JP4055858B2 - Gaze detection system - Google Patents

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JP4055858B2 JP2004236161A JP2004236161A JP4055858B2 JP 4055858 B2 JP4055858 B2 JP 4055858B2 JP 2004236161 A JP2004236161 A JP 2004236161A JP 2004236161 A JP2004236161 A JP 2004236161A JP 4055858 B2 JP4055858 B2 JP 4055858B2
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圭司 松田
武司 永見
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本発明は、カメラに対する視線ベクトルを求める視線検出システムに関する。   The present invention relates to a gaze detection system for obtaining a gaze vector for a camera.

従来より、視線位置を計測する簡便な視線位置計測システムが求められている。このようなシステムを、より低価格で提供することができるならば、例えば、以下のような分野に使用できると考えられる。
1)視覚に関する心理学的研究
2)医療検査
3)マンマシンインターフェース(視線入力装置)
4)3)と重なるが障害者に対する補助装置。
5)ヘッドマウントディスプレーに内蔵し、視線入力装置として用いる。
6)装置を2台用い、カメラの位置を厳密に設定することにより、両眼の視差を受動的な校正(視標を提示して、凝視してもらうのでは無く、だだ、眼を動かすだけ)で計測することができる。医療検査、心理実験、行動実験などに用いることができる。
Conventionally, a simple gaze position measurement system for measuring a gaze position has been demanded. If such a system can be provided at a lower price, it can be used, for example, in the following fields.
1) Psychological research on vision
2) Medical examination
3) Man-machine interface (line-of-sight input device)
4) Although it overlaps with 3), it is an auxiliary device for people with disabilities.
5) Built in the head-mounted display and used as a line-of-sight input device.
6) Passive calibration of binocular parallax by using two devices and setting the position of the camera strictly (instead of presenting the target and staring, it just moves the eyes) Only). It can be used for medical examinations, psychological experiments, behavioral experiments, etc.

しかし、従来、カメラにより複数の画像を取り込み、反射光形状、瞳孔形状を計測して、反射光重心位置、瞳孔の楕円近似より短軸の傾き、短軸長軸比、瞳孔中心を計算することにより視線位置を計測する簡便な視線位置計測システムは、存在していなかった。
特許第2600114号公報 電子情報通信学会技術研究報告書 vol.100 no.47 「視線位置計測システムの開発」 ISSN0913-5685、TL2000-1-6「思考と言語」2000年5月12日 より抜粋
Conventionally, however, multiple images are captured by a camera, the reflected light shape and pupil shape are measured, and the center of gravity position of the reflected light, the inclination of the minor axis, the minor axis major axis ratio, and the pupil center are calculated from the elliptical approximation of the pupil. There has been no simple gaze position measurement system that measures the gaze position using the above method.
Japanese Patent No. 2600114 IEICE technical report vol.100 no.47 “Development of gaze position measurement system” ISSN0913-5685, TL2000-1-6 “Thinking and Language”, May 12, 2000

本発明は、カメラにより複数の画像を取り込み、それぞれの画像について、反射光形状、瞳孔形状を計測して、反射光重心位置、瞳孔を楕円近似することにより、短軸の傾き、短軸長軸比、瞳孔中心を計算することにより、カメラに対する視線ベクトルを求めることを目的とする。   The present invention captures a plurality of images with a camera, measures the reflected light shape and pupil shape of each image, and approximates the reflected light barycentric position and the pupil to an ellipse, thereby reducing the minor axis inclination and the minor axis major axis. The purpose is to obtain a line-of-sight vector for the camera by calculating the ratio and pupil center.

(1)反射光重心位置と角膜曲率中心位置の関係について。
CCDカメラにより、人もしくはサルの眼球を撮影する。瞳孔を暗く撮影するため、赤外線LEDにて照明を行う。カメラ、光源(赤外線LED)及び眼球の位置関係を図1に示す。図1において、カメラは、眼球の略水平方向前方に位置するよう図示しているが、カメラの位置は、瞳孔が撮影できる範囲で任意の場所に設定する事ができる。光源も、反射光形状が角膜上になる場所ならば、任意の場所に配置させる事ができる。CCDカメラには、図2のような映像が撮影される。
(1) Regarding the relationship between the position of the center of gravity of the reflected light and the center position of the corneal curvature.
Take a human or monkey eyeball with a CCD camera. To illuminate the pupil darkly, illumination is performed with an infrared LED. FIG. 1 shows the positional relationship between the camera, the light source (infrared LED), and the eyeball. In FIG. 1, the camera is illustrated as being positioned approximately in front of the eyeball in the horizontal direction, but the position of the camera can be set at an arbitrary position within a range where the pupil can be photographed. The light source can also be placed at any location where the reflected light shape is on the cornea. The CCD camera captures an image as shown in FIG.

図1を簡略化して、瞳孔中心、角膜曲率中心を書き入れた図を図3に示す。簡略化した図3において、反射光重心位置が生ずる場所を図4に示す。反射光重心位置は、光源、角膜曲率中心、カメラを結ぶ角の2等分線と角膜の交わる位置に生じる。角膜曲率中心と反射光重心位置を結ぶベクトルを反射光ベクトルと名付ける。(光源は、無限遠にあると仮定する。カメラには、平行投影されると仮定する)。   FIG. 3 is a diagram in which FIG. 1 is simplified and the pupil center and the corneal curvature center are entered. In the simplified FIG. 3, the place where the reflected light barycentric position occurs is shown in FIG. The position of the center of gravity of the reflected light is generated at the position where the cornea and the bisector of the corner connecting the light source, the corneal curvature center, and the camera intersect. A vector connecting the center of corneal curvature and the position of the center of gravity of the reflected light is named a reflected light vector. (It is assumed that the light source is at infinity. The camera is assumed to be parallel projected).

