信息，从根本上来说不属于真正的三维视线估计。基于单相机多光源系统的三维视线估计方法可以利用多个光源的反射，建立多个非线性方程，标定出人眼不变参数(例如，虹膜半径)，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途径。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。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于双眼策略的虹膜半径标定方法，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基于双眼策略的虹膜半径标定方法，包括：确定光源和1个屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置；在标定位置处，即用户盯视所述屏幕标定点时，系统相机捕捉当前的人脸图像，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，基于双眼策略初步标定人眼的虹膜半径；根据虹膜半径的理论值范围对初步标定的人眼的虹膜半径进行检索优化，直至输出满足预设条件的虹膜半径值作为虹膜半径的标定结果。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，提取人眼图像和普尔钦斑图像；对人眼图像进行处理拟合出虹膜椭圆，得到虹膜成像椭圆特征参数；根据提取的普尔钦斑图像，确定普尔钦斑中心坐标。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，基于双眼策略初步标定人眼的虹膜半径包括：根据提取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坐标及虹膜法向量的表达式；根据虹膜中心及虹膜法向量的表达式，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；根据用户左右眼的Kappa角相等的特性，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，θ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，所述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，所述用户左右眼的Kappa角相等的特性表示为：其中，D1,D2分别为左右眼的光轴方向向量，S为屏幕标定点坐标，C1,C2分别为左右眼的角膜曲率中心坐标。进一步地，所述根据虹膜半径的理论值范围对初步标定的人眼的虹膜半径进行检索优化，直至输出满足预设条件的虹膜半径值作为虹膜半径的标定结果包括：根据虹膜半径的理论值范围，确定用于遍历的虹膜半径值；将确定的用于遍历的虹膜半径值带入含有虹膜半径的虹膜中心表达式和角膜曲率中心表达式中，计算出左右眼相应的虹膜中心、角膜曲率中心，并计算左右眼的Kappa角大小；判断当前遍历的虹膜半径值是否使得左右眼的Kappa角之差小于预先设定的精度误差；若是，则结束检索，输出当前遍历的虹膜半径值作为虹膜半径的标定结果。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：上述方案中，确定光源和1个屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置；在标定位置处，即用户盯视所述屏幕标定点时，系统相机捕捉当前的人脸图像，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，基于双眼策略初步标定人眼的虹膜半径；根据虹膜半径的理论值范围对初步标定的人眼的虹膜半径进行检索优化，直至输出满足预设条件的虹膜半径值作为虹膜半径的标定结果。所述基于双眼策略的虹膜半径标定方法适用于简化的硬件系统，例如：单相机单光源系统，突破已有的标定人眼虹膜半径方法所需的硬件系统配置，且在标定过程所需的标定点(即：屏幕标定点)只有一个，简化了单相机系统的用户标定过程；人眼虹膜半径通过用户标定过程确定，能够将人眼个体差异考虑在内，具有普适性；虹膜半径的计算采用了优化方法，能够提高人眼虹膜半径标定结果的精度。附图说明图1为本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双眼策略的虹膜半径标定方法，其特征在于，包括：确定光源和1个屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置；在标定位置处，即用户盯视所述屏幕标定点时，系统相机捕捉当前的人脸图像，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，基于双眼策略初步标定人眼的虹膜半径；根据虹膜半径的理论值范围对初步标定的人眼的虹膜半径进行检索优化，直至输出满足预设条件的虹膜半径值作为虹膜半径的标定结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于双眼策略的虹膜半径标定方法，其特征在于，包括：确定光源和1个屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置；在标定位置处，即用户盯视所述屏幕标定点时，系统相机捕捉当前的人脸图像，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，基于双眼策略初步标定人眼的虹膜半径；根据虹膜半径的理论值范围对初步标定的人眼的虹膜半径进行检索优化，直至输出满足预设条件的虹膜半径值作为虹膜半径的标定结果。2.根据权利要求1所述的基于双眼策略的虹膜半径标定方法，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，提取人眼图像和普尔钦斑图像；对人眼图像进行处理拟合出虹膜椭圆，得到虹膜成像椭圆特征参数；根据提取的普尔钦斑图像，确定普尔钦斑中心坐标。3.根据权利要求2所述的基于双眼策略的虹膜半径标定方法，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所述的基于双眼策略的虹膜半径标定方法，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，基于双眼策略初步标定人眼的虹膜半径包括：根据提取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坐标及虹膜法向量的表达式；根据虹膜中心及虹膜法向量的表达式，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；根据用户左右眼的...

【专利技术属性】
技术研发人员：迟健男，刘佳惠，刘贺，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11