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視線追蹤系統中注視點估計算法研究

金 純1 2 , 李婭萍1 , 高奇1 , 曾偉1
(1.重慶郵電大學通信與信息工程學院,無線傳輸重點實驗室,重慶400065; 2. 重慶金甌科技發展有限責任公司,重慶400041)
該論文發表于《科學技術與工程》2016年5月16卷第14期
刊號為:1671-1815(2016)014-0201-05

摘 要: 針對非接觸式視線跟蹤系統中注視點估計算法魯棒性差的問題, 提出一種基于角度映射的注視點估計算法.首先,根據人眼特性及視覺成像原理,瞳孔中心相對角膜反射光斑的位置與注視點相對于紅外光源 的位置之間具有一定的角度映射關系,據此估計出注視點近似位置.然后, 在眼球模型結構的基礎上分析了眼球角膜曲面對注視點造成的偏差,通過弧長對誤差進行補償.最后, 利用非線性多項式模型對眼球視軸和光軸之間的偏差進行擬合,得到最終的視線落點.實驗證明,該統具有較高的精度和自由度,在水平和垂直方向上最大誤差均小于1cm.

關鍵詞:視線跟蹤;角度映射;視軸; 中圖法分類號:TN925;文獻標志碼;A


     視線跟蹤技術是一種利用人類眼球運動信息來獲取視線方向或關注熱點的科學應用技術, 近年來迅速獲得國內外相關學者的廣泛關注,被廣泛應用于視覺注意機制的研究,頁面分析,人機交互, 虛擬現實/智能機器以及軍事等領域.然而就目前的視線跳躍系統而言,盡管其技術優勢明顯,但是由于各方面技術的不成熟,使得跟蹤精度,用戶自由度,系統實時性及成本無法滿足實際的應用要求.Mori-noto等[1] 提出一種非接觸式的基于多項式擬合的注視點估計算法,通過多項式擬合方程建立注視點位置與瞳孔中心位置之間的函數映射關系,該算法對硬件要求低,在頭部靜止情況下追蹤精度可達到1.5°-2°,但對用戶頭動比較敏感.鄭思儀等提出一種基于眼球結構的視線映射幾何模型, 在立體視覺的基礎上利用瞳孔中心與角膜反射點得到角膜曲率中心和光軸的方向,解決了用戶頭動狀態下的注視點估計精度問題,該系統在距離屏幕35cm,頭部局限20cm的大圓內,跟蹤精度在水平方向可達1.4°,垂直方向可達1.6°,但是該方法需要保持攝像機和光源的相對靜止,移動則需要重新標定,并且還需要進一步提高三維測量的精度.張鵬翼等[3]使用立體視覺信息的視線追蹤系統設計, 使用神經網絡結合卡爾曼濾波的方法對瞳孔進行跟蹤,再結合支持向量回歸對人眼參數和注視點這間的關系進行訓練,得到視線映射模型,該系統在相機光軸方向30cm頭動范圍內,追蹤精度可達到1.8°,但是算法在訓練過程中, 算法冗余度和精度不能很好滿足系統需要,并且在成熟度和實用性方面有所欠缺.
     針對以往視線跟蹤系統存在的不足,本文基于單相機雙光源的非接觸式視線跟蹤系統,提出了一種基于角度映射的注視點估計算法.據人眼特性及視覺成像原理,眼睛注視某一點, 瞳孔中心相對于角膜反射光斑的位置與注視點相對于紅外光源的位置之間具有一定的角度映射關系,據此估計出注視點近似位置,進一步對算法中產生的誤差進行立體分析,并通過弧長進行補償,最后利用性多項式模型對眼球視軸之間的偏差進行擬合, 得到最終注視點位置.

1. 視線跟蹤系統

    本文視線追蹤系統主要由相機,近紅外光源及計算機組成.紅外光源旋轉在計算機屏幕左上角和右上角位置,照射眼睛時,人眼角膜對紅外光有較大的反射率,產生反射光斑.眼睛朝不同方向運動時,光從不同角度照射到角膜,瞳孔中心隨著關注點的不同發生相應的變化,角膜反射點的位置可認為固定不變.利用眼球結構這種生理特性,提取視線特征參數,通過相應的注視點估計方法就可以得到注視點位置[4].
&nsbp; &nsbp; &nsbp; 首先,在人眼定位階段,采用基于灰度差的人眼定位方法,利用人臉,角膜反射點和瞳孔之間的灰度差來定位人眼[5].其實,定位人眼區域后,通過平和垂直灰度積分法來精確定位瞳孔區域.最后對瞳孔邊緣進行檢測,利用橢圓擬合法和質心法確定.

作者簡介:
金純 (1966—) 博士、教授、研究生導師 主要研究方向:無線通信、計算機軟件、物聯網等
通信作者簡介:李婭萍,女.碩士研究生.研究方向;電子與通信工程.E-mail:[email protected]

 

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