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DE102017000962A1 - Method for determining a head pose of a head - Google Patents

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DE102017000962A1
DE102017000962A1 DE102017000962.7A DE102017000962A DE102017000962A1 DE 102017000962 A1 DE102017000962 A1 DE 102017000962A1 DE 102017000962 A DE102017000962 A DE 102017000962A DE 102017000962 A1 DE102017000962 A1 DE 102017000962A1
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DE
Germany
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head
coordinate system
target
calibration unit
pose
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102017000962.7A
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German (de)
Inventor
Markus Roth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Kopfpose eines Kopfes (H). Erfindungsgemäß wird ein Kopftarget (TH) an dem Kopf (H) angeordnet und eine Kopfkalibriereinheit (C) wird derart am Kopf (H) angeordnet, dass ein Kalibriereinheitkoordinatensystem (KKS) der Kopfkalibriereinheit (C) mit einem Kopfkoordinatensystem (HKS) des Kopfes (H) übereinstimmt, wobei mittels eines Referenzmesssystems gleichzeitig eine Pose des Kopftargets (TH) und des Kalibriereinheitkoordinatensystems (KKS) zu seiner Basis bestimmt wird und daraus die Kopfpose errechnet wird.The invention relates to a method for determining a head pose of a head (H). According to the invention, a head target (TH) is arranged on the head (H) and a head calibration unit (C) is arranged on the head (H) such that a calibration unit coordinate system (KKS) of the head calibration unit (C) is provided with a head coordinate system (HKS) of the head (H ), wherein a pose of the head target (TH) and the calibration unit coordinate system (KKS) is determined at the same time by means of a reference measuring system to its base and from this the head pose is calculated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Kopfpose eines Kopfes.The invention relates to a method for determining a head pose of a head.

Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, ein Target am Kopf zu befestigen und mittels eines Referenzmesssystems eine Pose des Targets zu seiner Basis zu bestimmen. Danach wird eine Koordinatentransformation vom Target zum Kopfkoordinatensystem bestimmt.From the prior art, it is generally known to attach a target on the head and to determine a pose of the target to its base by means of a reference measuring system. Thereafter, a coordinate transformation from the target to the head coordinate system is determined.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Bestimmung einer Kopfpose anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved method for determining a head pose.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Kopfpose mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved by a method for determining a Kopfpose with the features of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung einer Kopfpose eines Kopfes wird ein Kopftarget an dem Kopf angeordnet und eine Kopfkalibriereinheit wird derart am Kopf angeordnet, dass ein Kalibriereinheitkoordinatensystem der Kopfkalibriereinheit mit einem Kopfkoordinatensystem des Kopfes übereinstimmt, wobei mittels eines Referenzmesssystems gleichzeitig eine Pose des Kopftargets und des Kalibriereinheitkoordinatensystems zu seiner Basis bestimmt wird und daraus die Kopfpose errechnet wird.In a method according to the invention for determining a head pose of a head, a head target is arranged on the head and a head calibration unit is arranged on the head such that a calibration unit coordinate system of the head calibration unit coincides with a head coordinate system of the head, whereby a pose of the head target and the calibration unit coordinate system are simultaneously determined by means of a reference measurement system is determined to its base and from this the head pose is calculated.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine genauere Transformation in das Kopfkoordinatensystem, erfordert einen geringeren Aufwand bei einer Initialkalibrierung und ermöglicht eine einfachere Einrichtung eines Kopfkalibriersystems, welches das Kopftarget, das an dem Kopf angeordnet wird, die Kopfkalibriereinheit und das Referenzmesssystem umfasst.The method of the present invention allows more accurate transformation into the head coordinate system, requires less initial calibration effort, and allows easier setup of a head calibration system that includes the head target placed on the head, the head calibration unit, and the reference measurement system.

Des Weiteren wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine freie Kopflage während des Kalibrierprozesses (< 1 s) ermöglicht. Voraussetzung hierfür ist, dass vom Referenzmesssystem beide Targets, d. h. das Kopftarget und ein Kalibriereinheittarget der Kopfkalibriereinheit, gleichzeitig gefunden, d. h. erfasst, werden können.Furthermore, a free head position during the calibration process (<1 s) is made possible by the method according to the invention. The prerequisite for this is that both targets, ie. H. the head target and a calibration unit target of the head calibration unit, found simultaneously, d. H. can be captured.

Die kalibrierte Transformation in das Kopfkoordinatensystem ist so genau wie das Referenzmesssystem, da alle Transformationen in diesem System erhalten werden (zeitgleiche Aufnahme).The calibrated transformation into the head coordinate system is as accurate as the reference measurement system, since all transformations are obtained in this system (simultaneous recording).

Es ist kein statischer Aufbau mit einer bekannten Geometrie erforderlich. Das erfindungsgemäße Verfahren und die Komponenten zu dessen Durchführung können beispielsweise auch in einem herkömmlichen Büro oder an einem anderen Ort verwendet werden.There is no static structure with a known geometry required. The method according to the invention and the components for carrying it out can also be used, for example, in a conventional office or at another location.

