JP2001321342A - 眼球画像解析システム - Google Patents
眼球画像解析システムInfo
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Abstract
で同時計測できる眼球画像解析システムを提供すること
を技術的課題としている。 【解決手段】眼球撮影装置(2)あるいは画像再生装置
又は画像記録再生装置(3)から画像処理装置(4)に
取り込まれた左眼と右眼の眼球画像をコンピュータ解析
して、両眼の眼球運動あるいは両眼の瞳孔の大きさをリ
アルタイムで計測し、その計測結果を示すグラフ(21
〜24)を表示装置(5)に両眼同時に表示するように
した。
Description
画像を解析して、両眼の眼球運動や瞳孔の大きさを計測
する眼球画像解析システムに関する。
研究のために用いられ、また、耳鼻科で主にめまいの診
断のために用いられている眼球運動の計測方法には、被
験者の額付近に数個の小型電極を貼って眼球静止電位の
変化を測定する電極法、あるいは磁気コイルを埋め込ん
だコンタクトレンズを被験者の眼球に装着させてその眼
球の水平運動、垂直運動、回旋運動を記録するサーチコ
イル法や、CCDカメラ等の眼球撮影装置が内蔵されたゴ
ーグルを被験者の顔面に装着させて、その眼球撮影装置
で撮影した眼球画像を画像処理装置で解析する画像解析
法などがある。
手間や、細いコードが絡まる面倒があり、さらに得られ
たデータから直接眼球運動の様子を読み取ることができ
ないなど使い勝手が悪く、サーチコイル法は被験者の負
担が大きいために、最近は眼球撮影装置を用いた画像解
析法が多く採用されるようになってきた。
眼球撮影装置で直接撮影した眼球画像の瞳孔中心座標を
追跡することによって眼球運動を計測するものである
が、撮影した眼球画像が、ぶれたり不鮮明な画像であっ
たり、瞳孔の一部に眼瞼がかかった画像であったりする
と、瞳孔中心の解析が不正確となって、精度の良い計測
ができなかった。
ためには、両眼の眼球運動、特に両眼の水平運動を同時
測定することが重要となるが、従来の画像解析法は、そ
の同時測定が可能なものではなかった。
大きさをリアルタイムで同時計測できる眼球画像解析シ
ステムを提供することを技術的課題としている。
めに、本発明による眼球画像解析システムは、CCDカ
メラ等の眼球撮影装置あるいはビデオデッキやCD−R
Wドライブ等の画像再生装置又は画像記録再生装置から
画像処理装置に取り込まれた左眼と右眼の眼球画像がコ
ンピュータ解析されて、両眼の眼球運動あるいは両眼の
瞳孔の大きさがリアルタイムで計測され、その計測結果
を示すグラフがモニタやレコーダ等の表示装置に両眼同
時に表示されることを特徴とする。
両眼の眼球運動や瞳孔の大きさがリアルタイムで計測さ
れ、その計測結果を示すグラフが表示装置に両眼同時に
表示されて、両眼の眼球運動の左右差や瞳孔の大きさの
左右差を明確に視認することができるので、脳機能の診
断および研究にも最適である。
よって具体的に説明する。図1は本発明に係る眼球画像
解析システムの概略構成を示すブロック図、図2は眼球
画像の取り込み方式を示す説明図、図3は瞳孔中心算定
アルゴリズムの概略説明図、図4は取り込んだ画像及び
解析されたデータを表示する表示画面の一例を示す説明
図である。
右眼の眼球画像を撮像する眼球撮影装置2と、左眼と右
眼の眼球画像を記録再生する画像記録再生装置3と、前
記眼球撮影装置2又は画像記録再生装置3から出力され
た眼球画像を取り込んでコンピュータ解析し、両眼の眼
球運動あるいは両眼の瞳孔の大きさをリアルタイムで計
測する画像処理装置4と、その計測結果を示すグラフを
表示する表示装置5を備えている。
性のゴーグル6に左眼及び右眼の眼球画像を個別に撮像
する2台のCCDカメラ7L、7Rが装着されると共
に、各CCDカメラ7L、7Rの周囲には眼球に赤外光
を照射するLED8…が所要数(例えば6個ずつ)取り
付けられている。
頭部に装着する場合であっても、ゴーグル6と一体に形
成したグリップ(図示せず)を検査医や検査技師が手で
持って被験者に装着する場合であっても良い。さらに、
この場合のグリップ形状は任意であり、例えば、CCD
カメラの光軸と平行であっても、光軸に対して直角また
は任意の角度に傾斜させた部分を有するものであっても
良い。
7Rのレンズには赤外光の写り込みを防止するために、
