基于光学跟踪的人体自由运动视线追踪系统研究

本文主要探讨了人体在大空间范围内自由运动时视线追踪算法的研究。针对传统视线追踪技术在动态场景下精度降低的问题，作者提出了一种创新的解决方案，即构建了一套基于光学跟踪设备的头戴式视线追踪系统。该系统的核心组成部分包括被动式光学跟踪设备和头戴式眼摄像机，它们协同工作来实时捕捉用户的头部运动和眼部图像。 首先，光学跟踪设备通过被动方式持续监控用户头部的位置，这为后续视线追踪提供了关键的运动数据。头戴式眼摄像机则负责获取眼部图像，通过形态学快速滤波算法定位瞳孔中心，这是视线追踪中的关键步骤，因为瞳孔中心的移动可以间接反映视线的方向。 系统利用视线跟踪三点三面三变换几何模型，这个模型是系统的核心理论基础，它将用户的实时头部位姿变化补偿到静止状态下的标定映射关系中，实现了视线方向在自由运动情况下的连续追踪。这种设计使得系统能够在不受用户运动限制的情况下，准确地计算出视线轨迹，即使在大工作空间（如3m*3.2m*2m）内也能保持较高的追踪精度，视线追踪误差仅为1.69度，刷新率为20Hz。 这套系统的重要价值在于它为沉浸式环境中的人机交互提供了强大的支持，用户可以在自由移动的同时与虚拟环境进行实时且自然的互动。其应用实验的结果证明了系统的实用性和可靠性，为视线追踪技术在游戏、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等领域的广泛应用奠定了坚实的基础。 本文的研究不仅解决了视线追踪在大空间自由运动中的挑战，还提供了一种通用的框架，使得此类系统能够适应不同硬件设备，具有较好的普适性。这对于提高用户体验，推动人机交互技术的发展具有重要意义。