JP4528976B2 - Pupil detection apparatus and method - Google Patents
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Description
本発明は、撮影した画像によって、対象者の瞳孔を検出する装置及び方法に関するものである。 The present invention relates to an apparatus and method for detecting a pupil of a subject based on a photographed image.
対象者の瞳孔を検出する技術は、例えば、自動車を運転中の対象者の視線や視線変化を検知することで居眠り運転を予防することや、また、対象者の瞳孔の動きによって指を用いることなくコンピュータへの入力を行う瞳孔マウスにも活用され得る。本発明者は、カメラによって撮影した画像から瞳孔を検出する技術を開発してきた。例えば、特許文献1では、瞳孔と角膜反射点との関係位置から対象者の視線を検出する技術を開示している。特許文献2では、検出した瞳孔の位置座標をカーソル位置制御信号とする技術を開示している。特許文献3では、瞳孔と鼻孔の位置を検出して頭部の方向を決定する技術を開示している。特許文献4では、瞳孔と角膜反射点の位置を検出して対象者が見ている視点の三次元位置を決定する技術を開示している。
The technology for detecting the subject's pupil is, for example, preventing a drowsy driving by detecting the subject's line of sight and changes in the line of sight while driving a car, or using a finger by the movement of the subject's pupil It can also be used for a pupil mouse that performs input to a computer. The inventor has developed a technique for detecting a pupil from an image photographed by a camera. For example,
これらの技術においては、瞳孔の検出には、カメラにより撮影した明瞳孔画像と暗瞳孔画像を差分することで、瞳孔部分を周囲画像から区別する方法を用いている。カメラの開口近くに近赤外線等の光源を設け、カメラの光軸に沿うようにして光を対象者の顔に照射して撮影すると、光は瞳孔から網膜に達して反射し、水晶体、角膜を通ってカメラの開口に戻る。このときの画像は、瞳孔が明るく撮影されており、その画像を明瞳孔画像という。一方、カメラの開口から離した光源による光を対象者の顔に照射して撮影すると、網膜から反射した光はカメラの開口にはほとんど入射しないために、瞳孔は暗く撮影され、その画像を暗瞳孔画像という。瞳孔は周囲の明るさで大きさが変化し、特に明るい場所では小さくなって検出し難くなる。また、メガネ着用者では、瞳孔近傍のメガネの一部が反射を起こしたりすることから、瞳孔の検出は、明瞳孔又は暗瞳孔のどちらを用いても単独の画像から行うことは困難を伴う。しかし、明瞳孔を撮影した画像と暗瞳孔を撮影した画像の差分を行うと、瞳孔部以外の周囲部分は両画像においてほぼ同じような明るさであることから、互いに相殺して、明るさに差がある瞳孔部だけが浮き彫りになる。これによって、瞳孔を容易に検出することができ、瞳孔検出の低コスト化とロバスト性向上を図ることができる。 In these techniques, for detection of the pupil, a method is used in which the pupil portion is distinguished from the surrounding image by subtracting the bright pupil image and the dark pupil image captured by the camera. When a light source such as near-infrared light is provided near the camera's aperture and the subject's face is irradiated with light along the optical axis of the camera, the light reaches the retina from the pupil and is reflected, and the lens and cornea are reflected. Go back to the camera opening. In this image, the pupil is photographed brightly, and the image is called a bright pupil image. On the other hand, if the subject's face is illuminated with light from a light source away from the camera opening, the light reflected from the retina hardly enters the camera opening, so the pupil is photographed darkly, and the image is darkened. This is called a pupil image. The size of the pupil changes depending on the brightness of the surroundings, and becomes small and difficult to detect particularly in bright places. In addition, since a part of the glasses near the pupil causes reflection in a spectacle wearer, it is difficult to detect the pupil from a single image using either the bright pupil or the dark pupil. However, if the difference between the image obtained by photographing the bright pupil and the image obtained by photographing the dark pupil is obtained, the surrounding portions other than the pupil portion have almost the same brightness in both images. Only the pupil with a difference will be highlighted. Thereby, the pupil can be easily detected, and the cost of pupil detection can be reduced and the robustness can be improved.
なお、周囲の明るさ等の条件によっては、明瞳孔であっても、必ずしも瞳孔部の画像が周囲の画像よりも明るいとは限らず、暗瞳孔であっても瞳孔部の画像が周囲の画像よりも暗いとは限らない。本明細書における明瞳孔、暗瞳孔とは、そのときに撮影した2つの画像における瞳孔の間に相対的な明るさの違いがあり、明瞳孔は暗瞳孔に比べて相対的に明るいものであるということである。 Depending on the surrounding brightness and other conditions, the image of the pupil part is not necessarily brighter than the surrounding image even in the case of the bright pupil. It is not always darker. The bright pupil and the dark pupil in this specification have a relative brightness difference between the pupils in the two images taken at that time, and the bright pupil is relatively brighter than the dark pupil. That's what it means.
