RU2815470C1 - Method for determining direction of view - Google Patents

Method for determining direction of view Download PDF

Info

Publication number
RU2815470C1
RU2815470C1 RU2022117659A RU2022117659A RU2815470C1 RU 2815470 C1 RU2815470 C1 RU 2815470C1 RU 2022117659 A RU2022117659 A RU 2022117659A RU 2022117659 A RU2022117659 A RU 2022117659A RU 2815470 C1 RU2815470 C1 RU 2815470C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
eye
pupil
determining
gaze
image
Prior art date
Application number
RU2022117659A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Владимирович Новиков
Владимир Николаевич Герасимов
Роман Александрович Горбачев
Никита Евгеньевич Швиндт
Владимир Иванович Новиков
Андрей Евгеньевич Ефременко
Дмитрий Леонидович Шишков
Михаил Нилович Зарипов
Филипп Александрович Козин
Алексей Михайлович Старостенко
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)"
Общество С Ограниченной Ответственностью "Нейроассистивные Технологии"
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)", Общество С Ограниченной Ответственностью "Нейроассистивные Технологии" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)"
Application granted granted Critical
Publication of RU2815470C1 publication Critical patent/RU2815470C1/en

Links

Abstract

FIELD: computer technology.
SUBSTANCE: invention relates to devices and methods for determining the direction of view and can be used in various fields of technology, including robotics. The method for determining the direction of the user's view includes obtaining an image of the left eye and an image of the right eye containing glare created respectively by light sources of the left eye and light sources of the right eye, determining the position of the pupil of the eye, determining the position and numbering of the glare on the cornea of the eye, determining the optical axis of the eye and determining view directions based on the specific optical axis of the eye and information about the surrounding scene.
EFFECT: improved accuracy in determining the direction of view, high data processing speed, low hardware requirements, and reduced weight of the wearable device.
11 cl, 5 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам определения направления взгляда и может быть использовано в различных областях техники, в том числе робототехнике.The present invention relates to devices and methods for determining the direction of gaze and can be used in various fields of technology, including robotics.

Патент РФ RU 2696042 описывает изобретение, относящееся к технологиям, используемым для определения областей фиксаций взгляда при движении глаз, и может быть использовано для объективной оценки процессов зрительного внимания, управления интерфейсами компьютера посредством направления взгляда, в операторской деятельности, маркетинге и пр. Согласно заявленному способу определения областей фиксации взгляда во время движения глаза, респонденту с фиксированным положением головы предоставляют по меньшей мере одно изображение стимулятора во время представления стимулирующего изображения. При этом покрывают область глаза инфракрасным излучением, записывают отраженный сигнал и обрабатывают результирующую видеопоследовательность с определением координат центра зрачка в каждом кадре видео. Далее координаты преобразуют в систему координат стимулирующего изображения, формируя двумерный массив значений координат центра зрачка в хронологической последовательности, соответствующей кадрам видеопоследовательности, а потом используют сегментный анализ для выбора по меньшей мере трех точек, рассматриваемых областью фиксации взгляда.RF patent RU 2696042 describes an invention related to technologies used to determine areas of gaze fixations during eye movements, and can be used for an objective assessment of the processes of visual attention, control of computer interfaces by means of gaze direction, in camera work, marketing, etc. According to the claimed method determining areas of gaze fixation during eye movement, the respondent with a fixed head position is presented with at least one stimulator image during the presentation of the stimulus image. In this case, the eye area is covered with infrared radiation, the reflected signal is recorded, and the resulting video sequence is processed to determine the coordinates of the center of the pupil in each video frame. Next, the coordinates are converted into the coordinate system of the stimulus image, forming a two-dimensional array of coordinate values of the center of the pupil in a chronological sequence corresponding to the frames of the video sequence, and then segment analysis is used to select at least three points considered by the area of gaze fixation.

Недостатком данного технического решения является то, что фиксацию взгляда при движении глаз осуществляют при фиксированном положении головы респондента относительно предъявляемого изображения. Кроме того, точность определения направления взгляда является недостаточно высокой, что особенно важно при необходимости определения направления на конкретный объект, находящийся среди множества других объектов.The disadvantage of this technical solution is that gaze fixation during eye movement is carried out with a fixed position of the respondent’s head relative to the presented image. In addition, the accuracy of determining the direction of gaze is not high enough, which is especially important when it is necessary to determine the direction to a specific object located among many other objects.

Патент США US 10234940 описывает способ отслеживания взгляда, включающий следующие этапы: запись видеоизображений глаза человека таким образом, что записываются зрачок глаза и блик на глазном яблоке, вызванный источником света; обработку видеоизображений для вычисления смещения между положением заранее определенного пространственного элемента и заранее заданным положением относительно блика; и посредством источника света, такого как дисплей, испускание света от светового рисунка в местоположении, выбранном из множества предварительно сконфигурированных местоположений световых рисунков, к глазу человека. Местоположение контролируют сигналом обратной связи; управляют местоположением светового рисунка среди предварительно определенных местоположений световых рисунков в ответ на смещение, так что предварительно определенное положение относительно блика, вызванного источником света, отслеживает пространственную особенность человеческих глаз. При этом вышеописанные этапы повторяют для установления контура управления с расположением светового рисунка, управляемого с помощью сигнала обратной связи. Трекер взгляда сконфигурирован для фильтрации видеоизображений, чтобы идентифицировать один или несколько бликов, которые могут возникать из светового шаблона, причем предварительно определенное положение относительно блика вычисляется относительно идентифицированного одного или нескольких пунктов.US Patent US 10234940 describes an eye tracking method comprising the following steps: recording video images of a person's eye such that the pupil of the eye and the glare on the eyeball caused by a light source are recorded; processing the video images to calculate an offset between a position of a predetermined spatial element and a predetermined position relative to the highlight; and, through a light source such as a display, emitting light from the light pattern at a location selected from a plurality of preconfigured light pattern locations to the human eye. The location is controlled by a feedback signal; controlling the location of the light pattern among the predetermined locations of the light patterns in response to the displacement, such that the predetermined position relative to the glare caused by the light source tracks the spatial feature of human eyes. In this case, the above steps are repeated to establish a control loop with the location of the light pattern controlled by the feedback signal. The gaze tracker is configured to filter video images to identify one or more highlights that may arise from the light pattern, wherein a predetermined position relative to the highlight is calculated relative to the identified one or more points.

Данное устройство позволяет повысить точность распознавания положения взгляда и формирования полученного изображения, однако предъявляет повышенные требования к аппаратной части.This device allows you to increase the accuracy of recognizing the gaze position and forming the resulting image, but it places increased demands on the hardware.

Патент США US 9830512 описывает способ отслеживания взгляда, который включает следующие этапы: определение положения центральной точки роговицы с использованием по меньшей мере двух точек отражения света, обнаруженных в области глазного яблока первого изображения лица пользователя; вычисление первого вектора относительно по меньшей мере двух фиксированных характерных точек, обнаруженных по первому изображению лица и положению центральной точки роговицы; вычисление положения центральной точки роговицы относительно области глазного яблока второго изображения лица с использованием положения характерной точки, обнаруженной по второму изображению лица, и первого вектора, когда по меньшей мере две точки отражения света не обнаружены от глазного яблока области второго изображения лица пользователя; вычисление второго вектора с использованием вычисленного положения центральной точки роговицы и положения центральной точки зрачка, обнаруженного по области глазного яблока второго изображения лица; и отслеживание взгляда пользователя с использованием второго вектора.US Pat. No. 9,830,512 describes an eye tracking method that includes the following steps: determining the position of a central point of the cornea using at least two light reflection points detected in the eyeball region of a first image of the user's face; calculating a first vector relative to at least two fixed feature points detected from the first face image and the position of the central point of the cornea; calculating a position of a central point of the cornea relative to the eyeball region of the second face image using the position of a feature point detected from the second face image and a first vector when at least two light reflection points are not detected from the eyeball region of the second face image of the user; calculating a second vector using the calculated position of the center point of the cornea and the position of the center point of the pupil detected from the eyeball region of the second face image; and tracking the user's gaze using the second vector.

