视线跟踪是利用机械、电子、光学等现有的各种检测手段获取受试者当前“注视方向”的技术,目前已广泛应用于人机交互、医学诊断、国防军事、交通安全、人因分析、虚拟现实等多个领域。近年来,大数据、人工智能等新一代信息技术的迅速发展,对视线跟踪技术也提出了更高的需求。而无论是从理论研究还是从实际应用的角度,视线跟踪技术都有其局限性。目前视线跟踪模型主要存在以下三个技术瓶颈:(1)往往需要先通过用户标定过程获取用户特定的特征参数。(2)对头部的自由运动有所限制。(3)对简化用户标定和允许头部运动的研究主要是以硬件系统的复杂化为代价。此外,视线跟踪技术在手机、平板电脑等移动便携式设备中的应用可以抽象成简单硬件系统配置下的视线估计,而目前基于简单的硬件系统只能实现二维视线估计,且存在用户标定复杂、限制头部运动等问题,相比较而言,三维视线估计可以简化用户标定过程,且允许头部运动。因此,深入开展基于简化硬件系统的三维视线估计方法研究,解决三维视线跟踪系统的系统配置复杂的问题,提高视线跟踪系统的可操作性和易用性,是实现简化用户标定、全自由大范围头动的基础,对于使视线跟踪技术成为真正的自然人机交互或人因分析手段,应用于手机、平板电脑等移动便携式设备,具有必要性和现实意义。本文的主要贡献包括:(1)针对已有的基于单相机单光源系统的三维视线估计方法需要预设一些眼球不变参数的问题,提出基于虹膜半径标定的单相机单光源系统三维视线估计方法。利用空间虹膜中心及其法向量的三维重建,实现了在一个相机和一个光源的系统配置下的虹膜半径标定和三维视线估计,并基于双目模型对三维视线进行了优化。该方法解决了已有三维视线估计方法需要采用单相机多光源系统或多相机多光源系统才能估计三维视线的问题,突破了已有方法对硬件系统配置的限制。(2)在简化三维视线估计所需的硬件系统配置、突破已有方法对硬件系统配置的限制的基础上,针对空间虹膜法向量的三维重建受虹膜成像特征参数误差的影响较大的问题,提出基于角膜半径标定的单相机单光源系统三维视线估计方法。在用户标定过程标定出虹膜半径后,根据光源成像模型标定了角膜曲率半径,考虑了个体差异性。在三维视线估计过程中,根据空间几何模型求解角膜中心,利用角膜中心和虹膜中心的构建眼球光轴,估计并优化三维视线,避免了虹膜法向量不准确引入的光轴误差。(3)针对两个光源与相机光心共线的这种典型的单相机双光源系统,在人眼不变参数未知的情况下,采用已有的单相机双光源系统三维视线估计方法无法估计三维视线的问题,提出基于虹膜特征的单相机双光源系统三维视线估计方法。先利用虹膜特征标定角膜曲率半径,随后基于虹膜特征或基于瞳孔特征进行三维视线估计。该方法使在这种典型的单相机双光源系统中实现三维视线估计成为了可能。