CN108108021A - 人眼跟踪***外参数校正治具及校正方法 - Google Patents

人眼跟踪***外参数校正治具及校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种人眼跟踪***外参数校正治具及校正方法。其中，校正治具包括：棋盘格板，用于建立世界坐标系与人眼跟踪摄像头成像平面坐标系之间的映射关系；滑轨，用于放置棋盘格板，棋盘格板可在滑轨上滑动至不同位置处；牵引电机，用于牵引棋盘格板在滑轨的不同位置上移动；人眼跟踪摄像头，用于拍摄棋盘格板的图案；计算机，用于接收人眼跟踪摄像头所拍摄的棋盘格板的图案并进行图像分析，确定人眼跟踪***外参数。本发明实施例可以统一屏幕显示空间坐标系和人眼跟踪摄像头成像空间坐标系，使计算机可以直接根据人眼跟踪所给出的包括深度在内的人眼的坐标信息，自动调节排图周期，及排图偏移量，使用户有良好的视觉3D视觉效果。

Description

人眼跟踪***外参数校正治具及校正方法
技术领域
本发明实施例涉及裸眼3D显示技术，尤其涉及一种人眼跟踪***外参数 校正治具及校正方法。
背景技术
人眼跟踪裸眼3D显示***是是由人眼跟踪***与3D显示***集成的一个 ***，可以在用户使用裸眼3D设备时自动跟踪用户眼睛的位置调整3D显示画 面，使用户有良好的观看体验。在人眼跟踪***与3D显示***集成之后，需 要对人眼跟踪摄像头的外参数进行调整，即对在以显示屏幕坐标系为世界坐标 系中的参数，比如相机的位置、旋转方向参数进行调整，使相机能够通过拍摄 人眼信息获取到人眼正确的位置信息。
在现有技术方案，没有针对基于人眼跟踪的3D显示***的校正成熟的方 案，且不能够通过自动化完成校正方法。
发明内容
本发明实施例提供一种人眼跟踪***外参数校正治具及校正方法，以实现 在人眼跟踪***与裸眼3D显示***集成之后拍摄坐标系与显示坐标系的统一， 完成人眼跟踪***外参数的自动校正。
第一方面，本发明实施例提供了一种人眼跟踪***外参数校正治具，该校 正治具包括：
棋盘格板，用于建立世界坐标系与人眼跟踪摄像头成像平面坐标系之间的 映射关系，其中，棋盘格板上各点的坐标在世界坐标系中是已知的；
滑轨，设置于显示屏幕的中心原点处并垂直于显示屏幕平面，与世界坐标 系z轴重合，用于放置棋盘格板，棋盘格板可在滑轨上滑动至不同位置处；
牵引电机，设置于滑轨上，当需要棋盘格板在滑轨的不同位置处进行参数 校正时，用于牵引棋盘格板在滑轨的不同位置上移动；
人眼跟踪摄像头，设置于显示屏幕上任一位置处，用于拍摄棋盘格板的图 案；
计算机，用于接收人眼跟踪摄像头所拍摄的棋盘格板的图案并进行图像分 析，得到棋盘格板上各点在人眼跟踪摄像头成像平面坐标系对应的坐标，还用 于根据人眼跟踪***内参数、棋盘格板上各点世界坐标系中坐标、棋盘格板上 各点在人眼跟踪摄像头成像平面坐标系对应的坐标计算确定人眼跟踪***外参 数。
第二方面，本发明实施例还提供了一种人眼跟踪***外参数校正方法，该 方法包括：
获取棋盘格板在滑轨第一位置处，人眼跟踪摄像头拍摄到的棋盘格板图案；
提取所述棋盘格板图案中与待校正外参数个数相应数量的特征点在人眼跟 踪摄像头成像平面坐标系中对应的坐标，
根据棋盘格板中各特征点在世界坐标系的坐标与棋盘格板中各特征点在人 眼跟踪摄像头成像平面坐标系中对应的坐标的映射关系确定人眼跟踪***外参 数。
本发明实施例通过使用人眼跟踪摄像头拍摄棋盘格板上的图案，由计算机 进行图像分析，建立棋盘格板中特征点在屏幕显示空间坐标系和人眼跟踪摄像 头成像空间坐标系的映射关系，进而确定人眼跟踪***外参数，统一两个空间 坐标系，使计算机可以直接根据人眼跟踪所给出的包括深度在内的人眼的坐标 信息，自动调节排图周期，及排图偏移量，使用户有良好的视觉3D视觉效果。
附图说明
图1是本发明实施例一中的人眼跟踪***外参数校正治具的结构示意图；
图2是本发明实施例一中的显示空间与人眼跟踪成像空间定义及关系示意 图；
