JP2011125692A - 視線検出装置、視線検出方法、眼電位計測装置、ウェアラブルカメラ、ヘッドマウントディスプレイ、電子めがねおよび眼科診断装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の電極により観測される生体に発生する眼電位である複数の観測電圧のそれぞれのうち、複数の電極において理論上観測される眼電位の組の集合である眼電位部分空間外の成分に基づいて、観測電圧の組に含まれるドリフトノイズを推定するドリフト推定部20と、複数の観測電圧からドリフト推定部20が推定したドリフトノイズを除去した信号に基づいて、ユーザの視線方向を検出する視線検出部10とを備える。
【選択図】図7
Description
まず、眼球を電池とみなしたモデル(非特許文献1)を用いた視線検出方法(特許文献1、非特許文献2)がある。従来、視線とEOGの関係が線形近似されていたが、視線角が大きいほど非線形になるため、視線検出精度が低かった。そこで、非特許文献1では、EOGの非線形モデルとして、眼球を角膜がプラス、網膜がマイナスを成す電池とみなし、眼球運動を、電池が回転するものとみなすモデル(電池モデル)を提案している。電極から、角膜中心点、網膜中心点までの距離をそれぞれr、r’とし、眼球内部で網膜から角膜に向かって流れる電流をI、眼球周辺の導電率をσとするとき、電極に発生する電位vは、以下の(式1)により計算される。
その他の従来方式として、カルマンフィルタを用いた方式がある(非特許文献3および4)。1対の電極から計測されるEOG(t)を、視線方向を表す2次元ベクトルx(t)、視線方向からEOGへの変換行列Z、DCオフセットとドリフトを含めたノイズ成分e(t)を用いて、以下の(式2A)および(式2B)の通りモデル化する。
本発明の実施の形態1に係る視線検出装置について、図2〜図17を用いて説明する。
時刻tにおける観測電圧v(t)を、視線位置θ(t)、視線を眼電位に変換する眼電位変換関数eog()、ノイズe(t)(=ドリフトβ(t)+正規分布ノイズn(t))を用いて、以下の(式4)ようにモデル化する。ここで、正規分布ノイズn(t)は、高周波ノイズ、視線推定誤差、ドリフト推定誤差などを含む。
まず、眼電位変換関数eog()のキャリブレーション方法について、図2〜図7を用いて説明する。本発明における電気生理学に基づいた眼電位モデルについて説明し、そのモデルパラメータの推定法を示し、キャリブレーションされた眼電位変換関数を示す。
図2は、本発明の実施の形態1における眼電位モデルの模式図(目の位置での頭部断面図)である。眼電位モデルは、頭部内の骨、筋肉および細胞などの素子の影響を、不均一な誘電率空間1005により表し、右眼角膜電荷1001、右眼網膜電荷1002、左眼角膜電荷1003および左眼網膜電荷1004により、電極1000に生じる観測電位の理論値(眼電位理論値)を算出するモデルである。
次に、前記眼電位モデルの未知パラメータ(モデルパラメータ)である、眼球半径a、両眼間隔b、電極座標(xe、ye、ze)、所定係数α1、α2、α3、α4のキャリブレーションについて説明する。なお、以下では、眼球半径aおよび両眼間隔bは、人間の平均値であるa=12mmおよびb=65mmとし、モデル推定部は、電極座標(xe、ye、ze)、所定係数α1、α2、α3、α4のみを推定する。
まず、モデル推定部は、キャリブレーション用データ(学習データ)を取得する。図4を用いて、キャリブレーションデータ取得方法について説明する。
ユーザは、両眼の中心3001を、モニタ3000の中心位置3002に合わせ着席し、モニタ3000との間に設置した基準指標3003(z軸上)を注視する。基準指標3003は、ユーザの親指を目の前に立てて代用するなど、なんでもよいが、動かないものが好ましい。
(1) モニタ3000上に較正指標3004(視線位置θ)が提示されたら、ユーザは較正指標3004をサッケード運動(跳躍眼球運動)により注視する。このとき、モデル推定部は、サッケード運動による観測電圧変化量Δv(ユーザが基準指標3003を注視している時と較正指標3004を注視している時の電極における観測電圧の変化量)を検出し、キャリブレーションデータペア(θ、Δv)を記録する。サッケード運動による観測電圧変化量Δvについては後述する。
次に、モデル推定部は、取得したキャリブレーションデータに基づいて、モデルパラメータ推定を行う。つまり、モデル推定部は、各電極i(i=1,…,N)に対するM個のキャリブレーションデータ(θj,Δvi,j)(j=1,…,M)に対応する眼電位理論値
モデル推定部は、以上により推定されたモデルパラメータ(電極座標および所定係数)を用いて、3次元視線位置θに対する眼電位変換関数を次式により求める。
次に、本実施の形態におけるドリフト推定方法および視線検出方法を、図7〜図10を用いて説明する。
