JP4528980B2 - Pupil detection device and pupil detection method - Google Patents

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本発明は、視線検出等の分野に利用できる瞳孔検出装置及び瞳孔検出方法、さらに詳しく言えば、周囲光が強く瞳孔の検出に適さない環境下においても確実に瞳孔の検出を可能にする瞳孔検出装置及び瞳孔検出方法に関する。   The present invention relates to a pupil detection device and a pupil detection method that can be used in the field of eye gaze detection, and more specifically, pupil detection that enables reliable detection of the pupil even in an environment where the ambient light is strong and is not suitable for pupil detection. The present invention relates to an apparatus and a pupil detection method.

顔の特徴点を捉えて、被験者の意図を推定したり、どこを見ているか、どこから見ているかなどの情報の獲得のために、瞳孔の検出が有効な手段として着目され、それ自体またはその応用に関連して種々の研究や発明がなされている(特許文献1〜4,非特許文献1)。瞳孔は、それ自体が小さいことと、基本的にどの方向から見ても円もしくは楕円に見えるだけでなく、黒目と違ってまぶたに隠れにくいため、検出対象として優れている。それを利用して、瞳孔の移動量をパソコン画面上のカーソル移動に対応させる提案があり、頭部の動きにより、カーソルを動かすこともできる。   The detection of pupils has attracted attention as an effective means for capturing information such as estimating the subject's intention by capturing facial feature points and obtaining information such as where they are looking from and where they are looking from. Various studies and inventions have been made in relation to applications (Patent Documents 1 to 4, Non-Patent Document 1). The pupil is excellent as a detection target because it is small in size and not only looks like a circle or an ellipse when viewed from any direction, but is unlikely to be hidden by the eyelid unlike black eyes. Using this, there is a proposal to make the movement of the pupil correspond to the cursor movement on the personal computer screen, and the cursor can be moved by the movement of the head.

また最近、瞳孔検出技術を利用して、乗用車,トラックの運転の視線を検出したり、眠気を検知したり、余所見運転を検出したいという要望もある。その際に、直射日光が顔面に当たるような劣悪な状況下においても瞳孔が安定に検出できることが望まれている。
特願2004−73998 特開2004−261598 特表2002−513176 特開平11−56782 「多光源による瞳孔検出と追跡(Pupil detection andtracking using multiple light sources )」,著者 C.H.モリモト他(C.H. Morimoto, D. Koons,A. Amir, M. Flickner),イメージおよびビジョンのコンピューティング18(2000)331−335(Image and VisionComputing 18 (2000) 331-335)
Recently, there has been a demand for detecting the line of sight of driving of passenger cars and trucks, detecting drowsiness, and detecting unnecessary driving using pupil detection technology. At this time, it is desired that the pupil can be stably detected even under a poor situation where direct sunlight hits the face.
Japanese Patent Application No. 2004-73998 JP2004-261598 Special table 2002-513176 JP 11-56782 A "Pupil detection and tracking using multiple light sources", author H. Morimoto et al. (CH Morimoto, D. Koons, A. Amir, M. Flickner), Image and Vision Computing 18 (2000) 331-335 (Image and Vision Computing 18 (2000) 331-335)

明瞳孔検出において予想される問題を検討する。瞳孔の検出における光源と瞳孔の関係の一つとして赤眼現象(明瞳孔現象)が知られており、この現象は瞳孔検出に利用されている(特許文献1)。
図1は明瞳孔が観察されないカメラC,光源L,眼球EBの位置関係の一例を示す光路図である。光源Lから瞳孔に入射する光束を図中1と2で示したラインで示してある。光源LはカメラCの開口部(レンズの有効径)から外れた位置にある。
被験者の目は屈折力を持っており、今、目の焦点が光源Lの位置に一致しているとすると、瞳孔に入射した光束の通る領域の端は1' と2' のラインのように示すことができ、光源の像が網膜上に焦点を結び、網膜上に点のスポットを作る。網膜上では、乱反射をし、いろいろな方向に反射するが、その一部は、瞳孔を通り1'−1と2’−2の経路内を戻る(斜線部)。このとき、網膜上のスポットから発生した光は、光源の位置に焦点を結び、光源Lに大きさが無いと仮定すれば、光源位置を通り過ぎて再び広がる。この目から戻ってきた光はカメラの開口部には入射しないため、カメラからは瞳孔は暗く写る。
Consider possible problems in bright pupil detection. A red eye phenomenon (bright pupil phenomenon) is known as one of the relation between the light source and the pupil in the detection of the pupil, and this phenomenon is used for pupil detection (Patent Document 1).
FIG. 1 is an optical path diagram showing an example of a positional relationship among the camera C, the light source L, and the eyeball EB where the bright pupil is not observed. The light beam incident on the pupil from the light source L is indicated by lines indicated by 1 and 2 in the figure. The light source L is located away from the opening (the effective diameter of the lens) of the camera C.
If the subject's eyes have refractive power, and now the focus of the eye coincides with the position of the light source L, the ends of the region through which the light beam incident on the pupil passes are as 1 'and 2' lines. The light source image focuses on the retina and creates a spot of dots on the retina. On the retina, the light is irregularly reflected and reflected in various directions, but a part thereof passes through the pupil and returns in the path of 1′-1 and 2′-2 (shaded portion). At this time, the light generated from the spot on the retina is focused on the position of the light source, and if it is assumed that the light source L has no size, it passes through the light source position and spreads again. Since the light returned from this eye does not enter the opening of the camera, the pupil appears dark from the camera.

