自由头动式眼动跟踪系统

摘要

眼动跟踪技术在医疗康复、军事作战、车辆驾驶、交互游戏等方面都有广泛的应用。基于投影空间中交比不变性的眼睛凝视点估计是目前眼动跟踪的热点。因此,本文针对传统眼动跟踪技术中采用静态参数的交比估计凝视点存在精度较低的问题,提出了一种依靠动态参数来建立动态虚拟平面进行凝视点估计的方法,可以有效提高凝视点估计的精度。本文的主要学术贡献如下:
　　设计了一套基于近红外光的自由头动式眼动跟踪系统,系统改进了特征提取与标定算法,对于不同用户,使用前需要进行标定。系统能够满足用户在使用过程中的头部较大范围内自由运动。红外灯置于可调节框架上,使得系统可以适用不同尺寸屏幕。此外,采用屏幕与红外灯分离技术使得系统具有很好的移植性。
　　针对传统静态参数估计凝视点方法的不足,本文提出了一种依赖凝视点的凝视点估计算法。通过引入动态虚拟平面模型,在离线参数学习中建立起凝视点位置与参数之间的对应关系。该方法分成两个基本的步骤:预估计步骤和优化步骤。根据传统静态参数的交比可以计算粗略的凝视点位置;其次,根据该位置可以计算动态的参数,估计出对应的最优参数并用于最终的凝视点估计计算。该方法克服了采用静态参数进行凝视点估计时精度较低的问题。
　　此外,本文提出了视点依赖交比的动态参数建模和标定方法。改进了传统自由头动式眼动跟踪系统的标定算法,增加了凝视屏幕中央位置的标定实现对动态参数的标定。通过遍历查找法找出屏幕中央位置对应的最优标定参数,再将该最优标定参数与采用传统方法获得的标定参数结合起来用于凝视点估计计算。该标定算法细化了标定参数表征,能够有效提高凝视点估计精度。
　　在本文搭建的系统上,分别对静态参数法和动态参数法方法进行了实验评估。实验结果表明,传统的静态参数法精度大约为2.6°,而本文提出动态参数法精度大约为1.1°精度提高了1.5°,误差范围缩小了57.6％,取得了显著的实验效果。

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第一章 绪 论

1.1 眼动跟踪技术概述

1.2 眼动跟踪技术的国内外研究现状

1.3 论文研究的内容及结构

1.4 本章小结

第二章 眼动跟踪系统的设计与实现

2.1 系统设计的理论依据

2.2 基于单相机的自由头动式眼动跟踪方法

2.3 静态参数虚拟平面

2.4 系统构架

2.5本章小结

第三章 基于交比不变性的静态参数凝视点估计

3.1 人眼、光斑、瞳孔中心检测

3.2 自由头动式眼动跟踪系统标定

3.3 基于交比不变性的凝视点估计

3.4 凝视点估计误差分析

3.5 实验结果及分析

3.6 本章小结

第四章 基于交比不变性的动态参数凝视点估计

4.1 动态虚拟平面模型

4.2 动态虚拟平面表征

4.3 凝视点迭代估计计算

4.4 依赖凝视点的凝视点计算算法流程

4.5 实验与误差分析

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文主要贡献

5.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

硕士期间取得的研究成果