JP2006087832A - Pupil detection apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、眼球を撮像した撮像画像から瞳孔に対応する領域を抽出することにより瞳孔を検出する瞳孔検出装置に関するものである。 The present invention relates to a pupil detection device that detects a pupil by extracting a region corresponding to the pupil from a captured image obtained by imaging an eyeball.
従来、被験者の眼球を撮像して得た画像に画像処理を施して各種の計測を行う装置として、CCDカメラ等を用いて眼球を撮像することにより得た画像に基づいて瞳孔径や瞳孔の大きさなどを計測したり、瞳孔の運動を計測することで眼振検査を行ったりするものが提案されている(特許文献1,2参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, as an apparatus for performing various kinds of measurements by performing image processing on an image obtained by imaging a subject's eyeball, the pupil diameter and the size of the pupil are based on an image obtained by imaging the eyeball using a CCD camera or the like. Proposals have been made of measuring nystagmus or performing nystagmus examination by measuring pupil movement (see Patent Documents 1 and 2).
このような瞳孔検出装置では、眼球を撮像した画像に二値化処理を施すことで撮像画像から瞳孔に対応する領域を抽出し、これに基づいて瞳孔の位置や大きさ等を計測し、或いは更に瞳孔の中心位置を検出している。 In such a pupil detection device, a region corresponding to the pupil is extracted from the captured image by performing binarization processing on the image obtained by capturing the eyeball, and the position and size of the pupil are measured based on this, or Further, the center position of the pupil is detected.
撮像画像から瞳孔に対応する領域を抽出する手法としては、種々検討されているが、通常は二値化処理による抽出が行われている。この場合、操作者の設定動作により閾値を変更するための操作スイッチ等の操作部を設けておき、操作者が二値化処理後の画像をモニタ等で確認しながら手動により閾値を変更するようにしていた。この閾値の設定を自動制御で行うことも考えられるが、瞳孔と虹彩が区別されるような、あるいは黒子、睫毛、シミ等のように撮像画像中の暗い領域が瞳孔と共に抽出されないような、適正な閾値を設定することは困難であった。
特に眼振検査の場合では、瞳孔の位置を正確に検出することが重要となり、また検出を行う場合の操作性の向上や測定の迅速化のためには、撮像画像に基づき自動的に瞳孔に対応する領域を抽出することが望まれる。 Especially in the case of nystagmus examination, it is important to accurately detect the position of the pupil, and in order to improve the operability and speed up the measurement when performing detection, the pupil is automatically detected based on the captured image. It is desirable to extract the corresponding region.
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、眼球の撮像画像から瞳孔に対応する領域を自動的に抽出することができ、且つ、黒子、睫毛、シミ等のように撮像画像中の暗い領域が瞳孔と共に抽出されるようなこともなく、瞳孔の検出を正確且つ簡便に行うことができる瞳孔検出装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above points, and can automatically extract a region corresponding to a pupil from a captured image of an eyeball, and can also be used in captured images such as moles, eyelashes, and spots. It is an object of the present invention to provide a pupil detection device capable of accurately and simply detecting a pupil without extracting a dark region together with the pupil.
本発明に係る瞳孔検出装置は、眼球Eを撮像する撮像部1と、撮像画像を表示する表示部2と、表示部2に表示された撮像画像における任意の位置を選択する選択手段と、撮像画像の情報と選択手段による選択位置の位置情報とに基づき、前記選択位置が撮像画像中の瞳孔Pに対応する場合に前記撮像画像の情報から瞳孔Pに対応する領域のみを抽出する演算制御部3とを具備することを特徴とするものである。
The pupil detection device according to the present invention includes an imaging unit 1 that images the eyeball E, a
上記演算制御部3は、撮像画像における選択手段による選択位置に対応する画素と連結する画素の濃度値が所定の範囲を超えて変化する位置を、瞳孔に対応する領域の境界と判断し、この境界の内側を瞳孔に対応する領域として抽出するものであることが望ましい。
The
また、上記演算制御部3は、抽出された瞳孔Pに対応する領域の中心位置を導出するものであることも望ましい。
It is also desirable that the
また、上記演算制御部3が、抽出された瞳孔Pに対応する領域を内接する円を導出して、この円の中心位置を、瞳孔Pに対応する領域の中心位置として導出するものであることが望ましい。
Further, the
また、上記演算制御部3が、抽出された瞳孔Pに対応する領域の重心を導出して、この円の重心位置を瞳孔Pに対応する領域の中心位置として導出するものであることも望ましい。
It is also desirable that the
本発明によれば、撮像部により得られた撮像画像から瞳孔に対応する領域を抽出する際に、外部からの閾値の設定動作を必要とすることなく、撮像画像から瞳孔に対応する領域を抽出することができ、且つ、このとき瞳孔に対応しない領域が誤って抽出されることを防止することができる。これにより瞳孔の検出を正確且つ簡便に行うことができるものである。 According to the present invention, when extracting a region corresponding to the pupil from the captured image obtained by the imaging unit, the region corresponding to the pupil is extracted from the captured image without requiring an external threshold setting operation. It is possible to prevent the region not corresponding to the pupil from being erroneously extracted. Thereby, the detection of the pupil can be performed accurately and simply.