さらに、本発明者は、2つの光源での点灯を切り替えて照射を行うことなく、網膜での反射率の異なる波長の光源を同時に点灯させた状態で、対象者の顔の撮影を行い、それぞれの波長による明瞳孔画像と暗瞳孔画像を同時に得て、それらの画像の差分を行う技術についての特許出願1,2をしている。
[特許文献1]特開2005−185431号公報
[特許文献2]特開2005−182247号公報
[特許文献3]特開2005−266868号公報
[特許文献4]特開2005−198743号公報
[特許出願1]特願2005−241728号
[特許出願2]特願2005−306961号
Furthermore, the present inventor shot the face of the subject in a state in which the light sources having different wavelengths of retina are simultaneously turned on without switching on and turning on the two light sources.
[Patent Document 1] JP-A-2005-185431
[Patent Document 2] JP 2005-182247 A
[Patent Document 3] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-266868
[Patent Document 4] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-198743
[Patent Application 1] Japanese Patent Application No. 2005-241728
[Patent Application 2] Japanese Patent Application No. 2005-306961
しかし、特許文献1〜4の技術では、明瞳孔撮影用の光源と暗瞳孔撮影用の2つの光源を交互に点灯して撮影することから、明瞳孔画像と暗瞳孔画像の撮影は時間差を伴っており、その間に対象者の顔が動くと、両画像における明瞳孔と暗瞳孔の位置にずれが生じることになり、画像差分によって瞳孔の位置を正確に検出できない場合がある。例えば、NTSC方式のカメラ撮影における1/30秒毎の1フレームを構成する奇数フィールドと偶数フィールドとをそれぞれ明瞳孔画像と暗瞳孔画像とした場合、両画像の撮影には、1/60秒の時間差があり、その間の顔の移動によって、両画像における瞳孔の位置が重なることのない状態までにずれてしまうと、画像を差分する効果がないことになる。図5(A)に示すように、明瞳孔の画像P1と暗瞳孔の画像P2が一部ずれた場合、その重なった斜線の部分だけにしか差分の効果が現れない。これがさらにずれると、重なり部分が無くなって全く差分の効果が出ず、瞳孔検出が困難になる。また、明瞳孔、暗瞳孔撮影時のシャッターを開いている間に顔が移動すると、図5(B)のように瞳孔画像がぶれることになる。(C)のようにぶれた明瞳孔画像P1と暗瞳孔画像P2でも、一部が重なれば、斜線部分には一応の差分効果は現れる。しかし、図6に示すように、瞳孔の近くでメガネの反射等の高輝度の部分があると、その画像d1、d2は、両画像が一致していれば差分を取ることで消去されるにもかかわらず、両画像がずれていると差分をしても斜線部分のように高輝度部分として残るために瞳孔の画像P1、P2と区別が付かなくなることもある。このように、明瞳孔の画像と暗瞳孔の画像がずれると、瞳孔を精度よく検出することが困難になる。
また、特許出願1,2の技術によれば、異なる波長の光を同時に照射して、それぞれの波長による明瞳孔画像と暗瞳孔画像を同時に得ることから、時間差を生じないが、波長分離をするための設備や2つの波長での撮影用の2台のカメラが必要なことや、波長分離のための作業が必要等の問題が生じる。
However, in the techniques of
In addition, according to the techniques of
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、特段に複雑な装置や作業を要することなく、明瞳孔を撮影した画像と暗瞳孔を撮影した画像の時間差による瞳孔部分の位置のずれの問題を解消して、ロバスト性の高い瞳孔の検出装置及び方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve these problems, and the position of the pupil part due to the time difference between the image obtained by photographing the bright pupil and the image obtained by photographing the dark pupil without requiring a particularly complicated apparatus or work. An object of the present invention is to provide a highly robust pupil detection apparatus and method that eliminates the problem of misalignment.
このような目的を達成するために、本発明の瞳孔検出装置は、ローリングシャッター方式のイメージセンサを有し、イメージセンサの交互のライン毎に、明瞳孔画像データと暗瞳孔画像データを得る撮像手段と、撮像手段により得られたライン毎の明瞳孔画像データと暗瞳孔画像データとの差分をとって瞳孔を検出する画像解析手段とを備えるものである。 In order to achieve such an object, the pupil detection device of the present invention has an image sensor of a rolling shutter system, and obtains bright pupil image data and dark pupil image data for each alternate line of the image sensor. And image analysis means for detecting the pupil by taking the difference between the bright pupil image data and dark pupil image data for each line obtained by the imaging means.
