CN110069124A - 双模式视线追踪方法与系统 - Google Patents

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Abstract

一种双模式视线追踪方法及系统，发射红外线光束以执行红外线追踪，并同时进行可见光校正。当可见光所得到的注视位置与红外线所得到的注视位置之间的第一误差小于预设的第一临界值，则关闭红外线光束以执行可见光追踪。进入可见光检查期间，当可见光所得到的注视位置与红外线所得到的注视位置之间的第二误差小于预设的第二临界值，则关闭红外线光束而继续执行可见光追踪。

Description

双模式视线追踪方法与系统
技术领域
本发明是有关一种视线追踪，特别是关于一种双模式视线追踪系统与方法。
背景技术
视线追踪(eye tracking)是一种使用感测装置以得到人眼注视位置(gazeposition)的技术。视线追踪装置(又称眼动仪)根据配置位置可分为远距型(remote)与携带型(mobile)两大类。远距型的视线追踪装置距离人眼至少为数十公分以上，因此准确度较低。携带型的视线追踪装置设置于人眼附近，例如设置于眼镜架上，可达成较高的准确度。然而进行追踪时，视线追踪装置的电源须持续开启，因此使用时间受到限制，例如仅能使用数小时。
视线追踪装置可适用于各种的应用场合。例如，使用视线追踪装置于医疗照护(healthcare)，可辅助侦测眨眼来改善预防干眼症状。使用视线追踪装置于车用安全，可对驾驶进行专注力分析以预防疲劳驾驶的情形发生。使用视线追踪装置于虚拟实境(VR)或扩增实境(AR)，可辅助收集资讯，使虚拟实境或扩增实境达到更好的效能。
一般视线追踪装置使用单一或数个近红外线(near infrared)光源，撷取并分析红外线影像以得到人眼的注视位置。然而，红外线系统于室外阳光强烈时会发生误判，降低准确度，因此较佳适用范围为室内。
更重要的是，携带型视线追踪装置的红外线光源距离人眼很近，若长期配戴将使人眼长时间受到红外线的照射，产生红外线对于人眼伤害的疑虑。因此，降低使用者配戴携带型视线追踪装置的意愿。
因此亟需提出一种新颖的视线追踪机制，用以降低功率消耗以延长使用时间，且能降低红外线照射至人眼的总能量。
发明内容
鉴于上述，本发明实施例的主要目的在于提出一种双模式视线追踪系统与方法，可切换于红外线追踪模式与可见光追踪模式。本实施例的光源以自然光为主，红外线为辅，因而可以有效降低功耗以延长使用时间，且能避免人眼长时间受到红外线的照射，减低红外线对于人眼伤害的疑虑。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
根据本发明实施例，双模式视线追踪方法包含以下步骤。发射红外线光束以执行红外线追踪而得到人眼的第一注视位置，并同时进行可见光校正以得到人眼的第二注视位置。决定第二注视位置相对于第一注视位置的第一误差。当第一误差小于预设的第一临界值，则关闭红外线光束以执行可见光追踪。在可见光检查期间，发射红外线光束并决定可见光所感测得到的第二注视位置与红外线所感测得到的第一注视位置之间的第二误差。当第二误差小于预设的第二临界值，则关闭红外线光束而继续执行可见光追踪。
所述的双模式视线追踪方法，其中该第一临界值小于该第二临界值。
所述的双模式视线追踪方法，在执行该红外线追踪步骤之前，更包含一步骤以进行红外线校正。
所述的双模式视线追踪方法，其中该红外线追踪的期间小于该可见光追踪的期间。
所述的双模式视线追踪方法，在该可见光检查期间之前，更包含一步骤以决定是否符合预设条件，当符合该预设条件，则进入该可见光检查期间，否则继续执行可见光追踪。
本发明解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
根据本发明另一实施例，双模式视线追踪系统包含红外线发光器、影像感测器及控制器。红外线发光器用以发射红外线光束至人眼。影像感测器接收输入影像，并将其转换为电子信号，其中输入影像包含红外线影像与可见光影像，且影像感测器可感测可见光范围与红外线范围。控制器控制以开启或关闭红外线发光器。其中控制器控制影像感测器，使其根据可见光影像以产生相应的可见光电子信号，或根据红外线影像以产生相应的红外线电子信号，或同时产生两者。
所述的双模式视线追踪系统，更包含处理器，接收该影像感测器所产生的电子信号，据以得到人眼的注视位置。
所述的双模式视线追踪系统，更包含穿戴式电脑眼镜，其上设有该红外线发光器、该影像感测器、该控制器及该处理器。