以下、本発明をその実施をするための最良の形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the best mode for carrying out the invention.
本発明に係る瞳孔検出装置は、被験者の瞳孔Pの位置、形状、或いはこの瞳孔Pの中心位置を正確且つ簡便に測定するものであり、各種検査に利用することができるが、特に眼振検査に利用することができる。以下に説明するのは、本発明に係る瞳孔検出装置を、眼振検査装置として形成した場合の一例である。 The pupil detection device according to the present invention accurately and simply measures the position and shape of the pupil P of the subject or the center position of the pupil P, and can be used for various examinations. Can be used. Described below is an example when the pupil detection device according to the present invention is formed as an nystagmus examination device.
本発明に係る瞳孔検出装置は、被験者の眼球Eを撮像する撮像部1と、撮像された画像を表示する表示部2と、表示部2に表示された画像における任意の部位を選択する選択手段と、撮像部1にて撮像された画像情報と選択手段により選択された部位の位置情報に基づき、前記選択された部位が画像中の瞳孔Pに対応する部位である場合に前記画像情報から瞳孔Pに対応する領域を抽出し、或いは更にこの領域の中心を導出することにより瞳孔Pの中心位置を検出する演算制御部3とを具備する。
The pupil detection device according to the present invention includes an imaging unit 1 that images the eyeball E of a subject, a
撮像部1は、被験者が顔面に装着可能なゴーグル型の測定装置10に内装することができる。この撮像部1としては、例えばCCDカメラやCMOSセンサなどにより構成されるものを設けることができる。
The imaging unit 1 can be housed in a goggle
図1は、測定装置10における撮像部1を含む光学系の構成の一例を示すものである。本実施形態の眼球E検出装置の光学系は、図示のように、被験者が測定装置10を装着した場合に眼球Eと対向するように配置される凹面鏡5と、眼球Eと凹面鏡5との間に配置されるハーフミラー6とを備えている。ハーフミラー6は、眼球Eと凹面鏡5とを結ぶ線と直交する方向の軸を中心に傾斜している。また、ハーフミラー6を挟んで配置される小型液晶パネル等の映像提示手段4とCCDカメラ等の撮像部1を備えており、このとき映像提示手段4と撮像部1を結ぶ線は、眼球Eと凹面鏡5とを結ぶ線及びハーフミラー6の傾斜軸に共に直交するようになっている。また、ハーフミラー6の一面は眼球E及び撮像部1に向けて傾斜した状態で対向しており、ハーフミラー6の他面は映像提示手段4及び凹面鏡5に向けて傾斜した状態で対向している。本実施形態では、このような光学系が、被験者の両眼にそれぞれ対応するように二つ設けられている。
FIG. 1 shows an example of the configuration of an optical system including the imaging unit 1 in the
さらに、本実施形態では、被験者の眼球E付近に位置し被験者の眼球Eへ赤外光を照射する赤外光発光ダイオード等の赤外光照射手段9を備え、また撮像部1は赤外線透過型のフィルタ8を備えていて、赤外線に対して感度を有する。また、ハーフミラー6は、撮像部1側の面にコーティングにより形成され赤外光を反射する波長選択層7が設けられている。
Further, in the present embodiment, infrared light irradiating means 9 such as an infrared light emitting diode that is located near the eyeball E of the subject and irradiates the subject's eyeball E with infrared light is provided, and the imaging unit 1 is an infrared transmission type. The
ゴーグル型の測定装置10は、上記のような光学系のユニットを二組保持する本体部11に、ベルト等の保持部材12を設けて構成される。この測定装置10を被験者が装着する際は、例えば本体部11を被験者の眼前に位置させた状態でベルト等の保持部材12を被験者の頭部に巻くなどして、本体部11を保持固定するものである(図2参照))。
The goggle-
また、表示部2は、上記測定装置10とは別体の制御装置13に設けることができ、また演算制御部3もこの制御装置13に設けることができる(図3参照)。測定装置10と制御装置13との間の情報のやり取りは、装置間を接続するケーブル15などで行うことができる。
Moreover, the
表示部2としては、液晶表示パネル、CRTディスプレイ、その他適宜の映像表示装置を用いることができる。また、このような表示部2の画面における、撮像画像の瞳孔Pの部分に対応する領域中の任意の位置を選択するためには、任意の方式の選択手段を採用することができるが、例えば表示部2の画面としてタッチパネル式のディスプレイを採用し、操作者は手指やスタイラス等で表示部2の画面における、撮像画像の瞳孔P部分に対応する領域の任意の位置を選択するようにすることができる。タッチパネルとしては、抵抗膜式、静電容量式、電磁誘導式、超音波式、赤外線式、感圧センサ式等の適宜の方式のものを採用することができる。
As the
