一種基于角膜反射的非接觸式視線追蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于角膜反射的非接觸式視線追蹤方法，步驟1：人眼定位；步驟2：計(jì)算光斑坐標(biāo)；步驟3：瞳孔精確定位；步驟4：空間映射：根據(jù)計(jì)算出的屏幕上四個(gè)光斑和瞳孔中心坐標(biāo)，利用射影幾何中的交比不變?cè)磉M(jìn)行空間坐標(biāo)的映射。本發(fā)明提出的技術(shù)方案不需要配戴其它設(shè)備，大大降低了對(duì)使用者的限制；提出一種新的瞳孔邊緣擬合方案，循環(huán)擬合剔除假點(diǎn)，最終得到精確的瞳孔中心，提高了映射的精度。本發(fā)明與現(xiàn)有的相關(guān)研究相比，在精度上有了較大的提升。
【專利說明】一種基于角膜反射的非接觸式視線追蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，主要涉及瞳孔檢測與識(shí)別，橢圓擬合，多光斑的檢測與提取，及三維空間幾何映射等。
【背景技術(shù)】
[0002]人們的信息絕大部分是通過眼睛來獲取的，正因?yàn)橥ㄟ^視覺獲取的信息對(duì)人們的生活有重要意義，視覺方面的研究顯得至關(guān)重要。隨著科技的飛速發(fā)展，視覺跟蹤日趨成為國內(nèi)外專家學(xué)者研究的焦點(diǎn)。由于起步較晚和技術(shù)支持的局限性，視覺跟蹤方面的研究仍處于萌芽狀態(tài)，目前仍沒有一種理想的方案能廣泛地應(yīng)用到日常生活中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有的基于CCD (Charge Coupled Device,電荷稱合器件)攝像機(jī)的視線跟蹤技術(shù)瞳孔提取不準(zhǔn)確，人眼注視坐標(biāo)定位不準(zhǔn)確，以及對(duì)姿勢限制過多等方面的不足，提出一種利用角膜反射原理，采用5組近紅外光源(4組位于屏幕4個(gè)角，另I組位于CXD攝像機(jī)靠近光軸處)作為系統(tǒng)光源的基于單CCD攝像機(jī)的非侵入式視線跟蹤技術(shù)。
[0004]本發(fā)明提供了一種基于角膜反射的非接觸式視線追蹤方法，
[0005]步驟1:人眼定位:
[0006]利用眼睛不同部位對(duì)紅外光的反射和折射率不同，瞳孔對(duì)紅外光的反射最弱，因而瞳孔在紅外光的照射下呈黑色，而其他部分都不是黑色的特點(diǎn)定位人的眼睛；
[0007]步驟2:計(jì)算光斑坐標(biāo):
[0008]步驟2.1:首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)閾值分割感興趣區(qū)域圖像，然后找出面積最大的五個(gè)光斑；
[0009]步驟2.2:利用質(zhì)心法計(jì)算出五個(gè)光斑的中心坐標(biāo)，同時(shí)利用光斑的相對(duì)位置進(jìn)行檢測，剔除假的光斑信息；圖像中光斑面積小、亮度大、受干擾影響較小，采用圓模型處理，提取光斑區(qū)域質(zhì)心位置；由前面得到的光斑閾值，在二值化圖中粗定光斑中心(Xc;，y。)和初始半徑r ;
【權(quán)利要求】
1.一種基于角膜反射的非接觸式視線追蹤方法，其特征在于: 步驟1:人眼定位: 利用眼睛不同部位對(duì)紅外光的反射和折射率不同，瞳孔對(duì)紅外光的反射最弱，因而瞳孔在紅外光的照射下呈黑色，而其他部分都不是黑色的特點(diǎn)定位人的眼睛； 步驟2:計(jì)算光斑坐標(biāo):步驟2.1:首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)閾值分割感興趣區(qū)域圖像，然后找出面積最大的五個(gè)光斑；步驟2.2:利用質(zhì)心法計(jì)算出五個(gè)光斑的中心坐標(biāo)，同時(shí)利用光斑的相對(duì)位置進(jìn)行檢測，剔除假的光斑信息；圖像中光斑面積小、亮度大、受干擾影響較小，采用圓模型處理，提取光斑區(qū)域質(zhì)心位置；由前面得到的光斑閾值，在二值化圖中粗定光斑中心(H)和初始半徑r ；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于角膜反射的非接觸式視線追蹤方法，其 特征在于:步驟I中，人眼定位具體方法如下: 首先將獲取到的彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖，然后利用直方圖分析出圖像中灰度值最低的子區(qū)域，以這個(gè)灰度值作為域值將圖像分割成二值化圖像，利用所有小于閾值的點(diǎn)(xi，yi)α=Ρ..Ν)，N是直方圖中灰度小于閾值的點(diǎn)的個(gè)數(shù)，在二值化圖像粗定位瞳孔中心位置(xpupii，ypupii)，如式(1)和式(2):