Beim Einsatz in einer videobasierten Fahrerbeobachtung eines Fahrers eines Fahrzeugs können kostengünstig viele Bilder mit zugehöriger genauer Kopfpose aufgezeichnet werden. Diese können zum Trainieren und Evaluieren von maschinellen Lernverfahren zur Kopfposenschätzung und -detektion verwendet werden. Insbesondere aktuelle Verfahren benötigen sehr viele Trainingsdaten (> 100000). Klassische Ansätze verwenden manuelle Annotationen, mit denen ein großer Zeitaufwand einhergeht.When used in a video-based driver observation of a driver of a vehicle, many images can be recorded cost-effectively with an associated precise head pose. These can be used to train and evaluate machine learning methods for head pose estimation and detection. In particular, current methods require a large amount of training data (> 100,000). Traditional approaches use manual annotation, which takes a lot of time.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine schematische Darstellung eines Kopfkoordinatensystems, 1 a schematic representation of a head coordinate system,

2 eine schematische Darstellung eines an einem Kopf angeordneten Kopftargets, 2 a schematic representation of a head target arranged head target,

3 eine schematische Darstellung eines weiteren an einem Kopf angeordneten Kopftargets, 3 a schematic representation of another arranged on a head head target,

4 eine schematische Darstellung eines weiteren an einem Kopf angeordneten Kopftargets, 4 a schematic representation of another arranged on a head head target,

5 eine schematische Darstellung eines Kopfes mit einem daran angeordneten Kopftarget und einer Kopfkalibriereinheit, 5 a schematic representation of a head with a head target arranged thereon and a Kopfkalibriereinheit,

6 eine schematische Darstellung der Kopfkalibriereinheit aus 5, 6 a schematic representation of the Kopfkalibriereinheit from 5 .

7 eine schematische Darstellung einer Aufnahme einer Fahrerbeobachtungskamera in einem Fahrzeug mit Koordinatensystemen eines Kopfes eines Fahrers des Fahrzeugs und eines Kopftargets, und 7 a schematic representation of a recording of a driver observation camera in a vehicle with coordinate systems of a head of a driver of the vehicle and a head target, and

8 eine schematische Darstellung einer dreidimensionalen Visualisierung von Koordinatensystemen eines Kopfes, eines Kopftargets und einer Basis eines Referenzmesssystems. 8th a schematic representation of a three-dimensional visualization of coordinate systems of a head, a head target and a base of a reference measurement system.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

Anhand der 1 bis 8 werden im Folgenden verschiedene Vorgehensweisen zur Bestimmung einer Kopfpose eines Kopfes H einer Person beschrieben. Verwendet wird eine solche Kopfposenbestimmung beispielsweise zur Kalibrierung eines videobasierten Fahrerbeobachtungssystems in einem Fahrzeug 1. Ein solches videobasiertes Fahrerbeobachtungssystem ist beispielhaft in 8 gezeigt.Based on 1 to 8th In the following, various procedures for determining a head pose of a person's head H are described. Such a head position determination is used for example for calibrating a video-based driver observation system in a vehicle 1 , Such a video-based driver observation system is exemplary in 8th shown.

Zur besseren Verständlichkeit werden zunächst einige Begriffe definiert, welche im Folgenden verwendet werden.For clarity, some terms will be defined first, which will be used in the following.

Ein Kopfkoordinatensystem HKS ist ein definiertes Koordinatensystem, das fest zum (knöchernen) Kopf H des Menschen definiert ist, wie in 1 beispielhaft dargestellt. Beispielsweise liegt ein Nullpunkt des Kopfkoordinatensystems HKS im Nasion N, eine x-Richtung X des Kopfkoordinatensystems HKS verläuft in Blickrichtung, eine y-Richtung Y des Kopfkoordinatensystems HKS verläuft in Richtung des linken Auges und eine z-Richtung Z des Kopfkoordinatensystems HKS verläuft in Richtung der Stirn. Somit verläuft eine yz-Ebene durch Nasion N und Kinn K und eine xz-Ebene verläuft derart, dass das Gesicht spiegelsymmetrisch gegenüber der xz-Ebene ist.A head coordinate system HKS is a defined coordinate system fixedly defined to the (bony) head H of the human, as in 1 exemplified. For example, a zero point of the head coordinate system HKS lies in the nasion N, an x-direction X of the head coordinate system HKS runs in the viewing direction, a y-direction Y of the head coordinate system HKS runs in the direction of the left eye and a z-direction Z of the head coordinate system HKS runs in the direction of Forehead. Thus, a yz plane passes through nasion N and chin K, and an xz plane is such that the face is mirror symmetric to the xz plane.

Eine Koordinatentransformation ist eine Beschreibung translatorischer und rotatorischer Beziehungen zwischen zwei Koordinatensystemen.A coordinate transformation is a description of translational and rotational relationships between two coordinate systems.

Kalibrierung im hier verwendeten Sinn ist das Finden einer geeigneten Koordinatentransformation zwischen zwei Koordinatensystemen.Calibration, as used herein, is finding a suitable coordinate transformation between two coordinate systems.

Eine Kopfpose ist eine Koordinatentransformation zwischen dem Kopfkoordinatensystem HKS und einem Referenz-Koordinatensystem, zum Beispiel einem Kamerakoordinatensystem oder einem Fahrzeugkoordinatensystem.A head pose is a coordinate transformation between the head coordinate system HKS and a reference coordinate system, for example, a camera coordinate system or a vehicle coordinate system.