また、演算制御部3は、必要なソフトウェア、撮像画像の情報、選択手段による選択情報、演算結果の情報等を記憶するメモリ等の記憶手段、CPU等の制御手段等から構成することができる。この演算制御部3は、撮像部1で撮像された撮像画像の画像処理、映像提示手段4に提示する映像の生成等の動作制御を行うものであり、本発明に係る瞳孔検出装置全体の動作制御を行う。具体的な動作制御の例は後述する。
The
また、瞳孔検出装置には、必要に応じて各種機能を付加することができ、例えば眼振検査装置として用いる場合には、計測された眼球Eの動きの時系列データからリズムゆらぎ解析を行う解析機能、眼振が被験者の身体の末梢系疾患に起因した異常であるか中枢系疾患に起因した異常であるかを推定する推定機能、前記解析結果や推定結果を例えば診断支援データとして表示する表示機能等を付加することができる。解析機能や推定機能などは、上記演算制御部3に具備させることができ、或いは別途の装置を設けることができる。また、表示機能を具備させるためには、例えば、プリンタなどの印刷装置や、CRTディスプレイ、液晶ディスプレイなどの表示装置14を設けることができる。
In addition, various functions can be added to the pupil detection device as necessary. For example, when used as a nystagmus inspection device, analysis for performing rhythm fluctuation analysis from time-series data of the measured movement of the eyeball E Function, estimation function to estimate whether nystagmus is an abnormality caused by peripheral disease of the subject's body or an abnormality caused by central system disease, display that displays the analysis result and estimation result as diagnostic support data, for example Functions and the like can be added. An analysis function, an estimation function, and the like can be provided in the
以下に、上記のような瞳孔検出装置の動作について説明する。 The operation of the above pupil detection device will be described below.
まず、被験者が測定装置10を装着した状態で、映像表示手段3が映像を表示する。映像としては、被験者の眼球Eの往復運動を誘発させるための視標、例えば複数本の縦線を有する縞模様が時間経過とともに移動するものなどを表示する。
First, the video display means 3 displays a video with the subject wearing the
映像表示手段から出た光の一部は図1中に実線の矢印で示すように、ハーフミラー6で凹面鏡5側に反射された後、さらに凹面鏡5で反射され、凹面鏡5で反射された光の一部はハーフミラー6を透過し、被験者の眼球Eに入射する。このとき、被験者は、拡大された虚像を見ることになる。
A part of the light emitted from the image display means is reflected by the half mirror 6 toward the
また、赤外光照射手段9から被験者の眼球Eに向けて照射された赤外光は眼球Eの瞳孔Pでは透過するが、図1中に破線で示すように瞳孔P以外の部位では反射され、その反射光のほとんどがハーフミラー6で反射されて撮像部1で受光され、これにより眼球Eの画像が撮像される。 Further, the infrared light irradiated from the infrared light irradiating means 9 toward the eyeball E of the subject is transmitted through the pupil P of the eyeball E, but is reflected at a portion other than the pupil P as shown by a broken line in FIG. Most of the reflected light is reflected by the half mirror 6 and received by the imaging unit 1, whereby an image of the eyeball E is captured.
撮像部1による撮像画像は、表示部2に表示される。装置を操作する者は、この表示部2における表示結果に基づき、選択手段により表示部2の画面における、撮像画像の瞳孔P部分に対応する領域中の任意の位置を選択する。
An image captured by the imaging unit 1 is displayed on the
演算制御部3は、上記選択がなされた場合に、まず表示部2の画面における上記選択された位置に対応する撮像画像中の画素を抽出する。
When the selection is made, the
そして、この抽出された画素と連結する画素の濃度値が大きく変化する位置を、瞳孔領域の境界と判断して、この境界の内側を瞳孔領域として抽出するものである。 Then, the position where the density value of the pixel connected to the extracted pixel greatly changes is determined as the boundary of the pupil region, and the inside of the boundary is extracted as the pupil region.