眼球が動いたとき、反射光重心位置と角膜曲率中心の位置関係を図5に記する。光源が、十分に遠方にあれば、カメラ面への法線ベクトルと反射光ベクトルの角度は、眼球が回転しても同一になる。そのため、眼球が回転しても、カメラに投影される角膜曲率中心と反射光重心位置の距離が一定に保たれる。図5では、x方向の距離αが一定で保たれている様子を表している。図6では、視線が変化しても、カメラの投影される角膜曲率中心は、常に反射光重心位置からx方向にα、y方向にβの位置にある様子を表している。図7にカメラから見た眼球のそれぞれの部位の位置関係を表している。図3にあるように、瞳孔中心、眼球回転中心、角膜曲率中心が直線上に存在してると仮定すると、その投影画像である図7においては、、瞳孔中心(Xp,Yp)、眼球回転中心(Xo,Yo)、角膜曲率中心(Xk,Yk)が直線上に存在する事になる。また、反射光重心位置(Xr,Yr)は、角膜曲率中心より(α、β)だけ移動した位置にある。α、βは、複数の画像を持ちいて、最小自乗法により瞳孔中心(Xp,Yp)と瞳孔中心(Xo,Yo)結ぶ直線と角膜曲率中心位置(Xk,Yk)=(Xr-α、Yr-β)の距離を最小にするα、βにより求める事ができる。   FIG. 5 shows the positional relationship between the position of the center of gravity of the reflected light and the center of corneal curvature when the eyeball moves. If the light source is sufficiently far away, the angles of the normal vector to the camera surface and the reflected light vector will be the same even if the eyeball rotates. Therefore, even if the eyeball rotates, the distance between the center of corneal curvature projected on the camera and the position of the center of gravity of the reflected light is kept constant. FIG. 5 shows a state where the distance α in the x direction is kept constant. In FIG. 6, even when the line of sight changes, the corneal curvature center projected by the camera is always in the position of α in the x direction and β in the y direction from the center of gravity of the reflected light. FIG. 7 shows the positional relationship of each part of the eyeball viewed from the camera. Assuming that the pupil center, the center of eyeball rotation, and the center of corneal curvature exist on a straight line as shown in FIG. 3, in the projection image of FIG. 7, the center of the pupil (Xp, Yp), the center of eyeball rotation (Xo, Yo), the corneal curvature center (Xk, Yk) exists on the straight line. The reflected light barycentric position (Xr, Yr) is at a position moved by (α, β) from the corneal curvature center. α and β have multiple images, and the straight line connecting the pupil center (Xp, Yp) and the pupil center (Xo, Yo) and the corneal curvature center position (Xk, Yk) = (Xr-α, Yr -β) can be obtained from α and β that minimize the distance.

(2)眼球回転中心位置ー角膜曲率中心距離の求め方について。
図7にあるようにカメラによって撮影された画像における「眼球回転中心位置-角膜曲率中心」距離は、角膜曲率中心(Xk,Yk)と眼球回転中心(Xo,Yo)から求める事ができる。この距離は、実際の距離が2次元に射影された物であり、実際の距離にある定数をかけたものになっている。この画像における「瞳孔中心-眼球回転中心」距離を、瞳孔中心(Xp,Yp)と眼球回転中心(Xo,Yo)から求める事ができる。実際の「瞳孔中心-眼球回転中心」を求める事ができることは知られている(特許文献1参照)ため、両者の比から、射影時における定数を求める事ができる。この定数を、画像における「眼球回転中心位置-角膜曲率中心」距離に掛ける事により、実際の「眼球回転中心位置-角膜曲率中心」距離を求める事ができる。実際の「眼球回転中心位置-角膜曲率中心」距離(rr)と実際の実際の「瞳孔中心-眼球回転中心」(r)の関係式は、後述の通りである(段落[0021][0026]参照)。(反射光重心位置座標を(rx,ry)とし、反射光重心位置と角膜曲率中心位置のx方向のずれをalpha,y方向のずれをbetaと表記している。そして、Xkのかわりにrx-alpha(=Xk)、Ykのかわりに、ry-beta(=Yk)を用いている。)
(2) How to find the center of eyeball rotation-center distance of corneal curvature.
As shown in FIG. 7, the “eyeball rotation center position−corneal curvature center” distance in the image photographed by the camera can be obtained from the corneal curvature center (Xk, Yk) and the eyeball rotation center (Xo, Yo). This distance is a thing in which the actual distance is projected in two dimensions, and is obtained by multiplying the actual distance by a certain constant. The “pupil center-eyeball rotation center” distance in this image can be obtained from the pupil center (Xp, Yp) and the eyeball rotation center (Xo, Yo). Since it is known that the actual “pupil center−center of eyeball rotation” can be obtained (see Patent Document 1), a constant at the time of projection can be obtained from the ratio of the two. By multiplying this constant by the “eyeball rotation center position−corneal curvature center” distance in the image, the actual “eyeball rotation center position−corneal curvature center” distance can be obtained. The relational expression between the actual “eyeball rotation center position-corneal curvature center” distance (rr) and the actual actual “pupil center-eyeball rotation center” (r) is as described later (paragraphs [0021] [0026] reference). (The reflected light barycentric position coordinate is (rx, ry), the deviation of the reflected light barycentric position and the corneal curvature center position in the x direction is expressed as alpha, and the deviation in the y direction is expressed as beta. And instead of Xk, rx (Instead of -alpha (= Xk) and Yk, ry-beta (= Yk) is used.)

