[发明专利]一种三维视线跟踪系统的系统标定方法

说明书

本发明公开了一种三维视线跟踪系统的系统标定方法，所述方法通过改变标定球的位置，拍摄多组不同位置的标定球及亮斑图像，根据不同位置的球心和亮斑坐标构建多个平面，这些平面相交于光源和系统相机光学中心的连线，由此求得光源所在的直线，在光源所在的直线上设定多个可能的光源点，带入三维视线跟踪系统中进行优化求解，将可能的光源点收敛到真实的光源点，得到真实光源的三维空间坐标，并以同样的方法对屏幕进行标定。本发明方法充分考虑了各种误差因素的影响，可以解决光源和屏幕不在系统相机视野范围内的问题，尤其适用于近眼视线跟踪系统，具有标定精度高、操作方便等优点，能够更好的满足三维视线跟踪系统标定需求。

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域，特别涉及一种三维视线跟踪系统的系统标定方法。

背景技术

视线跟踪技术可以大致分为两类：基于二维映射的注视估计方法和基于三维模型的注视估计方法。二维凝视估计系统通常由一个摄像机和一个光源组成，其中眼睛凝视（凝视点，PoR）是由用户校准确定的经过标定的凝视映射函数来估计的。二维凝视跟踪通常利用一个二阶多项式表示闪烁-瞳孔差向量到凝视点（PoR）的直接映射，其中有大部分多项式系数是针对用户特定的，需要在用户校准过程中确定，用户需要盯着屏幕上的多个点来计算未知的个人多项式系数。这种可以在不知道摄像机、光源和屏幕之间关系的情况下进行PoR估计。然而，在不知道三维视线方向的情况下，头部运动受到很大的限制。

相比之下，三维凝视跟踪器通常由多个摄像机和多个光源组成，通过三维眼球结构和眼睛成像模型，可以在系统摄像机坐标系下估计出真实的三维凝视方向。基于三维模型的方法利用光源及其角膜反射光斑图像对人眼常见的物理结构进行几何建模，从而估计出不变的几何参数（角膜半径等）和可变的几何参数（角膜中心坐标等）。通过这些参数，可以利用眼球的结构和成像模型重建注视视线的方向。然后根据眼球视轴（LOG）与光轴（LOS）之间的Kappa角，计算出三维凝视方向矢量。通过定义注视方向向量和标定监控平面在系统摄像机坐标系中的位置，计算出注视方向与屏幕的交点，即凝视点（PoR）。由于三维凝视跟踪系统可以估计出真实的视线空间方向，因此该系统可以在自然头部运动的情况下工作。这意味着三维凝视跟踪系统不受头部位置变化的影响，用户不变性眼球几何参数估计只需要简单的用户标定程序。

因此，3D凝视跟踪系统明显优于2D凝视跟踪系统。但在三维眼睛注视方向矢量估计和关注点计算中，需要确定光源和监控屏幕的位置，这一过程称为系统标定。研究三维凝视跟踪系统的系统标定有两个原因: （1）在3D视线估计研究中，需要精确校准系统相机坐标系中光源和屏幕的位置，以便可以通过依赖光源位置的相应3D几何模型来重建LoG和LoS，最后通过视线方向与注视对象的交点计算注视点。（2）对于眼睛跟踪产品，可以通过制造过程确定系统摄像机框架中光源和屏幕的位置。例如，凝视跟踪系统（摄像机和光源）始终与屏幕放置在一起，其中屏幕平面可能是系统摄像机坐标系的原点。但是，生产之前光源的初始位置需要通过先前的系统校准来确定。

现有的系统标定方法主要有平面镜法和多摄像机全局标定法，这些方法操作复杂，标定精度也难以满足需求。针对现有的基于反光镜和基于多摄像机的系统标定方法的不足，本发明提出了一种基于三维视线跟踪的系统标定方法，具有标定精度高、操作方便等优点，尤其适用于近眼视线跟踪模组（相机和灯环）中光源的定位标定。该方法将在三维视线跟踪技术的研究中发挥重要作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维视线跟踪系统的系统标定方法，该方法主要用于标定系统光源在相机坐标系下的三维坐标以及屏幕在相机坐标系下的平面方程，可以解决光源和屏幕不在系统相机视野范围内的问题，尤其适用于近眼视线跟踪模组，能够更好的满足三维视线跟踪系统标定需求。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一种三维视线跟踪系统的系统标定方法，包括以下步骤：

对系统相机进行标定，获得系统相机的内部参数；