所述的双模式视线追踪系统，其中通过该穿戴式电脑眼镜的其中一个镜片中的感测器以感测可见光影像，并通过另一个镜片中的感测器以感测红外线影像。
所述的双模式视线追踪系统，其可切换于红外线追踪模式与可见光追踪模式。
所述的双模式视线追踪系统，其中该红外线发光器包含至少一个红外线光源。
所述的双模式视线追踪系统，其中该影像感测器同时涵盖感测可见光及红外线。
所述的双模式视线追踪系统，其中该影像感测器包含一个可见光影像感测器与至少一个红外线影像感测器。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1显示本发明实施例的双模式视线追踪系统的系统方框图。
图2例示图1的影像感测器的光谱灵敏度。
图3例示智慧型眼镜的立体图。
图4显示本发明实施例的双模式视线追踪方法的流程图。
图5显示红外线(IR)追踪模式与可见光(VL)追踪模式相对于误差的变化曲线。
【主要元件符号说明】
100：双模式视线追踪系统 11：红外线发光器
111：红外线光束 12：人眼
13：影像感测器 131：输入影像
14：控制器 15：处理器
31：镜腿 32：盒
33：镜框 400：双模式视线追踪方法
41：红外线校正模式
42：红外线追踪模式(可见光校正)
43：第一误差是否小于第一临界值
44：可见光追踪模式
45：是否已达预设时间间隔
46：可见光检查期间
47：第二误差是否小于第二临界值
R：红色光 G：绿色光
B：蓝色光 IR：红外线
VL：可见光
具体实施方式
图1显示本发明实施例的双模式视线追踪系统(dual mode eye trackingsystem)100的系统方框图，用以得到人眼的注视位置(gaze position)。在本实施例中，双模式视线追踪系统(以下简称追踪系统)100可包含红外线发光器(IR illuminator)11，用以发射红外线光束111至人眼12。在一例子中，红外线发光器11是由至少一个红外线光源组成。图1所示的红外线光束111仅为示意，并非代表实际的光路径。本实施例的红外线发光器11所发射的红外线光束111为近红外线(例如波长范围0.75～1.4微米)，但也可以是红外线(波长范围0.7～1000微米)的其他部分。
本实施例的追踪系统100可包含影像感测器13(例如相机)，其接收输入影像131，并将其转换为电子信号。根据本实施例的特征之一，影像感测器13可感测可见光(VL)范围(例如波长范围0.4～0.7微米)及红外线范围(例如近红外线)。换句话说，影像感测器13所接收的输入影像131，可包含红外线影像，其是由(红外线发光器11发射的)红外线光束111经人眼12反射或/且折射后而得到；或可见光影像，其是由周围自然光经人眼12反射或/且折射后而得到。
图2例示图1的影像感测器13的光谱灵敏度(spectral sensitivity)，其涵盖了可见光范围(例如红色光(R)、绿色光(G)、蓝色光(B))与红外线范围(例如近红外线)。在一例子中，影像感测器13可同时涵盖感测可见光(例如红色光、绿色光、蓝色光)及红外线。在另一实施例中，影像感测器13则是由可见光影像感测器与至少一个红外线影像感测器所组成。
在本实施例中，追踪系统100可包含控制器14，其控制红外线发光器11，用以开启或关闭红外线发光器11。此外，控制器14还可控制影像感测器13，使其根据输入影像131的可见光影像以产生相应的可见光电子信号，或输入影像131的红外线影像以产生相应的红外线电子信号，或同时产生两者。
本实施例的追踪系统100还可包含处理器15(例如影像处理器)，接收影像感测器13所产生的电子信号，据以得到人眼12的注视位置。
本实施例的追踪系统100可适用于远距型(remote)应用，例如追踪系统100与人眼相距0.5公尺。本实施例的追踪系统100也可适用于携带型(mobile)或近距型应用，例如穿戴式电脑眼镜(wearable computer glasses)，或称为智慧型眼镜(smart glasses)。图3例示智慧型眼镜的立体图。上述的控制器14及处理器15可设于镜腿(leg)31上的盒32内，影像感测器13可设于盒32内或镜框(frame)33上，而红外线发光器11则可设于镜框33上。在一例子中，在智慧型眼镜的其中一个镜片中(或附近)的感测器以感测可见光影像，在另一个镜片中(或附近)的感测器以感测红外线影像。
图4显示本发明实施例的双模式视线追踪方法400的流程图。本实施例的双模式视线追踪方法(以下简称追踪方法)400可适用于远距型应用，也可适用于携带型应用，例如智慧型眼镜。以下将配合图1所示的追踪系统100详细说明本实施例的追踪方法400的执行细节。