上記基本構成において、残差には高周波ノイズが含まれる場合があり、これを観測電圧へフィードバックすると補正エラーが起こる場合がある。そのため、ローパスフィルタにより、残差から高周波ノイズを除去するのが好ましい。この処理は、ローパスフィルタ22により行われる。
次に、まばたきの影響を考慮したサッケード検出方法を説明する。
次に、実施の形態2に係る視線検出装置について説明する。
次に、図20及び図21を参照して、本発明の実施の形態3に係るウェアラブルカメラ1600を説明する。このウェアラブルカメラ1600は、例えば、ユーザの側頭部に装着され、ユーザの視線方向の映像を撮像する装置である。具体的には、ウェアラブルカメラ1600は、撮像部1601と、撮像制御部1602と、視線検出装置1603とを備える。
次に、図22および図23を参照して、本発明の実施の形態4に係るヘッドマウントディスプレイ1700を説明する。このヘッドマウントディスプレイ1700は、例えば、めがね形状を有しており、ユーザの眼前に画像を表示し、表示された画像上に示されているマウスをユーザの視線方向に移動させる装置である。具体的には、ヘッドマウントディスプレイ1700は、表示部1701と、表示制御部1702と、視線検出装置1703とを備える。
次に、図25および図26を参照して、本発明の実施の形態5に係る電子めがね1800を説明する。この電子めがね1800は、ユーザの視線位置に合わせてレンズの焦点を変化させることができるめがねである。具体的には、電子めがね1800は、レンズ1801と、焦点制御部1802と、視線検出装置1803とを備える。
次に、図27を参照して、本発明の実施の形態6に係る眼科診断装置1500を説明する。この眼科診断装置1500は、例えば、ユーザの眼の周辺に電極を貼付し、眼電位を計測することによって網膜常存電位の異常を診断する装置である。具体的には、眼科診断装置1500は、眼電位計測装置1510と、診断部1520とを備える。眼電位計測装置1510は、ユーザの眼の周囲に貼付されて眼電位を測定し、眼電位原信号を出力する眼電位測定部1511と、眼電位原信号にノイズ低減処理を施すノイズ低減部1512とを備える。
上記実施の形態において、各ブロックは、LSIなどの半導体装置により個別に1チップ化されてもよいし、一部または全部を含むように1チップ化されてもよい。なお、ここでは、LSIとしたが、集積度の違いにより、IC、システムLSI、スーパーLSI、ウルトラLSIと呼称されることもある。
10 視線検出部
11 減算器
12 θ探索部
20 ドリフト推定部
21 積分器
81 視線存在空間
203 減算部
500 サッケード検出部
501 遅延信号生成部
701 眼電位レンジを越える成分
702 眼電図に直交する成分
1001 右眼角膜電荷
1002 右眼網膜電荷
1003 左眼角膜電荷
1004 左眼網膜電荷
1005 不均一誘電率空間
3000 モニタ
3001 両眼中心位置
3002 モニタ中心位置
3003 基準指標
3004 較正指標
3005 ユーザ
4001 めがね
4002、4005、4006 電極
4003 鼻パッド位置
4004 めがねフレーム・耳接触位置
Claims (22)
- 眼電位からユーザの視線方向を検出する視線検出装置であって、
複数の電極により観測される生体に発生する眼電位である複数の観測電圧のそれぞれのうち、前記複数の電極において理論上観測される眼電位の組の集合である眼電位部分空間外の成分に基づいて、前記観測電圧の組に含まれるドリフトノイズを推定するドリフト推定部と、
前記複数の観測電圧から前記ドリフト推定部が推定した前記ドリフトノイズを除去した信号に基づいて、前記ユーザの視線方向を検出する視線検出部と
を備える視線検出装置。 - 前記眼電位部分空間は、所定の範囲内における前記ユーザの視線方向を示す視線ベクトル空間内の点を、所定の眼電位変換関数により写像することにより得られる
請求項1記載の視線検出装置。 - 前記所定の範囲の境界線は、曲線である
請求項2記載の視線検出装置。 - 前記所定の範囲の境界線は、前記ユーザの水平視線方向に対して上下非対称な曲線である
請求項3記載の視線検出装置。 - 前記所定の範囲は、前記ユーザが眼球を円周状に回転運動させた場合の前記ユーザの視線方向の範囲である
請求項2〜4のいずれか1項記載の視線検出装置。 - さらに、視線方向ごとに前記複数の電極の各々により観測される観測電圧から前記眼電位変換関数を算出する関数算出部を備え、
前記関数算出部は、前記回転運動を2回行ったときの同一箇所における2回の観測電圧の差に基づいてドリフトノイズを推定し、前記2回の観測電圧のうち少なくともいずれか一方の観測電圧から推定した前記ドリフトノイズを除去した電圧から前記眼電位変換関数を算出する
請求項5記載の視線検出装置。 - 前記眼電位変換関数は、非線形関数である
