專利名稱：一種自適應的視點平滑濾波數(shù)據(jù)處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種自適應的視點平滑濾波數(shù)據(jù)處理方法，尤其涉及一種平滑窗口長 度自適應于視點速度和視點狀態(tài)(是否在聚類內(nèi)部)的，采用高斯濾波的視點平滑濾波數(shù) 據(jù)處理方法。
背景技術：
隨著人機交互越來越深入的發(fā)展，推進各種不同模態(tài)的新型人機交互方式的發(fā)展 成為計算技術研究的熱點。眼動交互作為一種具有直接性、自然性和雙向性的交互技術具 有廣泛的應用前景。當前的眼動交互研究中，視點信號的提取技術已經(jīng)越來越成熟，利用攝像頭，生物 電等方式能夠較好的獲取用戶視點。但是視點信號的處理還存在一些問題，比如眼動噪聲 問題，由于眼動獲取設備的噪聲和眼睛本身存在的抖動、眨眼等干擾行為，使得眼動數(shù)據(jù)的 抖動較大，無法呈現(xiàn)較平滑的視點軌跡，給提取有意義的視點行為造成困難。另外，現(xiàn)有眼 動信號的平滑方法沒有很好的結合眼動本身的規(guī)律，如視點狀態(tài)和眼動的語義信息等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于減低設備噪聲和眼睛抖動對于視點平滑的影響，提供一種平滑 窗口長度自適應于視點速度和視點狀態(tài)(是否在聚類內(nèi)部)的，采用高斯濾波的視點平滑 濾波數(shù)據(jù)處理方法。一種基于時域約束的視點聚類的方法，其步驟如下(1)利用視點信號采集設備檢測頭戴該設備的用戶相對于電腦屏幕的二維視點坐 標原始數(shù)據(jù)。通過眼動儀等視點信號采集設備檢測用戶包含某種語義的眼睛運動，并記錄眼動 相對于屏幕的χ軸，y軸二維坐標。步驟(1)中的包含時間的數(shù)據(jù)gi采用下述方法標記gi = (xgi, ygi)(1)gi標記了第i個視點，xgi, ygi為gi點在電腦屏幕上的的χ軸坐標，y軸坐標。 xgi, ygi的下標gi表示該數(shù)據(jù)所屬的視點。(2)初始化在線視點聚類中心坐標，檢測新加入的視點和聚類中心的距離是否小 于聚類閾值D，D值以使得當前的視點和聚類中心的距離范圍在用戶的1度視角范圍內(nèi)來確 定。初始化在線視點聚類中心坐標cl為首個視點坐標gl，判斷新加入的視點gk與聚類中 心cl之間的距離是否小于聚類閾值D。步驟(2)中的距離采用下述方法標記
！-，SC1, gK) = (Kc: — Xgk)2 + Cjcl — Vgk)2(2)ξ (Cl，gk)為cl和gk兩點間的距離，xcl, ycl為cl點坐標，xgk, ygk為gk點的坐標。(3)更新聚類中心和平滑窗口長度。(a)若步驟(2)中，當前的視點和聚類中心的距離小于聚類閾值D，則按照加權均 值更新聚類中心，并按照聚類內(nèi)部采樣點的個數(shù)更新平滑窗口長度。步驟(3) (a)中聚類中心的更新方法如下 cl為聚類中心，so為聚類起始點下標，k為當前點下標，點的χ坐標，ygi Sgi點的y坐標。步驟(3) (a)中的平滑窗口長度更新方法如下
(4)N為平滑窗口長度，最大窗口長度smoothMax為在保證響應的條件下的最大的平 滑窗口長度，fixSample為當前平滑窗口長度內(nèi)的樣本個數(shù)。(b)若步驟(2)中，當前的視點和聚類中心的時空距離大于聚類閾值D，則開啟新 的聚類中心，并按照當前采樣點速度更新平滑窗口長度；步驟(3) (b)中開啟新的聚類中心的方法為
(5)cl為聚類中心，xgk, ygk為當前視點gk的χ軸與y軸坐標。步驟(3) (b)中更新平滑窗口長度的方法為
Vgn2N = max (smoothMax*e 2一，smoothMin)(6)smoothMax為自定義的最大窗口長度，是在響應延時允許的情況下的最大平滑窗 口長度常量。gn為當前視點，vgn為gn點的速度，ε為自定義的比例系數(shù)，調(diào)整窗口隨速 度變化而變化的速率，ε越大，窗口隨速度變化而變化的速率越小，smoothMin為自定義的 最小窗口長度，在有足夠平滑去抖動效果的基礎上的最小常量。按照采樣頻率，實驗中vgn 為每1/60秒視點移動的距離，按照平滑的精度，smoothMax的取值范圍一般為15-20之間的 整數(shù)。smoothMin—般取5-10之間的整數(shù)，ε的取值使得vgn為2. 5度每1/60秒時(約