Данные известные способ и система для отслеживания взгляда позволяют повысить точность распознавания положения взгляда и формирования полученного изображения, но являются достаточно сложными и требовательными к вычислительным ресурсам.This known method and system for eye tracking can improve the accuracy of recognizing the position of the gaze and forming the resulting image, but are quite complex and demanding on computing resources.

В качестве ближайшего аналога настоящего изобретения может быть выбран способ слежения за взглядом на основе адаптивного томографического сопоставления согласно патенту США US 9684827. Способ слежения включает этапы, на которых оценивают взгляд, при котором используют адаптивное преобразование томографического сопоставления для коррекции смещения, при этом адаптивное преобразование томографического сопоставления обучается за счет минимизации целевой функции на основе данных, соответствующих множеству положений головы и направлений взгляда, чтобы компенсировать пространственно варьирующиеся ошибки взгляда или зависимые от позы головы ошибки относительно позиции калибровки; захватывают текущие данные бликов и связанные со зрачком данные в изображении с использованием множества источников света и камеры; предоставляют текущие данные бликов и связанные со зрачком данные, обработанные из изображения, в качестве признаков, чтобы получать зависимые от позы головы данные, на основе распознаваемого адаптивного преобразования томографического сопоставления, которые используются, чтобы определять текущую информацию взгляда.As the closest analogue of the present invention, a gaze tracking method based on adaptive tomographic mapping according to US patent US 9684827 can be selected. The tracking method includes the steps of estimating gaze, in which an adaptive transformation of the tomographic mapping is used to correct the displacement, while the adaptive transformation of the tomographic the mapping is trained by minimizing an objective function based on data corresponding to multiple head positions and gaze directions to compensate for spatially varying gaze errors or head pose-dependent errors relative to the calibration position; capturing current glare data and pupil-related data in an image using a plurality of light sources and a camera; provide the current glare data and pupil-related data processed from the image as features to obtain head pose-dependent data based on the recognized adaptive tomographic mapping transformation, which are used to determine the current gaze information.

Известный способ слежения за взглядом на основе адаптивного томографического сопоставления также позволяет повысить точность распознавания положения взгляда и формирования полученного изображения, но является достаточно сложным и требовательным к вычислительным ресурсам, а кроме того, требует дополнительных действий от пользователя.The well-known method of eye tracking based on adaptive tomographic matching also makes it possible to increase the accuracy of recognition of the gaze position and the formation of the resulting image, but is quite complex and demanding of computing resources, and in addition, requires additional actions from the user.

Таким образом, существует задача по созданию такого способа определения направления взгляда, при применении которого достаточно разовой калибровки для одного пользователя, что упрощает многократное использование системы, который повышает точность определения направления взгляда даже при небольших изменениях положения системы на пользователе.Thus, there is a task to create a method for determining the direction of gaze, in which a one-time calibration for one user is sufficient, which simplifies the repeated use of the system, which increases the accuracy of determining the direction of gaze even with small changes in the position of the system on the user.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности определения направления взгляда, высокая скорость обработки данных, а значит, низкие аппаратные требования, что приводит к снижению веса носимого устройства, и возможность использования высокопроизводительных камер высокого разрешения для еще большего повышения точности определения направления взгляда.The technical result of the claimed invention is an increase in the accuracy of determining the direction of gaze, high data processing speed, which means low hardware requirements, which leads to a reduction in the weight of the wearable device, and the ability to use high-performance high-resolution cameras to further improve the accuracy of determining the direction of gaze.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается в способе определения направления взгляда пользователя, который включает этапы получения изображения левого глаза и изображения правого глаза, содержащих блики от источников света левого глаза и правого глаза, определения положения зрачка глаза, определения положения и нумерации бликов на роговице глаза, определения оптической оси направления взгляда каждого глаза и определения направления взгляда.The problem is solved, and the technical result is achieved in a method for determining the direction of the user's gaze, which includes the stages of obtaining an image of the left eye and an image of the right eye containing glare from light sources of the left eye and right eye, determining the position of the pupil of the eye, determining the position and numbering of glare on the cornea eyes, determining the optical axis of the direction of gaze of each eye and determining the direction of gaze.

При определении положения зрачка каждого глаза на изображении каждого глаза выполняют предварительный поиск зрачка, выполняют построение предварительного эллипса зрачка и по его узловым точкам строят эллипс зрачка.When determining the position of the pupil of each eye in the image of each eye, a preliminary search for the pupil is performed, a preliminary ellipse of the pupil is constructed, and a pupil ellipse is constructed using its nodal points.

При определении положения и нумерации бликов на роговице каждого глаза на изображении глаза выполняют поиск бликов, вычисляют размер радужки исключают блики, находящиеся за пределами радужки, и выполняют нумерацию бликов для определения вектора направления взгляда.When determining the position and numbering of highlights on the cornea of each eye, a search for highlights is performed in the eye image, the size of the iris is calculated, highlights located outside the iris are excluded, and highlights are numbered to determine the gaze direction vector.

При определении оптической оси направления взгляда каждого глаза определяют нодальную точку глаза, точку рефракции для центра зрачка, положение центра зрачка в системе координат камеры сцены.When determining the optical axis of the gaze direction of each eye, the nodal point of the eye, the refractive point for the center of the pupil, and the position of the center of the pupil in the coordinate system of the scene camera are determined.

Определение направления взгляда выполняют на основании определенной оптической оси направления взгляда и калибровки направления взгляда.Determination of the gaze direction is performed based on the determined optical axis of the gaze direction and the calibration of the gaze direction.

В предпочтительном варианте реализации заявленного способа для предварительного поиска зрачка определяют предварительное положение центра зрачка, а также количество пикселей в области зрачка, предварительно характеризующее его размер. При построении предварительного эллипса зрачка, предпочтительно, в предварительной области зрачка находят порог бинаризации и выполняют бинаризацию для определения границы зрачка для построения предварительного эллипса зрачка. Для построения эллипса зрачка по узловым точкам границы предварительного эллипса зрачка можно использовать метод наименьших квадратов. При этом предпочтительно отфильтровывать узловые точки таким образом, чтобы они образовывали выпуклую фигуру.In the preferred embodiment of the claimed method, for preliminary search of the pupil, the preliminary position of the center of the pupil is determined, as well as the number of pixels in the area of the pupil, which preliminarily characterizes its size. When constructing a preliminary pupil ellipse, preferably, a binarization threshold is found in the preliminary pupil region and binarization is performed to determine the pupil boundary for constructing a preliminary pupil ellipse. To construct a pupil ellipse from the nodal points of the boundary of the preliminary pupil ellipse, you can use the least squares method. In this case, it is preferable to filter out the nodal points so that they form a convex figure.

Поиск бликов на роговице глаза можно выполнять, например, пороговой обработкой изображения глаза с выделением кластеров и фильтрацией кластеров по яркости, размеру и параметру отклонения от круглости.The search for glare on the cornea of the eye can be performed, for example, by threshold processing of the eye image with cluster selection and filtering of clusters by brightness, size and deviation from roundness parameter.

При вычислении размера радужки предпочтительно используется информация о среднем размере человеческой радужки и информация о расстояния от соответствующей камеры левого глаза или камеры правого глаза до зрачка, что повышает точность определения направления взгляда.When calculating the iris size, information about the average size of the human iris and information about the distance from the corresponding left eye camera or right eye camera to the pupil are preferably used, which improves the accuracy of determining the direction of gaze.

Нумерация бликов может выполняться от одного блика из верхней пары, ближайшего к переносице, по кругу, в сторону от переносицы, т.е. по часовой стрелке для правого глаза и против часовой стрелки для левого глаза.Numbering of highlights can be done from one highlight from the top pair, closest to the bridge of the nose, in a circle, away from the bridge of the nose, i.e. clockwise for the right eye and counterclockwise for the left eye.

При определении оптической оси направления взгляда каждого глаза определяют нодальную точку глаза, точку рефракции для центра зрачка, положение центра зрачка в системе координат камеры сцены.When determining the optical axis of the gaze direction of each eye, the nodal point of the eye, the refractive point for the center of the pupil, and the position of the center of the pupil in the coordinate system of the scene camera are determined.