3)カメラに対する視線方向について。
カメラに対する視線方向は、カメラに写った画像における(図7)楕円短軸延長線上の2点と、実際のその2点間の距離より求める事ができる。瞳孔中心位置(Xp,Yp)と眼球中心位置(Xo,Yo)と瞳孔中心眼球回転半径(r)により、カメラに対する視線方向を表したものが、[数3]である。[数3]について、眼球回転中心(Xo,Yo)の代わりに角膜曲率中心(Xk,Yk)を、瞳孔中心-眼球回転中心距離(瞳孔中心回転半径)(r)の代わりに瞳孔中心-角膜曲率中心距離(上記2)における、r(瞳孔中心回転半径)-rr(角膜曲率回転半径))を代入する事により、図7における瞳孔中心(Xp,Yp)と角膜曲率中心(Xk,Yk)からカメラに対する視線方向を求める事ができる。同様に、[数3]について、瞳孔中心(Xp,Yp)の代わりに角膜曲率中心(Xk,Yk)を、瞳孔中心-眼球回転中心距離(瞳孔中心回転半径)(r)の代わりに角膜曲率中心-眼球回転中心距離(上記2)rr(角膜曲率回転半径))を代入する事により、図7における角膜曲率中心(Xk,Yk)と眼球回転中心(Xo,Yo)からカメラに対する視線方向を求める事ができる。
3) Gaze direction with respect to the camera.
The direction of the line of sight with respect to the camera can be obtained from the two points on the elliptical short axis extension line in the image taken by the camera (FIG. 7) and the actual distance between the two points. [Expression 3] represents the line-of-sight direction with respect to the camera by the pupil center position (Xp, Yp), the eyeball center position (Xo, Yo), and the pupil center eyeball rotation radius (r). For [Equation 3], instead of the eyeball rotation center (Xo, Yo), the corneal curvature center (Xk, Yk) is used, and the pupil center-eyeball rotation center distance (pupil center rotation radius) (r) is used instead of the pupil center-cornea. By substituting r (pupil center rotation radius) -rr (corneal curvature rotation radius)) at the curvature center distance (2) above, the pupil center (Xp, Yp) and corneal curvature center (Xk, Yk) in FIG. The direction of the line of sight with respect to the camera can be obtained from Similarly, for [Equation 3], instead of the pupil center (Xp, Yp), the corneal curvature center (Xk, Yk) is used, and the corneal curvature is used instead of the pupil center-eyeball rotation center distance (pupil center rotation radius) (r). By substituting the center-to-eye rotation center distance (above 2) rr (corneal curvature rotation radius)), the line-of-sight direction from the center of corneal curvature (Xk, Yk) and the center of eyeball rotation (Xo, Yo) in FIG. You can ask for it.

本発明は、カメラにより複数の画像を取り込み、それぞれの画像について、反射光形状、瞳孔形状を計測して、反射光重心位置、瞳孔を楕円近似することにより短軸の傾き、短軸長軸比、瞳孔中心を求め、それらの値より、カメラに対する視線ベクトルを求めることが可能となる。   The present invention captures a plurality of images with a camera, measures the reflected light shape and pupil shape of each image, and approximates the reflected light barycentric position and the pupil to an ellipse, thereby reducing the minor axis inclination and the minor axis major axis ratio. The pupil center is obtained, and the line-of-sight vector for the camera can be obtained from these values.

以下、本発明の視線検出方法及びシステムの第1の例について、図1〜図10を参照して説明する。図1は、カメラ、光源、及び眼球の位置関係を示す図である。CCDカメラにより、人もしくはサルの眼球を撮影する。瞳孔を暗く撮影するため、赤外線LEDにて照明を行う。カメラは、眼球の略水平方向の前方に位置するよう図示しているが、カメラの位置は、瞳孔が撮影できる範囲で任意の場所に設定することができる。光源も、反射位置が角膜上になる場所ならば、任意の場所に配置させることができる。CCDカメラには、図2のような映像が撮影される。   Hereinafter, a first example of the line-of-sight detection method and system of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram illustrating a positional relationship among a camera, a light source, and an eyeball. Take a human or monkey eyeball with a CCD camera. To illuminate the pupil darkly, illumination is performed with an infrared LED. Although the camera is illustrated as being positioned in front of the eyeball in a substantially horizontal direction, the position of the camera can be set at an arbitrary position within a range where the pupil can be photographed. The light source can also be placed at any location where the reflection position is on the cornea. The CCD camera captures an image as shown in FIG.

図1を簡略化して、瞳孔中心、角膜曲率中心、眼球回転中心を書き入れた図を図3に示す。簡略化した図3において、反射点が生ずる場所を図4に示す。反射点は、光源、角膜曲率中心、カメラを結ぶ角の2等分線と角膜の交わる位置に生じる。角膜曲率中心と反射点を結ぶベクトルとを反射光ベクトルと名付ける。(光源は、無限遠にあると仮定する。カメラには、平行投影されると仮定する。)   FIG. 3 is a diagram in which FIG. 1 is simplified and the pupil center, the corneal curvature center, and the eyeball rotation center are entered. In the simplified FIG. 3, the location where the reflection point occurs is shown in FIG. The reflection point is generated at the position where the cornea and the bisector of the corner connecting the light source, the corneal curvature center, and the camera intersect. A vector connecting the corneal curvature center and the reflection point is named a reflected light vector. (It is assumed that the light source is at infinity. The camera is assumed to be projected in parallel.)

眼球が動いた時、反射点と角膜曲率中心の位置関係を図5に記す。光源が、十分遠くにあれば、角膜曲率中心への反射光ベクトルの角度は、眼球が回転しても同一になる。そのため、眼球が回転しても、角膜曲率中心と反射点の距離が一定に保たれる。図5は、x方向の距離のみを表している。図6に、カメラ方向から撮影された時の、角膜曲率中心と、反射点の位置関係を表示する。
反射点、角膜曲率中心、瞳孔中心、眼球回転中心の位置関係は図7で表される。この図を、簡略化すると図8になる。
FIG. 5 shows the positional relationship between the reflection point and the corneal curvature center when the eyeball moves. If the light source is sufficiently far away, the angle of the reflected light vector to the center of corneal curvature will be the same even when the eyeball rotates. Therefore, even when the eyeball rotates, the distance between the center of corneal curvature and the reflection point is kept constant. FIG. 5 shows only the distance in the x direction. FIG. 6 shows the positional relationship between the corneal curvature center and the reflection point when the image is taken from the camera direction.
The positional relationship among the reflection point, the corneal curvature center, the pupil center, and the eyeball rotation center is shown in FIG. When this diagram is simplified, FIG. 8 is obtained.

