[发明专利]采用扫描仪与眼动仪确定注视点在三维场景中位置的方法

权利要求书

1.采用扫描仪与眼动仪确定注视点在三维场景中位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10：选取合适位置假设3D扫描仪，在被扫描对象上贴上定位标点，采用3D扫描仪进行扫描，建立描固定坐标系与初步的三维场景模型，得到三维空间数字化描述如下：

首先，在选定的三维空间(以三维座舱为例)座舱上贴上定位标点(定位标点为带有荧光物质的贴纸)，定位标点之间的平均距离在5-10厘米，相对均匀地贴在三维座舱表面；然后，采用扫描仪对定位标点位置进行扫描，建立飞行器模拟座舱的初步三维模型；最后，3D激光扫描仪在扫描时，会以扫描仪与定位标点的相对位置固定一个坐标系，该固定坐标系记作扫描固定坐标系，所扫描出来的三维模型中的点都基于该扫描固定坐标系，最后得到三维座舱所有点在扫描固定坐标系中的坐标；并将三维座舱所有的点称作点云；

步骤S20：设置眼动仪，根据眼动仪建立眼动仪坐标系，并通过眼动仪对所述定位标点的扫描，同时选取三个不在一条直线上的点，根据眼动仪数据与3D扫描仪数据，建立过渡矩阵以及飞行器模拟座舱全局坐标系如下：

首先，采用眼动仪对上述三点进行扫描，选取待转换坐标系(眼动仪坐标系)下的三个不在一条直线上的点，得到待转换坐标系下三个向量坐标为α₁＝(x₁ x₂ x₃)^T，α₂＝(x₂ y₂z₂)^T，α₃＝(x₃ y₃ z₃)^T；

其次，通过扫描仪对上述三点进行扫描获得其在扫描固定坐标系中的坐标，记作β₁＝(x₁′ y₁′ z₁′)^T，β₂＝(x₂′ y₂′ z₂)^T，β₃＝(x₃′ y₃′ z₃)^T；

然后，通过下面矩阵变换求解两个坐标系之间的转换矩阵T如下：

T＝(β₁ β₂ β₃)(α₁ α₂ α₃)^-1；

最后，根据转换矩阵，将其余眼动仪的眼动数据坐标乘以相应的转换矩阵，即可完坐标统一与转换，将坐标统一到全局坐标系(即扫描固定坐标系)中；

步骤S30，根据眼动仪的眼睛坐标与虚平面注视点坐标，建立注视方向的直线方程如下：

根据眼动仪得到眼睛与虚平面注视点的实时坐标(x₁,y₁,z₁)与(x₂,y₂,z₂)，然后根据两点确定一条直线的公式，建立视线直线的方程如下：

其中(x,y,z)为视线方程的未知量，也是空间中所有在视线方向点的坐标；

步骤S40，根据所述的直线方程，任选点云中点坐标，求解点云中所选点到注视方向直线的距离；设置视线圆柱阈值，得到满足距离条件的部分点的集合如下：

首先，设任意点云一个点坐标P(x^*,y^*,z^*)，眼睛坐标P₁(x₁,y₁,z₁)，直线方向向量l＝(x₂-x₁,y₂-y₁,z₂-z₁)＝(Δx,Δy,Δz)，单位方向向量为按照下式求取点P(x^*,y^*,z^*)到直线的距离为：

然后，设置视线圆柱阈值为ε，当点云中的点所求的到视线直线距离d≤ε时，认为该点在视线圆柱上；最后，根据上述视线圆柱阈值判断方法，求解所有满足视线圆柱阈值条件的点，组成视线圆柱点集合；

步骤S50，根据所述的满足视线圆柱阈值条件的视线圆柱点集合，求解所有点到眼睛的距离，并求解距离最近点的坐标如下：

首先，由视线的非穿透性，在上一步找到的满足距离条件的点中，找到离眼睛最近的点，即找到向量在直线l上投影最小的点，为向量的投影长度p，以下公式计算投影长度p：

其次，在上述投影长度的计算方法下，找到视线圆柱点集合中，投影长度最短的点，记作注视点，其坐标为P(x^o,y^o,z^o)；

步骤S60，根据所述的最近点坐标，求解视线直线的垂直平面，再由垂直平面表达式求解视线投影点坐标，得到所需的三维注视点坐标如下：

首先，由直线方向向量l＝(x₂-x₁,y₂-y₁,z₂-z₁)＝(Δx,Δy,Δz)，得到如下垂直平面方程，其设其描述如下：

Δx·x+Δy·y+Δz·z+D＝0；

式中D为一常数；

其次，由于该平面过点P，将点P带入上式，求解得到常数D：

D＝-(Δx·x^o+Δy·y^o+Δz·z^o)；

最后，由视线直线方程与该垂直平面方程联立求解得到的交点，即为所需找到的投影点P′，假设交点坐标为(x′,y′,z′)；联立上两式，即可求解得到x′,y′,z′如下：

至此，通过3D扫描仪建立场景模型和空间透射法相结合的方法，根据上述公式可以实现眼睛注视点在三维场景中坐标(x′,y′,z′)的实时准确解算。