直接反射光を遮る偏光フィルタ9A、9Bが直交ニコル
状態に装着され、さらに、CCDカメラ7L、7Rのレ
ンズには可視光を透過しない可視光カットフィルタ10
が装着されている。
8は、コントロールユニット11により制御され、CC
Dカメラ7L、7RからはNTSC(白/黒EIA)規格
に準拠して1秒間に30フレーム(60フィールド)の画
像信号が出力され、LED8はCCDカメラ7L、7R
のシャッター速度に同期して1/30秒ごとに点滅され
るパルス照明となっている。例えば、CCDカメラ7
L、7Rのシャッター速度が、1/120秒である場合
に、LED8…はシャッターに同期して1/120秒点
灯し、3/120秒消灯される。
は、中心波長を約660nmあるいは780nmとし、
バンド幅を630〜800nm程度とする赤外線や、中
心波長を約880nmとし、バンド幅は800〜920
nmとする赤外線や、さらに、中心波長を約920nm
とする赤外線を用いる場合もある中心波長が880nm
以上になると、肉眼では見えないので、遮光状態での検
査に向く。
11を介して2台のCCDカメラ7L、7Rを接続する
画像信号合成器12と、画像信号合成器12で合成され
た信号に基づいて瞳孔中心の座標を算定する瞳孔中心算
定器13と、瞳孔の大きさを算定する瞳孔面積算定器1
4と、前記瞳孔中心算定器13で算定された瞳孔中心座
標に基づいて眼球運動を解析する眼球運動アナライザ1
5が設けられている。
ラ7L、7Rから出力された2種類の画像信号GL、G
Rを1フレーム毎に交互に取り込む。例えば、図2に示
すように、左眼の画像信号GLから奇数番フレーム
f1、f 3、f5…を抜き出し、右眼の画像信号GRか
ら偶数番フレームf2、f4、f 6…を抜き出し、これ
らを合成して、奇数番フレームf1、f3、f5…に左
眼の画像信号GLが記録され、偶数番フレームf2、f
4、f6…に右眼の画像信号が記録されるというように
左右の画像信号が時系列的に交互に並んだ一の合成画像
信号GLRに変換される。
た合成画像信号GLRが、画像処理装置4内の瞳孔中心
算定器13に対して出力され、画像処理装置4にビデオ
デッキやCD−W/RWドライブ等の画像記録再生装置
3が接続されていればこれにも出力される。
2や、画像処理装置4に接続された画像再生装置や画像
記録再生装置3から出力された合成画像信号GL Rが取
り込まれると、1フレーム毎に瞳孔中心を算定する。瞳
孔中心は、瞳孔の全部が写っているときは、例えば、瞳
孔に外接する略正方形枠の対角線の交点位置や、その直
交2辺の垂直2等分線の交点位置により容易に求められ
る。
一部が眼瞼などで隠れてしまっている場合に、瞳孔中心
を精度よく求めるために、図3(a)に示すような瞳孔
中心算定アルゴリズムを備えている。このアルゴリズム
は、まず、ステップSTP1で1フレームの眼球画像から
色や明度の違いなどにより円弧状の瞳孔輪郭線Eを識別
し、その曲線データを所定のメモリに記憶する。
プSTP2で眼球画像に所定間隔で描かれる多数の仮想水
平線h…を想定し、瞳孔輪郭線Eと二つの点で交わる仮
想水平線h…について、これら左右の交点A、Bを結ぶ
線分の中点CのX座標を平均処理することにより瞳孔中
心のX座標(x0)を決定する。
に示すように、ステップSTP2で決定されたX座標(x
0)上に中心を有し、且つ、同一X座標(x0)におけ
る瞳孔輪郭線E上の点を通る多数の仮想円r…と、眼球
画像に所定間隔で描かれる多数の仮想垂直線v…を想定
し、各仮想垂直線v…上における瞳孔輪郭線Eと仮想円
r…との距離の2乗の総和が最も小さくなる仮想円r0
の中心のY座標(y0)を瞳孔中心のY座標とする。
識別手段の具体例、ステップSTP2の処理がX座標算定
手段の具体例、ステップSTP3の処理がY軸座標算定手
段の具体例である。また、この瞳孔中心算定アルゴリズ
ムは、1フレーム毎に処理されるので、本発明のように
両眼の眼球画像を解析する場合だけでなく、片眼ごとに
眼球画像を解析する場合でもそのまま使用できる。
瞳孔面積が算定され、瞳孔の全部が写っているときはそ
の色や明度の違いにより識別された略円形の瞳孔輪郭線
で囲まれた部分の面積を算定し、瞳孔の一部が眼瞼など
で隠れてしまっている場合は瞳孔中心を求めた前記仮想
円r0の面積を瞳孔面積とする。
面積算定器14では、眼球画像の奇数番フレームf1、