图3是本发明实施例二中的人眼跟踪***外参数校正方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此 处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需 要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结 构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的人眼跟踪***外参数校正治具的示意图，该 图为校正治具的俯视图，本实施例可适用于人眼跟踪***外参数校正情况。如 图1所示，该校正治具具体包括：
棋盘格板110，用于建立世界坐标系与人眼跟踪摄像头成像平面坐标系之间 的映射关系，棋盘格板上各点的坐标在世界坐标系中是已知的。
其中，世界坐标系为以显示屏幕中心为原点、屏幕长轴为y轴、屏幕短轴 为x轴、屏幕中心法线为z轴所建立的坐标系；人眼跟踪摄像头成像平面坐标 系为以摄像头平面中心点为原点、摄像头拍摄平面横轴为x轴、摄像头拍摄平 面纵轴为y轴、摄像头平面光轴为z轴所建立的坐标系。
具体的，在标定时，棋盘格板中每一个棋盘方格的长度是预先设定且已知 的参数，这个长度与实际长度相同，这样标定得出的结果可直接用于实际距离 测量。每一个棋盘方格的长度一般以毫米为单位，如果需要更精确可以设为0.1 毫米量级。
滑轨120，设置于显示屏幕的中心原点处并垂直于显示屏幕平面，与世界 坐标系z轴重合，用于放置棋盘格板，棋盘格板可在滑轨上滑动至不同位置处。
在图2中，显示屏幕150与水平虚线的交点即为屏幕的中心原点，滑轨120 与水平虚线重合，垂直于显示屏幕150。
牵引电机130，设置于滑轨上，当需要棋盘格板在滑轨的不同位置处进行 参数校正时，用于牵引棋盘格板在滑轨的不同位置上移动。
在本实施例中，仅示例性的展示出牵引电机130设置于滑轨120上的位置， 具体的牵引电机130在滑轨120上的位置取决于校正治具在实际应用时的设置。
人眼跟踪摄像头140，设置于显示屏幕上任一位置处，用于拍摄棋盘格板 的图案。
人眼跟踪摄像头140设置于显示屏幕150上，可以是显示屏幕150的左侧、 右侧或是中间位置，优选的，设置于如图1所示的显示屏幕050的上边中间位 置。当人眼跟踪摄像头040拍摄到棋盘格板的图案后，会将所拍摄的图像发送 到计算机160进行图像分析，以获得确定人眼跟踪***外参数所需要的参数。
计算机160，用于接收人眼跟踪摄像头所拍摄的棋盘格板的图案并进行图 像分析，得到棋盘格板上各点在人眼跟踪摄像头成像平面坐标系对应的坐标， 还用于根据人眼跟踪***内参数、棋盘格板上各点世界坐标系中坐标、棋盘格 板上各点在人眼跟踪摄像头成像平面坐标系对应的坐标计算确定人眼跟踪*** 外参数。
进一步的，人眼跟踪摄像头外参数包括：人眼跟踪摄像头在世界坐标系的 三个轴的旋转参数R和位移参数T。外参确定了人眼跟踪摄像头在世界坐标系 中的位置和朝向。这些参数可以建立世界坐标系和成像坐标系的映射关系，即 可以用这些参数把一个三维空间中的点映射到图像空间。
具体的，人眼跟踪裸眼3D显示***主要包括3D显示模组和人眼跟踪***， 3D显示模组包括一个显示屏幕和用来呈现3D视觉效果的光学元件，其中光学 元件可以是棱镜，也可以是光栅，光学元件按照一定的周期和斜率进行排列。 当3D显示***和人眼跟踪摄像头内参数及畸变完成了校正之后，则将3D显示 模组和人眼跟踪***进行集成，形成人眼跟踪裸眼3D显示***，可以根据人 眼空间位置的变化自动调整3D图像的成像参数，如排图周期、排图偏移量， 使用户有良好的3D视觉效果。
当3D显示模组和人眼跟踪***集成后，会有两个空间坐标系，显示空间 坐标系与人眼跟踪成像空间坐标系。如图2所示，显示空间坐标系的定义是以 3D显示平面为坐标系中xy平面，屏幕中心为原点，屏幕长轴为y轴，屏幕短 轴为x轴，定义屏幕中心法线为z轴；人眼跟踪成像空间的定义是，以人眼跟 踪摄像头拍摄平面为人眼跟踪平面，即xy平面，其中原点为摄像头平面原点， x轴为摄像头拍摄平面x轴，y轴为摄像机平面y轴z轴为摄像头平面光轴(即xy平面法线)。这两个坐标系是有偏差的，不能直接将根据人眼跟踪摄像头拍 摄的人眼图像分析得到的人眼空间位置坐标用来调整屏幕显示图像的排图周期 和排图偏移量，否则人眼所观看到的3D图像会出现左右混叠或反转的情况。 因此，需要通过校正治具校正人眼跟踪***的外参数，以实现人眼跟踪坐标系 与显示坐标系匹配。