于步骤41，进行红外线校正(IR calibration)模式。控制器14开启红外线发光器11，用以发射红外线光束111至人眼12。此外，控制器14控制影像感测器13使其感测输入影像131的红外线影像，以产生相应的红外线电子信号。所产生的红外线电子信号经处理器15的处理后，可得到人眼12的注视位置。在一红外线校正例子中，如图3所例示的智慧型眼镜，其显示(静止或动态的)预设图样(pattern)让使用者观看，再比较(处理器15所处理的)注视位置是否与预设图样的位置相符合。如果经比较后两者的差值超出预设的容许范围，则追踪系统100可进行自动或手动的调整，直到两者的差值落入预设的容许范围。根据上述，于红外线校正模式(步骤41)期间，红外线发光器11为开启，且影像感测器13仅感测输入影像131的红外线影像，以产生相应的红外线电子信号。
当红外线校正完成，接着，进入步骤42的红外线追踪模式，使用红外线发光器11发射红外线光束111至人眼12，且使用影像感测器13以感测输入影像131的红外线影像，因而产生相应的红外线电子信号。该红外线电子信号经处理器15的处理后，可得到人眼12的第一注视位置。
根据本实施例的另一特征，于红外线追踪模式期间，控制器14同时也控制影像感测器13使其感测输入影像131的可见光影像，以产生相应的可见光电子信号。所产生的可见光电子信号经处理器15的处理后，可得到人眼12的第二注视位置。一般来说，于初始状况下，感测红外线影像所得到的第一注视位置较感测可见光影像所得到的第二注视位置来得准确。然而，经过一段时间后，第二注视位置经校正会逐渐变得准确。在本实施例中，处理器15处理可见光电子信号时，通过影像处理的方式，抽取眼睛影像的特征，配合红外线校正模式(步骤41)期间所得到的辅助资料，进行线性嵌入运算，可以直接从眼睛影像推测出人眼的注视位置。
于步骤43，以第一注视位置为基准，计算第二注视位置相对于第一注视位置的(第一)误差(例如第一注视位置与第二注视位置之间的距离，其值为正数)。如果(第一)误差并未小于预设的第一临界值(表示可见光学习尚未达成目标)，则回到红外线追踪模式(步骤42)，继续可见光学习。当(第一)误差小于预设的第一临界值(表示第二注视位置已趋近于第一注视位置)，则进入步骤44，亦即可见光追踪模式。换句话说，于红外线追踪模式(步骤42)期间，除了进行红外线的视线追踪，也同时进行可见光的校正(或学习)。如前所述，感测可见光影像所得到的第二注视位置会借由学习而逐渐变得准确。
当第二注视位置变得足够准确时(亦即误差小于预设的第一临界值)，则进入可见光追踪模式(步骤44)。于可见光追踪模式期间，控制器14会关闭红外线发光器11，不再发射红外线光束111。取而代之的是，周围自然光经人眼12反射或/且折射后而得到可见光影像，作为输入影像131而馈至影像感测器13，以产生相应的可见光电子信号。所产生的可见光电子信号经处理器15的处理后，可得到人眼12的第二注视位置。借此，由于红外线发光器11于可见光追踪模式期间是关闭的，所使用的是自然光，不须额外的光源，因此可以大量降低功率的消耗，也同时可以避免过热问题。因为携带型追踪装置(例如智慧型眼镜)的电源极为有限，因此功耗的降低有助于延长携带型追踪装置的使用时间。此外，于可见光追踪模式期间未发射红外线光束111，可避免人眼长时间受到红外线的照射，减低红外线对于人眼伤害的疑虑。
为了避免可见光追踪模式(步骤44)期间，感测可见光影像所得到的第二注视位置发生漂离而变得不准确，因此当符合预设条件(步骤45)时，会进入步骤46(亦即可见光检查期间)，以检查第二注视位置是否发生漂离而变得不准确。在本实施例中，步骤45是决定是否已达预设时间间隔(例如10秒)，可使用计时器进行计时。如果计时器尚未达预设计时，则继续可见光追踪模式(步骤44)；当计时器已达预设计时，则进入步骤46。在另一例子中，步骤45是根据环境感测的结果来决定是否进入步骤46(亦即可见光检查期间)。在又一例子中，步骤45是以机器学习方式由可见光得到的结果来决定是否进入步骤46(亦即可见光检查期间)。
于可见光检查期间(步骤46)，控制器14会开启红外线发光器11一段预设期间以发射红外线光束111至人眼12，且使用影像感测器13以感测输入影像131的红外线影像，因而产生相应的红外线电子信号。该红外线电子信号经处理器15的处理后，可得到人眼12的第一注视位置。步骤46类似于步骤42，都是开启红外线发光器11，并同时感测输入影像131的红外线影像与可见光影像。不同的是，步骤46是用以检查第二注视位置是否维持准确，因此期间很短暂；然而步骤42则是进行可见光的校正(或学习)，因此期间较长。