f3、f5…の画像信号GLから算定された中心座標デ
ータは左眼データとして、また、偶数番フレームf2、
f4、f6…の画像信号GRから算定された中心座標デ
ータは右眼データとして、夫々のメモリに記憶される。
タ処理が交互に行なわれるので、片眼のデータ処理を行
なう場合と同じ処理速度で、両眼のデータ処理を行なう
ことができる。
径や半径で表す場合であってもよく、この場合は瞳孔面
積算定器14に替えて、孔径算定器(図示せず)を用い
れば良い。そして、孔径算定器(図示せず)は、瞳孔の
全部が写っているときは瞳孔に外接する略正方形の直交
2辺の長さの平均値により、また、瞳孔の一部が隠れて
いる場合は前記仮想円r0の直径により孔径を算出すれ
ば良い。
瞳孔中心座標に基づいて眼球運動アナライザ15で眼球
運動が解析される。このアナライザ15は、瞳孔中心座
標に基づいて、その水平方向成分(X座標)と、垂直方
向成分(Y座標)と、回旋運動(極座標)について、左
眼及び右眼の夫々の位置、速度、加速度を算出し、さら
に、夫々について左眼と右眼の差分を算出する。また、
瞳孔面積算定器14で算定された面積データがアナライ
ザ15に入力され、左眼及び右眼の瞳孔面積の変化の速
度及び加速度が算出され、さらに、夫々について左眼と
右眼の差分が算出される。
の位置(X)、速度(VX)、加速度(AX)、垂直運
動の位置(Y)、速度(VY)、加速度(AY)、回旋
運動の位置(a、θ)、速度(Vθ)、加速度(A
θ)、瞳孔の面積(S)、面積の変化速度(VS)、変
化加速度(AS)の13種類について、夫々、右眼と左
眼と、その左右差の3種類ずつ合計39種類の解析デー
タがリアルタイムで出力される。
成画像信号GLRは画像信号分離器16に入力されて、
その奇数番フレームf1、f3、f5…からなる左眼の
画像信号GLと、偶数番フレームf2、f4、f6…か
らなる右眼の画像信号GRに分離されると共に、時刻0
における両眼の瞳孔中心を重ねて表す画像信号GWが形
成され、各画像信号GL、GR、GWが表示装置5に出
力される。
を表示するCRTディスプレイなどの表示装置5の表示
画面の一例である。画面には、左右の眼球画像20L、
20Rと、これらを重ねた眼球画像20Wが表示される
と共に、水平運動の位置(X)、速度(VX)、加速度
(AX)を示すグラフ21、垂直運動の位置(Y)、速
度(VY)、加速度(AY)を示すグラフ22、回旋運
動の位置(a、θ)、速度(Vθ)、加速度(Aθ)を
示すグラフ23、瞳孔の面積(S)、面積の変化速度
(VS)、変化加速度(AS)を示すグラフ24が描か
れる。そして、夫々のグラフ21〜24では、左眼デー
タと、右眼データと、左右差データが時間軸を共有した
同一座標のグラフ内に表示される。
0L、20R、20Wは、カラー画像であっても、モノ
クロ画像、二値化画像あるいはその反転画像であっても
良い。また、カラー画像とモノクロ画像と二値化画像と
に切替可能にしてあってもよい。さらに、表示装置5
に、瞳孔の中心を示すカーソルや、あるいは、瞳孔に外
接するように周りを囲って描かれる略正方形枠のウィン
ドウを表示するようにしてもよい。
るいは両眼の瞳孔の大きさがリアルタイムで計測すると
きに、例えば、各グラフの時間軸のフルスケールが10
秒に固定されている。また、一度解析したデータを再表
示させる場合は、その時間軸のフルスケールが10秒、
20秒、30秒、60秒に切り替え表示できる。
速度、加速度等を表す個々のグラフは、左眼データと、
右眼データと、左右差データが時間軸を共有した同一グ
ラフ内に、青、緑、赤などの互いに異なる色で表示され
る。また、グラフ21〜24には、眼球運動の変化の度
合い及び瞳孔の大きさの変化の度合いを容易に読み取る
ことができるように、その縦軸及び横軸の所定の数値毎
に補助線となる罫線が等間隔で描かれる。
けで、CCDカメラ7L、7Rにより左右の眼球が同時
に撮像され、その画像信号GL,GRが画像処理装置4
に取り込まれる。ここでは、各画像信号GL,GRが1
フィールド毎あるいは1フレーム毎、交互に入力され
て、瞳孔中心算定器13、瞳孔面積算定器14、眼球運
動アナライザ15により、左眼および右眼の画像が交互
に解析される。この結果、左眼および右眼の眼球運動が
リアルタイムで測定され、測定結果を示すグラフ21〜
24がリアルタイムで表示装置5に表示される。