カメラにより複数の画像を取り込み、それぞれの画像について、反射光形状、瞳孔形状を計測して、反射光重心位置、瞳孔を楕円近似することにより短軸の傾き、短軸長軸比、瞳孔中心を計算し、それらの値からカメラに対する視線ベクトルを求めることができる。
i)反射光重心位置計測について
1)瞳孔中心を領域の中心とする120x90 pixelの画像を3pixel置きに取り出し40x30の画像を生成する。
2)ある閾値以上の点を取り出し、それを塊毎にラベルをつけてゆく。
3)一定以上の大きさがあり、かつ瞳孔中心に最も近い塊の重心を測定する。
という方法で行っていた。
但し、この反射光重心位置計測方法は、反射点の大きさが小さいと、取りこぼされてしまうことになり、また、反射点が複数ある場合、間違った反射点を選んでしまう(角膜上には、n次プルキニエ反射が存在する。注目しているのは、1次反射である)ことになる。
The camera captures multiple images, and for each image, the reflected light shape and pupil shape are measured, and the reflected light center of gravity and the pupil are elliptically approximated to determine the minor axis inclination, minor axis major axis ratio, and pupil center. The line-of-sight vector for the camera can be obtained from these values.
i) Measurement of reflected light barycentric position 1) A 120x90 pixel image having the pupil center as the center of the region is taken out every 3 pixels to generate a 40x30 image.
2) Take a point above a certain threshold and label it for each chunk.
3) Measure the center of gravity of the mass that is larger than a certain size and closest to the center of the pupil.
It was done by the method.
However, this reflected light barycentric position measurement method will be missed if the size of the reflection point is small, and if there are multiple reflection points, the wrong reflection point will be selected (on the cornea). There is an nth order Purkinje reflection.

ii)反射光選別について
検出したものを全て用いていて、選別を行わないと、図9にあるように、角膜上ではなく、強膜上で反射した場合の反射光を検出して計算を行ってしまうことになる。このような場合は、反射点が角膜上にあるという前提がなくなり、計算結果が正確でなくなってしまう。このような場合は、計算不能とする必要がある。
ii) About reflected light selection If all detected ones are used and no selection is made, the reflected light reflected on the sclera, not the cornea, is detected and calculated as shown in FIG. It will end up. In such a case, the assumption that the reflection point is on the cornea is lost, and the calculation result becomes inaccurate. In such a case, it is necessary to make the calculation impossible.

iii)自動方式切り替えについて。
上述の方法は、校正の後、被験者の瞳孔中心位置と反射光重心から視線位置を求めることが可能である。しかし、この方法は、頭部が動いても計測が可能という利点があるが、反射点が角膜上から外れてしまうと計測できなくなることになる。瞳孔中心のみから測定する場合に比べ測定範囲が狭い。
iii) About automatic method switching.
In the above-described method, the line-of-sight position can be obtained from the center position of the pupil of the subject and the center of the reflected light after calibration. However, this method has an advantage that measurement is possible even if the head moves, but if the reflection point moves off the cornea, measurement cannot be performed. The measurement range is narrower than when measuring only from the center of the pupil.

iv)瞳孔中心-眼球回転中心方法の自動補正
上述の方法は、頭部が動いてしまうと正確な計測ができなくなる。頭部を固定して計測している場合でも、断続的なずれが生じる場合があり、その場合は再校正を行う必要がある。
iv) Automatic correction of pupil center-eye rotation center method The above method cannot measure accurately if the head moves. Even when measurement is performed with the head fixed, intermittent displacement may occur, in which case recalibration is required.

v)瞳孔を検出する際の閾値の複数使用について。
瞳孔の検出方法は、つぎの二段階で検出を行っている。
1)8pixelごとに画像をサンプルし、瞳孔のおおまかな位置を検出する。
2)おおまかな楕円をもとめその近傍を探査し、瞳孔の縁を検出する。
この方法は、この二段階共に同一の閾値を用いている。ノイズが多い場合(瞳孔と同じくらい暗い場所が多い場合)第一段階でおおまかな検出に失敗する場合があった。そのような場合は、閾値を下げることによりノイズを減らすことが可能であるが、そのような処理を行うと、瞳孔の縁を正確に検出できなくなってしまうことがある。
v) About multiple use of thresholds when detecting pupils.
The pupil detection method performs detection in the following two stages.
1) The image is sampled every 8 pixels and the approximate position of the pupil is detected.
2) Find a rough ellipse and explore the vicinity to detect the edge of the pupil.
This method uses the same threshold value in both stages. When there is a lot of noise (when there are as many dark places as the pupil), rough detection may fail at the first stage. In such a case, it is possible to reduce noise by lowering the threshold value. However, if such processing is performed, the edge of the pupil may not be detected accurately.

vi)瞳孔の縁の検出方法について
楕円の幾何学的な性質を利用し、瞳孔の縁以外を除去する。楕円には、次のような幾何学的な性質がある。図10に示すように、楕円と交わる3本の平行な直線l、m、n を考える。l、n はm から等距離にあるとする。楕円と直線l との交点をa、b 、直線n の交点をc、d とする。楕円と直線m
の交点の中点をo とする。a、b の中点とc、d の中点を結ぶ線の中点をo'とすると、o'はo と重なるという性質がある。瞳孔の画像について瞳孔画像のほぼ中央に引いた直線m
から等距離にあるN 個の平行線の組のo'i (i=1‐N)に当たる点を求める。求められた点は、直線m の上に分布する。誤って検出された縁が十分少ないときは、最も多くの点o'が集まった位置がo
の位置に相当する。その位置から離れている点は、楕円の軌跡上にない点を含んでいることになるので、それらを除外する。
どのくらい離れていたら、除外するかは、プログラムで指定することにより、許容範囲の設定が可能になる。4点が相補的に誤差を含んでしまった場合には、除外されなくなるが、確率的にそのようなことは起こりにくい。o に十分近いo'i を持つ点a i ,b i ,c i ,d i は、楕円の軌跡上の点なので、これらの点の座標を[数1]に代入し正確な楕円近似を行うことができる。(非特許文献1参照)
上記の連立方程式を解くことにより、最小自乗法により以下の楕円の方程式[数2]の係数を求める事ができる。
vi) Pupil edge detection method Using the geometrical properties of the ellipse, remove all but the edge of the pupil. An ellipse has the following geometric properties. As shown in FIG. 10, consider three parallel straight lines l, m, n that intersect with an ellipse. Let l and n be equidistant from m. Assume that the intersections of the ellipse and the straight line l are a and b, and the intersections of the straight line n are c and d. Ellipse and straight line m
Let o be the midpoint of the intersection of. If the middle point of the line connecting the midpoints of a and b and the midpoints of c and d is o ', then o' has the property of overlapping o. A straight line m drawn about the center of the pupil image
Find the point corresponding to o'i (i = 1−N) of a set of N parallel lines equidistant from. The obtained points are distributed on the straight line m. When the number of mistakenly detected edges is small enough, the position where the most points o 'are gathered is
Corresponds to the position of. Points that are away from the position include points that are not on the locus of the ellipse, so they are excluded.
It is possible to set an allowable range by specifying in a program how far away they are to be excluded. If four points contain errors in an complementary manner, they will not be excluded, but such a probability is unlikely to occur. Since the points ai, bi, ci, and di having o'i sufficiently close to o are points on the locus of the ellipse, the coordinates of these points can be substituted into [Equation 1] for accurate ellipse approximation. (See Non-Patent Document 1)
By solving the above simultaneous equations, the coefficient of the following elliptic equation [Equation 2] can be obtained by the method of least squares.