Заявленный способ определения направления взгляда также может включать этап калибровки направления взгляда, который выполняется либо на одном из указанных этапов, либо заранее. При этом достаточно единожды выполнить калибровку для конкретного пользователя, и повторной калибровки уже не потребуется. В частности, при калибровке направления взгляда учитывают индивидуальные особенности пользователя и взаимное положение камер левого и правого глаза и камеры сцены.The claimed method for determining gaze direction may also include a gaze direction calibration step, which is performed either at one of these steps or in advance. In this case, it is enough to perform calibration once for a specific user, and repeated calibration will no longer be required. In particular, when calibrating the gaze direction, the individual characteristics of the user and the relative positions of the left and right eye cameras and the scene camera are taken into account.

Далее изобретение, а также некоторые возможные варианты его осуществления подробно поясняются со ссылкой на фигуры, на которых показано:Next, the invention, as well as some possible embodiments of its implementation, are explained in detail with reference to the figures, which show:

на фиг.1 приведен общий вид варианта устройства для реализации заявленного способа;Figure 1 shows a general view of a device variant for implementing the claimed method;

на фиг.2 схематично показан вид спереди варианта устройства для реализации заявленного способа;Figure 2 schematically shows a front view of a variant of the device for implementing the claimed method;

на фиг.3 схематично показан вид сзади варианта устройства для реализации заявленного способа;Fig. 3 schematically shows a rear view of a variant of the device for implementing the claimed method;

на фиг.4 схематично показано взаимное расположение левого или правого глаза, камеры левого или правого глаза и одного источника света левого или правого глаза, а также схема хода лучей;Fig. 4 schematically shows the relative position of the left or right eye, the camera of the left or right eye and one light source of the left or right eye, as well as a diagram of the path of the rays;

на фиг.5 а показан этап нахождения центра зрачка;Fig. 5a shows the stage of finding the center of the pupil;

на фиг.5b показан этап аппроксимации положения зрачка эллипсом;Fig. 5b shows the step of approximating the position of the pupil with an ellipse;

на фиг.5с показан этап определения позиции бликов;Fig. 5c shows the step of determining the position of highlights;

на фиг.5d показан пример нумерации бликов;Fig. 5d shows an example of highlight numbering;

на фиг.5е показан этап определения направления оптической оси глаза.Fig. 5e shows the step of determining the direction of the optical axis of the eye.

На фигурах ссылочными позициями отмечены:In the figures, reference numerals are indicated by:

1 - устройство определения направления взгляда;1 - device for determining the direction of view;

2 - корпус;2 - body;

3.1 - левый ободок;3.1 - left rim;

3.2 - правый ободок; 4 - носовик;3.2 - right rim; 4 - nose;

5.1, 5.2 - боковые прижимные планки;5.1, 5.2 - side clamping strips;

6.1 - камера левого глаза;6.1 - camera of the left eye;

6.2 - камера правого глаза;6.2 - camera of the right eye;

7 - камера сцены;7 - stage camera;

8 - источник света;8 - light source;

8i - i-ый источник 8 света;8i - i-th light source 8;

9 - вычислительный модуль;9 - computing module;

10 - модуль управления;10 - control module;

11 - глаз;11 - eye;

12 - радужка глаза;12 - iris of the eye;

С - нодальная точка глаза;C - nodal point of the eye;

Р - центр зрачка;P - center of the pupil;

R - точка преломления;R - refraction point;

Qi - точка отражения i-го источника 8 света;Qi is the reflection point of the i-th light source 8;

О - нодальная точка камеры;O - nodal point of the camera;

V - изображение центра зрачка;V - image of the center of the pupil;

Ui - изображение блика i-го источника 8 света.Ui is the image of the highlight of the i-th light source 8.

Заявленный способ определения направления взгляда может быть реализован с использованием устройства, предпочтительный вариант исполнения которого подробно описан далее.The claimed method for determining the direction of gaze can be implemented using a device, the preferred embodiment of which is described in detail below.

Устройство 1 определения направления взгляда пользователя содержит корпус 2, который по существу выполнен в форме очков, имеющих левый ободок 3.1 и правый ободок 3.2, носовик 4 и две боковые прижимные планки 5.1, 5.2.The device 1 for determining the direction of the user's gaze contains a body 2, which is essentially made in the form of glasses having a left rim 3.1 and a right rim 3.2, a nosepiece 4 and two side clamping bars 5.1, 5.2.

Корпус 2 выполняется, предпочтительно, из прочного и легкого материала, пригодного для постоянного или длительного ношения устройства 1 с учетом антропометрических данных головы пользователя. Для большего удобства пользователя и обеспечения возможности корректировки положения устройства 1 с целью правильной работы всех систем могут использоваться сменные носовики 4, регулирующие положение корпуса 2 по высоте и подбираемые под переносицу для предотвращения ее зажатости. Правильность подбора расстояния от глаза до ободков 3.1, 3.2 способствует правильности работы системы распознавания изображений глаза.The body 2 is preferably made of durable and lightweight material suitable for permanent or long-term wearing of the device 1, taking into account the anthropometric data of the user's head. For greater user convenience and to ensure the possibility of adjusting the position of the device 1 for the purpose of proper operation of all systems, replaceable nosepieces 4 can be used, which adjust the position of the body 2 in height and are selected under the bridge of the nose to prevent it from being pinched. The correct selection of the distance from the eye to the rims 3.1, 3.2 contributes to the correct operation of the eye image recognition system.

В нижних частях ободков 3.1, 3.2, предпочтительно в областях световых проемов в плоскостях, проходящих через вертикальные оси световых проемов, установлены соответственно камера 6.1 левого глаза и камера 6.2 правого глаза, далее для краткости также называемые камерами 6.1, 6.2 глаза.In the lower parts of the rims 3.1, 3.2, preferably in the areas of the light openings in planes passing through the vertical axes of the light openings, a left eye camera 6.1 and a right eye camera 6.2 are installed, respectively, hereinafter for brevity also called eye cameras 6.1, 6.2.

Камеры 6.1, 6.2 глаза предназначены для регистрации и записи видеопоследовательности, отображающей процесс движения глаз, и получения изображений соответствующего глаза. Одновременно регистрируется движение как левого, так и правого глаза пользователя, что является необходимым для точного определения направления взгляда и исключения ложных срабатываний. Камеры 6.1,6.2 глаза содержат светочувствительные матрицы и соответствующие оптические системы (объективы) для формирования увеличенного сфокусированного изображения глаз на светочувствительных матрицах.Eye cameras 6.1, 6.2 are designed to register and record a video sequence depicting the process of eye movement and obtain images of the corresponding eye. At the same time, the movement of both the user’s left and right eyes is recorded, which is necessary to accurately determine the direction of gaze and eliminate false positives. The eye cameras 6.1,6.2 contain photosensitive matrices and corresponding optical systems (lenses) for forming an enlarged, focused image of the eyes on the photosensitive matrices.

Для корректного определения направления взгляда осуществляется регистрация изображений зрачка и бликов (описано далее) и последующее определение координат центра зрачка и каждого из бликов в системе координат камер 6.1, 6.2 глаза (локальных координат).To correctly determine the direction of gaze, images of the pupil and glare are registered (described below) and the subsequent determination of the coordinates of the center of the pupil and each of the glare in the coordinate system of cameras 6.1, 6.2 of the eye (local coordinates).

Для улучшения эргономических характеристик изделия светочувствительная матрица камер 6.1, 6.2 глаза располагается в плоскости, находящейся под углом к главным плоскостям оптической системы глаза 11, как схематично показано на фиг.4. Такое расположение не будет создавать препятствий и закрывать пользователю обзор.To improve the ergonomic characteristics of the product, the photosensitive matrix of the eye cameras 6.1, 6.2 is located in a plane at an angle to the main planes of the optical system of the eye 11, as shown schematically in Fig.4. This arrangement will not create obstacles and block the user’s view.