Vgn2
為 150 度每秒)，sm()athMax、_^為 smoothMaX*(0. 5)，ε 取 2。(4)按照當前平滑窗口長度，通過高斯濾波方法計算，輸出平滑后的視點，計算平 滑后視點的方法為
N-I (gn+1-N+i-gn)2
Σ2σ2
egn+1-N+i
s — i=0_
_1]^M」(gn-N+1-gn)^ ^
Ze 2°2
i=o(7) δ 為平滑后視點，N為平滑濾波窗口長度，gn為當前視點，gn+l_N為當前窗口 N 中第一個視點，gn+1-N-i為當前窗口長度N內(nèi)第i+Ι個視點。σ為高斯濾波參數(shù)，σ越大，高斯濾波器的平滑程度就越好。σ的范圍為1-10之間。本發(fā)明的積極效果在于減低設備噪聲和視點抖動對于視點平滑的限制和影響，從 而提高用戶眼動過程中的視點平滑效果。本發(fā)明方法通過自適應的視點平滑濾波數(shù)據(jù)處理 方法根據(jù)眼動狀態(tài)的檢測來輔助平滑操作，針對眼動的運動模式有針對性的予以的平滑處 理，有較好的效果。


圖1是本發(fā)明的流程示意圖；圖2是對尖銳噪點的平滑處理實驗圖；圖3是對速度變化視點的平滑處理實驗圖。
具體實施例方式本發(fā)明的步驟如圖1所示，(1)利用美國ASL實驗室⑧單目標準Η6眼動儀，檢測并記錄用戶的眼動用戶頭戴可檢測視點坐標的ASL眼動儀，其原理為瞳孔_角膜反射向量法。光學 系統(tǒng)安裝在ASL可調(diào)節(jié)的頭盔上，探測結果以指針或交叉瞄準線的形式在場景攝像頭的圖 像上分層顯示。同時系統(tǒng)以專用的文件格式記錄測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)通過Η6型控制單元的 RS232串口輸出。主要技術參數(shù)如下采樣率50/60ΗΖ(無分辨率損失)，精確度0.5度視角 范圍，分辨率0. 1度視角，眼動捕捉范圍水平45度，垂直35度。通過眼動儀檢測用戶包含某種語義的眼睛運動，并記錄眼動相對于屏幕的χ軸，y 軸二維坐標。眼動坐標gi采用下述方法標記 其中眼動坐標的范圍不超過屏幕范圍。(2)初始化在線視點聚類中心坐標，檢測新加入的視點和聚類中心的距離是否小 于聚類閾值D，D值以使得當前的視點和聚類中心的距離范圍在用戶的1度視角范圍內(nèi)來確 定初始化在線視點聚類中心坐標Cl為首個視點坐標gl，判斷新加入的視點gk與聚 類中心cl之間的距離是否小于聚類閾值D，D值以使得當前的視點和聚類中心的距離范圍 在用戶的1度視角范圍內(nèi)來確定。步驟(2)中的距離采用下述方法標記 (3)更新聚類中心和平滑窗口長度。(a)若步驟(2)中，當前的視點和聚類中心的距離小于聚類閾值D，則按照加權均 值更新聚類中心，并按照聚類內(nèi)部采樣點的個數(shù)更新平滑窗口長度。步驟(3) (a)中聚類中心的更新方法如下
步驟(3) (a)中的平滑窗口長度更新方法如下N = min(smoothMax, fixSample)(4)N為平滑窗口長度，smoothMax為在保證響應的條件下的最大窗口長度， fixSample為當前平滑窗口長度內(nèi)的樣本個數(shù)。實驗中smoothMax取20。(b)若步驟(2)中，當前的視點和聚類中心的時空距離大于聚類閾值D，則開啟新 的聚類中心，并按照當前采樣點速度更新平滑窗口長度；步驟(3) (b)中開啟新的聚類中心的方法為cl = {xgk, ygk}(5)步驟(3) (b)中更新平滑窗口長度的方法為
Vgn2
(6)smoothMax為自定義的最大窗口長度，gn為當前視點，vgn為gn點的速度，ε調(diào) 整窗口隨速度變化而變化的速率，smoothMin為自定義的最小窗口長度。實驗中vgn為每 1/60秒視點移動的距離，smoothMin取5，ε取2。(4)按照當前平滑窗口長度，通過高斯濾波方法計算，輸出平滑后的視點，計算平 滑后視點的方法為

