用于视线焦点定位的可穿戴设备及视线焦点定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及视线追踪技术领域，尤其涉及用于视线焦点定位的可穿戴设备及视线焦点定位方法。
【背景技术】
[0002]人类通过眼睛获取大量信息，同时使用眼睛来表达情绪与想法。人们可以通过追踪视线焦点的方式，获取眼睛传递出的丰富信息；进而进行有效的人机交互，以及传播学、心理学等领域的研宄。视线追踪是利用各种检测手段，获取“注视点”的过程，并保证能在一段时间对其进行连续追踪的技术。该技术广泛应用于人机交互、虚拟现实等领域。
[0003]现有的视线追踪技术往往通过摄像机采集人脸或脸部图像，利用光学方法计算获得并追踪视线方向。根据系统搭建的不同，视线追踪设备可分为穿戴式和非穿戴式。穿戴设备通过摄像头采集眼部图像，首先确定相机坐标系中的视线方向；再通过增加外设等方法以确定世界坐标系中的视线方向。非穿戴式设备，则是通过多个外部摄像机采集照射眼部并获取眼部图像，直接得到测试者视线的空间坐标。非穿戴设备最大的缺点是:需要红外点光源准确照射眼部，因此不能随便移动头部位置；同时对摄像头精度要求高，也极易受到环境因素影响，不易推广。
[0004]根据光学方法的不同，视线追踪技术可分为2D视线追踪技术和3D视线追踪技术。2D追踪技术以瞳孔-角膜反射法为代表，利用瞳孔中心与角膜亮斑组成的向量表征视线方向。2D追踪技术已有不少类似设备，例如现有技术中已有一种基于人眼图像和视线追踪的操作指针指示控制设备，其能够佩戴于人体头部上且能够通过眼部动作对操作指针加以操作控制而实现人机交互，其在交互控制过程中，达到操作指针的指示位置与人眼视线所观察到的现实场景相叠加的人机交互效果。该设备采用了红外测距传感器对人眼所在位置进行测距，还通过其红外发射器实时地向人体眼睛所在位置发射出红外光，以此作为辅助的红外光源，并借助红外光在人眼角膜上反射而形成角膜反射光斑，相应地采用微型红外摄像头有效的拍摄人体眼睛所在位置的原始红外图像，用以进行人眼识别和视线追踪，避免了可见光环境阴暗等情况引起的干扰，并且角膜反射光斑可用于在后续的视线追踪识别过程中对角膜反射光斑中心所在位置加以定位，进而结合瞳孔中心所在位置，辅助实现对人眼的视线方向加以捕捉。该设备还通过分割人眼区域图像的方式，不管原始图像中人眼位置是否因为头部运动而发生位移变化，分割出的人眼区域图像的图像区域范围是相对固定的。
[0005]然而，此类2D视线追踪技术的缺点是利用的图像信息少，准确性和稳定性比较低。
[0006]3D追踪技术是通过双摄像头或多摄像头获得3D空间中各个参考点的坐标进行视线追踪。相比2D追踪技术准确率和稳定性都有提升，其主要问题在于可用的3D特征比较少，只能通过若干特征点获取眼球的大致的3D运动信息，而无法实现高精度的视线定位。
【发明内容】
[0007]本发明实施例提供一种用于视线焦点定位的可穿戴设备，用以实现高精度的视线焦点定位并忽略头部运动的影响，该设备包括:
[0008]眼镜支架，所述眼镜支架的左右眼镜框上分别安装有多个红外光源；所述多个红外光源分布于所述左右眼镜框上的不同位置，用于从不同角度照射虹膜；所述左右眼镜框上还分别安装有用于拍摄红外光源照射下的虹膜图像的摄像头；
[0009]所述眼镜支架上还安装有信号处理单元，所述信号处理单元包括:
[0010]同步控制模块，用于控制所述多个红外光源按设定顺序分别开启；以及，在红外光源开启的同时，同步触发开启的红外光源所在眼镜框上的摄像头拍摄红外光源照射下的虹膜图像；
[0011]图像处理模块，用于对虹膜图像进行处理，建立左右眼虹膜的3D模型；根据左右眼虹膜的3D模型，定位左右眼视线焦点。
[0012]一个实施例中，所述同步控制模块具体用于控制所述左右眼镜框上同时各有一个红外光源开启，以及，控制所述左右眼镜框上的摄像头同时拍摄开启的红外光源照射下的虹膜图像；
[0013]所述图像处理模块具体用于同时处理所述左右眼镜框上的摄像头拍摄的虹膜图像。
[0014]一个实施例中，所述图像处理模块具体用于:
[0015]结合虹膜图像对应红外光源的标定方向参数，基于光度学3D重建原理，对所述多个红外光源从不同角度照射的虹膜图像进行处理，建立左右眼虹膜的3D模型；