本発明によれば、ローリングシャッター方式によって撮影されるイメージセンサのラインどうしの間の撮影時間差は、非常に短いものであることから、時間差に基づくずれのほとんどない明瞳孔画像と暗瞳孔画像を撮像手段において得ることができ、画像解析手段において、それら明瞳孔画像と暗瞳孔画像のデータの差分をすることで、瞳孔部分を際立たせて容易に瞳孔を検出することができる。 According to the present invention, since the photographing time difference between the lines of the image sensor photographed by the rolling shutter method is very short, a bright pupil image and a dark pupil image with little deviation based on the time difference are captured. In the image analysis means, the difference between the data of the bright pupil image and the dark pupil image can be used to make the pupil portion stand out and to easily detect the pupil.
また、本発明において、撮像手段をカメラの光軸に近い光源と遠い光源を有することとした場合は、2つの光源の位置を変えて設置するだけで、それぞれの光源の点灯時に、明瞳孔画像データ又は暗瞳孔画像データを得ることができる。 Further, in the present invention, when the imaging means has a light source that is close to the optical axis of the camera and a light source that is far from the camera, the bright pupil image can be obtained when the light sources are turned on only by changing the positions of the two light sources. Data or dark pupil image data can be obtained.
また、本発明において、撮像手段を互いに波長の異なる2つの光源を有することとした場合は、必ずしも設置位置によらず、それぞれの光源の点灯時に、明瞳孔画像データ又は暗瞳孔画像データを得ることができる。 Further, in the present invention, when the imaging unit has two light sources having different wavelengths, the bright pupil image data or the dark pupil image data is obtained when the respective light sources are turned on regardless of the installation position. Can do.
また、本発明において、撮像手段を、イメージセンサのライン毎に、異なる波長に対応する2種類のバンドパスフィルタが交互にそれぞれ配置されていることとする場合は、光源を区別して設ける必要がなく、イメージセンサのライン毎に、明瞳孔画像と暗瞳孔画像を得ることができる。 Further, in the present invention, when the image pickup means has two types of band-pass filters corresponding to different wavelengths alternately arranged for each line of the image sensor, it is not necessary to distinguish between the light sources. A bright pupil image and a dark pupil image can be obtained for each line of the image sensor.
また、本発明において、画像解析手段を、隣接するラインの明瞳孔画像データと暗瞳孔画像データとの差分をとって瞳孔を検出することとする場合は、特段のデータの加工を伴わずに隣接するほとんど時間差の無いデータどうしの差分を取ることができる。 Further, in the present invention, when the image analysis means detects the pupil by taking the difference between the bright pupil image data and the dark pupil image data of the adjacent line, it is adjacent without special data processing. It is possible to take the difference between the data with almost no time difference.
また、本発明において、画像解析手段を、最も近いラインの明瞳孔画像データどうし又は暗瞳孔画像データどうしの平均と、それらのラインの間の暗瞳孔画像データ又は明瞳孔画像データとの差分をとって瞳孔を検出することとする場合は、イメージセンサのラインどうしの位置のずれを解消し、かつ分解能を高めた画像解析とすることができる。 Further, in the present invention, the image analyzing means takes a difference between the average of the bright pupil image data or the dark pupil image data of the nearest line and the dark pupil image data or the bright pupil image data between those lines. Thus, when detecting the pupil, it is possible to perform image analysis in which the positional deviation between the lines of the image sensor is eliminated and the resolution is increased.
また、本発明の瞳孔検出方法は、ローリングシャッター方式のイメージセンサのライン毎に、明瞳孔と暗瞳孔を交互に撮影して、ライン毎の明瞳孔画像データと暗瞳孔画像データを得た後、ライン毎の明瞳孔画像データと暗瞳孔画像データとの差分をとって瞳孔を検出するものである。 Further, in the pupil detection method of the present invention, the bright pupil and the dark pupil are alternately photographed for each line of the rolling shutter type image sensor, and after obtaining the bright pupil image data and the dark pupil image data for each line, The pupil is detected by taking the difference between the bright pupil image data and the dark pupil image data for each line.
本発明によれば、ローリングシャッター方式によって撮影されるイメージセンサのラインどうしの間の撮影時間差は、非常に短いものであることから、ほとんどずれのない明瞳孔画像データと暗瞳孔画像データを得ることができ、それら明瞳孔画像データと暗瞳孔画像データの差分をすることで、瞳孔部分を際立たせて容易に瞳孔を検出することができる。 According to the present invention, since the photographing time difference between the lines of the image sensor photographed by the rolling shutter method is very short, it is possible to obtain bright pupil image data and dark pupil image data with almost no deviation. By making a difference between the bright pupil image data and the dark pupil image data, the pupil can be made to stand out and the pupil can be easily detected.