实现人眼跟踪***外参数校正的过程如下：
首先，用人眼跟踪摄像头140拍摄棋盘格板110在滑轨120上某一位置出 的图像，并将图像发送到计算机160进行分析，计算机160通过过图像分析提 取出棋盘格板110中的特征点(即棋盘格中的交点)在人眼跟踪摄像头140成 像坐标系下的坐标。此外，棋盘格板110中各棋盘格的边长是已知的且以世界 坐标系中的显示屏幕的坐标是一一对应的，即棋盘格板110中的特征点在世界 坐标系下的坐标是已知的。根据棋盘格板110中个特征点在两个坐标系下的坐 标及人眼跟踪摄像头140的内参数，计算机可以通过分析得出，人眼跟踪*** 的外参数。
进一步的，可以通过牵引电机130移动棋盘格板110到滑轨120的不同位 置，在多个不同的位置分别分析得出人眼跟踪***的外参数，进而确定一个更 为精确的结果作为最终的人眼跟踪***的外参数。
本实施例的技术方案，通过人眼跟踪摄像头、棋盘格板、滑轨、牵引电机、 计算机组成人眼跟踪***外参数校正治具，可以实现外参数的自动校正，使显 示空间坐标系与人眼跟踪成像空间坐标***一，进而可以直接根据人眼空间坐 标调整3D图像的排图周期和排图偏移量，校正效率高，降低了人工校正成本。
实施例二
图3为本发明实施例二提供的人眼跟踪***外参数校正方法的流程图，本 实施例可适用于人眼跟踪***外参数校正情况，通过上述实施例所提供的校正 治具来实现该方法。该方法具体包括：
S310、获取棋盘格板在滑轨第一位置处，人眼跟踪摄像头拍摄到的棋盘格 板图案。
具体的，棋盘格板中每一个棋盘方格的长度是预先设定且已知的参数，棋 盘格板放置在滑轨上正对着显示屏幕，棋盘格板中每一个点的坐标相对于世界 坐标系即显示屏幕空间坐标系是已知的。棋盘格板在滑轨第一位置处可以是滑 轨上任意的一个位置。人眼跟踪摄像头拍摄到的棋盘格板的图案即为整个棋盘 格板上的棋盘格，包括每一个棋盘格线的交点。
S320、提取所述棋盘格板图案中与待校正外参数个数相应数量的特征点在 人眼跟踪摄像头成像平面坐标系中对应的坐标。
其中，棋盘格板图案中的特征点即坐标在世界坐标系下已知的棋盘格线的 交点。提取特征点的数量与待确定外参个数相同即可，因此可以建立与待确定 外参个数相同的方程，进而确定各外参数。
S330、根据棋盘格板中各特征点在世界坐标系的坐标与棋盘格板中各特征 点在人眼跟踪摄像头成像平面坐标系中对应的坐标的映射关系确定人眼跟踪系 统外参数。
其中，棋盘格板中各特征点在世界坐标系的坐标与棋盘格板中各特征点在 人眼跟踪摄像头成像平面坐标系中对应的坐标的映射关系为：
wU＝AsRtx，其中wU为棋盘格板各特征点在人眼跟踪摄像头成像平面中坐 标位置矩阵，As为人眼跟踪摄像头内参数，Rt为人眼跟踪摄像头外参数矩阵， x为棋盘格板各特征点在世界坐标系下的坐标矩阵。
通过上述映射关系，和已知的内参数、特征点在两个坐标系下的坐标，即 可推导解析出人眼跟踪***的外参数：
wU＝AsRtx
Rt＝As-1wUxT(xxT)-1
其中，为相机内参数是在校正内参数和畸变时已经确定的，其 校正方法是采用了摄像头内参校正的标准方法，αx和αy分别表示焦距，x0和y0表 示主点坐标，s为坐标轴倾斜参数，理想情况下为0；为外参数， r表示人眼跟踪摄像头在世界坐标系下相对于三个坐标轴的旋转量，t表示人眼 跟踪摄像头在世界坐标系下相对于三个坐标轴的中心原点的位移量；为棋盘 格各点在世界坐标系下的坐标，为棋盘格个点在人眼跟踪坐标成像平面中位 置坐标。
进一步的，为了提高所校正的外参数的精确度，还可以通过移动棋盘格板 到不同位置分别重复上述过程确定人眼跟踪***外参数，具体包括如下步骤：
获取人眼跟踪摄像头在棋盘格板在滑轨除第一位置之外的至少一个位置处 拍摄得到的至少一个棋盘格板图案；根据至少一个棋盘格板图案中与待校正外 参数个数相应数量的各特征点在世界坐标系的坐标与所述各特征点在人眼跟踪 摄像头成像平面坐标系中对应的坐标的映射关系确定至少一个人眼跟踪***外 参数；根据至少一个人眼跟踪***外参数确定最终人眼跟踪***外参数。
当棋盘格板在不同位置处分别获得了人眼跟踪系外参数时，可通过加权平 均或是其他数学算法确定一个精确度更高的外参数，作为人眼跟踪***的外参 数。