Для определения направления взгляда при любых положениях зрачка используется одна камера 6.1, 6.2 глаза для регистрации изображения каждого глаза 11 с одного ракурса - снизу (фиг.4). Выбранный ракурс обуславливается тем, что нижние ресницы существенно короче, чем верхние, и не создают препятствий для регистрации изображений. Угол между оптической осью объектива и осью направления взгляда выбирается исходя из соображений компромисса между наилучшим углом регистрации изображения (соответствует углу 0°) и углом, при котором камера гарантированно не попадает в поле зрения пользователя (соответствует углу 90°). Наиболее предпочтительным является значение указанного угла от 45° до 60°.To determine the direction of gaze at any position of the pupil, one eye camera 6.1, 6.2 is used to record the image of each eye 11 from one angle - from below (Fig. 4). The chosen angle is determined by the fact that the lower eyelashes are significantly shorter than the upper ones and do not create obstacles for image registration. The angle between the optical axis of the lens and the viewing direction axis is selected based on a compromise between the best image recording angle (corresponding to an angle of 0°) and the angle at which the camera is guaranteed not to fall into the user's field of view (corresponding to an angle of 90°). Most preferably, said angle is between 45° and 60°.

В качестве светочувствительных матриц предпочтительно использовать цветную светочувствительную матрицу. Это обусловлено тем, что отображение глаза в цветной палитре позволяет использовать процедуру бинаризации цветного изображения по уровням каждой цветовой компоненты, что, в свою очередь, позволяет гарантированно выделить детектируемые объекты за счет их ахроматических цветов (зрачок - резко черный, блики - ярко белые) на этапе обработки изображений глаза. Данный подход упрощает алгоритм распознавания детектируемых объектов за счет исключения дополнительных процедур фильтрации частиц, которые приводят к потерям важных деталей изображения.It is preferable to use a color photosensitive matrix as the photosensitive matrix. This is due to the fact that displaying the eye in a color palette allows the use of a procedure for binarizing a color image according to the levels of each color component, which, in turn, makes it possible to reliably identify detected objects due to their achromatic colors (pupil - sharply black, highlights - bright white) on the stage of eye image processing. This approach simplifies the algorithm for recognizing detected objects by eliminating additional particle filtering procedures, which lead to the loss of important image details.

Оптическая система камер 6.1, 6.2 глаза (на фигурах не показана) предназначена для формирования изображения в плоскости светочувствительной матрицы.The optical system of cameras 6.1, 6.2 eyes (not shown in the figures) is designed to form an image in the plane of the photosensitive matrix.

Оптическая система содержит несколько линз и светофильтр. Расстояние от выходного зрачка объектива до глаза изменяется незначительно и может считаться фиксированным. Для формирования неискаженного изображения в плоскости матрицы может быть использована оптическая схема компактного четырехкомпонентного объектива с выходной асферической линзой для компенсации дисторсии.The optical system contains several lenses and a light filter. The distance from the exit pupil of the lens to the eye changes slightly and can be considered fixed. To form an undistorted image in the plane of the matrix, the optical design of a compact four-component lens with an output aspherical lens to compensate for distortion can be used.

На носовике 4 установлена камера 7 сцены (фиг.2), которая используется для получения изображения окружающей сцены и обеспечения фиксации окружающей обстановки, к которой в дальнейшем выполняется привязка вектора направления взгляда. Камера 7 сцены расположена, предпочтительно, на верхней части корпуса 2 очков.On the nosepiece 4 there is a scene camera 7 (Fig. 2), which is used to obtain an image of the surrounding scene and ensure fixation of the environment, to which the viewing direction vector is subsequently linked. The scene camera 7 is preferably located on the upper part of the glasses body 2.

На каждом из ободков 3.1, 3.2 вокруг световых проемов установлены источники 8 света, формирующие блики на соответствующем глазу (фиг.3). Источники 8 света предназначены для создания минимально необходимого уровня освещения и формирования точечных бликов за счет отражений от роговицы глаза.On each of the rims 3.1, 3.2 around the light openings, light sources 8 are installed, forming highlights on the corresponding eye (Fig. 3). Light sources 8 are designed to create the minimum required level of illumination and form point highlights due to reflections from the cornea of the eye.

В качестве источника 8 света может быть использован источник ИК излучения, в частности, ИК светодиод.An IR radiation source, in particular an IR LED, can be used as a light source 8.

Внеосевое ИК освещение глаза создает эффект темного зрачка и формирует изображения источников 8 света за счет отражения излучения от роговицы глаза. Изображения источников 8 света, формируемые при отражении от роговицы, называются первыми изображениями Пуркинье, или бликами. Темный зрачок и блики затем визуализируются оптической систему камер 6.1, 6.2 глаза и захватываются светочувствительными матрицами, обладающими достаточной чувствительностью в ближней области ИК спектра. Изображения зрачка и бликов движутся пропорционально вращению глазного яблока, но по отличающимся траекториям. Разностный вектор между этими двумя особенностями используется для определения вектора направления взгляда.Off-axis IR illumination of the eye creates the effect of a dark pupil and forms images of light sources 8 due to the reflection of radiation from the cornea of the eye. The images of light sources 8 formed by reflection from the cornea are called first Purkinje images, or flares. The dark pupil and glare are then visualized by the optical system of cameras 6.1, 6.2 of the eye and captured by light-sensitive matrices that have sufficient sensitivity in the near-IR region of the spectrum. The pupil and glare images move in proportion to the rotation of the eyeball, but along different trajectories. The difference vector between these two features is used to determine the gaze direction vector.

Центральная длина волны излучения источников 8 света выбирается, предпочтительно, из диапазона длин волн от 860 до 990 нм, что в наилучшем варианте исполнения заявленного устройства 1 соответствует рабочему диапазону камер 6.1, 6.2 глаза (ближний инфракрасный диапазон). Выбор ближнего ИК излучения для источников 8 света обусловлен несколькими причинами, в частности:The central wavelength of the light sources 8 is selected preferably from the wavelength range from 860 to 990 nm, which in the best embodiment of the claimed device 1 corresponds to the operating range of the eye cameras 6.1, 6.2 (near-infrared range). The choice of near-infrared radiation for light sources 8 is due to several reasons, in particular:

- ближнее ИК излучение невидимо для глаза человека, не отвлекает внимание пользователя и не вызывает расширение зрачка;- near-IR radiation is invisible to the human eye, does not distract the user’s attention and does not cause pupil dilation;

- ближнее ИК излучение не вызывает деградации и разрушения рецепторного аппарата глаза человека;- near-infrared radiation does not cause degradation and destruction of the receptor apparatus of the human eye;

- ближнее ИК излучение регистрируется теми же средствами, что и видимое излучение;- near-IR radiation is recorded by the same means as visible radiation;

- при использовании ИК излучения изображение зрачка отличается высоким контрастом за счет отражения от сетчатки (схема освещения с темным зрачком);- when using IR radiation, the image of the pupil is characterized by high contrast due to reflection from the retina (lighting scheme with a dark pupil);

- применение ИК излучения позволяет отделить полезную информацию от внешних засветок, приходящихся на видимую часть спектра.- the use of IR radiation makes it possible to separate useful information from external illumination falling in the visible part of the spectrum.

Количество источников 8 света определяет количество бликов на роговице, относительно которых будет измеряться расстояние до центра зрачка. В устройстве 1 определения направления взгляда использован метод измерения по шести бликам на каждый глаз. Такой подход позволяет повысить не только точность, но и надежность устройства. Кроме этого, применение шести бликов позволяет увеличить рабочий диапазон углов устройства 1 за счет надежного восстановления информации о направлении вектора взгляда при больших углах поворота глазного яблока. При таких углах часть бликов приходится на склеру глаза и не детектируется камерами 6.1, 6.2 глаза, но за счет применения шести бликов не менее четырех из них приходятся на зрачок или радужку 12 (фиг.4), и их координаты определяются с достаточно высокой надежностью.The number of light sources 8 determines the number of glares on the cornea, relative to which the distance to the center of the pupil will be measured. The gaze direction detection device 1 uses a six-glare measurement method for each eye. This approach improves not only the accuracy, but also the reliability of the device. In addition, the use of six glares makes it possible to increase the working range of angles of device 1 due to the reliable restoration of information about the direction of the gaze vector at large angles of rotation of the eyeball. At such angles, part of the glare falls on the sclera of the eye and is not detected by cameras 6.1, 6.2 of the eye, but due to the use of six glares, at least four of them fall on the pupil or iris 12 (Fig. 4), and their coordinates are determined with fairly high reliability.

