[發明專利]一種單相機單光源視線追蹤系統眼球參數標定方法

有效

• 申請號: 201811309382.0
• 申請日: 2018-11-05
• 公開（公告）號: CN109272557B
• 公開（公告）日: 2019-10-22
• 發明（設計）人: 遲健男;劉佳惠;張國勝
• 申請（專利權）人: 北京科技大學;交通運輸部公路科學研究所
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

1.一種單相機單光源視線追蹤系統眼球參數標定方法，其特征在于，包括：

確定光源和兩個屏幕標定點在系統相機坐標系下的位置；

在標定位置處，即用戶盯視所述兩個屏幕標定點時，系統相機捕捉當前的人臉圖像，并對捕捉到的人臉圖像進行處理，提取虹膜成像橢圓特征參數和普爾欽斑中心坐標；

在所述標定位置處所述系統相機坐標系下，根據確定的光源和屏幕標定點在系統相機坐標系下的位置和提取的虹膜成像橢圓特征參數和普爾欽斑中心坐標，初步標定人眼的虹膜半徑；

根據初步標定的人眼的虹膜半徑，初步標定人眼的角膜曲率半徑；

根據眼球的幾何模型，對初步標定的人眼的虹膜半徑和角膜曲率半徑進行迭代優化，直至符合預設的迭代終止條件；

其中，所述在所述標定位置處所述系統相機坐標系下，根據確定的光源和屏幕標定點在系統相機坐標系下的位置和提取的虹膜成像橢圓特征參數和普爾欽斑中心坐標，初步標定人眼的虹膜半徑包括：

根據確定的虹膜成像橢圓特征參數，建立虹膜橢圓方程；

將虹膜作為一個空間圓目標，在所述標定位置處所述系統相機坐標系下，根據建立的虹膜橢圓方程，確定對應的空間中三維的虹膜中心及虹膜法向量的表達式；

根據虹膜中心及其法向量的表達式，重建人眼的光軸，得到光軸的表達式；

根據確定的光源在系統相機坐標系下的位置、提取的普爾欽斑中心坐標及得到的光軸的表達式，確定角膜曲率中心；

將人眼的光軸單位方向向量用虹膜法向量表示，人眼的視軸單位方向向量用屏幕標定點在系統相機坐標系下的位置與確定的角膜曲率中心坐標表示，確定人眼的光軸與視軸之間的夾角Kappa角；

根據用戶盯視所述兩個屏幕標定點時Kappa角不變的性質，初步標定人眼的虹膜半徑；

其中，建立的虹膜橢圓方程表示為：

au²+bv²+cuv+du+ev+f＝0

其中，a、b、c、d、e、f都表示系數，a_major表示橢圓長軸，a_minor表示橢圓短軸，(x_e,y_e)表示橢圓中心，κ表示橢圓傾角，(u，v)表示虹膜橢圓的坐標；

其中，所述根據確定的光源在系統相機坐標系下的位置、提取的普爾欽斑中心坐標及得到的光軸的表達式，確定角膜曲率中心包括：

利用角膜曲率中心、系統相機光心、確定的光源和普爾欽斑在同一個反射平面內，且光軸經過角膜曲率中心，根據光軸與反射平面相交，確定角膜曲率中心；

其中，角膜曲率中心表示為：

其中，C表示角膜曲率中心，L＝(l₁,l₂,l₃)表示光源在系統相機坐標系下的位置，g＝(g₁,g₂,g₃)表示普爾欽斑中心坐標，D＝(d₁ d₂ d₃)^T表示虹膜法向量，I＝r*(i₁ i₂ i₃)^T表示虹膜中心，r為待標定的人眼的虹膜半徑，T表示矩陣轉置；

其中，用戶盯視所述兩個屏幕標定點時Kappa角不變的性質表示為：

其中，S₁、S₂分別為第一屏幕標定點、第二屏幕標定點，D₁、D₂分別表示用戶盯視第一屏幕標定點、第二屏幕標定點時的虹膜法向量，C₁、C₂分別表示用戶盯視第一屏幕標定點、第二屏幕標定點時的角膜曲率中心坐標；

其中，所述根據初步標定的人眼的虹膜半徑，初步標定人眼的角膜曲率半徑包括：

光源L在角膜外表面產生反射，形成反射點G，其法線的延長線交光源L與系統相機光心O的連線于點M，其中，∠LGM＝∠MGO＝α，∠LOG＝ο；

通過第一公式和第二公式初步標定人眼的角膜曲率半徑；其中，

所述第一公式表示為：

其中，R為待標定的角膜曲率半徑；l為光源L與系統相機光心O之間的距離；CV是角膜曲率中心C到屏幕的垂線的長度，角膜曲率中心C到屏幕的垂線與屏幕相交于點V，角膜曲率中心C與點V的連線與虹膜法向量D之間的夾角表示為γ；OG與屏幕法向量之間的夾角為θ；

所述第二公式表示為：

其中，g表示普爾欽斑中心坐標，i'g表示點i'與點g的連線的長度，i'為I’的成像點，I’是過反射點G作的與系統相機成像面平行的直線與人眼光軸的交點，f₀表示系統相機的焦距，MN表示眼睛光軸與屏幕的相交點N與點M的連線的長度；

其中，所述根據眼球的幾何模型，對初步標定的人眼的虹膜半徑和角膜曲率半徑進行迭代優化，直至符合預設的迭代終止條件包括：

根據眼球的幾何模型，得到包含虹膜半徑r、角膜曲率半徑R的非線性方程組：

其中，C表示角膜曲率中心，CI表示角膜曲率中心C與虹膜中心I的連線的長度；

對非線性方程組F(x)采用牛頓迭代法進行求解，將初步標定的虹膜半徑r和角膜曲率半徑R作為初始值代入迭代，直至相鄰兩次迭代得到的虹膜半徑和角膜曲率半徑均小于設定的精度誤差時，當前的虹膜半徑為最優的虹膜半徑、當前的角膜曲率半徑為最優的角膜曲率半徑。

2.根據權利要求1所述的單相機單光源視線追蹤系統眼球參數標定方法，其特征在于，所述對捕捉到的人臉圖像進行處理，提取虹膜成像橢圓特征參數和普爾欽斑中心坐標包括：

對捕捉到的人臉圖像進行處理，識別出人眼區域；

通過Hough變換分別得到人眼圖像和普爾欽斑圖像；

對人眼圖像進行插值、邊緣檢測、Hough變換后擬合出虹膜橢圓，得到用戶盯視所述兩個屏幕標定點時圖像上虹膜成像橢圓特征參數；

對普爾欽斑圖像進行插值處理后，利用質心法求取用戶盯視所述兩個屏幕標定點時的普爾欽斑中心坐標。