vii)瞳孔の検出の精度について(横方向に入ったノイズの割り合い)。
反射光が瞳孔の縁に掛かる、ピントがずれているため瞳孔の縁が明確に捕らえられていないなどの場合の、定量的な評価が無かった。
vii) Accuracy of pupil detection (rate of noise entering in the horizontal direction).
There was no quantitative evaluation when the reflected light was applied to the edge of the pupil or the edge of the pupil was not clearly captured due to out of focus.

次に、本発明の視線検出方法及びシステムについて説明する。
i)反射光重心位置計測について
1)図11は、反射光重心位置計測を説明するための図であり、眼球をカメラ方向から見た図であり、また、図12は、その眼球を横方向から見た図である。
瞳孔中心位置(xp,yp)、眼球回転中心位置(xo,yo)、反射光重心位置と角膜を球の一部としたとき球の中心である角膜曲率中心の位置との距離(alpha,beta)、瞳孔中心回転半径(r)、角膜曲率中心回転半径(rr)が分かっている場合には、以下の式より反射光重心位置(rx,ry)を予測することができる。
rx=(xp-xo)*rr/r+xo+alpha
ry=(yp-yo)*rr/r+yo+beta
2)予測点を中心とした、40x30pixelの画像を生成する。
3)ある閾値以上の点を取り出し、それを塊毎にラベルをつけてゆく。
4)一定以上の大きさがあり、かつ予測に最も近い塊の重心を測定する。
Next, the gaze detection method and system of the present invention will be described.
i) Measurement of reflected light barycentric position 1) FIG. 11 is a diagram for explaining reflected light barycentric position measurement, and is a view of the eyeball seen from the camera direction, and FIG. 12 shows the eyeball in the lateral direction. It is the figure seen from.
Pupil center position (xp, yp), eyeball rotation center position (xo, yo), center of corneal curvature when the cornea is part of the sphere when the cornea is part of the sphere (alpha, beta ), When the pupil center rotation radius (r) and the corneal curvature center rotation radius (rr) are known, the reflected light barycentric position (rx, ry) can be predicted from the following equation.
rx = (xp-xo) * rr / r + xo + alpha
ry = (yp-yo) * rr / r + yo + beta
2) A 40x30 pixel image centered on the predicted point is generated.
3) Take a point above a certain threshold and label it for each chunk.
4) Measure the center of gravity of the mass that is larger than a certain size and closest to the prediction.

図13に示す画像から、反射点重心を計測する例を考える。画面の十字は、瞳孔中心位置を表している。十字の上の白い点が、第1プルキニエ像、右下の白い点が第2プルキニエ像である。いずれも照明光の反射であるが、眼球内の反射する場所が異なるため複数の反射像が出現する。
1)瞳孔中心位置(xp,yp)、眼球回転中心位置(xo,yo)、角膜曲率中心(α、β)、瞳孔中心回転半径r、角膜曲率中心回転半径rrがすでにわかっている際、反射光重心位置(rx,ry)を上記の式より予測する。
2)予測位置は図14のXの位置になる。Xを中心とした四角で示した40x30pixelの画像より反射点重心を求める。
3)ある閾値以上の点を取り出だしラベリングをおこない、一定以上の大きさがあり、重心が予測値に最も近いものを選ぶ。図15において反射点重心を十字で表した。
Consider an example in which the reflection point centroid is measured from the image shown in FIG. The cross on the screen represents the pupil center position. The white dot on the cross is the first Purkinje image, and the white dot on the lower right is the second Purkinje image. Both are reflections of illumination light, but a plurality of reflected images appear because the reflection location in the eyeball is different.
1) Reflection when the pupil center position (xp, yp), eyeball rotation center position (xo, yo), corneal curvature center (α, β), pupil center rotation radius r, corneal curvature center rotation radius rr are already known. The optical centroid position (rx, ry) is predicted from the above formula.
2) The predicted position is the position X in FIG. The center of reflection point is obtained from a 40x30 pixel image indicated by a square centered on X.
3) Pick out points above a certain threshold and perform labeling, and select the ones with a certain size or larger and the center of gravity closest to the predicted value. In FIG. 15, the center of reflection point is represented by a cross.

ii)反射光選別について
校正時に反射点の幅と高さの平均を求める。計測時に、反射点の幅、高さと比較し大きく異なる物を排除することにより、正確に計測を行うことが可能となる。図16に示された反射点の大きさは、縦6pixel 横7pixelである。これは、平均値からの差が十分に小さい。どの程度の誤差を許容するかはプログラムによって設定可能である。
図17に示すように、反射光が強膜に存在するときは、大きさが大きく異なる(縦19pixel横50pixel)。この場合は、反射点を用いた計測は断念する。
ii) Reflected light selection At the time of calibration, find the average of the reflection point width and height. It is possible to accurately perform measurement by eliminating objects that are significantly different from the width and height of the reflection point during measurement. The size of the reflection point shown in FIG. 16 is 6 pixels vertically and 7 pixels horizontally. This is a sufficiently small difference from the average value. How much error is allowed can be set by a program.
As shown in FIG. 17, when the reflected light is present on the sclera, the sizes are greatly different (vertical 19 pixels and horizontal 50 pixels). In this case, the measurement using the reflection point is abandoned.