請求項2〜6のいずれか1項記載の視線検出装置。 - 前記非線形関数は、右眼角膜および右眼網膜のそれぞれから任意の3次元空間位置までの距離である右眼角膜距離および右眼網膜距離と、左眼角膜および左眼網膜のそれぞれから前記任意の3次元空間位置までの距離である左眼角膜距離および左眼網膜距離とから、前記任意の3次元空間位置に発生する眼電位理論値を算出するための関数である
請求項7記載の視線検出装置。 - 前眼非線形関数は、右眼角膜距離、右眼網膜距離、左眼角膜距離および左眼網膜距離のそれぞれに対して個別に設定可能である所定係数を含む
請求項8記載の視線検出装置。 - 前記関数算出部は、視線方向ごとに前記複数の電極により観測される前記複数の観測電圧の各々を用いて、観測電圧が観測されていない視線方向の眼電位を補間することにより、前記非線形関数を算出する
請求項7記載の視線検出装置。 - 前記ドリフト推定部は、
さらに、前記残差にローパスフィルタ処理を施し、
前記ローパスフィルタ処理を施した後の残差から前記ドリフト推定値を推定する
請求項11記載の視線検出装置。 - 前記ドリフト推定部は、前記視線推定値が前記所定の範囲の境界を超えた場合には、前記ローパスフィルタ処理のカットオフ周波数を上げる
請求項12記載の視線検出装置。 - さらに、前記観測電圧から、眼球の急速な運動であるサッケード運動の発生を検出するサッケード検出部を備え、
前記ドリフト推定部は、前記サッケード検出部によりサッケード運動の発生が検出された場合に、前記ローパスフィルタ処理のカットオフ周波数を下げる
請求項12または13記載の視線検出装置。 - 前記サッケード検出部は、
前記各観測電圧を所定の時間遅延させて遅延信号を出力する遅延信号生成部と、
前記各観測電圧から前記遅延信号を減算して得られる出力信号を生成する減算部とを有し、
前記出力信号のうちの予め定めた閾値を上回る信号をサッケード運動を示すサッケード信号と判定し、
前記所定の遅延時間は、ユーザの1回の固視時間より短い
請求項14記載の視線検出装置。 - 眼電位からユーザの視線方向を検出する視線検出方法であって、
複数の電極により観測される生体に発生する眼電位である複数の観測電圧のそれぞれのうち、前記複数の電極において理論上観測される眼電位の組の集合である眼電位部分空間外の成分に基づいて、前記観測電圧の組に含まれるドリフトノイズを推定するドリフト推定ステップと、
前記観測電圧から前記ドリフト推定ステップにおいて推定された前記ドリフトノイズを除去した信号に基づいて、前記ユーザの視線方向を検出する視線検出ステップと
を含む視線検出方法。 - ユーザの眼電位を計測する眼電位計測装置であって、
複数の電極により観測される生体に発生する眼電位である複数の観測電圧のそれぞれのうち、前記複数の電極において理論上観測される眼電位の組の集合である眼電位部分空間外の成分に基づいて、前記観測電圧の組に含まれるドリフトノイズを推定するドリフト推定部と、
前記観測電圧から前記ドリフト推定部が推定した前記ドリフトノイズを減算する減算器と
を備える眼電位計測装置。 - ユーザの視線方向の映像を撮像するウェアラブルカメラであって、
撮像部と、
請求項1〜15のいずれか1項に記載の視線検出装置と、
前記視線検出装置によって検出された視線方向を前記撮像部に撮像させる撮像制御部と
を備えるウェアラブルカメラ。 - ユーザの視線方向にマウスを移動させるヘッドマウントディスプレイであって、
画像およびマウスを表示する表示部と、
請求項1〜15のいずれか1項に記載の視線検出装置と、
前記視線検出装置によって検出された視線方向に表示部に表示されているマウスを移動させる表示制御部と
を備えるヘッドマウントディスプレイ。 - ユーザの視線位置に合わせてレンズの焦点を変化させる電子めがねであって、
焦点を変化させることができるレンズと、
請求項1〜15のいずれか1項に記載の視線検出装置と、
前記視線検出装置によって検出された視線位置に合わせて前記レンズの焦点を変化させる焦点制御部と
を備える電子めがね。 - ユーザの網膜状態を診断する眼科診断装置であって、
請求項1〜15のいずれか1項に記載の視線検出装置と、
観測電圧からドリフト推定部が推定したドリフトノイズを除去した信号に基づいて、ユーザの網膜異常を検出する診断部とを備える
眼科診断装置。 - 眼電位からユーザの視線方向を検出するプログラムであって、
複数の電極により観測される生体に発生する眼電位である複数の観測電圧のそれぞれのうち、前記複数の電極において理論上観測される眼電位の組の集合である眼電位部分空間外の成分に基づいて、前記観測電圧の組に含まれるドリフトノイズを推定するドリフト推定ステップと、
前記観測電圧から前記ドリフト推定ステップにおいて推定された前記ドリフトノイズを除去した信号に基づいて、前記ユーザの視線方向を検出する視線検出ステップと
をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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