また、本発明において、ライン毎に明瞳孔と暗瞳孔を交互に撮影する際に、複数ラインを同時に露光して、ライン毎の明瞳孔画像データと暗瞳孔画像データを得ることとする場合は、1つのラインについて複数回露光させることが可能となり、必要に応じて露光時間を増やすことができる。 Further, in the present invention, when alternately photographing bright pupils and dark pupils for each line, when exposing a plurality of lines simultaneously to obtain bright pupil image data and dark pupil image data for each line, One line can be exposed multiple times, and the exposure time can be increased as necessary.
また、本発明において、明瞳孔と暗瞳孔の撮影は、カメラの光軸に近い光源と遠い光源の点灯を交互に切り替えて行うこととする場合は、2つの光源の位置を変えて設置するだけで、それぞれの光源の点灯時に、明瞳孔画像データ又は暗瞳孔画像データを得ることができる。 Further, in the present invention, when photographing the bright pupil and the dark pupil is performed by alternately switching on the light source close to the optical axis of the camera and the light source far from the camera, only the positions of the two light sources are changed and installed. Thus, bright pupil image data or dark pupil image data can be obtained when each light source is turned on.
また、本発明において、明瞳孔と暗瞳孔の撮影は、互いに波長の異なる光源の点灯を交互に切り替えて行うこととする場合は、必ずしも光源の設置位置にかかわらず、互いに波長の異なる光源を点灯して、それぞれの光源の点灯時に、明瞳孔画像データ又は暗瞳孔画像データを得ることができる。 In addition, in the present invention, when the bright pupil and the dark pupil are photographed by alternately switching on the light sources having different wavelengths, the light sources having different wavelengths are always turned on regardless of the installation position of the light sources. Thus, bright pupil image data or dark pupil image data can be obtained when each light source is turned on.
また、本発明において、明瞳孔と暗瞳孔の撮影は、イメージセンサのライン毎に配置された、異なる波長に対応するバンドパスフィルタを通して行うこととする場合は、光源を区別して設ける必要がなく、イメージセンサのライン毎に、明瞳孔画像データと暗瞳孔画像データを得ることができる。 Further, in the present invention, when photographing the bright pupil and the dark pupil is performed through band pass filters corresponding to different wavelengths arranged for each line of the image sensor, it is not necessary to distinguish between the light sources, Bright pupil image data and dark pupil image data can be obtained for each line of the image sensor.
また、本発明において、ライン毎の明瞳孔画像データと暗瞳孔画像データとの差分は、隣接するラインの明瞳孔画像データと暗瞳孔画像データとの差分をとることとする場合は、特段のデータの加工を伴わずに隣接するほとんど時間差の無いデータどうしの差分を取ることができる。 In the present invention, the difference between the bright pupil image data and the dark pupil image data for each line is the special data when the difference between the bright pupil image data and the dark pupil image data of the adjacent line is taken. It is possible to take the difference between the adjacent data with almost no time difference without processing.
また、本発明において、ライン毎の明瞳孔画像データと暗瞳孔画像データとの差分は、最も近いラインの明瞳孔画像データどうし又は暗瞳孔画像データどうしの平均と、それらのラインの間の暗瞳孔画像データ又は明瞳孔画像データとの差分をとることとする場合は、イメージセンサのラインどうしの位置のずれを解消し、かつ分解能を高めた画像解析とすることができる。 Further, in the present invention, the difference between the bright pupil image data and the dark pupil image data for each line is the average of the bright pupil image data of the nearest lines or the dark pupil image data, and the dark pupil between those lines. When taking a difference from the image data or the bright pupil image data, it is possible to perform an image analysis in which the positional deviation between the lines of the image sensor is eliminated and the resolution is increased.
本発明によれば、特段に複雑な装置や作業を要することなく、明瞳孔を撮影した画像と暗瞳孔を撮影した画像の時間差による瞳孔部分の位置のずれの問題を解消して、ロバスト性の高い瞳孔の検出装置及び方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to solve the problem of the positional deviation of the pupil part due to the time difference between the image obtained by photographing the bright pupil and the image obtained by photographing the dark pupil without requiring a particularly complicated apparatus or work, and thereby exhibiting robustness. An apparatus and method for detecting a high pupil can be provided.