[0016]对左右眼虹膜的3D模型进行平面拟合，获得左右眼虹膜的3D平面；
[0017]将左右眼虹膜的3D平面的法向分别确定为左右眼视线方向；
[0018]根据左右眼视线方向，结合所述左右眼镜框上的摄像头的标定参数，确定世界坐标系下左右眼视线的焦点位置。
[0019]一个实施例中，所述摄像头配备红外滤光片。
[0020]一个实施例中，所述信号处理单元还包括:
[0021]通信模块，用于将定位的左右眼视线焦点位置发送至被操控设备；
[0022]和/或，用于供电的电源。
[0023]本发明实施例还提供一种视线焦点定位方法，用以实现高精度的视线焦点定位，该方法包括:
[0024]获得多个红外光源分别从不同角度照射左右眼的虹膜图像；
[0025]对获得的虹膜图像进行处理，建立左右眼虹膜的3D模型；
[0026]根据左右眼虹膜的3D模型，定位左右眼视线焦点。
[0027]一个实施例中，左右眼同时各有一个红外光源照射，同时获得左右眼被红外光源照射的虹膜图像；
[0028]同时处理获得的左右眼被红外光源照射的虹膜图像。
[0029]一个实施例中，对获得的虹膜图像进行处理，建立左右眼虹膜的3D模型，包括:
[0030]结合虹膜图像对应红外光源的标定方向参数，基于光度学3D重建原理，对多个红外光源分别从不同角度照射左右眼的虹膜图像进行处理，建立左右眼虹膜的3D模型；
[0031]根据左右眼虹膜的3D模型，定位左右眼视线焦点，包括:
[0032]对左右眼虹膜的3D模型进行平面拟合，获得左右眼虹膜的3D平面；
[0033]将左右眼虹膜的3D平面的法向分别确定为左右眼视线方向；
[0034]根据左右眼视线方向，确定世界坐标系下左右眼视线的焦点位置。
[0035]一个实施例中，根据左右眼视线方向，确定世界坐标系下左右眼视线的焦点位置，包括:
[0036]根据左右眼视线方向，结合拍摄左右眼虹膜图像的摄像头的标定参数，确定世界坐标系下左右眼视线的焦点位置。
[0037]一个实施例中，该方法还包括:
[0038]将定位的左右眼视线焦点位置发送至被操控设备。
[0039]本发明实施例的用于视线焦点定位的可穿戴设备及视线焦点定位方法，利用多个红外光源分别从不同角度照射左右眼，获得多个红外光源分别从不同角度照射左右眼的虹膜图像；对获得的虹膜图像进行处理，建立左右眼虹膜的3D模型；根据左右眼虹膜的3D模型，定位左右眼视线焦点；由于建立左右眼虹膜的3D模型所基于的虹膜图像是由多个红外光源分别从不同角度照射左右眼而获得的，因此相对于现有的3D追踪技术，可用的3D特征比较多，能够获取眼球的较为详细的3D运动信息，因而能够实现高精度的视线焦点定位。此外，本发明实施例的用于视线焦点定位的可穿戴设备还设计成眼镜的形状，从而实现穿戴式操作，可以忽略头部运动的影响。
【附图说明】
[0040]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中:
[0041]图1为本发明实施例中用于视线焦点定位的可穿戴设备的示意图；
[0042]图2为本发明实施例中用于视线焦点定位的可穿戴设备的详细工作原理图；
[0043]图3为本发明实施例中视线焦点定位方法的示意图。
【具体实施方式】
[0044]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0045]为了实现高精度的视线焦点定位，本发明实施例提供一种用于视线焦点定位的可穿戴设备及视线焦点定位方法，利用三维重建技术重建出眼球内虹膜的三维形状，通过对三维模型的分析得出两个眼球的视线方向，进而得到双目视线方向的交点，从而达到追踪视线焦点的目的；在实时获得眼球内虹膜图像并作分析处理的情况下，本发明实施例可以实时追踪视线焦点。
[0046]下面先介绍本发明实施例的用于视线焦点定位的可穿戴设备。图1为本发明实施例的用于视线焦点定位的可穿戴设备的示意图。如图1所示，该设备可以包括:
[0047]眼镜支架1，所述眼镜支架I的左右眼镜框上分别安装有多个红外光源2 ;所述多个红外光源2分布于所述左右眼镜框上的不同位置，用于从不同角度照射虹膜；所述左右眼镜框