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于角膜反射的非接觸式視線追蹤方法，其特征在于:根據(jù)粗定的瞳孔中心，把以它為中心的60*60像素的矩形區(qū)域設(shè)置為感興趣區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于角膜反射的非接觸式視線追蹤方法，其特征在于:步驟2.1中經(jīng)驗(yàn)閾值取值為30-80。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于角膜反射的非接觸式視線追蹤方法，其特征在于:步驟2.2中，取2.5r對(duì)應(yīng)區(qū)域作為光斑區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于角膜反射的非接觸式視線追蹤方法，其特征在于:步驟3中，邊提取界點(diǎn)方法如下: 對(duì)邊界點(diǎn)提取中的所有候選點(diǎn)進(jìn)行多次的橢圓擬合，采用直接最小二乘法橢圓擬合法來進(jìn)行橢圓擬合，并剔除與橢圓輪廓較遠(yuǎn)的點(diǎn)，重復(fù)進(jìn)行，直到獲取的橢圓中心穩(wěn)定，這樣求出的橢圓中心就是最終用到的瞳孔中心；橢圓方程可以用一般的圓錐曲線方程表示如下:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于角膜反射的非接觸式視線追蹤方法，其特征在于:步驟4中，空間坐標(biāo)的映射具體如下: V1、V2、V3、V4是屏幕上四個(gè)光斑D1、D2、D3、D4投射到虛平面上的虛點(diǎn)，Uv1、Uv2、Uv3、Uv4是虛平面上的點(diǎn)投射到攝相機(jī)圖像平面的虛點(diǎn)，P點(diǎn)為瞳孔中心在虛平面上的點(diǎn)，Up為P投影到攝像機(jī)圖像平面的點(diǎn)； 假設(shè)攝像機(jī)上方光源在人眼角膜曲面上產(chǎn)生的光斑是A，屏幕上四個(gè)光源在人眼角膜曲面上的光斑是rpryiviv這五個(gè)光斑在(XD捕獲的圖像平面中對(duì)應(yīng)的實(shí)點(diǎn)是I0、I1、I2、13、14，它們和虛點(diǎn)UV1、UV2、Uv3、Uv4之間存在一個(gè)轉(zhuǎn)換關(guān)系，即:
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于角膜反射的非接觸式視線追蹤方法，其特征在于: 通過公式變換把g求出來,詳細(xì)方法如下: 用交比的方法對(duì)眼睛注視點(diǎn)進(jìn)行估算，假設(shè)E是UviUv3和Uv2Uv4的交點(diǎn)，先計(jì)算出UviUv2和Uv3Uv4延長線的交點(diǎn)N2,從N2出發(fā)過Up和E的直線交UviUv2于Ml和M2，假設(shè)g的坐標(biāo)為g(;.’ 少’)，
直線 UviUv2 上四點(diǎn) Uvi (xl，yl)、M1 (x2, y2)、M2(x3，y3)、UV2(x4，y4)四個(gè)點(diǎn)的交比 CRx 滿足下面等式:
【文檔編號(hào)】G06K9/00GK103530618SQ201310501357
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】王軒, 韓鍇, 于成龍, 張加佳, 趙海楠, 張自力, 李鑫鑫, 李曄, 漆舒漢, 張江濤, 關(guān)鍵, 劉博
申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院