以下、図面に基づいて、本発明による瞳孔を検出する装置及び方法の好適な実施形態について詳細に説明する。図1は、本実施形態の瞳孔検出装置の全体を示す概念図である。
瞳孔検出装置1は、撮像手段2、制御手段3、画像解析手段4を備えている。撮像手段2は、瞳孔検出対象者の瞳孔Pを含む顔部分を撮影するためのもので、カメラ21と、カメラ21の光軸に近い位置に配置された近赤外線の光源22とカメラ21の光軸から離れた位置に配置された近赤外線の光源23を有している。カメラ光軸に近い光源22を点灯させて対象者の瞳孔を撮影すると、前記のとおり、対象者の網膜で反射した光線がカメラ21に入ることから、明瞳孔が撮影される。カメラ光軸から遠い光源23を点灯させて撮影をすると、網膜で反射した光線はほとんどカメラ21に入らないことから、暗瞳孔が撮影される。制御手段3は、主としてカメラ21や光源22,23に対する指令を行う。また、画像解析手段4は、主としてカメラ21からの画像データを得て、瞳孔検出のためのデータ解析を行うものである。そして、画像解析手段4による瞳孔検出の結果に基づく信号が、瞳孔検出装置外の出力装置に伝達される。ここで、出力装置5は、例えば輸送装置を運転中の運転者である瞳孔検出対象者に対する居眠り警告装置や、瞳孔検出対象者の瞳孔の変化を瞳孔マウスとするコンピュータ入力装置などである。また、制御手段3は、撮像手段2や画像解析手段4からの信号に基づく各種制御を行ってもよく、制御手段3と画像解析手段4は、1つのコンピュータによって構成されていてもよいことはいうまでもない。
Hereinafter, preferred embodiments of an apparatus and method for detecting a pupil according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram showing the entire pupil detection device of the present embodiment.
The
撮像手段におけるカメラ21は、ローリングシャッター方式の電子シャッター動作が可能なCMOS等のイメージセンサを撮像素子として用いたものである。ローリングシャッター方式においては、イメージセンサ中のピクセルは、一番上の列から露光が始まり、底まで一列ずつ移って露光される。読み出しも露光と同じく一番上の列から始まり同じ速度で底まで一列ずつ進んで、順に読み取られる。露光し始める列と読み出しを行う列の時間差が蓄積時間(露光時間)となる。
The
次に、本実施形態の瞳孔検出の作動について説明する。対象者の顔部分を撮影する際に、カメラ21のイメージセンサのライン毎の露光にタイミングを合わせて、光源22と光源23を交互に点灯させる。そうすると、図2(A)のように、時間t1において、イメージセンサの一番上のラインL1の露光がなされるが、そのときは光源22の点灯時のため、対象者の瞳孔は明瞳孔として撮影される。図2(B)のとおり、次の時間t2における2番目のラインL2の露光では、光源23の点灯時であるため、瞳孔は暗瞳孔として撮影される。次の時間t3では、図2(C)のように、再び、ラインL3の露光に合わせて光源22が点灯し、明瞳孔を撮影する。次の時間t4では、図2(D)のように、ラインL3は暗瞳孔の撮影となる。このように、イメージセンサの奇数ラインにおいて上から順に明瞳孔の画像が得られ、偶数ラインにおいて上から順に暗瞳孔の画像が得られる。
Next, the operation of pupil detection according to this embodiment will be described. When photographing the face portion of the subject, the
画像解析においては、1つの奇数ラインとその次の偶数ラインの画像データを対応させて、そのうちの明瞳孔を撮影したラインの各ピクセルにおける輝度データから暗瞳孔を撮影したラインの対応する位置のピクセルの輝度データを差分して差分データを求める。このような演算を奇数ラインとその次の偶数ラインの各組において行う。奇数ライン又は偶数ラインのどちらで明瞳孔と暗瞳孔のどちらを撮影しても構わないが、差分を求めるときは、明瞳孔の画像データから暗瞳孔の画像データを差し引くようにする。
ラインLに沿った座標をx、それと直交方向の座標を上から下に向けてy(何番目のラインLであるかを表す)とし、座標(x、y)の輝度をS(x,y)、座標(x、y+1)の輝度をS(x、y+1)、座標(x、y)での差分データをD(x、y)と表し、仮に、y番目のラインを明瞳孔の撮影ライン、(y+1)番目のラインを暗瞳孔の撮影ラインとすると、次の式のとおりの差分データとなる。
D(x,y)=S(x,y)−S(x、y+1)
In image analysis, one odd line and the image data of the next even line are associated with each other, and the pixel at the corresponding position of the line in which the dark pupil is imaged from the luminance data in each pixel of the line in which the bright pupil is imaged. The difference data is obtained by subtracting the luminance data. Such an operation is performed for each set of an odd line and the next even line. Either the bright pupil or the dark pupil may be imaged with either the odd line or the even line, but when obtaining the difference, the dark pupil image data is subtracted from the bright pupil image data.