本实施例的技术方案，通过拍摄棋盘格板图像并分析其中特征点在人眼跟 踪摄像头成像空间坐标系下的坐标，再根据已知的人眼跟踪***内参数和特征 点在显示空间坐标系下的坐标，进一步分析确定了人眼跟踪***的外参数，使 显示空间坐标系与人眼跟踪成像空间坐标***一，进而可以直接根据人眼空间 坐标调整3D图像的排图周期和排图偏移量，校正效率高，降低了人工校正成 本。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员 会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进 行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽 然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以 上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例， 而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种人眼跟踪***外参数校正治具，其特征在于，包括：
棋盘格板，用于建立世界坐标系与人眼跟踪摄像头成像平面坐标系之间的映射关系，其中，棋盘格板上各点的坐标在世界坐标系中是已知的；
滑轨，设置于显示屏幕的中心原点处并垂直于显示屏幕平面，用于放置棋盘格板，棋盘格板可在滑轨上滑动至不同位置处；
牵引电机，设置于滑轨上，当需要棋盘格板在滑轨的不同位置处进行参数校正时，用于牵引棋盘格板在滑轨的不同位置上移动；
人眼跟踪摄像头，设置于显示屏幕上任一位置处，用于拍摄棋盘格板的图案；
计算机，用于接收人眼跟踪摄像头所拍摄的棋盘格板的图案并进行图像分析，得到棋盘格板上各点在人眼跟踪摄像头成像平面坐标系对应的坐标，还用于根据人眼跟踪***内参数、棋盘格板上各点世界坐标系中坐标、棋盘格板上各点在人眼跟踪摄像头成像平面坐标系对应的坐标计算确定人眼跟踪***外参数。
2.根据权利要求1所述的人眼跟踪***外参数校正治具，其特征在于，所述世界坐标系为以显示屏幕中心为原点、屏幕长轴为y轴、屏幕短轴为x轴、屏幕中心法线为z轴所建立的坐标系；所述人眼跟踪摄像头成像平面坐标系为以摄像头平面中心点为原点、摄像头拍摄平面横轴为x轴、摄像头拍摄平面纵轴为y轴、摄像头平面光轴为z轴所建立的坐标系。
3.根据权利要求1所述的人眼跟踪***外参数校正治具，其特征在于，所述人眼跟踪摄像头外参数包括：人眼跟踪摄像头在世界坐标系的三个轴的旋转参数和位移参数。
4.一种人眼跟踪***外参数校正方法，其特征在于，包括：
获取棋盘格板在滑轨第一位置处，人眼跟踪摄像头拍摄到的棋盘格板图案；
提取所述棋盘格板图案中与待校正外参数个数相应数量的特征点在人眼跟踪摄像头成像平面坐标系中对应的坐标；
根据棋盘格板中各特征点在世界坐标系的坐标与棋盘格板中各特征点在人眼跟踪摄像头成像平面坐标系中对应的坐标的映射关系确定人眼跟踪***外参数。
5.根据权利要求4所述的人眼跟踪***外参数校正方法，其特征在于，所述棋盘格板中各特征点在世界坐标系的坐标与棋盘格板中各特征点在人眼跟踪摄像头成像平面坐标系中对应的坐标的映射关系为：
wU＝AsRtx，其中wU为棋盘格板各特征点在人眼跟踪摄像头成像平面中坐标位置矩阵，As为人眼跟踪摄像头内参数，Rt为人眼跟踪摄像头外参数矩阵，x为棋盘格板各特征点在世界坐标系下的坐标矩阵。
6.根据权利要求4所述的人眼跟踪***外参数校正方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取人眼跟踪摄像头在棋盘格板在滑轨除第一位置之外的至少一个位置处拍摄得到的至少一个棋盘格板图案；
根据至少一个棋盘格板图案中与待校正外参数个数相应数量的各特征点在世界坐标系的坐标与所述各特征点在人眼跟踪摄像头成像平面坐标系中对应的坐标的映射关系确定至少一个人眼跟踪***外参数；
根据至少一个人眼跟踪***外参数确定最终人眼跟踪***外参数。
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