Источники 8 света устанавливаются в ободках 3.1,3.2 в области левого и правого световых проемов и располагаются относительно светового проема таким образом, чтобы шесть бликов на роговице каждого глаза формировали контрольный рисунок (pattern) в виде шестиугольника (на фиг.5а-5е четко видны пять бликов, а шестой блик, расположенный рядом с пятым бликов, тусклый).Light sources 8 are installed in rims 3.1,3.2 in the area of the left and right light openings and are located relative to the light opening in such a way that six highlights on the cornea of each eye form a control pattern in the form of a hexagon (five are clearly visible in Figs. 5a-5e highlights, and the sixth highlight, located next to the fifth highlight, is dim).

Источники 8 света могут быть установлены на площадки, расположенные в специальных пазах на ободках 3.1, 3.2. Углы площадок рассчитываются так, чтобы обеспечить равномерную засветку области глаза.Light sources 8 can be installed on platforms located in special grooves on the rims 3.1, 3.2. The angles of the areas are calculated to ensure uniform illumination of the eye area.

Предпочтительно, облучение производится неколлимированными расходящимися пучками для равномерного освещения всей анализируемой области. Так как выбрана внеосевая (относительно оптической оси объективов камер 6.1, 6.2 глаза) схема освещения, угол между оптической осью объектива камер 6.1, 6.2 глаза и нормалью к светоизлучающей площадке источников 8 света лежит в диапазоне от 0 до 90° и много больше нуля (см. фиг.4). Такая схема позволяет использовать шесть раздельных источников 8 света на каждый световой проем и упрощает процесс компоновки устройства 1. При этом является предпочтительным размещение источников 8 света симметрично относительно горизонтальной и вертикальной осей светового проема, на равных расстояниях от оптических осей объективов камер 6.1, 6.2 глаза.Preferably, irradiation is performed with non-collimated divergent beams to uniformly illuminate the entire analyzed area. Since an off-axis (relative to the optical axis of the lenses of cameras 6.1, 6.2 eyes) lighting scheme is selected, the angle between the optical axis of the lens of cameras 6.1, 6.2 eyes and the normal to the light-emitting area of the light sources 8 lies in the range from 0 to 90° and is much greater than zero (see Fig.4). This scheme allows the use of six separate light sources 8 for each light opening and simplifies the process of arranging the device 1. In this case, it is preferable to place the light sources 8 symmetrically relative to the horizontal and vertical axes of the light opening, at equal distances from the optical axes of the eye cameras 6.1, 6.2.

Кроме того, также предпочтительно, если источники 8 света работают в режиме модуляции по периодическому закону для увеличения эффективности процесса выделения полезной информации на фоне внешних засветок, продления срока службы, уменьшения энергопотребления и снижения облучения роговицы и сетчатки глаза человека. Управление интенсивностью свечения источников 8 света осуществляется путем модуляции тока питания.In addition, it is also preferable if the light sources 8 operate in modulation mode according to a periodic law to increase the efficiency of the process of isolating useful information against the background of external illumination, extending the service life, reducing energy consumption and reducing irradiation of the cornea and retina of the human eye. The intensity of the light sources 8 is controlled by modulating the supply current.

Устройство 1 также содержит вычислительный модуль 9, модуль 10 управления и блок питания (на фигурах не показан). Размещение вычислительного модуля 9 и модуля 10 управления может быть любым, например, на прижимных планках 5.1, 5.2, как показано на фиг.1,3.Device 1 also contains a computing module 9, a control module 10 and a power supply (not shown in the figures). The placement of the computing module 9 and the control module 10 can be any, for example, on the clamping bars 5.1, 5.2, as shown in Fig. 1,3.

Вычислительный модуль 9 предназначен для реализации алгоритма определения направления взгляда и выполняет следующие функции:Computing module 9 is designed to implement an algorithm for determining the direction of gaze and performs the following functions:

- определение координат вектора направления взгляда в системе координат камер 6.1, 6.2 глаза;- determination of the coordinates of the gaze direction vector in the coordinate system of cameras 6.1, 6.2 eyes;

- преобразование координат вектора направления взгляда из системы координат камер 6.1, 6.2 глаза в систему координат камеры 7 сцены,- transformation of the coordinates of the gaze direction vector from the coordinate system of cameras 6.1, 6.2 of the eye into the coordinate system of camera 7 of the scene,

- осуществление калибровки направления взгляда;- calibrating the direction of view;

- при необходимости - передача информации о глобальных координатах вектора направления взгляда на внешнее устройство.- if necessary, transfer information about the global coordinates of the viewing direction vector to an external device.

Для выполнения своих функций вычислительный модуль 9 содержит детектор положения и размера зрачка (на фигурах не показан; далее также ДПРЗ) или связан с ним как с внешним устройством. ДПРЗ предназначен для обработки изображения глаза в режиме реального времени с частотой кадров не менее 50 Гц с целью построения эллипса, совпадающего с контуром зрачка, и последующего определения координат его центра (фиг.5а-5е). Также ДПРЗ вычисляет положения бликов.To perform its functions, the computing module 9 contains a detector of the position and size of the pupil (not shown in the figures; hereinafter also DPRZ) or is connected to it as an external device. DPRZ is intended for processing the image of the eye in real time with a frame rate of at least 50 Hz in order to construct an ellipse that coincides with the contour of the pupil, and subsequently determine the coordinates of its center (Figs. 5a-5e). DPRZ also calculates the positions of glare.

Модуль 10 управления обеспечивает выполнение двух функций:The control module 10 provides two functions:

- согласование интерфейса камер 6.1, 6.2 глаза с интерфейсом вычислительного модуля 9;- coordination of the interface of cameras 6.1, 6.2 eyes with the interface of the computing module 9;

- управление яркостью источников 8 света, как было указано выше, например, с использованием широтно-импульсного регулирования.- control of the brightness of light sources 8, as mentioned above, for example, using pulse width control.

Данные от камер 6.1, 6.2 глаза поступают через модуль 10 управления в ДПРЗ. Параметры эллипса и бликов, определенные ДПРЗ по изображению зрачка, передаются в вычислительный модуль 9, где используются для расчета направления взгляда.Data from cameras 6.1, 6.2 of the eye is supplied through control module 10 to the DPRZ. The parameters of the ellipse and highlights, determined by the DPRZ from the image of the pupil, are transferred to the computing module 9, where they are used to calculate the direction of gaze.

В качестве блока питания может использоваться любой подходящий источник питания, перезаряжаемый (аккумуляторная батарея) или не перезаряжаемый.The power supply can be any suitable power source, rechargeable (battery) or non-rechargeable.

Кроме того, устройство 1 может дополнительно содержать блок хранения информации (на фигурах не показан), в частности, для хранения результатов калибровки направления взгляда, о чем сказано ниже.In addition, the device 1 may further comprise an information storage unit (not shown in the figures), in particular for storing the results of the gaze direction calibration, as discussed below.

Устройство 1 непрерывно отслеживает направление взгляда пользователя и передает координаты пересечения вектора направления взгляда с плоскостью изображения, получаемого с камеры 7 сцены при условии нахождении вектора направления взгляда в поле зрения камеры 7 сцены. Фиксация точки (области) внимания может осуществляться волевым морганием, удержанием внимания на этой точке (области) в течение фиксированного времени или другим методом.Device 1 continuously monitors the direction of the user's gaze and transmits the coordinates of the intersection of the gaze direction vector with the image plane received from the scene camera 7, provided that the gaze direction vector is in the field of view of the scene camera 7. Fixing a point (area) of attention can be done by volitional blinking, maintaining attention on this point (area) for a fixed time, or by another method.