The coordinate along the line L is x, the coordinate perpendicular to the line is y from the top to the bottom, and the luminance of the coordinate (x, y) is S (x, y). ), The luminance at coordinates (x, y + 1) is represented as S (x, y + 1), the difference data at coordinates (x, y) is represented as D (x, y), and the y-th line is a bright pupil imaging line. If the (y + 1) th line is a dark pupil imaging line, the difference data is as shown in the following equation.
D (x, y) = S (x, y) −S (x, y + 1)
これを図4で説明すると、明瞳孔のライン1の一部を上方の線とし、暗瞳孔のライン2の一部を中間の線とする。ライン1においては、明瞳孔の部分は輝度が高くなっており、ライン2においては、暗瞳孔の部分は輝度が低くなっている。なお、前記のとおり、明瞳孔が周囲より輝度が高く、暗瞳孔が周囲より輝度が必ずしも低いとは限らないが、相対的に、明瞳孔の方が暗瞳孔よりも輝度が高いものである。そして、瞳孔の近辺に、メガネの反射等の外乱で輝度が高い部分が現れているが、このような外乱は、明瞳孔の撮影時にも暗瞳孔の撮影時にも同様に現れることから、図4の下方の線のように、差分をとると外乱は消えて、瞳孔部分だけが浮き彫りになる。このような演算を画像全体かあるいは、カルマンフィルター等の予測モデルによって瞳孔が存在すると予測される箇所について行う。これによって、差分画像を得て、判別分析法等によって2値化する等で瞳孔を検出することができる。
This will be described with reference to FIG. 4. A part of the
ここで、隣合うラインの撮影の時間差は、非常に短いものであり、例えば、1つの画像が1/30秒で撮影されるとし、ライン数が500だとすると、隣接のラインの間の時間差は、約15000分の1秒(約70μs)であり、明瞳孔のラインと隣りの暗瞳孔のラインの間で、瞳孔の画像データのずれやブレが生じることはほとんどない。ローリングシャッター方式の場合、早く移動するものを撮影すると、上部のラインの露光時と下部のラインの露光時に時間差があるために、画像が歪む場合があるが、本実施形態では、差分をとるラインどうしの時間差が少なければ、瞳孔を容易に検出できることから、このようなローリングシャッター方式の問題は不都合とならない。 Here, the time difference between adjacent lines is very short. For example, if one image is taken in 1/30 seconds and the number of lines is 500, the time difference between adjacent lines is It is about 1/5000 second (about 70 μs), and there is almost no deviation or blurring of the pupil image data between the bright pupil line and the adjacent dark pupil line. In the case of the rolling shutter method, if an object that moves fast is photographed, the image may be distorted because there is a time difference between the exposure of the upper line and the exposure of the lower line. If the time difference between the two is small, the pupil can be easily detected, and thus the problem of the rolling shutter method is not inconvenient.
以上は、奇数ラインと次の偶数ライン(この逆でもよい)を1つの単位として、演算を行って差分データを得ているために、得られる差分データのライン数は、奇数ラインと偶数ラインを合わせたライン数の半分になる。また、あるラインと次のラインの差分をとることから、y方向に関していえば、正確には位置が一致するデータどうしの差分にはなっていない。ところが、隣合う2つの奇数ラインのデータの平均をとると、そのデータは、当該2つの奇数ラインの中間の偶数ラインのy方向での位置に相当するデータを表している。そこで、隣合う2つの奇数ラインのデータの平均値と、その中間の偶数ラインのデータとの差分をとると、y方向に位置のずれを解消した差分データを得ることができる。同様にして隣合う2つの偶数ラインのデータの平均と、その中間の奇数ラインのデータとの差分をとることができる。このようにすると、y方向の位置のずれを解消することができる。例えば、鼻孔のエッジやまぶた等の部分の画像データは、差分しようとするラインどうしの間で大きく輝度が変化している場合があり、それらのラインのデータを差分しても、外乱でありながら消去できないことがあるが、このように1つおいたラインの平均値を求めてその間に位置するラインと差分することで、外乱が差分後に大きな値として残ることを防止できる。また、差分データを得ることのできるライン数は、奇数ラインと偶数ラインの合計数となり、分解能を高めることができる。このような差分の仕方を前記と同様に、(x、y)座標とその座標の輝度S(x、y)、差分データD(x、y)で表すと、次のとおりである。なお、y番目、(y+2)暗目のラインを明瞳孔の撮影ライン、(y−1)番目、(y+1)番目のラインを暗瞳孔の撮影ラインと仮定している。
D(x,y)=S(x,y)−(S(x,y−1)+S(x,y+1))/2
D(x,y+1)=(S(x,y)+S(x,y+2))/2−S(x,y+1)
具体的には、3番目の奇数ラインの明瞳孔画像データから、2番目と4番目の偶数ラインの暗瞳孔画像データの平均値を差分し、3番目と5番目の奇数ラインの明瞳孔画像データの平均値から4番目の偶数ラインの暗瞳孔画像データを差分する。
As described above, since the difference data is obtained by performing the calculation using the odd line and the next even line (or vice versa) as one unit, the number of lines of the obtained difference data is the odd line and the even line. Half of the combined number of lines. In addition, since the difference between a certain line and the next line is taken, in terms of the y direction, it is not exactly the difference between the data whose positions match. However, taking the average of the data of two odd lines adjacent to each other, the data represents data corresponding to the position in the y direction of the even line in the middle of the two odd lines. Therefore, by taking the difference between the average