利用视线测量自由空间被测点坐标的几何量测量新方法研究

The research subject is presented on "Study of Method of Spatial Geometric Measurement by Use of Eye Tracking Gaze Points in Free Space ". Key theories and scientific problems are: The measurement theories and method of binocular gaze point tracking in free space, the multi-coordinate transformation modeling, the associated calibration method among the multi-coordinate systems and error analysis, as well as the coordinate measuring model of the spatial points by free space gaze tracking and measurement error distribution. Because of impossibility of direct measuring real sight direction by eyes, a new definition of indirect estimational sight direction is presented, and the real sight direction is known by the error correction of deviation angle between real sight direction and indirect estimational sight direction.The following research proposal is given (1) to set two smart stereovision sets on the head for free space eyes tracking, (2) a GPS and 3-axis gyroscope could be used to measure the position and pose of head, (3) laser tracker or dual-frequency differential GPS and standard grid could be used to build the correlation among world coordinate system, head coordinate system and smart stereo vision systems. The measurement of spatial point coordinates can be achieved by use of free space gaze tracking to choose the spatial point and eye movement operating instruction. The research result can give scientific theory and technique guarantee to the free space geometric measurement by eye sight direction tracking and eye movement operating instruction, and it can create a new metrology method for 3D geometric measurement.

本课题提出“利用视线测量自由空间被测点坐标的几何量测量新方法研究”。关键理论和科学问题是：自由空间双目视线跟踪测量所涉及的方法及相关理论，多坐标系变换建模、关联标定方法和误差分析，以及基于视线跟踪被测点的空间坐标测量模型及测量误差分布。由于真实视线不能直接测得，本课题提出了视线间接估计方向的定义，并通过比对测试获得视线偏差角的系统误差修正，实现真实视线的跟踪测量。拟在头部移动坐标系上放置两套微型立体视觉测量系统实现双眼的自由空间视线跟踪；采用GPS和三轴陀螺组合位姿测量模块获得头部移动坐标系位姿；利用激光跟踪仪或双频差分GPS和标准网格板实现组合标定，建立大地坐标系、头部移动坐标系和立体视觉坐标系的基准关联；通过凝视空间被测点的自由空间视线跟踪和眼动操作指令实现空间点坐标的测量。该课题研究成果将为通过视线跟踪实现空间几何量测量提供科学的理论依据和技术保证，为几何量测量创造一种新的测量方式。

视线跟踪技术起源于眼动的研究，长期以来眼动和视线的研究主要集中在解剖学、神学、心理学和行为学领域。近年来，人们将这一技术引入信息领域，并结合机器视觉、图像处理及生物特征检测与识别等新技术，形成现在的视线跟踪技术。自由空间注视点空间坐标估计是视线跟踪方法的高级应用形式，将其应用于自由空间被注视物体尺寸测量是视线跟踪理论的重要研究方向。.本项目提出了一种基于简化3D眼睛模型的视线估计方法。该方法保留了3D眼睛模型中的瞳孔中心、眼球中心、内眼角点与视轴与光轴间夹角作为眼睛特征来计算视轴空间直线。该方法能够输出具有较高精度的双眼空间视轴直线参数，观察放置于2m远的标定板时的视线方向估计平均误差和均方根误差为0.98°±0.45°。针对注视点空间坐标测量，提出一种融合瞳距中点与注视点矢量和高斯过程回归算法的注视点深度信息映射的注视点空间坐标估计方法。该方法使用高斯过程回归算法建立注视点深度信息与双眼瞳孔中心空间坐标、视轴空间直线参数之间的映射模型，并通过使用个人校准步骤中的注视点深度信息数据来降低实际使用时的注视点深度估计误差。使用该自由空间注视点估计方法观察不同距离下的标定板时，注视点坐标估计结果较使用双眼视轴公垂线中点方法时有了很大的改善，2m内的注视点空间坐标估计的平均误差和均方根误差为15.41±11.78 cm。为实现以上两种主要方法，本项目建立了一种基于立体视觉的视线跟踪系统模型，并针对该模型提出了系统标定方法和立体视觉摄像机图像中瞳孔轮廓的提取算法。.目前视线跟踪技术的共性特征是需要环境的主动配合，无法做到自由空间视线跟踪，本项目重点聚焦自由空间视线跟踪测量所涉及的关键理论研究，实现和验证了利用视线对自由空间物体几何量测量方法的可行性。