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。根据使用视线跟踪技术实现自由空间注视点空间坐标估计的实际问题,结合当前视线跟踪方法研究现状,本文研究的关键理论与科学问题为:(1)提高双眼视线估计精度;(2)实现无场景信息辅助的注视点空间坐标估计。为此,本文重点研究视线估计及注视点空间坐标估计理论与技术,提出了基于简化3D眼睛模型的视线估计方法和基于注视点深度信息预测的自由空间注视点空间坐标估计方法。论文详细分析了当前基于3D几何模型的视线估计方法中的两类方法:基于3D眼睛模型的方法和基于虹膜/瞳孔轮廓的方法,分析两类方法的几何模型结构和光轴/视轴直线计算方法,并对光轴/视轴计算的计算误差进行了深入分析。基于对已有方法的分析,本文对自由空间视线估计和注视点空间坐标估计方法的理论模型、视轴计算方法、自由空间注视点空间坐标估计等方面分别展开研究,提出了两项用于自由空间注视点空间坐标估计的理论方法和一种基于立体视觉的视线跟踪系统的系统标定方法。本文包含的主要研究成果如下:(1)本文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°。(2)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。使用本文提出的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。本文还使用方形实物来测试该注视点空间坐标估计方法在实际场景中的使用效果。(3)为实现本文提出的上述两种主要方法,本文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。