[发明专利]一种单相机单光源视线追踪系统眼球参数标定方法

摘要

本发明提供一种单相机单光源视线追踪系统眼球参数标定方法，适用于简化的人眼参数标定系统，能够提高眼球参数标定结果的精度。所述方法包括：确定光源和两个屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置；在标定位置处，系统相机捕捉当前的人脸图像，提取虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标；在所述标定位置处所述系统相机坐标系下，根据确定的光源和屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置和提取的虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标，初步标定人眼的虹膜半径；根据初步标定的人眼的虹膜半径，初步标定人眼的角膜曲率半径；根据眼球的几何模型，对初步标定的人眼的虹膜半径和角膜曲率半径进行迭代优化。本发明涉及视觉测量技术领域。

主权项

1.一种单相机单光源视线追踪系统眼球参数标定方法，其特征在于，包括：确定光源和两个屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置；在标定位置处，即用户盯视所述两个屏幕标定点时，系统相机捕捉当前的人脸图像，并对捕捉到的人脸图像进行处理，提取虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标；在所述标定位置处所述系统相机坐标系下，根据确定的光源和屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置和提取的虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标，初步标定人眼的虹膜半径；根据初步标定的人眼的虹膜半径，初步标定人眼的角膜曲率半径；根据眼球的几何模型，对初步标定的人眼的虹膜半径和角膜曲率半径进行迭代优化，直至符合预设的迭代终止条件；其中，所述在所述标定位置处所述系统相机坐标系下，根据确定的光源和屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置和提取的虹膜成像椭圆特征参数和普尔钦斑中心坐标，初步标定人眼的虹膜半径包括：根据确定的虹膜成像椭圆特征参数，建立虹膜椭圆方程；将虹膜作为一个空间圆目标，在所述标定位置处所述系统相机坐标系下，根据建立的虹膜椭圆方程，确定对应的空间中三维的虹膜中心及虹膜法向量的表达式；根据虹膜中心及其法向量的表达式，重建人眼的光轴，得到光轴的表达式；根据确定的光源在系统相机坐标系下的位置、提取的普尔钦斑中心坐标及得到的光轴的表达式，确定角膜曲率中心；将人眼的光轴单位方向向量用虹膜法向量表示，人眼的视轴单位方向向量用屏幕标定点在系统相机坐标系下的位置与确定的角膜曲率中心坐标表示，确定人眼的光轴与视轴之间的夹角Kappa角；根据用户盯视所述两个屏幕标定点时Kappa角不变的性质，初步标定人眼的虹膜半径；其中，建立的虹膜椭圆方程表示为：au²+bv²+cuv+du+ev+f＝0其中，a、b、c、d、e、f都表示系数，a_major表示椭圆长轴，a_minor表示椭圆短轴，(x_e,y_e)表示椭圆中心，κ表示椭圆倾角，(u，v)表示虹膜椭圆的坐标；其中，所述根据确定的光源在系统相机坐标系下的位置、提取的普尔钦斑中心坐标及得到的光轴的表达式，确定角膜曲率中心包括：利用角膜曲率中心、系统相机光心、确定的光源和普尔钦斑在同一个反射平面内，且光轴经过角膜曲率中心，根据光轴与反射平面相交，确定角膜曲率中心；其中，角膜曲率中心表示为：其中，C表示角膜曲率中心，L＝(l₁,l₂,l₃)表示光源在系统相机坐标系下的位置，g＝(g₁,g₂,g₃)表示普尔钦斑中心坐标，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为待标定的人眼的虹膜半径，T表示矩阵转置；其中，用户盯视所述两个屏幕标定点时Kappa角不变的性质表示为：其中，S₁、S₂分别为第一屏幕标定点、第二屏幕标定点，D₁、D₂分别表示用户盯视第一屏幕标定点、第二屏幕标定点时的虹膜法向量，C₁、C₂分别表示用户盯视第一屏幕标定点、第二屏幕标定点时的角膜曲率中心坐标；其中，所述根据初步标定的人眼的虹膜半径，初步标定人眼的角膜曲率半径包括：光源L在角膜外表面产生反射，形成反射点G，其法线的延长线交光源L与系统相机光心O的连线于点M，其中，∠LGM＝∠MGO＝α，∠LOG＝ο；通过第一公式和第二公式初步标定人眼的角膜曲率半径；其中，所述第一公式表示为：其中，R为待标定的角膜曲率半径；l为光源L与系统相机光心O之间的距离；CV是角膜曲率中心C到屏幕的垂线的长度，角膜曲率中心C到屏幕的垂线与屏幕相交于点V，角膜曲率中心C与点V的连线与虹膜法向量D之间的夹角表示为γ；OG与屏幕法向量之间的夹角为θ；所述第二公式表示为：其中，g表示普尔钦斑中心坐标，i'g表示点i'与点g的连线的长度，i'为I’的成像点，I’是过反射点G作的与系统相机成像面平行的直线与人眼光轴的交点，f₀表示系统相机的焦距，MN表示眼睛光轴与屏幕的相交点N与点M的连线的长度；其中，所述根据眼球的几何模型，对初步标定的人眼的虹膜半径和角膜曲率半径进行迭代优化，直至符合预设的迭代终止条件包括：根据眼球的几何模型，得到包含虹膜半径r、角膜曲率半径R的非线性方程组：其中，C表示角膜曲率中心，CI表示角膜曲率中心C与虹膜中心I的连线的长度；对非线性方程组F(x)采用牛顿迭代法进行求解，将初步标定的虹膜半径r和角膜曲率半径R作为初始值代入迭代，直至相邻两次迭代得到的虹膜半径和角膜曲率半径均小于设定的精度误差时，当前的虹膜半径为最优的虹膜半径、当前的角膜曲率半径为最优的角膜曲率半径。