Eine Kalibriervorrichtung, insbesondere eine Kopfkalibriereinheit C im hier verwendeten Sinn, ist, wie beispielsweise in 5 gezeigt, eine Vorrichtung zum Auflegen des Kopfes H zur Findung der Kalibrierung. Diese Kalibriervorrichtung, insbesondere Kopfkalibriereinheit C, gibt durch eindeutiges Aufsetzen die Lage des Kopfkoordinatensystems HKS vor.A calibration device, in particular a Kopfkalibriereinheit C in the sense used here is, such as in 5 shown, a device for applying the head H to find the calibration. This calibration device, in particular head calibration unit C, specifies the position of the head coordinate system HKS by clearly placing it on.

Bei der Entwicklung und Evaluation von Systemen zur Schätzung der Kopfpose wird ein genaues Referenzmesssystem zur Bestimmung der Kopfpose benötigt. Ziel ist es, zu jedem Zeitpunkt eine genaue Messung sowohl der Kopfposition als auch der Kopfrotation in einem Referenz-Koordinatensystem zu ermöglichen. In der Fahrerbeobachtung finden diese Messungen Anwendung im Training und der Evaluation von kamerabasierten Kopfposenschätzern.When developing and evaluating systems for estimating the head pose, an accurate reference measurement system is needed to determine the head pose. The aim is to enable an accurate measurement of both the head position and the head rotation in a reference coordinate system at all times. In driver observation, these measurements are used in training and the evaluation of camera-based head position estimators.

In einer solchen Fahrerbeobachtung kann die Kopfpose in nachgelagerten Verfahren verwendet werden, um Eindrücke, insbesondere Informationen über den Zustand des Fahrers, zu erlangen. Beispielsweise kann die Kopfpose für eine Fahrerverhaltensanalyse und daraus resultierend zum Beispiel für eine Vorhersage des Fahrerverhaltens verwendet werden. Des Weiteren kann die Kopfpose beispielsweise zum Betrieb eines dreidimensionalen Displays verwendet werden, da hierfür eine genaue Kenntnis des Nasions N im Display-Koordinatensystem erforderlich ist. Zudem kann die Kopfpose beispielsweise für eine Müdigkeitserkennung verwendet werden, beispielsweise zum Erfassen des Lidschluss und/oder Lidschlags und/oder zur Ermittlung des PERCLOS-Maßes.In such a driver observation, the head pose may be used in downstream methods to obtain impressions, in particular information about the condition of the driver. For example, the head pose can be used for a driver behavior analysis and, as a result, for example, for predicting driver behavior. Furthermore, the head pose can be used, for example, for the operation of a three-dimensional display, as this requires an exact knowledge of the Nasion N in the display coordinate system. In addition, the head pose can be used, for example, for detection of tiredness, for example for detecting eyelid closure and / or eyelid striking and / or for determining the PERCLOS measurement.

Für eine automatische Längs- und Querregelung des Fahrzeugs 1 kann die Kopfpose beispielsweise zur Ermittlung der Aufmerksamkeit und/oder Blickrichtung des Fahrers verwendet werden, um diese automatische Längs- und Querregelung nicht mehr in Abhängigkeit von „Hands-on-Wheel” durchzuführen, d. h. in Abhängigkeit davon, ob sich Hände des Fahrers an einem Lenkrad des Fahrzeugs 1 befinden, sondern in Abhängigkeit von „Head-on-Road”, d. h. in Abhängigkeit davon, ob der Kopf H, insbesondere die Blickrichtung, des Fahrers auf die Fahrbahn gerichtet ist.For automatic longitudinal and lateral control of the vehicle 1 For example, the head pose may be used to determine the driver's attention and / or line of sight to no longer perform this automatic longitudinal and lateral control in response to "hands-on-wheel", ie, depending on whether the driver's hands are on one Steering wheel of the vehicle 1 but in Dependence on "head-on-road", ie depending on whether the head H, in particular the viewing direction, of the driver is directed to the roadway.

Bei beispielsweise kamerabasierten Systemen zur Schätzung der Kopfpose ist es wichtig, das Gesicht des Fahrers nicht durch Messtechnik zu verdecken. Diese Kopfposenschätzung wird üblicherweise durch eine nichtinvasive Messung durchgeführt.For example, in the case of camera-based head pose estimation systems, it is important not to obscure the driver's face with metrology. This head pose estimation is usually performed by a non-invasive measurement.

Im Folgenden wird, insbesondere anhand 5, ein Referenzmesssystem vorgestellt, das durch eine neue Kalibrierroutine eine genaue Messung der Kopfpose erlaubt, ohne das Gesicht des Fahrers zu verdecken.The following will, in particular, based 5 , a reference measuring system that allows a precise measurement of the head pose through a new calibration routine without obscuring the driver's face.