iii)自動方式切り替えについて。
瞳孔中心-反射位置重心法で計算できなくなった場合、自動的に瞳孔中心法に切り替えることにより計測の中断をなくすことができる。
反射点が強膜上に存在すると、反射点を用いた視線計測ができない。しかし、この状態でも、瞳孔中心座標の計測は可能である。瞳孔中心-眼球回転中心法により、視線方向を求めることが可能である。眼球回転中心の動きについては、自動補正により、修正を行うことにより対応する。
iii) About automatic method switching.
If it is no longer possible to calculate with the pupil center-reflection position centroid method, the measurement can be interrupted by automatically switching to the pupil center method.
When the reflection point exists on the sclera, it is not possible to measure the line of sight using the reflection point. However, even in this state, the pupil center coordinates can be measured. The line-of-sight direction can be obtained by the pupil center-eyeball rotation center method. The movement of the eyeball rotation center is dealt with by performing correction by automatic correction.

iv)瞳孔中心-眼球回転中心法による視線ベクトル
視線方向を瞳孔中心位置(xp,yp)、眼球回転中心(xo,yo)瞳孔中心回転半径rより求めることができる。カメラに対する視線方向は、以下の[数3]で表すことができる。
iv) Eye Gaze Vector by Pupil Center-Eyeball Rotation Center Method The gaze direction can be obtained from the pupil center position (xp, yp) and the eyeball rotation center (xo, yo) pupil center rotation radius r. The line-of-sight direction with respect to the camera can be expressed by the following [Equation 3].

v)瞳孔中心-眼球回転中心方法の自動補正
頭部が動かないときは、瞳孔回転中心(xo,yo)は、一定値である。しかし、どのように頭部を固定しても、動いてしまう場合がある。従来は、頭部が動いてしまった場合は、再度校正を行っていたが、これを、反射点を用いて自動的に校正を行う方法を提案する。
瞳孔中心位置と反射光重心から眼球回転中心を求めることができる。瞳孔中心位置(xp,yp)、反射光重心位置(rx,ry)、反射光重心位置と角膜を球の一部としたとき球の中心である角膜曲率中心の位置との距離(alpha,beta)、瞳孔中心回転半径(r)、角膜曲率中心回転半径(rr)から眼球回転中心(xo,yo)とすると以下の式で求められる。
xo=(rx-alpha-xp*rr/r)/(1-rr/r)
yo=(ry-beta-yp*rr/r)/(1-rr/r)
反射点は、計測できない場合がある、また、断続的なズレを想定しているので、計測時以前の何秒間(設定により変更可能、20秒程度を規定値に想定)の眼球回転中心(xo,yo)の平均値をその時点の眼球回転中心とする。この値を用いることにより、再校正なしに、瞳孔中心のみで視線方向を計算することができるようになる。また、十分に短い時間ならば、頭部は動いていないと仮定できるので、瞳孔中心-反射点法が使えない場合の、補助として使用することが可能である。
v) Automatic correction of pupil center-eye rotation center method When the head does not move, the pupil rotation center (xo, yo) is a constant value. However, no matter how the head is fixed, it may move. Conventionally, when the head has moved, the calibration is performed again, but a method of automatically calibrating this using a reflection point is proposed.
The eyeball rotation center can be obtained from the pupil center position and the reflected light center of gravity. Pupil center position (xp, yp), reflected light centroid position (rx, ry), distance between reflected light centroid position and corneal curvature center position when the cornea is part of the sphere (alpha, beta ), Pupil center rotation radius (r), and corneal curvature center rotation radius (rr), the rotation center of the eyeball (xo, yo) is obtained by the following equation.
xo = (rx-alpha-xp * rr / r) / (1-rr / r)
yo = (ry-beta-yp * rr / r) / (1-rr / r)
The reflection point may not be measurable, and since it is assumed to be intermittent, the center of eyeball rotation (xo) , yo) is the center of eyeball rotation at that time. By using this value, the line-of-sight direction can be calculated using only the pupil center without recalibration. In addition, if the time is sufficiently short, it can be assumed that the head is not moving, so that it can be used as an auxiliary when the pupil center-reflection point method cannot be used.

vi)瞳孔を検出する際の閾値の複数使用について。
第一段階と第二段階で異なる閾値を用いることにより、その問題を解決する。明るさが変わらない場合は、それぞれ、独立な固定値設定し、自動的に閾値を変化させている場合は、第一段階の閾値(th1)と第二段階の閾値(th2)の比率(a),(th1=a*th2という関係)を設定することにより、連続的な変化にも対応できるようにする。
図18に示すように、輪郭を検出するのに必要な閾値(th2)の場合は、周辺ノイズが多い。
図19に示すように、閾値(th1)を下げることにより、周辺ノイズを低減することができる。
vi) Multiple use of thresholds when detecting pupils.
The problem is solved by using different threshold values in the first stage and the second stage. If the brightness does not change, an independent fixed value is set.If the threshold is automatically changed, the ratio of the first-stage threshold (th1) to the second-stage threshold (th2) (a ), (Th1 = a * th2 relationship) is set so that continuous changes can be handled.
As shown in FIG. 18, in the case of the threshold value (th2) necessary for detecting the contour, there is much ambient noise.
As shown in FIG. 19, ambient noise can be reduced by lowering the threshold value (th1).

