一种基于角膜反射的非接触式视线追踪方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于角膜反射的非接触式视线追踪方法，步骤1：人眼定位；步骤2：计算光斑坐标；步骤3：瞳孔精确定位；步骤4：空间映射：根据计算出的屏幕上四个光斑和瞳孔中心坐标，利用射影几何中的交比不变原理进行空间坐标的映射。本发明提出的技术方案不需要配戴其它设备，大大降低了对使用者的限制；提出一种新的瞳孔边缘拟合方案，循环拟合剔除假点，最终得到精确的瞳孔中心，提高了映射的精度。本发明与现有的相关研究相比，在精度上有了较大的提升。
【专利说明】一种基于角膜反射的非接触式视线追踪方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及计算机视觉领域，主要涉及瞳孔检测与识别，椭圆拟合，多光斑的检测与提取，及三维空间几何映射等。
【背景技术】
[0002]人们的信息绝大部分是通过眼睛来获取的，正因为通过视觉获取的信息对人们的生活有重要意义，视觉方面的研究显得至关重要。随着科技的飞速发展，视觉跟踪日趋成为国内外专家学者研究的焦点。由于起步较晚和技术支持的局限性，视觉跟踪方面的研究仍处于萌芽状态，目前仍没有一种理想的方案能广泛地应用到日常生活中。
【发明内容】
[0003]针对现有的基于CCD (Charge Coupled Device,电荷稱合器件)摄像机的视线跟踪技术瞳孔提取不准确，人眼注视坐标定位不准确，以及对姿势限制过多等方面的不足，提出一种利用角膜反射原理，采用5组近红外光源(4组位于屏幕4个角，另I组位于CXD摄像机靠近光轴处)作为系统光源的基于单CCD摄像机的非侵入式视线跟踪技术。
[0004]本发明提供了一种基于角膜反射的非接触式视线追踪方法，
[0005]步骤1:人眼定位:
[0006]利用眼睛不同部位对红外光的反射和折射率不同，瞳孔对红外光的反射最弱，因而瞳孔在红外光的照射下呈黑色，而其他部分都不是黑色的特点定位人的眼睛；
[0007]步骤2:计算光斑坐标:
[0008]步骤2.1:首先根据经验阈值分割感兴趣区域图像，然后找出面积最大的五个光斑；
[0009]步骤2.2:利用质心法计算出五个光斑的中心坐标，同时利用光斑的相对位置进行检测，剔除假的光斑信息；图像中光斑面积小、亮度大、受干扰影响较小，采用圆模型处理，提取光斑区域质心位置；由前面得到的光斑阈值，在二值化图中粗定光斑中心(Xc;，y。)和初始半径r ;
【权利要求】
1.一种基于角膜反射的非接触式视线追踪方法，其特征在于: 步骤1:人眼定位: 利用眼睛不同部位对红外光的反射和折射率不同，瞳孔对红外光的反射最弱，因而瞳孔在红外光的照射下呈黑色，而其他部分都不是黑色的特点定位人的眼睛； 步骤2:计算光斑坐标:步骤2.1:首先根据经验阈值分割感兴趣区域图像，然后找出面积最大的五个光斑；步骤2.2:利用质心法计算出五个光斑的中心坐标，同时利用光斑的相对位置进行检测，剔除假的光斑信息；图像中光斑面积小、亮度大、受干扰影响较小，采用圆模型处理，提取光斑区域质心位置；由前面得到的光斑阈值，在二值化图中粗定光斑中心(H)和初始半径r ；
2.根据权利要求1所述的一种基于角膜反射的非接触式视线追踪方法，其 特征在于:步骤I中，人眼定位具体方法如下: 首先将获取到的彩色图像转换成灰度图，然后利用直方图分析出图像中灰度值最低的子区域，以这个灰度值作为域值将图像分割成二值化图像，利用所有小于阈值的点(xi，yi)α=Ρ..Ν)，N是直方图中灰度小于阈值的点的个数，在二值化图像粗定位瞳孔中心位置(xpupii，ypupii)，如式(1)和式(2):
3.根据权利要求2所述的一种基于角膜反射的非接触式视线追踪方法，其特征在于:根据粗定的瞳孔中心，把以它为中心的60*60像素的矩形区域设置为感兴趣区域。
4.根据权利要求1所述的一种基于角膜反射的非接触式视线追踪方法，其特征在于:步骤2.1中经验阈值取值为30-80。
5.根据权利要求1所述的一种基于角膜反射的非接触式视线追踪方法，其特征在于:步骤2.2中，取2.5r对应区域作为光斑区域。
6.根据权利要求1所述的一种基于角膜反射的非接触式视线追踪方法，其特征在于:步骤3中，边提取界点方法如下: 对边界点提取中的所有候选点进行多次的椭圆拟合，采用直接最小二乘法椭圆拟合法来进行椭圆拟合，并剔除与椭圆轮廓较远的点，重复进行，直到获取的椭圆中心稳定，这样求出的椭圆中心就是最终用到的瞳孔中心；椭圆方程可以用一般的圆锥曲线方程表示如下:
7.根据权利要求1所述的一种基于角膜反射的非接触式视线追踪方法，其特征在于:步骤4中，空间坐标的映射具体如下: V1、V2、V3、V4是屏幕上四个光斑D1、D2、D3、D4投射到虚平面上的虚点，Uv1、Uv2、Uv3、Uv4是虚平面上的点投射到摄相机图像平面的虚点，P点为瞳孔中心在虚平面上的点，Up为P投影到摄像机图像平面的点； 假设摄像机上方光源在人眼角膜曲面上产生的光斑是A，屏幕上四个光源在人眼角膜曲面上的光斑是rpryiviv这五个光斑在(XD捕获的图像平面中对应的实点是I0、I1、I2、13、14，它们和虚点UV1、UV2、Uv3、Uv4之间存在一个转换关系，即:
8.根据权利要求7所述的一种基于角膜反射的非接触式视线追踪方法，其特征在于: 通过公式变换把g求出来,详细方法如下: 用交比的方法对眼睛注视点进行估算，假设E是UviUv3和Uv2Uv4的交点，先计算出UviUv2和Uv3Uv4延长线的交点N2,从N2出发过Up和E的直线交UviUv2于Ml和M2，假设g的坐标为g(;.’ 少’)，
直线 UviUv2 上四点 Uvi (xl，yl)、M1 (x2, y2)、M2(x3，y3)、UV2(x4，y4)四个点的交比 CRx 满足下面等式:
【文档编号】G06K9/00GK103530618SQ201310501357
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】王轩, 韩锴, 于成龙, 张加佳, 赵海楠, 张自力, 李鑫鑫, 李晔, 漆舒汉, 张江涛, 关键, 刘博
申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院