视觉是人类与外界交互重要的途径之一,80%以上的外界信息经由视觉获得。视线估计技术通过光学、电子、机械等手段获取观察者的注视点,它不但提供了一种崭新的基于视觉的人机交互方式,而且提供了将人眼视觉及注视规律量化分析的手段,因而有着重要的研究价值。本文深入研究视线追踪的核心技术,学习、总结前人成果,从宏观的系统设计角度出发,探索低成本硬件条件下视线追踪系统的设计与实现。系统采用双相机与双光源的硬件设计,视线估计模型基于瞳孔角膜反射法,选用了低成本的不带有可变焦工业镜头的红外相机,并有针对性的进行了算法设计,平衡硬件成本与视线估计精度之间的矛盾。论文主要工作如下:1.硬件系统的设计。红外点光源与相机的选型、安装与调试,达到最佳成像效果。2.视线特征参数的提取,即瞳孔中心、角膜反射光斑中心的提取。针对低成本相机成像条件下目标区域图像分辨率低,以及光照环境的变化、人眼眨动等影响因素,论文提出了视线特征参数提取方法,兼顾提取的精度与方法的鲁棒性,包括视频采集、由粗及细的瞳孔区域定位、角膜反射光斑中心提取、瞳孔中心提取,最后引入后处理应对异常情况。3.视线估计算法的设计。根据人眼生理结构与人眼视觉机制,抽象建立人眼模型,以此为依据推导实现基于瞳孔角膜反射法的视线估计算法模型。4.坐标系转换与参数标定。涉及局部坐标系与世界坐标系之间的转换,相机参数、相机姿态的标定以及算法参数标定过程的推导与优化求解。5.视线追踪系统的工程实现。系统各个环节的实现与完整系统的集成、优化与加速。论文最终构建了一个双相机双光源视线追踪系统,实验结果表明,本系统视线估计结果平均均方根误差为12 mm,满足某些应用的基本需求。本系统降低了对硬件的要求,视线估计精度拥有不小的提升空间,在实际应用中有一定的参考价值。