vii)瞳孔の縁の検出方法について
1)従来の方法で楕円を求める。
楕円の幾何学的な性質を利用し、瞳孔の縁以外を除去する。楕円には、次のような幾何学的な性質がある。楕円と交わる3本の平行な直線l、m、n を考える。l、n はm から等距離にあるとする。楕円と直線l との交点をa、b 、直線n の交点をc、d とする。楕円と直線m
の交点の中点をo とする。a、b の中点とc、d の中点を結ぶ線の中点をo'とすると、o'はo と重なるという性質がある(図10)。瞳孔の画像について瞳孔画像のほぼ中央に引いた直線m
から等距離にあるN 個の平行線の組のo'i (i=1‐N)に当たる点を求める。求められた点は、直線m の上に分布する。誤って検出された縁が十分少ないときは、最も多くの点o'が集まった位置がo
の位置に相当する。その位置から離れている点は、楕円の軌跡上にない点を含んでいることになるので、それらを除外する。どのくらい離れていたら、除外するかは、プログラムで指定することにより、許容範囲の設定が可能になる。4点が相補的に誤差を含んでしまった場合には、除外されなくなるが、確率的にそのようなことは起こりにくい。o
に十分近いo'i を持つ点a i ,b i ,c i ,d i は、楕円の軌跡上の点なので、これらの点の座標を[数1]に代入し正確な楕円近似を行うことができる。
vii) Pupil edge detection method 1) Obtain an ellipse by a conventional method.
Using the ellipse's geometrical properties, remove all but the edges of the pupil. An ellipse has the following geometric properties. Consider three parallel straight lines l, m, n that intersect an ellipse. Let l and n be equidistant from m. Assume that the intersections of the ellipse and the straight line l are a and b, and the intersections of the straight line n are c and d. Ellipse and straight line m
Let o be the midpoint of the intersection of. If the middle point of the line connecting the midpoints of a and b and the midpoints of c and d is o ', o' has the property that it overlaps o (Fig. 10). A straight line m drawn about the center of the pupil image
Find the point corresponding to o'i (i = 1−N) of a set of N parallel lines equidistant from. The obtained points are distributed on the straight line m. When the number of mistakenly detected edges is small enough, the position where the most points o 'are gathered is
Corresponds to the position of. Points that are away from the position include points that are not on the locus of the ellipse, so they are excluded. It is possible to set an allowable range by specifying in a program how far away they are to be excluded. If four points contain errors in an complementary manner, they will not be excluded, but such a probability is unlikely to occur. o
Since points a i, bi, ci, di having o'i sufficiently close to are points on the locus of the ellipse, the coordinates of these points can be substituted into [Equation 1] for accurate ellipse approximation.

2)上記の場合、例えば、a12のみが、何らかの理由により楕円の軌跡上に無かったとする。すると、b12,c12,d12が楕円の軌跡上に存在するにもかかわらず、楕円の軌跡を計算するのに用いられないことになる。そこで楕円の軌跡を求めた後、再度検出された瞳孔の縁の点について、求めた楕円軌跡との距離を計算し、その距離が一定以下であれば、瞳孔の縁とする。
3)新たな点を加えて、最小自乗法により楕円を算出する。
これにより、高精度に、楕円を求めることが可能になる。
2) In the above case, for example, it is assumed that only a12 is not on the locus of the ellipse for some reason. Then, although b12, c12, and d12 exist on the locus of the ellipse, they are not used for calculating the locus of the ellipse. Therefore, after obtaining an elliptical trajectory, the distance from the obtained elliptical trajectory is calculated for the pupil edge point detected again. If the distance is equal to or less than a certain value, the pupil edge is determined.
3) Add a new point and calculate an ellipse by the method of least squares.
This makes it possible to obtain an ellipse with high accuracy.

viii)目蓋の掛かり具合の計測法について
1)図20に示すように、検出した瞳孔の縁から、楕円を近似し楕円の上下方向の距離(eh)を得る。
2)検出した瞳孔の縁(楕円近似に用いたもの)の、上下方向の最大値と最小値の差(ph)を得る。
3)ph/eh*100を瞳孔検出率(%)とする。
瞳孔検出率を用いることにより、どの程度目蓋がおりた時に計測を中断するか?といった定量的な評価を行うことが可能になる。
viii) Measuring method of eyelid engagement 1) As shown in FIG. 20, from the detected edge of the pupil, an ellipse is approximated to obtain the vertical distance (eh) of the ellipse.
2) The difference (ph) between the maximum value and the minimum value in the vertical direction of the detected pupil edge (used for elliptical approximation) is obtained.
3) Let ph / eh * 100 be the pupil detection rate (%).
How much measurement is interrupted when the eyelid is open by using the pupil detection rate? It is possible to make a quantitative evaluation.

ix)瞳孔の検出の精度について(横方向に入ったノイズの割合)。
1)楕円近似に用いた瞳孔の縁の上下方向の最大値と最小値の差(ph)を得る。
2)楕円近似に用いた瞳孔の縁の数を得る(en)。
3)(en/2)/ph*100を縁検出率(%)とする。
enは、検出の際に左右の縁を検出しているので、二等分する必要がある。
縁検出率を用いることにより、どの程度正確に縁を検出できているかを定量的に評価することができる。比較的ノイズが少ない図21は、縁検出率70%である。また、ノイズが多い場合の図22は、縁検出率40%である。
ix) Pupil detection accuracy (rate of noise entering in the horizontal direction).
1) Obtain the difference (ph) between the maximum and minimum vertical values of the pupil edge used for the ellipse approximation.
2) Obtain the number of pupil edges used for elliptical approximation (en).
3) Let (en / 2) / ph * 100 be the edge detection rate (%).
Since en detects the left and right edges at the time of detection, it needs to be divided into two equal parts.
By using the edge detection rate, it is possible to quantitatively evaluate how accurately the edge is detected. FIG. 21 with relatively little noise has an edge detection rate of 70%. Further, FIG. 22 in the case where there is a lot of noise is an edge detection rate of 40%.