具体的には、例えば、図4に示すように、まず上記選択動作により抽出された画素を通過する基準線(例えば水平走査線L、図4(a)参照)に沿った画素の濃度値の変化の波形(図4(b)参照)において、最初に抽出された画素を起点とした画素の濃度値の変化が予め設定されている所定範囲内に収まっている場合には、瞳孔領域と判断し、瞳孔領域のすぐ外側の領域(虹彩Iに相当する領域)に到達して画素の濃度値が前記所定範囲を超えて大きく変化した場合に、瞳孔領域の境界の外側に達したと判断する。そして、瞳孔領域の画素の濃度値と、その境界の外側に達した際の画素の濃度値との間の値(例えば前記各濃度値の中間値)を、閾値Bとして選択する。そして、このような閾値Bにより二値化を行い、瞳孔領域を構成する画素を抽出するのである。 Specifically, for example, as shown in FIG. 4, first, the density value of a pixel along a reference line (for example, the horizontal scanning line L, see FIG. 4A) that passes through the pixel extracted by the selection operation described above. In the change waveform (see FIG. 4B), if the change in the density value of the pixel starting from the pixel extracted first is within a predetermined range, it is determined as a pupil region. When the density value of the pixel changes greatly beyond the predetermined range after reaching the area just outside the pupil area (area corresponding to the iris I), it is determined that the area has reached the outside of the boundary of the pupil area. . Then, a value (for example, an intermediate value of the respective density values) between the density value of the pixel in the pupil region and the density value of the pixel when reaching the outside of the boundary is selected as the threshold value B. Then, binarization is performed using such a threshold B, and pixels constituting the pupil region are extracted.
ここで、上記閾値により瞳孔領域を構成する画素を抽出する際には、上記選択動作により抽出された画素との間に連結性を有する複数の画素にて構成される、連続した一つの領域のみを選択して抽出する。例えば前記選択動作により抽出された画素を起点として撮像画像を走査し、上記閾値を超える画素を抽出して瞳孔領域を構成する画素としてラベリングするものであり、このとき最初に選択動作により抽出された画素との間に連結性を有する画素のみを抽出するものである。これにより、瞳孔領域を抽出する際に、瞳孔領域以外の濃度値の低い部分(例えば黒子、まつげ、シミ等)が抽出されることがなくなる。 Here, when extracting the pixels constituting the pupil region based on the threshold value, only one continuous region composed of a plurality of pixels having connectivity with the pixels extracted by the selection operation. Select to extract. For example, the captured image is scanned starting from the pixel extracted by the selection operation, and the pixels exceeding the threshold are extracted and labeled as pixels constituting the pupil region. At this time, the pixel extracted first by the selection operation is used. Only pixels having connectivity with the pixels are extracted. As a result, when extracting the pupil region, a portion having a low density value other than the pupil region (for example, mole, eyelash, spot, etc.) is not extracted.
このようにして抽出された瞳孔領域から瞳孔中心位置を導出するにあたっては、公知の適宜の方式を採用することができるが、例えば抽出された瞳孔P部分の領域を内接する円を導出してこの円の中心を瞳孔中心位置として導出したり、或いは抽出された瞳孔P部分の領域の重心位置を導出して、この重心位置を瞳孔中心位置として導出したりすることができる。この場合、抽出された瞳孔領域が真円ではなかったり、瞳孔領域の輪郭にがたつきが生じたりしていても、瞳孔中心位置を迅速且つ簡便に導出することができる。 In deriving the pupil center position from the pupil region thus extracted, a known appropriate method can be adopted. For example, a circle inscribed in the region of the extracted pupil P portion is derived and this The center of the circle can be derived as the pupil center position, or the centroid position of the extracted pupil P portion region can be derived, and the centroid position can be derived as the pupil center position. In this case, the pupil center position can be quickly and easily derived even if the extracted pupil area is not a perfect circle or the outline of the pupil area is wobbled.
上記のようにして瞳孔中心位置を導出した後、更に連続して繰り返し瞳孔中心位置の導出を行うこともできる。このようにすると、眼球Eが動いた場合に瞳孔中心位置の変位をモニターすることにより眼球Eの運動を測定することができ、眼振検査に利用することができる。 After the pupil center position is derived as described above, the pupil center position can also be derived repeatedly in succession. In this way, when the eyeball E moves, the movement of the eyeball E can be measured by monitoring the displacement of the center position of the pupil, and can be used for nystagmus examination.