接着，于步骤47，以第一注视位置为基准，计算第二注视位置相对于第一注视位置的(第二)误差。如果(第二)误差小于预设的第二临界值(表示第二注视位置仍维持准确)，则回到可见光追踪模式(步骤44)。当(第二)误差未小于预设的第二临界值(表示第二注视位置已漂离而变得不准确)，则回到步骤42，亦即红外线追踪模式，重新进行可见光学习(或校正)。
在本说明书中，前述第一临界值与第二临界值为正值，两者可为相同或相异。在本实施例中，第一临界值小于第二临界值。图5显示红外线(IR)追踪模式与可见光(VL)追踪模式相对于误差的变化曲线。如图5所示，红外线(IR)追踪模式与可见光(VL)追踪模式的切换具有迟滞现象(hysteresis)，亦即具有记忆效应(memory effect)，因而可以避免快速(rapid)且反复(repetitive)的切换。
根据上述，本实施例提出一种双模式视线追踪系统与方法，在初始阶段的红外线校正模式(步骤41)与红外线追踪模式(步骤42)会开启红外线发光器11。一旦可见光学习完成(步骤42)，即可关闭红外线发光器11。因此，红外线发光器11在绝大部分的时间都是关闭的。换句话说，本实施例所提出的是以自然光为主，红外线为辅的视线追踪系统或方法。借此，本实施例可以大量降低功耗，且可降低红外线照射至人眼的总能量，减低红外线对于人眼伤害的疑虑。本实施例特别适用于光线充足的场合，因为在此场合当中，绝大部分时间都是处于可见光追踪模式(步骤44)，因此能够维持更久的使用时间。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (13)

1.一种双模式视线追踪方法，其特征在于，包含:
发射红外线光束以执行红外线追踪而得到人眼的第一注视位置，并同时进行可见光校正以得到人眼的第二注视位置；
决定该第二注视位置相对于该第一注视位置的第一误差；
当该第一误差小于预设的第一临界值，则关闭红外线光束以执行可见光追踪；
进入可见光检查期间，发射红外线光束并决定可见光所感测得到的第二注视位置与红外线所感测得到的第一注视位置之间的第二误差；及
当该第二误差小于预设的第二临界值，则关闭红外线光束而继续执行可见光追踪。
2.根据权利要求1所述的双模式视线追踪方法，其特征在于，其中该第一临界值小于该第二临界值。
3.根据权利要求1所述的双模式视线追踪方法，其特征在于，在执行该红外线追踪步骤之前，更包含一步骤以进行红外线校正。
4.根据权利要求1所述的双模式视线追踪方法，其特征在于，其中该红外线追踪的期间小于该可见光追踪的期间。
5.根据权利要求1所述的双模式视线追踪方法，其特征在于，在该可见光检查期间之前，更包含一步骤以决定是否符合预设条件，当符合该预设条件，则进入该可见光检查期间，否则继续执行可见光追踪。
6.一种双模式视线追踪系统，其特征在于，包含：
红外线发光器，用以发射红外线光束至人眼；
影像感测器，其接收输入影像，并将其转换为电子信号，其中该输入影像包含红外线影像与可见光影像，且该影像感测器可感测可见光范围与红外线范围；及
控制器，其控制以开启或关闭该红外线发光器；
其中该控制器控制该影像感测器，使其根据该可见光影像以产生相应的可见光电子信号，或根据该红外线影像以产生相应的红外线电子信号，或同时产生两者。
7.根据权利要求6所述的双模式视线追踪系统，其特征在于，更包含处理器，接收该影像感测器所产生的电子信号，据以得到人眼的注视位置。
8.根据权利要求7所述的双模式视线追踪系统，其特征在于，更包含穿戴式电脑眼镜，其上设有该红外线发光器、该影像感测器、该控制器及该处理器。
9.根据权利要求8所述的双模式视线追踪系统，其特征在于，其中通过该穿戴式电脑眼镜的其中一个镜片中的感测器以感测可见光影像，并通过另一个镜片中的感测器以感测红外线影像。
10.根据权利要求6所述的双模式视线追踪系统，其特征在于，其可切换于红外线追踪模式与可见光追踪模式。
11.根据权利要求6所述的双模式视线追踪系统，其特征在于，其中该红外线发光器包含至少一个红外线光源。
12.根据权利要求6所述的双模式视线追踪系统，其特征在于，其中该影像感测器同时涵盖感测可见光及红外线。
13.根据权利要求6所述的双模式视线追踪系统，其特征在于，其中该影像感测器包含一个可见光影像感测器与至少一个红外线影像感测器。
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