Согласно настоящему изобретению, в способе определения направления взгляда, или вектора направления взгляда, использован метод цифровой инфракрасной видеоокулографии с последующей привязкой найденного вектора направления взгляда к изображению окружающей обстановки. В данном методе глаз освещается светом, в частности инфракрасным светом, который отражается от роговицы и хрусталика глаза 11, а затем регистрируется при помощи камер 6.1, 6.2 глаза. Положение зрачка вычисляется как центр области с резким контрастом внутри радужной оболочки глаза, которая наблюдается при подсветке источниками 8 света. Блик на роговице глаза, вызываемый роговичным отражением, используется как опорная точка для измерения направления взгляда. Вектор разности координат центра зрачка и бликов изменяется при изменении направления взгляда и связан геометрическими соотношениями с вектором направления взгляда. Привязка вектора направления взгляда к окружающей обстановке осуществляется наложением найденных координат вектора на изображение окружающей сцены, которая может быть получена с помощью камеры 7 сцены. Повышение точности определения вектора направления взгляда достигается, в том числе, за счет калибровки устройства, которая может выполняться как в процессе осуществления способа, так и заранее, единожды для данного пользователя.According to the present invention, the method for determining the direction of gaze, or the gaze direction vector, uses the method of digital infrared video oculography with subsequent linking of the found gaze direction vector to the image of the surrounding environment. In this method, the eye is illuminated with light, in particular infrared light, which is reflected from the cornea and lens of the eye 11, and then recorded using cameras 6.1, 6.2 of the eye. The position of the pupil is calculated as the center of the area of sharp contrast within the iris, which is observed when illuminated by light sources 8. The glare on the cornea of the eye caused by corneal reflection is used as a reference point to measure the direction of gaze. The vector of the difference between the coordinates of the center of the pupil and the glare changes when the direction of gaze changes and is connected by geometric relationships with the vector of the direction of gaze. The binding of the gaze direction vector to the surrounding environment is carried out by superimposing the found vector coordinates on the image of the surrounding scene, which can be obtained using the scene camera 7. Increasing the accuracy of determining the gaze direction vector is achieved, among other things, by calibrating the device, which can be performed both during the implementation of the method and in advance, once for a given user.

Обработка изображений выполняется в режиме реального времени.Image processing is performed in real time.

Устройство 1 может работать в двух режимах: режиме калибровки и рабочем режиме.Device 1 can operate in two modes: calibration mode and operating mode.

Пример варианта проведения калибровки включает следующие действия:An example calibration option includes the following steps:

- формируют калибровочную метку, например, выводя ее на экране монитора компьютера;- form a calibration mark, for example, by displaying it on a computer monitor screen;

- получают изображения с камеры 7 сцены, тем самым также определяя систему координат камеры 7 сцены (далее также - глобальная система координат);- receive images from the scene camera 7, thereby also determining the coordinate system of the scene camera 7 (hereinafter also referred to as the global coordinate system);

- определяют координаты центра калибровочной метки в системе координат камеры 7 сцены;- determine the coordinates of the center of the calibration mark in the coordinate system of the camera 7 of the scene;

- определяют вектор направления взгляда в системе координат камер 6.1, 6.2 глаза (далее также - локальная система координат);- determine the vector of the direction of view in the coordinate system of cameras 6.1, 6.2 of the eye (hereinafter also referred to as the local coordinate system);

- рассчитывают коэффициенты перевода из локальной системы координат в глобальную систему координат.- calculate conversion factors from the local coordinate system to the global coordinate system.

Достаточно однократно провести калибровочную процедуру для конкретного пользователя.It is enough to carry out the calibration procedure once for a specific user.

После калибровочной процедуры можно использовать устройство 1 в рабочем режиме, при котором посредством камер 6.1, 6.2 глаза определяют вектор направления взгляда в локальной системе координат (т.е. в системе координат камер 6.1, 6.2 глаза), производят пересчет локальных координат вектора направления взгляда в глобальные координаты вектора направления взгляда (т.е. в систему координат камеры 7 сцены) и получают соответствующую точку фиксации взгляда на изображении сцены.After the calibration procedure, you can use device 1 in operating mode, in which, using cameras 6.1, 6.2, the eyes determine the gaze direction vector in the local coordinate system (i.e., in the coordinate system of cameras 6.1, 6.2 eyes), recalculate the local coordinates of the gaze direction vector in global coordinates of the gaze direction vector (i.e., into the coordinate system of the scene camera 7) and obtain the corresponding gaze fixation point on the scene image.

Далее описаны основные этапы определения положения зрачка глаза.The following describes the main steps in determining the position of the pupil of the eye.

Первый этап. Получение изображений левого и правого глаза с камер 6.1, 6.2 глаза. Изображение глаза поступает с камер 6.1, 6.2 глаза с частотой не менее 50 Гц. Поле зрения камер 6.1, 6.2 глаза выбрано так, чтобы глаз всегда оставался в кадре независимо от вариаций положения устройства 1 на голове пользователя. Положение глаза в кадре изображения глаза может меняться, он не всегда расположен по центру кадра.First stage. Obtaining images of the left and right eyes from cameras 6.1, 6.2 eyes. The eye image comes from eye cameras 6.1, 6.2 with a frequency of at least 50 Hz. The field of view of the eye cameras 6.1, 6.2 is selected so that the eye always remains in the frame regardless of variations in the position of the device 1 on the user's head. The position of the eye in the eye image frame can change; it is not always located in the center of the frame.

Второй этап. Предварительный поиск зрачка. Зрачок является наибольшей по размеру связной темной областью в изображении глаза. Определяют предварительное положение центра зрачка, а также количество пикселей в области зрачка, предварительно характеризующее его размер. Ввиду не совсем равномерного освещения темной области зрачка часть зрачка может оказаться не включенной в область зрачка, так что центр и размер зрачка определяются не вполне точно на данном этапе (фиг.5а).Second phase. Preliminary search for the pupil. The pupil is the largest coherent dark area in an image of the eye. The preliminary position of the center of the pupil is determined, as well as the number of pixels in the pupil area, which preliminarily characterizes its size. Due to the not entirely uniform illumination of the dark area of the pupil, part of the pupil may not be included in the pupil area, so that the center and size of the pupil are not determined quite accurately at this stage (Fig. 5a).

Третий этап. С помощью анализа гистограммы значений яркости пикселей в области, выделенной на втором этапе, находят порог бинаризации для точного построения эллипса зрачка. Далее используют бинаризацию для определения границы зрачка, и на основании границы зрачка выполняют построение предварительного эллипса зрачка.Third stage. By analyzing the histogram of pixel brightness values in the area selected in the second stage, the binarization threshold is found for accurately constructing the pupil ellipse. Next, binarization is used to determine the boundary of the pupil, and based on the boundary of the pupil, a preliminary ellipse of the pupil is constructed.

Четвертый этап. Точное построение эллипса зрачка. Точное построение эллипса зрачка производят по узловым точкам границы зрачка, определенной на третьем этапе, отфильтрованным таким образом, чтобы узловые точки образовывали выпуклую фигуру. Построение эллипса значка осуществляют методом наименьших квадратов.Fourth stage. Accurate construction of the pupil ellipse. The precise construction of the pupil ellipse is carried out using the nodal points of the pupil boundary determined at the third stage, filtered so that the nodal points form a convex figure. The icon ellipse is constructed using the least squares method.

Проведенное авторами моделирование этих методов согласно третьему и четвертому этапам показывает высокую вероятность визуального совпадения точно построенного эллипса зрачка с границей зрачка, видимой на изображениях глаза, полученных с камер 6.1, 6.2 глаза на первом этапе (фиг.5b).The modeling of these methods carried out by the authors according to the third and fourth stages shows a high probability of visual coincidence of the precisely constructed ellipse of the pupil with the boundary of the pupil visible in the images of the eye obtained from cameras 6.1, 6.2 of the eye at the first stage (Fig. 5b).

Пятый этап. Определение положения бликов и нумерация бликов.Fifth stage. Determining the position of highlights and numbering highlights.

При нахождении положения бликов на роговице глаза используют пороговую обработку с выделением кластеров (см., например, Suzuki, S. and Abe, К., "Topological Structural Analysis of Digitized Binary Images by Border Following". Computer Vision, Graphics, and Image Processing 30 1, pp 32-46, 1985) и их фильтрацией по яркости, размеру и параметру отклонения от кругл ости.When finding the position of highlights on the cornea of the eye, thresholding processing with cluster selection is used (see, for example, Suzuki, S. and Abe, K., “Topological Structural Analysis of Digitized Binary Images by Border Following.” Computer Vision, Graphics, and Image Processing 30 1, pp 32-46, 1985) and filtering them by brightness, size and deviation from roundness.