グラフ21〜24は、表示装置5となるCRTディスプ
レイに映し出す場合に限らず、測定結果はDA変換して
ペンレコーダ等により記録してもよい。また、リアルタ
イムで測定した両眼の眼球運動あるいは瞳孔の大きさの
データは、コンピュータに保存することができ、保存さ
れたデータにより両眼の眼球運動あるいは瞳孔の大きさ
のグラフを表示装置5上に再現できる。
の検査あるいは研究用として使用されるが、特に水平眼
球運動の左右差は、調節において輻輳が有るか否かの鑑
別に有用である。また、本発明では、その速度あるいは
加速度の左右差の検討も可能になり、従来以上に詳細に
調節時の輻輳の検討が可能になった。一方、垂直眼球運
動の左右差は通常生じることはない。したがって、垂直
眼球運動の左右差、速度の左右差あるいは加速度の左右
差が生じたら、眼科疾患が存在すると考えられる。さら
に、瞳孔の大きさは、アルツハイマー型痴呆症治療薬ア
セチルコリンエステラーゼ阻害剤を投与したときの効果
を確認するのに有用である。すなわち、この薬剤を投与
した場合に、その薬剤の影響により投与前後で瞳孔の大
きさに変化が見られるので、薬剤の有効性を容易に確認
することができる。
び右眼の2種類の画像信号GL、GRを1フレーム毎に
取り込む場合について説明したが、1フレームが奇フィ
ールドと偶フィールドから成る場合に1フィールド毎に
交互取り込むようにしてもよい。
0L、20R、20Wと各グラフ21〜24を表示する
ようにした場合について説明したが、これに限らず必要
なデータのみを表示させるようにしても良い。
の眼球画像を画像処理して眼球運動を解析するようにし
ているのでその測定精度は極めてよく、両眼の眼球運動
や瞳孔の大きさがリアルタイムで計測されて、その計測
結果を示すグラフが表示装置に両眼同時に表示され、両
眼の眼球運動の左右差や瞳孔の大きさの左右差を明確に
視認することができるので、脳機能の診断等を行なう場
合に、その症状を正確に把握することができるという大
変優れた効果を奏する。
信号の1フィールド毎あるいは1フレーム毎に交互に画
像処理装置に取り込まれ、左眼および右眼の画像が交互
に解析されるので、片眼の眼球画像を解析する場合と同
じ処理速度で、両眼のデータ処理を行なうことができ、
したがって、左眼および右眼の眼球運動を容易にリアル
タイムで測定することができ、測定結果を示すグラフを
リアルタイムで表示することができるという大変優れた
効果を奏する。
孔画像から瞳孔中心を算出するアルゴリズムを採用した
ので、コンピュータが解析不能に陥ることもなく、正確
に眼球運動を解析することができるという大変優れた効
果を奏する、
を示すブロック図。
一例を示す説明図。
Claims (19)
- 【請求項1】眼球撮影装置(2)あるいは画像再生装置
又は画像記録再生装置(3)から画像処理装置(4)に
取り込まれた左眼と右眼の眼球画像がコンピュータ解析
されて、両眼の眼球運動あるいは両眼の瞳孔の大きさが
リアルタイムで計測され、その計測結果を示すグラフ
(21〜24)が表示装置(5)に両眼同時に表示され
ることを特徴とする眼球画像解析システム。 - 【請求項2】左眼と右眼の眼球画像が、1フィールド毎
あるいは1フレーム毎に交互に前記画像処理装置(4)
に取り込まれる請求項1記載の眼球画像解析システム。 - 【請求項3】前記画像処理装置(4)が、前記眼球撮影
装置(2)となる2台の撮像カメラ(7L,7R)から
出力された左眼と右眼の眼球画像を1フィールド毎ある
いは1フレーム毎に交互に取り込み、且つ、それら両眼
の眼球画像を1フィールド毎あるいは1フレーム毎に交
互に画像記録再生装置(3)に録画し、あるいは、その
画像記録再生装置(3)に録画した両眼の眼球画像を1
フィールド毎あるいは1フレーム毎に交互に取り込むよ
うに成されている請求項1又は2記載の眼球画像解析シ
ステム。 - 【請求項4】眼球運動が、瞳孔の中心の動きを追跡して
計測され、瞳孔の大きさが、瞳孔の面積あるいは直径を
求めて計測される請求項1、2又は3記載の眼球画像解
析システム。 - 【請求項5】眼瞼がかかって瞳孔の一部しか撮影されて
いない眼球画像が前記画像処理装置(4)に取り込まれ
たときに、撮影されている瞳孔の一部からその瞳孔の中
心あるいは大きさを求める瞳孔中心算定アルゴリズムを
有する請求項1、2、3又は4記載の眼球画像解析シス
