CN113052921A - 一种三维视线跟踪***的***标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维视线跟踪***的***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***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***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***相机视野范围内的问题,尤其适用于近眼视线跟踪***,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***标定需求。
Description
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***的***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***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***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***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***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***可以估计出真实的视线空间方向,因此该***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***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***明显优于2D凝视跟踪***。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***标定。研究三维凝视跟踪***的***标定有两个原因: (1)在3D视线估计研究中,需要精确校准***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***摄像机框架中光源和屏幕的位置。例如,凝视跟踪***(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***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***校准来确定。
现有的***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***标定方法的不足,本发明提出了一种基于三维视线跟踪的***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***的***标定方法,该方法主要用于标定***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***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***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***的***标定方法,包括以下步骤:
对***相机进行标定,获得***相机的内部参数;
在***相机的视场中放置标定球,拍摄标定球及标定球上反射形成的亮斑图像;
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,多个平面相交于光源和***相机光学中心的连线,以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***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;
固定***相机与屏幕之间位置关系,在屏幕四角点及中心放置回光反射标志,所述回光反射标志用于模拟点光源;
将标定球放置于三维视线跟踪***的前方,采用与光源标定相同的方法,改变标定球的位置,标定出屏幕上回光反射标志的三维空间坐标,根据回光反射标志的三维空间坐标拟合出屏幕的平面方程。
优选地,所述***相机的内部参数包括焦距、像主点、像原大小、畸变参数。
优选地,所述求得光源所在的直线的步骤具体包括:
当标定球位于第一位置A时,点为***相机光学中心,由光源照向标定球表面上的点反射后在***相机中成像,标定球球心的成像点为,根据球面反射定律及相机成像模型,、、、、及六点共面,设该平面为,其法向量表示为:
其中
优选地,所述对光源点进行优化求解的步骤具体包括:
根据小孔成像模型和光线在球表面的反射定律,光线的入射角等于反射角得到:
优选地,对于角度优化目标:
确定C和L值后,OG方向即确定,CG是GL和GO的角度分隔线,根据相机的针孔成像模型和光源的球面反射模型设置,以此计算出G点;
优选地,对于半径优化目标:
根据获得的光源和的三维坐标,从图像中提取标定球反射亮斑图像的特征值,确定***相机坐标系下和的坐标;根据反射定律,入射光线、反射光线和反射光法线是共面的,对于光源和,其中、为入射光线的单位矢量,、为反射光线的单位矢量,、为反射光法线的单位矢量,那么点、、、、和点、、、、分别在同一平面上;这两个平面中的向量满足以下关系:
标定球球心位置表示为:
将问题转化为优化问题;当最小值趋于零时,模型的最优解出现,由此得到校准球的中心点坐标和校准球的半径:
优选地,对于距离优化目标:
L值反映了***中两个光源之间位置的准确性;对于多光源***,平均L值反映了各光源之间空间关系的精度;任意两个光源之间的距离间接反映出每个光源的精度。
求解问题P3:
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括:
本发明实施例中,通过改变标定球的位置,拍摄多组不同位置的标定球和亮斑图像,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***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***中进行优化求解,将可能的光源点收敛到真实的光源点,得到光源的三维坐标,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***相机视野范围内的问题,尤其适用于近眼视线跟踪***,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***标定需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种三维视线跟踪***的***标定方法的流程图;
图2是本发明实施例提供的对光源进行标定的示意图;
图3是本发明实施例提供的标定球多个位置光源成像示意图;
图4是本发明实施例提供的多光源球面反射原理图;
图5是本发明实施例提供的优化进程示意图;
图6是本发明实施例提供的对屏幕进行标定的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明的实施例提供了一种三维视线跟踪***的***标定方法,如图1所示,该方法包括以下步骤:
对***相机进行标定,获得***相机的内部参数,包括焦距、像主点、像原大小、畸变参数等;
在***相机的视场中放置标定球,拍摄标定球及标定球上反射形成的亮斑图像;
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,多个平面相交于光源和***相机光学中心的连线,以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***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;
固定***相机与屏幕之间位置关系,在屏幕四角点及中心放置回光反射标志,所述回光反射标志用于模拟点光源;
将标定球放置于三维视线跟踪***的前方,采用与光源标定相同的方法,改变标定球的位置,标定出屏幕上回光反射标志的三维空间坐标,根据回光反射标志的三维空间坐标拟合出屏幕的平面方程。
本发明实施例中,通过改变标定球的位置,拍摄多组不同位置的标定球和亮斑图像,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***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***中进行优化求解,将可能的光源点收敛到真实的光源点,得到光源的三维坐标,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***相机视野范围内的问题,尤其适用于近眼视线跟踪模组,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***标定需求。
具体地,如图2所示,将一个模仿人眼角膜的球形标定物放置在***相机的视野范围内,***相机拍摄标定球及标定球上的红外光源反射亮斑图像。改变标定球的位置,拍摄多组不同位置的标定球和亮斑图像。根据不同位置的球心和亮斑坐标,可以构建多个平面,这些平面相交于光源和***相机光学中心的连线。由此,可以求得光源所在的直线。接下来在光源所在的直线,带入三维视线跟踪***中进行优化求解,进而得到光源准确的三维空间坐标位置。具体的标定过程主要包括以下步骤:
(1)相机标定,获得相机内部参数(焦距、象主点、像原大小、畸变等参数)。
(2)将标定球放置于***相机视场中,多次改变标定球的位置并拍摄标定球图像,获得球体表面反射点的成像三维坐标,进而得到光源相对于***相机光学中心的方向。
(3)确定光源大致范围,将光源坐标离散化,带入三维视线跟踪***中进行优化求解。
本发明方法充分考虑了各种误差因素的影响,巧妙地利用光源在标定球上反射点的图像,首先对光源点进行粗定位,确定光源所在的直线,然后再根据已知的标定球参数,建立优化算法,使光源坐标收敛于最后值。所述方法的光源标定精度可达0.1mm。
本方法基于单相机***,对多相机***,可以选其中一个相机作为***相机。多个光源的标定过程同理于一个光源的标定过程,这里以单相机单光源为例,当***相机、光源及标定球相对位置关系固定时(如图3所示,此时标定球位于A处),光源在标定球上的亮斑位置固定,其中点为相机光学中心,由光源照向标定球表面上的点反射后在相机中成像,标定球球心在图像上的成像点为,由球面反射定律及相机成像模型可知,、、、、及点六点共面,设该平面为,其法向量可表示为:
其中:
根据小孔成像模型和光线在球表面的反射定律,光线的入射角等于反射角可得:
对于角度优化目标:确定C和L值后,OG方向将确定。也就是说,CG是GL和GO的角度分隔线,它是根据相机的针孔成像模型和光源的球面反射模型设置的。因此可以计算出G点。(在大多数情况下,可以获得两个解,这里选择一种更接近点O的解。)
直接反映光源位置的精度。当光源有偏差时,不能满足上式。越小,光源的校准结果越准确。因为校准球的半径(约7.5mm)小于光源和摄像机之间的距离(40-50mm),通过等式(5)得知,当G点与C点之间存在误差时,的结果将受到很大影响。这两个变量是中间过程变量,受多个变量影响,作为单一优化目标抗干扰性差,因此需要与其他优化目标一起进行约束。
对于半径的优化目标:如图4所示,按照上述方法,可以在一定范围内获得光源和的三维坐标。可以从图像中提取标定球反射点的特征值,即可以确定***相机坐标系下和的坐标。 根据反射定律,入射光线,反射光线和反射法线是共面的,对于光源和,、为入射射线的单位矢量,、为反射光的单位矢量,、为反射光法线的单位矢量。因此,点、、、、和点、、、、分别在同一平面上;也就是说,这两个平面中的向量满足以下关系:
因此,标定球球心位置可表示为:
将问题转化为优化问题,便于求解;当最小值趋于零时,模型的最优解出现。由此得到标定球的中心点坐标和半径。
由上述推导过程不难发现,从整体上反映了和的校准精度。对于多光源***,反映所有光源的校准精度。越大,***光源的整体误差越大。同时,更容易受到个体的影响。当光源误差较大时,会使整体误差增大。所以它不可能是唯一的目标函数。
对于距离的优化目标:因为难以得知在***相机坐标系下所有光源的实际值,所以无法将测量值与实际值进行比较,从而直接检验检测精度。但是,可以间接地进行验证。对于多光源***,可以准确测量多个光源之间的距离(标准值记为),它们之间的任何偏差都记录为光源的距离误差:
L值反映了***中两个光源之间位置的准确性。对于多光源***,平均L值反映了各光源之间空间关系的精度。在这种情况下,任意两个光源之间的距离可以间接地反映出每个光源的精度。但是,由于使用相对位置关系来验证精度,所以有必要保证大多数光源的结果都是准确的。否则,校准结果会有偏差。
求解问题P3:
屏幕标定的方法与光源标定的方法相似。如图6所示,在屏幕的四个角点及中心位置分别放置四个回光反射标志(白色圆点所示),用于反射三维视线跟踪***中的红外光源的红外光,由此模拟点光源。与光源标定方法同理,将标定球位于视线跟踪***的前面,由***相机拍摄标定球的图像,改变标定球的位置,得到多组标定球在不同位置下的模拟点光源反射点的亮斑图像,由球形物体反射模型及成像模型求得模拟点光源相对于相机光学中心的方向,根据先验知识确定屏幕的范围,对屏幕角点坐标进行离散,带入三维视线跟踪***中进行优化求解,进而得到回光反射标志准确的三维空间坐标位置,进而拟合出屏幕的平面方程。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种三维视线跟踪***的***标定方法,其特征在于,包括以下步骤:
对***相机进行标定,获得***相机的内部参数;
在***相机的视场中放置标定球,拍摄标定球及标定球上反射形成的亮斑图像;
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,多个平面相交于光源和***相机光学中心的连线,以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***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;
固定***相机与屏幕之间位置关系,在屏幕四角点及中心放置回光反射标志,所述回光反射标志用于模拟点光源;
将标定球放置于三维视线跟踪***的前方,采用与光源标定相同的方法,改变标定球的位置,标定出屏幕上回光反射标志的三维空间坐标,根据回光反射标志的三维空间坐标拟合出屏幕的平面方程。
2.根据权利要求1所述的***标定方法,其特征在于,所述***相机的内部参数包括焦距、像主点、像原大小、畸变参数。
6.根据权利要求4所述的***标定方法,其特征在于,对于半径优化目标:
根据获得的光源和的三维坐标,从图像中提取标定球反射亮斑图像的特征值,确定***相机坐标系下和的坐标;根据反射定律,入射光线、反射光线和反射光法线是共面的,对于光源和,其中、为入射光线的单位矢量,、为反射光线的单位矢量,、为反射光法线的单位矢量,那么点、、、、和点、、、、分别在同一平面上;这两个平面中的向量满足以下关系:
标定球球心位置表示为:
将问题转化为优化问题;当最小值趋于零时,模型的最优解出现,由此得到校准球的中心点坐标和校准球的半径:
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117648037A (zh) * | 2024-01-29 | 2024-03-05 | 北京未尔锐创科技有限公司 | 一种目标视线跟踪方法及*** |
CN117648037B (zh) * | 2024-01-29 | 2024-04-19 | 北京未尔锐创科技有限公司 | 一种目标视线跟踪方法及*** |
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CN113052921B (zh) | 2021-10-15 |
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