Размер радужки вычисляют из среднего размера человеческой радужки и расстоянию от камер 6.1, 6.2 глаза до зрачка (фиг.5 с). Блики, находящиеся за пределами радужки, отфильтровывают.The size of the iris is calculated from the average size of the human iris and the distance from the cameras 6.1, 6.2 of the eye to the pupil (Fig. 5 c). Highlights outside the iris are filtered out.

Блики нумеруют для определения вектора направления взгляда в глобальной системе координат, например, в следующем порядке: от одного из верхней пары, ближайшего к переносице, по кругу, в сторону от переносицы (по часовой для правого глаза и против часовой для левого), как показано на фиг.5d.The highlights are numbered to determine the gaze direction vector in the global coordinate system, for example, in the following order: from one of the top pair closest to the bridge of the nose, in a circle, away from the bridge of the nose (clockwise for the right eye and counterclockwise for the left), as shown in Fig. 5d.

Предварительно для каждого глаза проводят нумерацию бликов одного кадра изображения. Полученные координаты бликов в системе координат камер 6.1, 6.2 глаза сохраняют как тестовую нумерацию бликов. Далее нумерацию бликов производят в несколько проходов. На первом проходе выбирают два верхних блика, на их основе строят матрицу перехода от тестовой нумерации к текущему массиву бликов и проверяют качество наложения на тестовые координаты расстоянием от блика до ближайшей тестовой координаты блика, а также наклон матрицы преобразования. На втором проходе выбирают дальние от переносицы блики и повторяют процедуру. Если успешен только один из проходов, выбирают нумерацию по нему, а если оба, то берут среднюю матрицу перехода и проводят еще одну нумерацию по ней.First, the highlights of one image frame are numbered for each eye. The resulting coordinates of the highlights in the coordinate system of cameras 6.1, 6.2 are stored as test numbering of the highlights. Next, the highlights are numbered in several passes. On the first pass, the two top highlights are selected, based on them, a transition matrix from the test numbering to the current array of highlights is constructed and the quality of the overlay on the test coordinates is checked by the distance from the highlight to the nearest test coordinate of the highlight, as well as the slope of the transformation matrix. On the second pass, select the highlights farthest from the bridge of the nose and repeat the procedure. If only one of the passes is successful, choose numbering according to it, and if both, then take the average transition matrix and carry out another numbering according to it.

Шестой этап. Определение направления оптической оси глаза (фиг.5е). Решают известную систему уравнений (см., например, Guestrin, Elias & Eizenman, Moshe. (2006). "General Theory of Remote Gaze Estimation Using the Pupil Center and Corneal Reflections". Biomedical Engineering, IEEE Transactions on. 53. 1124 - 1133. 10.1109/TBME. 2005.863952), в частности, с помощью алгоритма Левенберга-Марквардта, для чего, в частности, определяют нодальную точку С глаза, точку R преломления для центра зрачка, положение центра Р зрачка в локальной системе координат, нодальную точку О камеры, положение изображения V центра зрачка, а также точку Qi отражения и положение изображения блика от i-ого источника 8 света, обозначенного на фиг.4 позицией 8i (см. фиг.4).Sixth stage. Determination of the direction of the optical axis of the eye (Fig. 5e). Solve a well-known system of equations (see, for example, Guestrin, Elias & Eizenman, Moshe. (2006). "General Theory of Remote Gaze Estimation Using the Pupil Center and Corneal Reflections." Biomedical Engineering, IEEE Transactions on. 53. 1124 - 1133 . 10.1109/TBME. 2005.863952), in particular, using the Levenberg-Marquardt algorithm, for which, in particular, the nodal point C of the eye, the refractive point R for the center of the pupil, the position of the center P of the pupil in the local coordinate system, the nodal point O of the camera are determined , the position of the image V of the center of the pupil, as well as the reflection point Qi and the position of the image of the glare from the i-th light source 8, indicated in Fig. 4 by position 8i (see Fig. 4).

Седьмой этап. Определение направления взгляда. Сначала определяют углы направления вектора направления взгляда в локальной системе координат. Далее пересчитывают их в глобальную систему координат. При этом учитывают индивидуальные особенности пользователя (углы отклонения области наилучшего зрения от вектора направления глаза) и конструктивные особенности устройства определения направления взгляда пользователя (в частности, взаимное расположение камер 6.1, 6.2 и камеры 7 сцены), которые определяются на этапе калибровки.Seventh stage. Determining the direction of view. First, the direction angles of the viewing direction vector in the local coordinate system are determined. Next, they are recalculated into the global coordinate system. In this case, the individual characteristics of the user are taken into account (the angles of deviation of the area of best vision from the direction vector of the eye) and the design features of the device for determining the direction of the user’s gaze (in particular, the relative position of cameras 6.1, 6.2 and camera 7 of the scene), which are determined at the calibration stage.

Этап калибровки. Калибровка направления взгляда пользователя состоит из двух шагов. На первом шаге производят собственно калибровку, на втором шаге осуществляют проверку калибровки. Калибровку проводят с помощью, например, экрана монитора или планшета, по которому движется метка ArUco. Нахождение указанной метки происходит при помощи алгоритма из широко распространенной библиотеки ArUco (S. Garrido-Jurado, R. Munoz-Salinas, F. J. Madrid-Cuevas, and M. J. Mann-Jimenez. 2014. "Automatic generation and detection of highly reliable fiducial markers under occlusion". Pattern Recogn. 47, 6, 2280-2292. DOI=10.1016/j.patcog.2014.01.005). В ходе разработки процедуры калибровки было установлено, что движущаяся метка дает примерно в три раза более точные результаты по сравнению со стационарной меткой, а также лучше удерживает внимание пользователя.Calibration stage. Calibrating the user's gaze direction consists of two steps. The first step is to perform the actual calibration, and the second step is to check the calibration. Calibration is carried out using, for example, a monitor screen or tablet along which the ArUco tag moves. Finding the specified mark occurs using an algorithm from the widely used ArUco library (S. Garrido-Jurado, R. Munoz-Salinas, F. J. Madrid-Cuevas, and M. J. Mann-Jimenez. 2014. "Automatic generation and detection of highly reliable fiducial markers under occlusion ". Pattern Recogn. 47, 6, 2280-2292. DOI=10.1016/j.patcog.2014.01.005). During the development of the calibration procedure, it was found that a moving tag was approximately three times more accurate than a stationary tag, and also better retained the user's attention.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет достичь высокую точность определения направления взгляда даже при небольших изменениях положения системы на пользователе, при этом оставаясь компактным и потребляющим малую мощность.Thus, the present invention makes it possible to achieve high accuracy in determining the direction of gaze even with small changes in the position of the system on the user, while remaining compact and consuming low power.

Claims (25)