Aus dem Stand der Technik sind bereits Messsysteme zur Bestimmung der Koordinatentransformation eines oder mehrerer wohldefinierter Objekte, im Folgenden als Targets bezeichnet, zum Referenz-Koordinatensystem bekannt. Zugrundeliegende Technologien sind beispielsweise elektromagnetische Sensoren, Inertialsensoren, laserbasierte, optische Sensoren, bildbasierte Verfahren (beispielsweise Perspective-n-Point Algorithmus, beschrieben in Lepetit, V.; Moreno-Noguer, M.; Fua, P. (2009). ”EPnP: An Accurate O(n) Solution to the PnP Problem”. International Journal of Computer Vision 81 (2): 155–166 ) und das so genannte Optical Marker Tracking.Measuring systems for determining the coordinate transformation of one or more well-defined objects, referred to below as targets, to the reference coordinate system are already known from the prior art. Underlying technologies include, for example, electromagnetic sensors, inertial sensors, laser-based optical sensors, image-based methods (for example, the perspective n-point algorithm described in US Pat Lepetit, V .; Moreno-Noguer, M .; Fua, P. (2009). "EPnP: An Accurate O (n) Solution to the PnP Problem". International Journal of Computer Vision 81 (2): 155-166 ) and the so-called optical marker tracking.

Diese Referenzmesssysteme können die Pose des Targets zu ihrer Basis bestimmen. Wird das Target als ein Kopftarget TH am Kopf H befestigt, wie in den 2 bis 8 gezeigt, muss noch die Koordinatentransformation vom Kopftarget TH zum Kopfkoordinatensystem HKS bestimmt werden, d. h. die Kalibrierung durchgeführt werden. Diese Koordinatentransformation kann entweder durch die Befestigung vorgegeben sein oder vermessen werden. Durch das Vermessen wird ein beliebiges Anbringen des Kopftargets TH am Kopf H ermöglicht. 2 zeigt ein solches am Kopf H angeordnetes Kopftarget TH, wobei mittels eines gestrichelten Pfeils P die Koordinatentransformation vom Kopftarget TH zum Kopfkoordinatensystem HKS dargestellt ist.These reference measurement systems can determine the pose of the target to their base. If the target is attached as a head target T H at the head H, as in the 2 to 8th the coordinate transformation from the head target T H to the head coordinate system HKS must still be determined, ie the calibration must be carried out. This coordinate transformation can either be predefined or measured by the attachment. By surveying any attachment of the head target T H head H is possible. 2 shows such a head H arranged on the head target T H , wherein by means of a dashed arrow P, the coordinate transformation from the head target T H to the head coordinate system HKS is shown.

An dieser Stelle setzt das im Folgenden beschriebene neue Verfahren an, da mittels dieses neuen Verfahrens und insbesondere mittels der hierfür verwendeten Kopfkalibriereinheit C eine solche Koordinatentransformation vom Kopftarget TH zum Kopfkoordinatensystem HKS gefunden wird, wie später noch detailliert beschrieben wird. Diese Koordinatentransformation vom Kopftarget TH zum Kopfkoordinatensystem HKS kann zur Bestimmung der Kopfpose verwendet werden, solange das Kopftarget TH seine Lage auf dem Kopf H beibehält, d. h. insbesondere nicht verrutscht. Sofern die Lage des Kopftargets TH gegenüber dem Kopf H identisch mit der Lage während der Kalibrierung ist, kann die Transformation des Kopftargets TH in das Kopfkoordinatensystem HKS verwendet werden, auch zeitlich rückwirkend. Angewendet werden können dieses neue Verfahren und die hierfür verwendete Kopfkalibriereinheit C insbesondere in der videobasierten Fahrerbeobachtung.At this point, the new method described below sets in, since by means of this new method, and in particular by means of the head calibration unit C used for this purpose, such a coordinate transformation from the head target T H to the head coordinate system HKS is found, as will be described in detail later. This coordinate transformation from the head target T H to the head coordinate system HKS can be used for determining the head pose, as long as the head target T H maintains its position on the head H, that in particular does not slip. If the position of the head target T H relative to the head H is identical to the position during the calibration, the transformation of the head target T H into the head coordinate system HKS can be used, also with retroactive effect. This new method and the head calibration unit C used for this purpose can be used in particular in video-based driver observation.

Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren bekannt, welche die oben genannten Referenzmesssysteme zur Kopfposenschätzung nutzen.Methods are already known from the prior art, which use the above-mentioned reference measuring systems for Kopfposenschätzung.

Es ist beispielsweise eine Rotationsschätzung ohne Translationsschätzung bekannt. Derartige Verfahren schätzen lediglich die Rotation der Transformation, vernachlässigen aber die Translation.For example, a rotation estimation without translation estimation is known. Such methods only estimate the rotation of the transformation, but neglect the translation.

Des Weiteren ist eine relative Posenschätzung bekannt. Hierzu nutzen Verfahren ein initiales ”Geradeausschauen” des Trägers des Kopftargets TH als Kalibrierung. Posenänderungen des Kopftargets TH werden relativ zur Initialpose des Kopftargets TH bestimmt. Hier treten hohe Varianzen durch die Wahrnehmung des Trägers und auch zwischen Trägern auf, d. h. eine Wiederholgenauigkeit ist beeinträchtigt.Furthermore, a relative pose estimation is known. For this purpose, methods use an initial "straight-ahead view" of the wearer of the head target T H as a calibration. Pose changes of the head target T H are determined relative to the initial pose of the head target T H. Here, high variances occur through the perception of the wearer and also between wearers, ie a repeatability is impaired.

