光学技术OPTICALTECHNIQUE第33卷第4期2007年7月Vol.33No.4July2007:100221582(2007)0420498203Ξ基于普尔钦斑点的人眼视线方向检测李东平1,郝群1,黄惠明2(1.北京理工大学信息科学技术学院光电工程系,北京100081;2.北京跟踪与通信技术研究所,北京100094)摘要:分析了在人眼视线方向检测中普尔钦斑的成像机理,探讨了普尔钦斑的位置与眼球转动角度间的变化关系,发现普尔钦斑的位置随着眼球的转动而基本呈线性变化的规律。提出了仅利用普尔钦斑的偏移量来检测视线方向的新方法。该方法只需在拍摄得到的眼睛图像中寻找灰度特征明显的普尔钦斑即可准确判断出使用者的视线方向。实验证明,该方法简单有效,所需要的运算量小,可提高视线方向的检测速度和精度,能进一步简化检测装置。关键词:视线方向检测;普尔钦斑;眼球成像:O435;TN911.73文献标识码:AAnovelgazetrackingapproachbasedonPurkinjeimageLIDongΟping1,HAOQun1,HUANGHuiΟming2(1.DepartmentofOpticalEngineering,Bei激ngInstituteofTechnology,Bei激ng100081,China)(2.Bei激ngInstituteofTrackandTelecommunicationTechnology,Bei激ng100094,China)Abstract:TheimagingprincipleofPurkinjeimage,thechangeofitspositionwiththeeyemovesareanalyzed,andthepo2sitionofPurkinjeimageshiftslinearlywiththerotationΟangleofeyeballisproposed.Basedonthis,anovelapproachtononΟin2trusivegazetracking,whichonlymustlocatethePurkinjeimagethathasevidentedgeandprominent角膜上形成高亮度反射点,称为普尔钦斑点,利用侧前方固定位置的CCD摄像机来获取眼部图像。当眼球转动注视不同方向时,由于眼球近似为球体,普尔钦斑点不动,瞳孔相对普尔钦斑点发生偏移,将此偏移量进行空间坐标变换,即可计算出人眼的视线方向。当利用红外电视法检测人眼视线方向时,需要利用图像处理和模式识别的知识做大量计算来找出瞳孔和普尔钦斑点,这对算法和硬件的要求都比较高。本文通过深入分析在人眼视线方向检测中普尔钦斑的成像机理以及它的位置与眼球转动角度间的变化关系,在得到了普尔钦斑的位置随眼球转动而呈线性变化的规律后,提出了一种新的只需要检测普尔钦斑点就可检测出人眼视线方向的新方法,该1引言通过检测人眼的视线方向,一方面可以找出人眼感兴趣的区域或对象目标,进一步研究人的生理功能及心理活动情况;另一方面可以通过眼睛的转动来实现对外部设备的控制,成为人机交互的重要手段之一1,进而实现多任务操作。例如:视线方向识别可以协助飞行员在发现目标的同时,通过眼睛来控制火控系统的发射,从而完成驾驶与攻击的双重任务;另外可以帮助残疾人或病人与计算机和医疗设备进行信息沟通或命令传递2。目前已有的视线方向检测方法可分为接触式和非接触式两大类1。在接触式系统中,因为仪器接触到人体有可能造成某些物理伤害,因此目前应用较多的大都是非接触式测量系统。非接触式测量方法通常是利用对光源进入眼球后的反射图像进行分析处理来判断识别视线方向的,目前比较理想的一种视线方向测量方法,即红外电视法3,4就是如此。其基本原理是将近红外光源放置在被测者头部侧前方的固定位置,光源所发出的近红外光在用户眼睛人眼转动情况分析2本文搭建了一套非接触式人眼视线方向检测装置。该装置由头盔、CCD摄像头、光源、DSP图像处理板及软件组成(图1)。利用波长为940nm的红外Ξ收稿日期:2006202227;收到修改稿日期:2006205215E2mail:qhao@bit.edu.cn基金项目:国家自然科学基金资助项目(60203005);国家教育部《跨世纪优秀人才计划》基金资助项目作者简介:李东平(1982Ο),男,北京理工大学信息科学技术学院光电工程系硕士研究生,主要从事光电图像处理与控制的研究。LED对人眼进行照明,位于人眼侧前方的CCD摄像头实时捕捉人眼转动的图像,然后传送给DSP图像处理板,利用特定图像处理算法对其进行处理,计算出人眼的视线方向。利用该检测系统对使用者的眼睛在转动过程中的瞳孔中心和普尔钦斑点的运动变况进行了分析。假定光源位于摄像头中央位置M,离眼球表面的距离为D,如图3所示。图中,点O为眼球中心,眼球水平轴半径为R1,角膜曲率半径为R2,点O为曲率中心,焦距f2...