瞳孔中心位置の導出を連続して繰り返し行う場合には、上記のような処理を繰り返し行うようにすることができる。 When the derivation of the pupil center position is continuously repeated, the above processing can be repeatedly performed.
また、上記のように瞳孔領域の抽出と瞳孔中心位置の導出とを行った場合には、瞳孔領域の抽出に用いた閾値、瞳孔領域の形状、瞳孔領域に対する瞳孔中心位置の位置関係を記憶しておき、これらを利用したパターンマッチング処理により、二回目以降の瞳孔中心位置の導出を行うこともできる。 In addition, when the extraction of the pupil region and the derivation of the pupil center position are performed as described above, the threshold used for extraction of the pupil region, the shape of the pupil region, and the positional relationship of the pupil center position with respect to the pupil region are stored. It is also possible to derive the pupil center position for the second and subsequent times by pattern matching processing using these.
すなわち、例えば一回目の瞳孔中心位置の導出が終了した後、一定時間経過後に、まず眼球Eの映像を撮像部1により撮像し、得られた撮像画像に上記閾値にて二値化処理を施す。このとき二値化処理により瞳孔領域が抽出されるが、瞳孔領域以外の濃度値の低い部分(例えば黒子、まつげ、シミ等)も同時に抽出されるおそれがある。 That is, for example, after the derivation of the first pupil center position is completed, after a predetermined time has elapsed, the image of the eyeball E is first imaged by the imaging unit 1, and the obtained captured image is binarized using the threshold value. . At this time, the pupil region is extracted by the binarization process, but a portion having a low density value other than the pupil region (for example, a mole, an eyelash, a stain, etc.) may be extracted at the same time.
次に、予め記憶しておいた一回目の瞳孔中心位置の導出時における瞳孔領域形状に基づき、パターンマッチング処理を施すことにより、上記二値化処理により抽出された領域から、瞳孔領域のみを抽出する。これにより、上記二値化処理時に瞳孔領域以外の領域(例えば黒子、まつげ、シミ等)が抽出されていた場合でも、これらを排除して瞳孔領域のみを抽出することができる。またこのパターンマッチングの際に部分的な一致を許容するようにすれば、瞳孔Pの一部が目蓋に隠れた場合などにも瞳孔領域を抽出することができる。 Next, only the pupil region is extracted from the region extracted by the above binarization processing by performing pattern matching processing based on the pupil region shape at the time of deriving the first pupil center position stored in advance. To do. Thereby, even when regions other than the pupil region (for example, moles, eyelashes, spots, etc.) have been extracted during the binarization process, it is possible to extract only the pupil region by removing them. If partial matching is allowed during pattern matching, the pupil region can be extracted even when a part of the pupil P is hidden behind the eyelid.
次に、一回目の瞳孔中心位置の導出時における瞳孔領域に対する瞳孔中心位置の位置関係に基づき、上記パターンマッチングにより抽出された瞳孔領域から、瞳孔中心位置を導出する。 Next, based on the positional relationship of the pupil center position with respect to the pupil region at the time of deriving the first pupil center position, the pupil center position is derived from the pupil region extracted by the pattern matching.
このような処理を繰り返し行うことにより、眼球運動に基づく瞳孔中心位置の経時的変化を検知することができ、これにより眼球Eの動きを計測することがことができる。 By repeatedly performing such processing, it is possible to detect a temporal change in the pupil center position based on the eye movement, and thereby the movement of the eye E can be measured.
そして、眼振検査を行う場合には、この計測された眼球Eの動きの時系列データからリズムゆらぎ解析を行い、その結果をプリンタなどの印刷装置や、CRTディスプレイ、液晶ディスプレイなどの表示装置14で表示することができる。また、眼振が被験者の身体の末梢系疾患に起因した異常であるか中枢系疾患に起因した異常であるかを推定し、その結果を前記と同様に表示するようにしても良い。
When performing nystagmus examination, rhythm fluctuation analysis is performed from the measured time series data of the movement of the eyeball E, and the result is displayed on a printing device such as a printer, or a
本発明に係る瞳孔検出装置は、上述のように眼振検査に好適に適用することができるが、これに限定されるものではない。 The pupil detection device according to the present invention can be suitably applied to nystagmus examination as described above, but is not limited thereto.
1 撮像部
2 表示部
3 演算制御部
E 眼球
P 瞳孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
The calculation control unit derives the center of gravity of the region corresponding to the extracted pupil, and derives the center of gravity of the circle as the center position of the region corresponding to the pupil. The pupil detection device described.
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