Des Weiteren ist ein System bekannt, welches als Referenzmesssystem für die Fahrerbeobachtung einen laserbasierten optischen Sensor nutzt. Als Kalibiervorrichtung wird ein Gestell verwendet, das auf das Lenkrad des Fahrzeuges 1 aufgelegt wird. Zum Kalibrieren muss der Fahrer seinen Kopf H auf das Gestell legen. Zur Kalibrierung wird eine Kette von Koordinatentransformationen aufgebaut, um die Transformation vom Kopf H zum Kopftarget TH des laserbasierten optischen Sensors zu finden. Dabei müssen eine Kette von Koordinatentransformationen vermessen werden, nämlich vom Kopf H zur Kalibriervorrichtung, von hier zur Nullstellung des Lenkrads, von hier zum Fahrzeug-CAD, von hier zum laserbasierten optischen Sensor und von hier zum Kopftarget TH des laserbasierten optischen Sensors. Hierbei kann es zur Akkumulation von Messfehlern und schlechter Reproduzierbarkeit kommen. Diese Kette muss für jeden Aufbau des Referenzmesssystems durchgeführt werden, beispielsweise für jeden Versuchsträger usw.Furthermore, a system is known which uses a laser-based optical sensor as a reference measurement system for driver observation. As a calibration device, a frame is used, which is on the steering wheel of the vehicle 1 is hung up. To calibrate, the driver must place his head H on the rack. For calibration, a chain of coordinate transformations is set up to find the transformation from the head H to the head target T H of the laser-based optical sensor. In this case, a chain of coordinate transformations must be measured, namely from the head H to the calibration device, from here to the zero position of the steering wheel, from here to the vehicle CAD, from here to the laser-based optical sensor and from here to the head target T H of the laser-based optical sensor. This can lead to the accumulation of measurement errors and poor reproducibility. This chain must be carried out for each setup of the reference measuring system, for example for each test carrier etc.

Bei einem weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird eine zentral auf dem Kopf H getragene Tiara, wie in 3 gezeigt, oder ein zentral auf dem Kopf H getragenes Schachbrett, wie in 4 gezeigt, als Kopftarget TH genutzt, für die jeweils algorithmisch die Pose im Kamerakoordinatensystem gefunden wird. Eine Kalibrierung zum Kopfkoordinatensystem HKS findet jedoch nicht statt. In another method known from the prior art, a tiara carried centrally on the head H, as in FIG 3 shown, or a chessboard worn centrally on the head H, as in 4 shown, used as a head target T H , for each of which algorithmically the pose is found in the camera coordinate system. However, a calibration to the head coordinate system HKS does not take place.

Ein weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren ist das so genannte iterative Point-Cloud Model Fitting. Die Schätzung der Kopfpose kann über das Fitten eines flexiblen Modells auf eine Punktwolke des Kopfes H erfolgen. Dies erfolgt meist durch einen iterativen Algorithmus. Dieser kann durch verrauschte Punktwolkenkoordinaten nicht immer das globale Optimum finden. Weiterhin ist keine Aussage über die Genauigkeit des Fits möglich, insbesondere wenn das flexible Modell nicht die Variation der Punktwolke repräsentieren kann.Another method known from the prior art is the so-called iterative point-cloud model fitting. The estimation of the head pose can be made by fitting a flexible model to a point cloud of the head H. This is usually done by an iterative algorithm. This can not always find the global optimum due to noisy point cloud coordinates. Furthermore, no statement about the accuracy of the fit is possible, especially if the flexible model can not represent the variation of the point cloud.

Das im Folgenden insbesondere anhand 5 beschriebene Verfahren vermeidet diese Nachteile der oben beschriebenen Verfahren. Insbesondere benötigt es keine lange Kette von Koordinatentransformationen und findet eine absolute Kalibrierung.The following in particular based 5 The method described avoids these disadvantages of the methods described above. In particular, it does not need a long chain of coordinate transformations and finds an absolute calibration.

Im Folgenden finden alle Transformationen in homogenen Koordinaten statt. Eine homogene Matrix:

Figure DE102017000962A1_0002
transformiert einen Punkt BP = [x y z 1]T (2) aus einem Basiskoordinatensystem B eines Referenzmesssystems in einen Punkt AP in einem Koordinatensystem A:
Figure DE102017000962A1_0003
In the following, all transformations take place in homogeneous coordinates. A homogeneous matrix:
Figure DE102017000962A1_0002
transform a point B P = [xyz 1] T (2) from a base coordinate system B of a reference measuring system into a point A P in a coordinate system A:
Figure DE102017000962A1_0003

Die Annahme ist ein Referenzmesssystem, das gleichzeitig die Pose mindestens zweier Targets TH, TC zur Basis B, d. h. zum Basiskoordinatensystem B des Referenzmesssystems, bestimmen kann. Das Referenzmesssystem umfasst vorteilhafterweise zwei Kameras und eine Infrarotbeleuchtung.The assumption is a reference measuring system which can simultaneously determine the pose of at least two targets T H , T C to the base B, ie to the base coordinate system B of the reference measuring system. The reference measuring system advantageously comprises two cameras and one infrared illumination.

