[发明专利]基于正交双目降维空间的驾驶员眼部3D重构与跟踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像检测与跟踪方法，尤其涉及一种驾驶员眼部3D重构与跟踪方法。

技术背景

汽车诞生100多年来，给人类生活带来巨大的改变，惠及整个世界。但是，由此引发的道路交通事故也给社会带来深重的灾难。据欧美各国的交通事故统计分析表明，在众多的交通事故中，有80～90％是驾驶员的因素，而过度疲劳驾驶又是其中最容易造成重大交通事故的“第一杀手”。据法国国家警察局(NPAF)统计，在车祸的死亡事故中，20.6％是因司机疲劳驾驶引起的；车祸受伤事故中，14.9％与驾驶员疲劳驾驶有关。根据美国国家公路交通安全署的统计，在美国的公路上，每年由于驾驶员疲劳驾驶而导致的交通事故大约有10万起。其中约有1500起直接导致死亡，7.1万起事故导致人身伤害；在欧洲的情况也大致相同。而在中国，因驾驶员疲劳驾驶而造成的车祸，在事故数量、发生率和造成的后果损失上，都远远高于国外。理论研究表明，人类感知客观世界有90％以上的信息是通过眼睛获取的，而驾驶员的眼动过程直接反映了驾驶员的注意力状态以及是否疲劳驾驶。

目前，研究人员已经对驾驶员人眼定位及眼动跟踪进行了一些研究，并取得了一定的研究成果。但是在实际应用中暴露了以下一些亟待解决的问题：1、夜晚、戴墨镜以及各种光照条件下眼动跟踪容易失败；2、可变姿态下人眼跟踪的精度和鲁棒性有待提高；3、均是对二维图像的眼部定位与跟踪，很难全面分析驾驶员的疲劳状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于正交双目降维空间的驾驶员眼部3D重构与跟踪方法，该方法不受光照和墨镜影响；不受驾驶员各种姿态变化和操作影响；重构与跟踪的眼部图像为3D图像，能对驾驶员疲劳状态的分析与监测提供更加全面的信息。

本发明的目的是这样实现的，一种基于正交双目降维空间的驾驶员眼部3D重构与跟踪方法，包括以下步骤：

A、图像获取

A1、采用两个垂直正交的相同采样频率的摄像头对准驾驶员采集面部图像；同时利用光线感应器检测驾驶室的光照度，当检测出的光照度＜4Lux(勒克斯)且保持1分钟以上时，则进行以下A2的操作，

A2、启动对准驾驶员面部的红外光源，此时摄像头采集到的面部图像为红外图像；

B、眼部特征提取及定位：

对两个摄像头采集到的第一帧面部图像分别采用Harr算法定位出驾驶员眼部；若定位不出驾驶员眼部，则进行以上A2步的操作；若采集到的两个第一帧面部图像为红外图像，则分别用降维空间随机投影方法提取红外面部图像眼部特征，然后用特征匹配方法定位驾驶员眼部；

C、3D人眼重构：

将B步已定位眼部的两个第一帧图像，利用复小波相位算法得出两个第一帧图像眼部各像素的配对关系，再以双眼的瞳孔中心为坐标中心，分别进行三维点云人眼信息拟合，重构出驾驶员双眼的第一帧3D眼部图像；

D、眼动3D跟踪：

根据C步重构出的第一帧3D眼部图像，建立驾驶员眼动自适应非线性对数模型，采用自适应模糊强跟踪有限差分扩展卡尔曼滤波(EKF)算法进行眼部3D跟踪：即通过模糊逻辑控制动态调整强跟踪扩展卡尔曼滤波算法的弱化因子，然后将有限差分替代强跟踪EKF滤波算法中的非线性函数的偏导数，估计出下一帧的3D眼部图像；根据驾驶员眼动自适应非线性对数模型，重复以上操作，估计出一系列连续帧3D图像的驾驶员眼部，实现驾驶员的眼动3D跟踪。

与现有技术相比，本发明的收益效果是：

一、能够有效地实现夜晚驾驶环境下以及戴墨镜状态下的驾驶员眼部定位：

当光线感应器检测驾驶室的光照度＜4Lux(勒克斯)且保持1分钟以上时，本发明启动红外光源，使得摄像头能够在夜晚等光照条件差的环境下采集到驾驶员脸部的红外图像；同时驾驶员戴墨镜等情况使得摄像头采集到的图像无法定位出驾驶员眼部时，本发明也启动红外光源，完成驾驶员眼部定位，从而本发明在驾驶员戴墨镜及夜晚等光照条件差的情况下均能实现眼部3D的重构与跟踪，其可靠性强。

二、采用降维空间随机投影技术，算法复杂度降低，人眼定位实时性提高

当光照度＞4LUX(勒克斯)，本发明采用Harr眼部定位方法能够更加快速有效地定位驾驶员眼部；对于低光照条件下获取到的红外图像，则利用降维空间随机投影技术快速、精确进行驾驶员红外面部图像的眼部定位。其算法复杂度低，实时性好，正确率高。

三、能够有效地实现各种姿态和驾驶状态下的人眼跟踪：