テム。 - 【請求項6】前記瞳孔中心算定アルゴリズムが、 a)前記眼球画像から円弧状の瞳孔輪郭線を識別する瞳
孔輪郭線識別手段と、 b)眼球画像に所定間隔で描かれた多数の仮想水平線を
想定し、瞳孔輪郭線と二つの点で交わる仮想水平線につ
いて、これら左右の交点を結ぶ線分の中点座標を平均処
理することにより瞳孔中心のX座標を決定するX座標算
定手段と、 c)前記X座標算定手段で決定されたX座標上に中心を
有し、且つ、同一X座標における瞳孔輪郭線上の点を通
る多数の仮想円と、眼球画像に所定間隔で描かれる多数
の仮想垂直線を想定し、各仮想垂直線上における瞳孔輪
郭線と仮想円との距離の2乗の総和が最も小さくなる仮
想円の中心のY座標を瞳孔中心のY座標とするY座標算
定手段と、を有する請求項5記載の眼球画像解析システ
ム。 - 【請求項7】計測される眼球運動が、両眼の水平運動、
垂直運動あるいは回旋運動である請求項1、2、3、
4、5又は6記載の眼球画像解析システム。 - 【請求項8】前記グラフ(21〜23)が、両眼の水平
運動、垂直運動あるいは回旋運動と、その速度もしくは
加速度、あるいは速度および加速度とを示す請求項1、
2、3、4、5、6又は7記載の眼球画像解析システ
ム。 - 【請求項9】前記グラフ(24)が、瞳孔の大きさと、
その瞳孔の大きさが変化する速度および加速度とを示す
請求項1、2、3、4、5又は6記載の眼球画像解析シ
ステム。 - 【請求項10】前記グラフ(21〜24)が、両眼の眼球
運動の左右差あるいは瞳孔の大きさの左右差を示す請求
項1、2、3、4、5、6、7、8又は9記載の眼球画
像解析システム。 - 【請求項11】前記画像処理装置(4)に取り込まれた眼
球画像が、前記グラフと共に前記表示装置に表示される
請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10記
載の眼球画像解析システム。 - 【請求項12】前記表示装置(5)に表示される眼球画像
(20L、20R、20W)が、モノクロ画像、二値化
画像あるいはその反転画像である請求項11記載の眼球
画像解析システム。 - 【請求項13】前記表示装置(5)に表示される眼球画像
(20L、20R、20W)が、モノクロ画像と二値化
画像とに切替可能である請求項11記載の眼球画像解析
システム。 - 【請求項14】前記表示装置(5)に表示される眼球画像
(20W)が、左眼と右眼の眼球画像を互いに重ね合わ
せたものである請求項11、12又は13記載の眼球画
像解析システム。 - 【請求項15】前記表示装置(5)に、瞳孔の中心を示す
カーソルあるいは瞳孔の周りを囲うウィンドウが表示さ
れる請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9、1
0、11、12、13又は14記載の眼球画像解析シス
テム。 - 【請求項16】両眼の眼球運動あるいは両眼の瞳孔の大き
さがリアルタイムで計測されるときに、前記グラフ(2
1〜24)の時間軸のフルスケールが10秒に固定され
る請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、
11、12、13、14又は15記載の眼球画像解析シ
ステム。 - 【請求項17】左眼と右眼の眼球運動あるいは瞳孔の大き
さに関する計測結果を個々に示すグラフが、時間軸を共
有した一つのグラフ内に表示される請求項1、2、3、
4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、1
4、15又は16記載の眼球画像解析システム。 - 【請求項18】左眼と右眼の眼球運動あるいは瞳孔の大き
さに関する計測結果を個々に示すグラフが、互いに異な
る色で表示される請求項1、2、3、4、5、6、7、
8、9、10、11、12、13、14、15、16又
は17記載の眼球画像解析システム。 - 【請求項19】前記グラフ(21〜24)に、眼球運動の
変化度合いあるいは瞳孔の大きさの変化度合いを読み取
りやすくするための罫線が付設されている請求項1、
2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、
13、14、15、16、17又は18記載の眼球画像
解析システム。
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