1. Способ определения направления взгляда пользователя с использованием устройства определения направления взгляда пользователя, содержащего камеру левого глаза и камеру правого глаза для получения изображения соответственно левого глаза и правого глаза в системе координат камер глаза, камеру сцены для получения изображения окружающей сцены в системе координат камеры сцены, и шесть источников света левого глаза и шесть источников света правого глаза для формирования бликов соответственно на левом глазу и правом глазу, при этом способ включает следующие этапы:1. A method for determining the direction of a user's gaze using a device for determining the direction of a user's gaze, comprising a left eye camera and a right eye camera for obtaining an image of the left eye and a right eye, respectively, in the eye camera coordinate system, a scene camera for obtaining an image of the surrounding scene in the scene camera coordinate system , and six left eye light sources and six right eye light sources for generating highlights on the left eye and right eye, respectively, the method comprising the following steps: a) получение изображения левого глаза и изображения правого глаза, содержащих блики, созданные соответственно источниками света левого глаза и источниками света правого глаза,a) obtaining an image of the left eye and an image of the right eye containing highlights created respectively by the light sources of the left eye and the light sources of the right eye, b) определение положения зрачка каждого глаза, при котором:b) determination of the position of the pupil of each eye, at which: b1 на изображении глаза выполняют предварительный поиск зрачка,b1 in the eye image, a preliminary search for the pupil is performed, b2) выполняют построение предварительного эллипса зрачка иb2) construct a preliminary ellipse of the pupil and b3) по узловым точкам границы предварительного эллипса зрачка строят эллипс зрачка,b3) based on the nodal points of the boundary of the preliminary ellipse of the pupil, an ellipse of the pupil is constructed, c) определение положения и нумерация бликов на роговице каждого глаза, при которых:c) determination of the position and numbering of highlights on the cornea of each eye, in which: c1) выполняют поиск бликов на роговице глаза,c1) search for glare on the cornea of the eye, с2) вычисляют размер радужки,c2) calculate the size of the iris, с3) отфильтровывают блики, находящиеся за пределами радужки, иc3) filter out highlights located outside the iris, and с4) выполняют нумерацию бликов для определения вектора направления взгляда в системе координат камеры сцены;c4) perform numbering of highlights to determine the vector of the direction of view in the coordinate system of the scene camera; d) определение направления вектора направления взгляда каждого глаза, при котором определяют нодальную точку глаза, точку рефракции для центра зрачка, положение центра зрачка в системе координат камеры сцены; иd) determining the direction of the gaze direction vector of each eye, in which the nodal point of the eye, the refractive point for the center of the pupil, the position of the center of the pupil in the coordinate system of the scene camera are determined; And e) определение направления взгляда, при котором:e) determining the direction of view in which: e1) определяют углы направления вектора направления взгляда в системе координат камер глаза иe1) determine the direction angles of the gaze direction vector in the coordinate system of the eye cameras and е2) пересчитывают указанные углы направления оптической оси в систему координат камеры сцены с учетом калибровки направления взгляда.e2) recalculate the specified angles of direction of the optical axis into the coordinate system of the scene camera, taking into account the calibration of the direction of view. 2. Способ по п. 1, в котором на этапе b1 определяют предварительное положение центра зрачка, а также количество пикселей в области зрачка, предварительно характеризующее его размер, и формируют предварительную область зрачка.2. The method according to claim 1, in which at step b1 the preliminary position of the center of the pupil is determined, as well as the number of pixels in the pupil area, which preliminarily characterizes its size, and the preliminary pupil area is formed. 3. Способ по п. 1, в котором на этапе b2 в предварительной области зрачка находят порог бинаризации и выполняют бинаризацию для определения границы зрачка для построения предварительного эллипса зрачка.3. The method according to claim 1, in which at step b2, a binarization threshold is found in the preliminary pupil area and binarization is performed to determine the pupil boundary for constructing a preliminary pupil ellipse. 4. Способ по п. 1, в котором этап b3 выполняют методом наименьших квадратов.4. The method according to claim 1, in which step b3 is performed using the least squares method. 5. Способ по п. 1, в котором на этапе b3 узловые точки отфильтровывают таким образом, чтобы они образовывали выпуклую фигуру.5. The method according to claim 1, wherein in step b3, the node points are filtered so that they form a convex figure. 6. Способ по п. 1, в котором этап c1 выполняют пороговой обработкой изображения глаза с выделением кластеров и фильтрацией кластеров по яркости, размеру и параметру отклонения от круглости.6. The method according to claim 1, in which step c1 is performed by threshold processing of the eye image with cluster selection and filtering of clusters by brightness, size and deviation from roundness parameter. 7. Способ по п. 1, в котором этап с2 выполняют с использованием информации о среднем размере человеческой радужки и информации о расстоянии от соответствующей камеры левого глаза или камеры правого глаза до зрачка.7. The method of claim 1, wherein step c2 is performed using information about the average size of the human iris and information about the distance from the corresponding left eye camera or right eye camera to the pupil. 8. Способ по п. 1, в котором этап с4 выполняют от одного блика из верхней пары, ближайшего к переносице, по кругу, в сторону от переносицы, по часовой стрелке для правого глаза и против часовой стрелки для левого глаза.8. The method according to claim 1, in which step c4 is performed from one highlight from the upper pair, closest to the bridge of the nose, in a circle, away from the bridge of the nose, clockwise for the right eye and counterclockwise for the left eye. 9. Способ по п. 1, в котором при калибровке направления взгляда учитывают взаимное положение камер левого и правого глаза и камеры сцены.9. The method according to claim 1, in which when calibrating the direction of view, the relative positions of the cameras of the left and right eyes and the scene camera are taken into account. 10. Способ по п. 1, в котором калибровку направления взгляда осуществляют заранее на одном из указанных этапов.10. The method according to claim 1, in which the calibration of the direction of view is carried out in advance at one of the specified stages. 11. Способ по пп. 1 и 10, в котором при калибровке направления взгляда учитывают индивидуальные особенности пользователя.11. Method according to paragraphs. 1 and 10, in which the individual characteristics of the user are taken into account when calibrating the direction of gaze.
RU2022117659A 2019-12-16 Method for determining direction of view RU2815470C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2815470C1 true RU2815470C1 (en) 2024-03-18

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2589623C2 (en) * 2014-10-08 2016-07-10 Александр Иванович Миланич Method of monitoring eye movements and device for its implementation
US20170322430A1 (en) * 2014-11-14 2017-11-09 Essilor International (Compagnie Générale d'Optique) Devices and methods for determining the position of a characterizing point of an eye and for tracking the direction of the gaze of a wearer of spectacles
US20180184958A1 (en) * 2011-05-20 2018-07-05 Google Llc Systems and methods for measuring reactions of head, eyes, eyelids and pupils
RU2678478C2 (en) * 2014-04-29 2019-01-29 МАЙКРОСОФТ ТЕКНОЛОДЖИ ЛАЙСЕНСИНГ, ЭлЭлСи Lights control in environment of eye motion tracking
RU2696042C2 (en) * 2017-12-11 2019-07-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method and system for recording eye movement

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180184958A1 (en) * 2011-05-20 2018-07-05 Google Llc Systems and methods for measuring reactions of head, eyes, eyelids and pupils
RU2678478C2 (en) * 2014-04-29 2019-01-29 МАЙКРОСОФТ ТЕКНОЛОДЖИ ЛАЙСЕНСИНГ, ЭлЭлСи Lights control in environment of eye motion tracking
RU2589623C2 (en) * 2014-10-08 2016-07-10 Александр Иванович Миланич Method of monitoring eye movements and device for its implementation
US20170322430A1 (en) * 2014-11-14 2017-11-09 Essilor International (Compagnie Générale d'Optique) Devices and methods for determining the position of a characterizing point of an eye and for tracking the direction of the gaze of a wearer of spectacles
RU2696042C2 (en) * 2017-12-11 2019-07-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method and system for recording eye movement

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10376139B2 (en) Systems and methods for improved ease and accuracy of gaze tracking
US6659611B2 (en) System and method for eye gaze tracking using corneal image mapping
AU2012219362B2 (en) Photorefraction ocular screening device and methods
CN109684915B (en) Pupil tracking image processing method
BR112019006165B1 (en) PROCESS AND DEVICE FOR DETERMINING A REPRESENTATION OF A GLASSES LENS EDGE
US12056274B2 (en) Eye tracking device and a method thereof
CA2685976A1 (en) Methods and apparatus for estimating point-of-gaze in three dimensions
US7618143B2 (en) Pupilometer
JP6957048B2 (en) Eye image processing device
US20220076417A1 (en) Vision screening systems and methods
US10694938B2 (en) Purkinje meter and method for automatic evaluation
Arar et al. Towards convenient calibration for cross-ratio based gaze estimation
WO2021125993A1 (en) Method of determining gaze direction
RU2815470C1 (en) Method for determining direction of view
CN116382473A (en) Sight calibration, motion tracking and precision testing method based on self-adaptive time sequence analysis prediction
WO2021125992A1 (en) Device for determining gaze direction
RU219079U1 (en) Device for determining the direction of gaze
US20230404397A1 (en) Vision screening device including oversampling sensor
Czyżewski et al. Comparison of developed gaze point estimation methods
CN117530654A (en) Real-time binocular pupil inspection system and detection method
EP4432895A1 (en) Vision screening systems and methods
IL310806A (en) Eye tracking device and a method thereof
Meriläinen Adapting a gaze tracking system to mobile environments