Das Kopftarget TH ist am Kopf H angebracht, wie in 5 gezeigt. Das Kalibriereinheittarget TC ist an einer Kopfkalibiereinheit C angebracht. Die beiden Targets TH, TC sind beispielsweise jeweils als ein so genanntes Markerbäumchen, umfassend mehrere, insbesondere infrarotstrahlungreflektierende, Marker M, ausgebildet, welche mit der Infrarotbeleuchtung des Referenzmesssystems beleuchtbar und mittels dessen Kameras erfassbar sind. Durch zwei Kameras und die Infrarotbeleuchtung ist das Referenzmesssystem besonders robust. Alternativ kann jedoch beispielsweise auch ein Referenzmesssystem mit nur einer Kamera und ohne Infrarotbeleuchtung verwendet werden. Erforderlich ist insbesondere eine kamerabasierte Erfassung der Markerbäumchen mit den infrarotstrahlungreflektierenden Markern, insbesondere deren Pose, durch das Referenzmesssystem.The head target T H is attached to the head H as in 5 shown. The calibration unit target T C is attached to a head calibration unit C. The two targets T H , T C , for example, each as a so-called marker trees, comprising a plurality, in particular infrared radiation reflecting, markers M, formed, which can be illuminated with the infrared illumination of the reference measuring system and detected by the cameras. Two cameras and infrared lighting make the reference measuring system particularly robust. Alternatively, however, it is also possible, for example, to use a reference measuring system with only one camera and without infrared illumination. In particular, a camera-based detection of the marker trees with the infrared radiation-reflecting markers, in particular their pose, by the reference measuring system is required.

Ein Kalibriereinheitkoordinatensystem KKS der Kopfkalibriereinheit C ist so gewählt, dass es beim Aufliegen auf dem Kopf H mit dem Kopfkoordinatensystem HKS des Kopfes H übereinstimmt. Die Pose

Figure DE102017000962A1_0004
des Kalibriereinheittargets TC zum Kalibriereinheitkoordinatensystem KKS an der Kopfkalibriereinheit C ist bekannt (via Konstruktionsplan). Das Kalibriereinheitkoordinatensystem KKS hat seinen Ursprung in einem Nasionstempel NS der Kopfkalibriereinheit C. Die x-Richtung X verläuft analog zum Kopfkoordinatensystem HKS zur Kopfkalibriereinheit C hin. Die negative z-Richtung Z verläuft vom Nasion N zu einem Kinnstempel KS der Kopfkalibriereinheit C. Die y-Richtung Y verläuft entlang zweier Wangenstempel eines Doppelstempels DS der Kopfkalibriereinheit C.A calibration unit coordinate system KKS of the head calibration unit C is selected so that it coincides when resting on the head H with the head coordinate system HKS of the head H. The pose
Figure DE102017000962A1_0004
of the calibration unit target T C to the calibration unit coordinate system KKS at the head calibration unit C is known (via construction plan). The calibration unit coordinate system KKS has its origin in a nasion stamp NS of the head calibration unit C. The x-direction X is similar to the head coordinate system HKS to Kopfkalibriereinheit C. The negative z-direction Z runs from the nasion N to a chin stamp KS of the head calibration unit C. The y-direction Y runs along two cheek stamps of a double punch DS of the head calibration unit C.

Die Kopfkalibriereinheit C ist so gestaltet, dass sie reproduzierbar auf jeden Kopf H aufgesetzt werden kann. Der Nasionstempel NS liegt zentral auf dem Nasion N auf, der Kinnstempel KS kann entlang der Z-Achse des Kopfkoordinatensystems HKS verschoben werden, um auf dem Kinn K aufzuliegen. Ein Doppelstempel DS, umfassend die beiden Wangenstempel, wird dann entlang der negativen X-Achse in Richtung Kopf H verschoben und gegen die Wangenknochen W gepresst, wie in 5 dargestellt, welche die Kopfkalibrierung mit der Kopfkalibriereinheit C zeigt.The Kopfkalibriereinheit C is designed so that it can be reproducibly placed on each head H. The Nasionstempel NS is located centrally on the Nasion N, the Kinnstempel KS can be moved along the Z-axis of the head coordinate system HKS to lie on the chin K. A double die DS, comprising the two cheek punches, is then slid along the negative X axis toward the head H and pressed against the cheekbones W, as in 5 which shows the head calibration with the Kopfkalibriereinheit C.

Der Nasionstempel NS liegt hier zentral auf dem Nasion N auf. Der Kinnstempel KS ist auf Kinnhöhe verschoben. Die beiden Wangenstempel in Form des Doppelstempels DS liegen mit gleicher Kraft auf den Wangen auf, d. h. auf den Wangenknochen W. In 6 ist die Kopfkalibriereinheit C nochmals separat dargestellt. The Nasionstempel NS is here centrally on the Nasion N. The chin stamp KS is shifted to chin height. The two cheek stamps in the form of the double stamp DS lie with equal force on the cheeks, ie on the cheekbones W. In 6 is the Kopfkalibriereinheit C again shown separately.