δ 為平滑后視點，N為平滑濾波窗口長度，gn為當前視點，gn+1-N為當前窗口 N 中第一個視點，gn+1-N-i為當前窗口長度N內(nèi)第i+Ι個視點。σ為高斯濾波參數(shù)，σ越大， 高斯濾波器的頻帶就越寬，平滑程度就越好。實驗中σ取5。本發(fā)明的實驗結果如圖2，3所示，在圖2中，我們可以看到，由于自適應的視點平 滑濾波數(shù)據(jù)處理方法對聚類內(nèi)部的尖銳噪點使用最大窗口進行平滑，有效的減少了干擾和 抖動，在尖銳點時的平滑效果明顯；在圖3中，當出現(xiàn)眼動速度發(fā)生快速變化時，自適應的 視點平滑濾波數(shù)據(jù)處理方法對于聚類之間的快速眼動點減小了窗口長度，較好的保留了眼 動信息?？偟膩碚f，自適應的視點平滑濾波數(shù)據(jù)處理方法根據(jù)眼動狀態(tài)的檢測來輔助平滑 操作，針對眼動的運動模式有針對性的予以的平滑處理，有較好的效果。
權利要求
一種自適應的視點平滑濾波數(shù)據(jù)處理方法，其步驟如下(1)利用視點信號采集設備檢測頭戴視點信號采集設備的用戶相對于電腦屏幕的二維視點坐標原始數(shù)據(jù)；(2)初始化在線視點聚類中心坐標為首個視點坐標，對每個新的視點，檢測當前的視點和聚類中心的距離是否小于聚類閾值D，D值以使得當前的視點和聚類中心的距離范圍在用戶的1度視角范圍內(nèi)來確定；(3)更新聚類中心和平滑窗口長度(3.1)已知用戶距離屏幕的距離，若步驟(2)中，當前的視點和聚類中心的距離范圍小于聚類閾值D，按照加權均值更新聚類中心，并按照聚類內(nèi)部采樣點的個數(shù)更新平滑窗口長度；(3.2)若步驟(2)中，當前的視點和聚類中心的距離大于聚類度量的標準，則開啟新的聚類中心，并按照當前采樣點速度更新平滑窗口長度；(4)按照當前平滑窗口長度，通過自適應的高斯濾波方法計算，輸出平滑后的視點，若有新的視點數(shù)據(jù)，重復循環(huán)步驟(2) (4)。
2.根據(jù)權利要求1所述的自適應的視點平滑濾波數(shù)據(jù)處理方法，其特征是步驟(2) 中的視點平滑濾波之前先通過基于分散域的聚類算法判斷視點與之前的視點是否在同一 個聚類中。
3.根據(jù)權利要求1所述的自適應的視點平滑濾波數(shù)據(jù)處理方法，其特征是(1)所述的步驟(3.1)中若當前的視點和聚類中心的距離小于聚類閾值D，平滑窗口 長度N取聚類內(nèi)部采樣點的個數(shù)fixSample與最大窗口長度smoothMax兩者的較小值， smoothMax是自定義的，在響應允許的情況下的最大平滑窗口長度常量；(2)所述的步驟(3.2)中若當前的視點和聚類中心的距離大于聚類閾值D，平滑窗口長 度N是一個速度自適應的，與當前速度負相關的函數(shù)的函數(shù)值與最小窗口長度smoothMin 兩者的較大值，smoothMin是自定義的，保證防抖動效果的最小平滑窗口長度常量，公式為Vgn2N = max (smoothMax*e 2ε' ,smoothMin)(1)N為平滑窗口長度，smoothMax為最大窗口長度，gn為當前視點，vgn為gn點當前的速 度，ε為自定義的比例系數(shù)，調(diào)整窗口隨速度變化而變化的速率，smoothMin為最小窗口長度。
4.根據(jù)權利要求1所述的自適應的視點平滑濾波數(shù)據(jù)處理方法，其特征是步驟(4) 中，計算平滑后的視點的方法為，取當前平滑窗口長度內(nèi)的視點，通過高斯濾波算法取加權 均值，權重值與該視點在窗口內(nèi)的位置有關，離當前點越近的視點權重越大。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于時域約束的視點聚類的方法，其步驟如下(1)利用視點信號采集設備檢測并記錄用戶眼睛運動的在線視點二維數(shù)據(jù)；(2)檢測當前視點和聚類中心的距離是否小于聚類閾值；(3)根據(jù)視點速度和是否小于聚類閾值更新平滑窗口長度；(4)根據(jù)平滑窗口長度進行自適應的高斯濾波，求出平滑后的視點。本發(fā)明方法減低設備噪聲和視點抖動對于視點平滑的限制和影響，從而提高用戶眼動過程中的視點平滑效果。
文檔編號G06F3/01GK101916338SQ20101027634
公開日2010年12月15日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權日2010年9月8日
發(fā)明者李姍, 李石堅, 潘綱 申請人:浙江大學