value of the data of two adjacent odd lines and the data of the even line in the middle, it is possible to obtain difference data in which the positional deviation is eliminated in the y direction. Similarly, the difference between the average of the data of two adjacent even lines and the data of the middle odd line can be taken. By doing so, it is possible to eliminate the shift in the position in the y direction. For example, the brightness of the image data of the edges of the nostrils, eyelids, etc. may vary greatly between the lines to be subtracted. Although there is a case where it cannot be erased, the average value of one line placed in this way is obtained, and the difference from the line located between them is prevented, so that disturbance can be prevented from remaining as a large value after the difference. Further, the number of lines from which difference data can be obtained is the total number of odd lines and even lines, and the resolution can be increased. Similar to the above, such a difference method is represented by (x, y) coordinates, luminance S (x, y) of the coordinates, and difference data D (x, y) as follows. The y-th and (y + 2) dark eye lines are assumed to be bright pupil imaging lines, and the (y-1) th and (y + 1) -th lines are assumed to be dark pupil imaging lines.
D (x, y) = S (x, y)-(S (x, y-1) + S (x, y + 1)) / 2
D (x, y + 1) = (S (x, y) + S (x, y + 2)) / 2−S (x, y + 1)
Specifically, the average value of the dark pupil image data of the second and fourth even lines is subtracted from the bright pupil image data of the third odd line, and the bright pupil image data of the third and fifth odd lines. The dark pupil image data of the fourth even line is subtracted from the average value.
以上は、1つのライン毎に交互に明瞳孔と暗瞳孔を撮影した例であるが、図3のように、複数の奇数ラインと複数の偶数ラインを交互に露光して撮影してもよい。図3(A)のように、最初の時間t1で、ラインL1,L3,L5を露光して明瞳孔の撮影をする。次の時間t2で、図3(B)のようにラインL2,L4,L6を露光して暗瞳孔の撮影をする。次のt3では、図3(C)のように、ラインL3,L5,L7を露光して明瞳孔の撮影をする。以下、同様にして3つのライン毎に露光を行う。この場合、1つのラインは、3回ずつ露光されることになり、データとしては、3回の露光分が合わさったものとなる。このようにすると、同時に露光するライン数を変えるによって、合計の露光を自由に設定できる。そのため、例えば、各ラインでの露光量を増加したい場合に有効である。 The above is an example in which bright pupils and dark pupils are alternately photographed for each line, but a plurality of odd lines and a plurality of even lines may be alternately exposed and photographed as shown in FIG. As shown in FIG. 3A, at the first time t1, the lines L1, L3, and L5 are exposed to photograph the bright pupil. At the next time t2, the lines L2, L4, and L6 are exposed as shown in FIG. At the next t3, as shown in FIG. 3C, the lines L3, L5, and L7 are exposed to photograph the bright pupil. Thereafter, exposure is performed every three lines in the same manner. In this case, one line is exposed three times, and the data is a combination of three exposures. In this way, the total exposure can be freely set by changing the number of lines exposed simultaneously. Therefore, for example, it is effective when it is desired to increase the exposure amount in each line.
本実施形態によれば、ローリングシャッター方式によって撮影されるイメージセンサのラインどうしの間の撮影時間差は、非常に短いものであって、そのラインどうしの画像データを明瞳孔画像データ、暗瞳孔画像データとして差分することから、時間差による位置ずれのほとんどない明瞳孔画像と暗瞳孔画像によって、瞳孔以外の外乱を消去して、瞳孔を際立たせた差分画像を得ることができる。 According to this embodiment, the photographing time difference between the lines of the image sensor photographed by the rolling shutter method is very short, and the image data between the lines is used as bright pupil image data, dark pupil image data. Therefore, it is possible to erase a disturbance other than the pupil and obtain a difference image in which the pupil is conspicuous by using the bright pupil image and the dark pupil image with little positional deviation due to the time difference.