Die gesuchte Transformation

Figure DE102017000962A1_0005
vom Kopftarget TH zum Kopf H kann nun errechnet werden:
Figure DE102017000962A1_0006
The sought transformation
Figure DE102017000962A1_0005
from the head target T H to the head H can now be calculated:
Figure DE102017000962A1_0006

Das Kopfkoordinatensystem HKS und das Kalibriereinheitkoordinatensystem KKS sind während des definierten Auflegens der Kopfkalibriereinheit C auf dem Kopf H identisch, dargestellt durch die Identitätsabbildung id:

Figure DE102017000962A1_0007
The head coordinate system HKS and the calibration unit coordinate system KKS are identical during the defined placement of the head calibration unit C on the head H, represented by the identity mapping id:
Figure DE102017000962A1_0007

Somit gilt mit Gleichung (5) durch Aufliegen des der Kopfkalibriereinheit C auf dem Kopf H:

Figure DE102017000962A1_0008
stammen vom Referenzmesssystem. Somit kann die gesuchte Transformation analytisch berechnet werden (3 Matrixmultiplikationen von homogenen Matrizen).Thus, equation (5) holds by resting the head calibration unit C on the head H:
Figure DE102017000962A1_0008
come from the reference measuring system. Thus, the sought transformation can be calculated analytically (3 matrix multiplications of homogeneous matrices).

Die Neuerung dieses Kopfkalibriersystems besteht somit in der Vorstellung eines vorteilhaft konstruierten Kopfkalibrators, d. h. der Kopfkalibriereinheit C, und einer Kalibrierroutine, die die Pose des am Kopf H getragenen Kopftargets TH im Kopfkoordinatensystem HKS findet.The innovation of this Kopfkalibriersystems thus consists in the idea of an advantageously constructed Kopfkalibrators, ie the Kopfkalibriereinheit C, and a calibration routine, which finds the pose of the head H carried on the head target T H in the head coordinate system HKS.

In der videobasierten Fahrerbeobachtung kann die Transformation vom Referenzmesssystem zum Kamerakoordinatensystem in ähnlicher Weise über ein Kalibiertarget gefunden werden, das ein Kalibrier-Schachbrett und ein Target in bekannter geometrischer Anordnung hält.In the video-based driver observation, the transformation from the reference measurement system to the camera coordinate system can similarly be found via a calibration target holding a calibration checkerboard and a target in a known geometric arrangement.

Die 7 und 8 zeigen ein kalibriertes System in einem prototypischen Einsatz in der videobasierten Fahrerbeobachtung. Dabei zeigt 7 eine Aufnahme der Fahrerbeobachtungskamera mit dem Kopfkoordinatensystem HKS des Kopfes H und einem Kopftargetkoordinatensystem KTS des Kopftargets TH und 8 zeigt eine dreidimensionale Visualisierung von Koordinatensystemen von Kopf H, Kopftarget TH und Basis des Referenzmesssystems, d. h. des Kopfkoordinatensystems HKS, des Kopftargetkoordinatensystems KTS und des Basiskoordinatensystems B.The 7 and 8th show a calibrated system in a prototype use in video-based driver observation. It shows 7 a photograph of the driver observation camera with the head coordinate system HKS of the head H and a head target coordinate system KTS of the head target T H and 8th shows a three-dimensional visualization of coordinate systems of head H, head target T H and base of the reference measuring system, ie the head coordinate system HKS, the head target coordinate system KTS and the base coordinate system B.

Die beschriebene Lösung ermöglicht eine genauere Transformation, erfordert einen geringeren Aufwand bei der Initialkalibrierung und ermöglicht eine einfachere Einrichtung des Kalibriersystems. Zudem ermöglicht die beschriebene Lösung eine freie Kopflage während des Kalibrierprozesses (< 1 s). Voraussetzung ist, dass beide Targets TH, TC gleichzeitig gefunden werden können. Die kalibrierte Transformation ist so genau wie das Referenzmesssystem, da alle Transformationen in diesem System erhalten werden (zeitgleiche Aufnahme).The solution described allows a more accurate transformation, requires less initial calibration effort, and allows for easier setup of the calibration system. In addition, the solution described allows a free head position during the calibration process (<1 s). The prerequisite is that both targets T H , T C can be found simultaneously. The calibrated transformation is as accurate as the reference measurement system, since all transformations are obtained in this system (simultaneous acquisition).

Es ist kein statischer Aufbau mit einer bekannten Geometrie nötig. Das System kann beispielsweise auch im Büro verwendet werden.There is no need for a static structure with a known geometry. The system can also be used in the office, for example.

