[發明專利]一種利用自由空間視線凝視點測量的空間幾何量測量方法

有效

• 申請號: 201710013278.6
• 申請日: 2017-01-09
• 公開（公告）號: CN106840112B
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發明（設計）人: 王向軍;萬子敬
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01C11/08
• 分類號: G01C11/08;G01C21/00;G01S19/45
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

技術領域

本發明涉及視線跟蹤及空間幾何量測量領域。

背景技術

視線跟蹤技術在人機交互、虛擬現實等領域有著重要的使用價值，能夠極大地擴展使用者的作業能力?；跈C器視覺的非接觸式視線跟蹤技術包括兩部分內容：(1)視線特征參數提取，即在圖像中眼睛的位置，通常用瞳孔或虹膜中心表征；(2)視線方向建模，即由檢測到的眼睛特征參數跟蹤測量視線方向。視線特征參數提取通過圖像處理從眼睛圖像中提取瞳孔、虹膜和角膜反射斑等表征眼動的參數。其中，瞳孔跟蹤是視線特征參數檢測的重要步驟。建立視線方向跟蹤模型，主要有基于二維和三維兩種形式，其中三維的又包括3D視線直接跟蹤方法和基于3D模型的視線跟蹤方法。

目前國內外的頭戴式視線跟蹤裝置主要采用瞳孔-角膜反射向量法。通過固定眼攝像機獲取眼球圖像,利用亮瞳孔和暗瞳孔的原理,提取出眼球圖像內的瞳孔,利用角膜反射法校正眼攝像機與眼球的相對位置,把角膜反射點數據作為眼攝像機和眼球的相對位置的基點,瞳孔中心位置坐標就表示視線的位置。該類裝置已經可以獲得較高的視線跟蹤精度，但將人眼約束在固定空間內，難以做到自由空間的視線跟蹤。

發明內容

本發明的目的是提供一種改進視線跟蹤技術，提供一種可以實現自由空間視線跟蹤的方法，并在此基礎上給出利用自由空間視線凝視點測量的空間幾何量測量方法。本發明利用雙目立體視覺的自由空間視線跟蹤方法，以兩對攝像機實時獲取雙眼圖像并實時解算雙眼視線方向及視線交匯點坐標，結合姿態傳感器和GPS設備，即實時獲取雙眼視線在大地坐標系中的空間方程，解算凝視點的空間坐標，在凝視點空間坐標的計算基礎上綜合場景攝相機的圖像，完成被凝視物體的空間幾何量測量。本發明的技術方案如下：

一種利用自由空間視線凝視點測量的空間幾何量測量方法，所采用的測量系統包括帶有左眼框架和右眼框架的眼鏡式框架、固定在眼鏡式框架上的兩個半透半反鏡、雙目立體視覺視線跟蹤攝像機、至少一個場景攝相機和位姿測量組件，其中，雙目立體視覺視線跟蹤攝像機包括兩組視線跟蹤雙目攝相機，兩個半透半反鏡分別固定在左眼框架和右眼框架內，在每個半透半反鏡旁各設置組所述的視線跟蹤雙目攝相機，用以通過反光面對眼睛成像；所述的場景攝相機固定在眼鏡式框架上，用于對場景成像；所述的位姿測量組件包括三軸陀螺儀和傾角儀組成的位姿測量傳感器和GPS模塊，位姿測量傳感器配合GPS模塊實時測量使用者頭部空間位姿；空間幾何量測量方法為：

1)利用場景攝相機獲取被測物體的圖像；

2)對于每一組視線跟蹤雙目攝相機，根據相機參數，建立雙目立體視覺測量模型；將其采集到的眼睛圖像中提取出瞳孔邊緣，通過提取瞳孔邊緣的特征點，確定瞳孔所在空間平面方程系數，得到瞳孔所在平面方程，計算瞳孔中心點成像坐標；計算瞳孔中心的空間坐標；

3)定義過瞳孔中心的瞳孔所在平面的法線方向為視線方向，對于左眼和右眼，分別確定的視線方向表達式；

4)得到凝視點的坐標；

5)根據凝視點在被測空間大地坐標系的坐標不變的特性，通過位姿測量組件的實時位姿轉換，得到不變的凝視點的大地坐標；

6)對被測物體進行多次凝視操作后，取得形體表面若干點的空間坐標，分別計算每個點之間的距離，并結合場景攝像機的圖像，完成對該被測物的空間幾何量測量。

綜上所述，利用視線跟蹤測量和頭部位姿測量得到空間中某個被凝視物體表面某點的空間坐標，并將所有該類凝視點所在坐標系的空間坐標統一起來，可以獲得該被凝視物體表面的幾何尺寸，完成空間幾何量測量的工作。該方法能夠實現被測物空間幾何量的非接觸測量，且不需要復雜的光源等環境設置，具備更好的通用性和使用便捷性，同時將被測物圖像與空間幾何尺寸有效地結合起來，創造了一種新型空間幾何量測量方式。

附圖說明

圖1系統結構示意圖

圖2空間凝視點測量方法示意圖

圖3測量系統最佳實施方式示意圖

附圖標記說明如下：

1 眼鏡式框架；2左眼框架；3右眼框架；4半透半反鏡；5場景攝相機；

6 視線跟蹤雙目攝相機；7GPS模塊8位姿測量傳感器。

具體實施方式