カメラと目の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of a camera and eyes. 撮影された眼球を示す図である。It is a figure which shows the image | photographed eyeball. 図1を簡略化した図である。It is the figure which simplified FIG. 反射点出現位置を示す図である。It is a figure which shows a reflective point appearance position. 眼球が回転した時の角膜反射光重心と角膜曲率中心の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the cornea reflected light gravity center when an eyeball rotates, and the cornea curvature center. 眼球が回転しても角膜反射光重心と角膜曲率中心の位置関係が変化しないことを説明するための図である。It is a figure for demonstrating that the positional relationship of a cornea reflected light gravity center and a cornea curvature center does not change even if an eyeball rotates. 瞳孔中心、角膜曲率中心、眼球回転中心が瞳孔の短軸の延長線上に存在することを説明するための図である。It is a figure for demonstrating that a pupil center, a corneal curvature center, and an eyeball rotation center exist on the extension line of the short axis of a pupil. 図7を簡略化した図であり、角膜反射光重心、瞳孔中心、角膜曲率中心、眼球回転中心の位置関係を表す図である。FIG. 8 is a simplified diagram of FIG. 7, showing the positional relationship between the corneal reflection light center of gravity, the pupil center, the corneal curvature center, and the eyeball rotation center. 角膜上ではなく、強膜上で反射した場合の反射光の検出を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the detection of the reflected light at the time of reflecting on the sclera instead of on a cornea. 瞳孔の縁の検出方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the detection method of the edge of a pupil. 反射光重心位置計測を説明するための図であり、眼球をカメラ方向から見た図である。It is a figure for demonstrating reflected light gravity center position measurement, and is the figure which looked at the eyeball from the camera direction. 図11に示す眼球を、横方向から見た図である。It is the figure which looked at the eyeball shown in FIG. 11 from the horizontal direction. 反射点重心の計測を説明するための画像である。It is an image for demonstrating the measurement of a reflection point gravity center. 反射点重心を求める方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method of calculating | requiring a reflective point gravity center. 重心が予測値に最も近いものを選ぶ方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method of selecting the thing with a gravity center nearest to a predicted value. 反射点の大きさを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the magnitude | size of a reflective point. 強膜に存在する反射光を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the reflected light which exists in a sclera. 輪郭を検出する際の周辺ノイズを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the surrounding noise at the time of detecting an outline. 閾値(th1)を下げることにより、周辺ノイズを低減する方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method of reducing ambient noise by lowering | hanging a threshold value (th1). 目蓋の掛かり具合の計測法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measuring method of the degree of engagement of an eyelid. 比較的ノイズが少ない場合の縁検出率を例示する図である。It is a figure which illustrates the edge detection rate in case there is comparatively little noise. ノイズが多い場合の縁検出率を例示する図である。It is a figure which illustrates the edge detection rate when there is much noise.

Claims (3)

頭部が固定された被験者において、反射位置が角膜上に位置するように配置された光源により照明された瞳孔を撮影可能のカメラによって、複数の画像を取り込む手段と、それぞれの画像について、反射光形状及び瞳孔形状を計測して、反射光重心位置、及び瞳孔を楕円近似することにより短軸の傾き、短軸長軸比、及び瞳孔中心を計算する手段とを備え、反射光重心位置と角膜を球の一部としたとき球の中心である角膜曲率中心のx方向の距離及びy方向の距離及び眼球が回転する際の不動点である眼球回転中心と角膜曲率中心の距離を計測するシステム。 In a subject whose head is fixed, means for capturing a plurality of images with a camera capable of photographing a pupil illuminated by a light source arranged so that the reflection position is located on the cornea, and reflected light for each image Measuring the shape and pupil shape, and means for calculating the reflected light barycentric position and the ellipse approximation of the pupil to calculate the inclination of the minor axis, the minor axis major axis ratio, and the pupil center, and the reflected light barycentric position and the cornea System for measuring the distance in the x direction and the distance in the y direction of the corneal curvature center that is the center of the sphere, and the distance between the center of rotation of the eyeball that is a fixed point when the eyeball rotates and the center of corneal curvature . 頭部が固定された被験者において、反射位置が角膜上に位置するように配置された光源により照明された瞳孔を撮影可能のカメラによって、複数の画像を取り込む手段と、
取り込まれたそれぞれの画像について、反射光形状及び瞳孔形状を計測して、反射光重心位置、及び瞳孔を楕円近似することにより短軸の傾き、短軸長軸比、及び瞳孔中心を計算する手段とを備え、
あらかじめ計測しておいた反射光重心位置と角膜曲率中心のx方向の距離及びy方向の距離、角膜曲率中心と眼球回転中心の距離、瞳孔中心と眼球回転中心の距離を利用して、反射光重心位置と瞳孔中心位置からカメラに対する視線ベクトルを求めることから成る視線検出システム。
In a subject whose head is fixed, means for capturing a plurality of images by a camera capable of photographing a pupil illuminated by a light source arranged so that the reflection position is located on the cornea;
Means for measuring the reflected light shape and pupil shape of each captured image, and calculating the inclination of the minor axis, the minor axis major axis ratio, and the pupil center by approximating the reflected light center of gravity and the pupil to an ellipse And
Reflected light is measured using the x-direction distance and y-direction distance between the reflected light center of gravity and the corneal curvature center, the distance between the corneal curvature center and the eyeball rotation center, and the distance between the pupil center and the eyeball rotation center. A line-of-sight detection system consisting of obtaining a line-of-sight vector for the camera from the position of the center of gravity and the center of the pupil.
頭部が固定されていない被験者において、反射位置が角膜上に位置するように配置された光源により照明された瞳孔を撮影可能のカメラによって、複数の画像を取り込む手段と、
取り込まれたそれぞれの画像について、反射光形状及び瞳孔形状を計測して、反射光重心位置、及び瞳孔を楕円近似することにより短軸の傾き、短軸長軸比、及び瞳孔中心を計算する手段とを備え、
あらかじめ計測しておいた反射光重心位置と角膜曲率中心のx方向の距離及びy方向の距離、角膜曲率中心と瞳孔中心の距離を利用して、反射光重心位置と瞳孔中心位置からカメラに対する視線ベクトルを求めることから成る視線検出システム。
In a subject whose head is not fixed, means for capturing a plurality of images by a camera capable of photographing a pupil illuminated by a light source arranged so that the reflection position is located on the cornea;
Means for measuring the reflected light shape and pupil shape of each captured image, and calculating the inclination of the minor axis, the minor axis major axis ratio, and the pupil center by approximating the reflected light center of gravity and the pupil to an ellipse And
Using the distance between the center of gravity of the reflected light and the center of the corneal curvature in the x direction and the distance in the y direction, the distance between the center of the corneal curvature and the center of the pupil, the line of sight from the center of the reflected light and the center of the pupil to the camera A gaze detection system consisting of finding vectors.
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