Beim Einsatz in der videobasierten Fahrerbeobachtung können kostengünstig viele Bilder mit zugehöriger genauer Kopfpose aufgezeichnet werden. Diese können zum Trainieren und Evaluieren von maschinellen Lernverfahren zur Kopfposenschätzung und -detektion verwendet werden. Insbesondere aktuelle Verfahren benötigen sehr viele Trainingsdaten (> 100000). Klassische Ansätze verwenden manuelle Annotationen, mit denen ein großer Zeitaufwand einhergeht. Dies wird durch die beschriebene Lösung vermieden.When used in the video-based driver observation, many images can be recorded cost-effectively with an associated precise head pose. These can be used to train and evaluate machine learning methods for head pose estimation and detection. In particular, current methods require a large amount of training data (> 100,000). Traditional approaches use manual annotation, which takes a lot of time. This is avoided by the solution described.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Fahrzeugvehicle
BB
BasiskoordinatensytemBasiskoordinatensytem
CC
KopfkalibiereinheitKopfkalibiereinheit
DSDS
Doppelstempeldouble temple
HH
Kopfhead
HKSHKS
KopfkoordinatensystemHead coordinate system
KK
Kinnchin
KKSKKS
KalibriereinheitkoordinatensystemKalibriereinheitkoordinatensystem
KSKS
Kinnstempelchin temple
KTSKTS
KopftargetkoordinatensystemHead target coordinate system
MM
Markermarker
NN
Nasionnasion
NSNS
NasionstempelNasionstempel
PP
Pfeilarrow
TC T C
KalibriereinheittargetKalibriereinheittarget
TH T H
KopftragetKopftraget
WW
Wangenknochencheekbone
XX
x-Richtungx-direction
YY
y-Richtungy-direction
ZZ
z-Richtungz-direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Lepetit, V.; Moreno-Noguer, M.; Fua, P. (2009). ”EPnP: An Accurate O(n) Solution to the PnP Problem”. International Journal of Computer Vision 81 (2): 155–166 [0035] Lepetit, V .; Moreno-Noguer, M .; Fua, P. (2009). "EPnP: An Accurate O (n) Solution to the PnP Problem". International Journal of Computer Vision 81 (2): 155-166 [0035]

Claims (4)

Verfahren zur Bestimmung einer Kopfpose eines Kopfes (H), dadurch gekennzeichnet, dass ein Kopftarget (TH) an dem Kopf (H) angeordnet wird und eine Kopfkalibriereinheit (C) derart am Kopf (H) angeordnet wird, dass ein Kalibriereinheitkoordinatensystem (KKS) der Kopfkalibriereinheit (C) mit einem Kopfkoordinatensystem (HKS) des Kopfes (H) übereinstimmt, wobei mittels eines Referenzmesssystems gleichzeitig eine Pose des Kopftargets (TH) und des Kalibriereinheitkoordinatensystems (KKS) zu seiner Basis bestimmt wird und daraus die Kopfpose errechnet wird.Method for determining a head pose of a head (H), characterized in that a head target (T H ) is arranged on the head (H) and a head calibration unit (C) is arranged on the head (H) such that a calibration unit coordinate system (PPS) the Kopfkalibriereinheit (C) coincides with a head coordinate system (HKS) of the head (H), by means of a reference measuring system at the same time a pose of the head target (T H ) and the Kalibrierereinheitkoordinatensystems (KKS) is determined to its base and from the Kopfpose is calculated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfkalibriereinheit (C) derart am Kopf (H) angeordnet wird, dass das Kalibriereinheitkoordinatensystem (KKS) der Kopfkalibriereinheit (C) mit dem Kopfkoordinatensystem (HKS) des Kopfes (H) übereinstimmt, indem ein Nasionstempel (NS) der Kopfkalibriereinheit (C) zentral auf das Nasion (N) des Kopfes (H) aufgesetzt wird, ein Kinnstempel (KS) der Kopfkalibriereinheit (C) in z-Richtung (Z) des Kopfkoordinatensystems (HKS) verschoben wird, bis er auf dem Kinn (K) des Kopfes (H) aufliegt und ein Doppelstempel (DS) in negative x-Richtung (X) des Kopfkoordinatensystems (HKS) in Richtung des Kopfes (H) verschoben wird, bis er an den Wangenknochen (W) des Kopfes (H) gleichmäßig anliegt.A method according to claim 1, characterized in that the head calibration unit (C) is arranged at the head (H) such that the calibration unit coordinate system (KKS) of the head calibration unit (C) coincides with the head coordinate system (HKS) of the head (H) by a nasion stamp (NS) of the Kopfkalibriereinheit (C) is placed centrally on the Nasion (N) of the head (H), a chin stamp (KS) of the Kopfkalibriereinheit (C) in z-direction (Z) of the Kopfkoordinatensystems (HKS) is moved until it on the chin (K) of the head (H) rests and a double punch (DS) in the negative x-direction (X) of the head coordinate system (HKS) in the direction of the head (H) is moved until it to the cheekbones (W) of the Head (H) evenly. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopftarget (TH) und das Kalibriereinheittarget (TC) infrarotstrahlungreflektierende Marker (M) aufweisen, wobei das Referenzmesssystem, insbesondere kamerabasiert, die infrarotstrahlungreflektierenden Marker (M) erfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the head target (T H ) and the calibration unit target (T C ) comprise infrared radiation-reflecting markers (M), wherein the reference measuring system, in particular camera-based, detects the infrared radiation-reflecting markers (M). Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzmesssystem zwei Kameras und eine Infrarotbeleuchtung aufweist, wobei die Marker (M) mittels der beiden Kameras erfasst werden.A method according to claim 3, characterized in that the reference measuring system comprises two cameras and an infrared illumination, wherein the markers (M) are detected by means of the two cameras.
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