また、最も近いラインの明瞳孔画像データどうし又は暗瞳孔画像データどうしの平均と、それらのラインの間の暗瞳孔画像データ又は明瞳孔画像データとの差分をとって瞳孔を検出するようにすれば、イメージセンサのラインどうしの位置のずれを解消し、かつ分解能を高めた画像解析とすることができる。 In addition, the pupil is detected by taking the difference between the average of the bright pupil image data or dark pupil image data of the nearest line and the dark pupil image data or the bright pupil image data between those lines. Therefore, it is possible to eliminate the positional deviation between the lines of the image sensor and to perform image analysis with improved resolution.
また、カメラ21の光軸に近い光源と遠い光源を設置して、イメージセンサのライン毎の露光に合わせて点灯を切り替えるだけで、明瞳孔画像又は暗瞳孔画像を得ることができる。
In addition, a bright pupil image or a dark pupil image can be obtained simply by installing a light source close to and far from the optical axis of the
本実施形態では、明瞳孔と暗瞳孔の画像を得るために、位置の異なる2つの光源22,23を用いたが、波長の異なる2つの光源を用いてもよい。例えば、850nm程度と950nm程度の波長の異なる光源を用いると、網膜反射率が異なることから、850nm程度の光源で撮影した画像では明瞳孔が得られ、950nm程度の光源で撮影した画像では暗瞳孔が得られる。この場合は、設置位置がカメラ21の開口から等距離に設置した場合であっても、異なる距離の位置に設置した場合であっても、交互に点灯させることで、それぞれの光源の点灯時に、それぞれ、明瞳孔画像又は暗瞳孔画像を得ることができる。
In the present embodiment, the two
さらに、このような2種類の波長の光源によって明瞳孔画像と暗瞳孔画像を得る手段として、イメージセンサのライン毎に、2種類のバンドパスフィルタを配置してもよい。例えば、前記のような850nm程度の波長の光源と950nm程度の波長の光源を用いる場合、一方の波長の光を通過させ、他方の波長の光を遮断する2つのバンドパスフィルターをイメージセンサのピクセル上にそれぞれ形成する。このような機能を果たすものであれば、各種バンドパスフィルタが使用できる。この場合は、イメージセンサの各ラインが自動的に明瞳孔撮影用の光と、暗瞳孔撮影用の光を選択通過させることから、光源を露光に合わせて点灯制御する必要がない。また、バンドパスフィルタの配置は、1ライン毎に全く交互に区別して設ける以外にも、配置のパターンを変えて明瞳孔又は暗瞳孔の画像データを得ることもできる。 Further, as a means for obtaining a bright pupil image and a dark pupil image with such two types of light sources, two types of bandpass filters may be arranged for each line of the image sensor. For example, when using a light source having a wavelength of about 850 nm and a light source having a wavelength of about 950 nm as described above, two band pass filters that allow light of one wavelength to pass and block light of the other wavelength are provided in the pixel of the image sensor. Form on each. Various band-pass filters can be used as long as they fulfill such functions. In this case, each line of the image sensor automatically selects and passes light for photographing bright pupils and light for photographing dark pupils, so that it is not necessary to control lighting of the light source in accordance with exposure. Further, the arrangement of the band-pass filters can be obtained by changing the arrangement pattern in addition to providing the arrangement of the band-pass filters in a completely alternate manner for each line.
1‥瞳孔検出装置、2‥撮像手段、21‥カメラ、22、23‥光源、3‥制御手段、4‥画像解析手段、5‥出力装置
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記撮像手段により得られた前記ライン毎の前記明瞳孔画像データと前記暗瞳孔画像データとの差分をとって瞳孔を検出する画像解析手段とを備える瞳孔検出装置。 An image pickup means having a rolling shutter type image sensor, and obtaining bright pupil image data and dark pupil image data for each alternate line of the image sensor;
A pupil detection device comprising image analysis means for detecting a pupil by taking a difference between the bright pupil image data and the dark pupil image data for each line obtained by the imaging means.
前記ライン毎の前記明瞳孔画像データと前記暗瞳孔画像データとの差分をとって瞳孔を検出する瞳孔検出方法。 For each line of the rolling shutter type image sensor, after taking bright pupils and dark pupils alternately, and obtaining bright pupil image data and dark pupil image data for each line,
A pupil detection method for detecting a pupil by taking a difference between the bright pupil image data and the dark pupil image data for each line.
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