図2には、目の焦点が光源よりも先に合っている場合(遠視状態)を示している。
この場合、瞳孔に入射した光は、網膜よりも後ろに焦点を結ぶため、網膜上ではピントのずれた大きなスポットとして映る。スポットからの光は網膜を出て目の焦点位置で焦点を結び、1→1’の経路と2→2’の経路の範囲(斜線部)を通る。この経路は、網膜上のスポットが点光源の集まりであると考え、目の焦点位置を考慮すると理解できる。この場合も、瞳孔から戻った光はカメラには入射しない。
FIG. 2 shows a case where the eyes are focused before the light source (far-sighted state).
In this case, since the light incident on the pupil is focused behind the retina, it appears as a large spot out of focus on the retina. The light from the spot exits the retina and is focused at the focal position of the eye, and passes through the range of 1 → 1 ′ path and 2 → 2 ′ path (shaded area). This path can be understood by considering the spot on the retina as a collection of point light sources and considering the focal position of the eye. Also in this case, the light returned from the pupil does not enter the camera.

逆に、図3が示すように、光源の手前に目の焦点が位置した場合(近視状態)、網膜を通り抜けた光源からの光は、網膜の手前で焦点を結び、網膜上では大きさを持つスポットを作る。スポットからの乱反射光のうち瞳孔を通り抜けた光は、図中斜線部の範囲を通る。この場合も、網膜からの反射光はカメラの開口部に入射しないため、カメラからは瞳孔は暗い部分として映る。   Conversely, as shown in FIG. 3, when the focus of the eye is located in front of the light source (myopia), the light from the light source that has passed through the retina is focused on the front of the retina and the size on the retina is reduced. Make a spot to have. Of the irregularly reflected light from the spot, the light passing through the pupil passes through the shaded area in the figure. Also in this case, since the reflected light from the retina does not enter the opening of the camera, the pupil appears as a dark part from the camera.

今、図4のように光源をカメラの開口部の近くに配置すると、網膜からの反射光の一部はカメラの開口部に入射するため、瞳孔は明るく写る。しかし、この図から明らかなように、網膜から反射光に半分以上はカメラの開口部に入射しないため、瞳孔を光らせて瞳孔を検出しようとする場合は、非効率的である。   If the light source is arranged near the opening of the camera as shown in FIG. 4, a part of the reflected light from the retina enters the opening of the camera, so that the pupil appears bright. However, as is clear from this figure, since more than half of the reflected light from the retina does not enter the opening of the camera, it is inefficient to detect the pupil by illuminating the pupil.

これまでは、瞳孔が大きいとき(一般に最大直径8mm)であり、瞳孔が小さいとき(一般に最小直径は2mm)は、図5のような光の経路となる。瞳孔が小さいと、そもそも瞳孔を通り抜ける光量も小さくなり(瞳孔面積と瞳孔輝度は比例する。)、瞳孔輝度は低くなるため、瞳孔が極端に検出しづらくなる。また、単に瞳孔が小さくなるために、画像処理による眼鏡反射の残骸と区別しにくく、誤検出につながる。さらに、実際には光源にも大きさがあり、光源から開口部にはどうしてもある程度の距離が必要となる。そのため、カメラ開口部に戻る光の量は極端に少なくなる。
言い換えると、瞳孔が大きいときは、光源がカメラ開口部から比較的離れていても瞳孔は光りやすいが、瞳孔が小さいときは、カメラの開口部に極力近い、究極的には開口部内に存在しないと明るくなりにくい。図6に示すように、光源をカメラの光軸に一致させると明瞳孔が得られることになるが、撮像の障害となる。
Up to now, when the pupil is large (generally, the maximum diameter is 8 mm), and when the pupil is small (generally, the minimum diameter is 2 mm), the light path is as shown in FIG. If the pupil is small, the amount of light that passes through the pupil is also small in the first place (the pupil area and the pupil luminance are proportional), and the pupil luminance is low, so that the pupil is extremely difficult to detect. In addition, since the pupil is simply small, it is difficult to distinguish from the remnants of spectacle reflection by image processing, leading to false detection. Furthermore, in reality, the light source has a size, and a certain amount of distance is absolutely necessary from the light source to the opening. Therefore, the amount of light returning to the camera opening is extremely reduced.
In other words, when the pupil is large, the pupil is likely to shine even if the light source is relatively far from the camera opening, but when the pupil is small, it is as close as possible to the camera opening, and ultimately not present in the opening. It is hard to be bright. As shown in FIG. 6, when the light source is aligned with the optical axis of the camera, a bright pupil is obtained, but this is an obstacle to imaging.

前出の特許文献4では、明瞳孔(ブライトアイ)画像を得るために、カメラ開口部の中央に光源を設置する方法が提案されているが、この場合も、光源自体に大きさがあり、光源の中央だけが明るいような場合は、やはり光源と開口部には実質上、距離があることになり、瞳孔は明るくなりにくい。また、カメラ開口部内に光源を設置する方法の最も大きな問題は、カメラの拡大率を小さくした場合、たとえば、80cm先の顔の全体が十分に映る程度の拡大率にカメラレンズを選ぶと、光源自体が黒抜きとして映ってしまい瞳孔検出の妨害となる。   In the aforementioned Patent Document 4, a method of installing a light source in the center of the camera opening in order to obtain a bright pupil (bright eye) image has been proposed, but in this case also, the light source itself has a size, When only the center of the light source is bright, the light source and the aperture are substantially at a distance, and the pupil is difficult to be bright. Also, the biggest problem with the method of installing the light source in the camera opening is that if the camera magnification is reduced, for example, if the camera lens is selected to an enlargement factor that allows the entire face 80 cm ahead to be fully reflected, The image appears as black and interferes with pupil detection.

本発明の目的は、被験者の周囲光が強く瞳孔の検出に適さない環境下においても、確実に瞳孔の検出を可能にする瞳孔検出装置及び瞳孔検出方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a pupil detection device and a pupil detection method that can reliably detect the pupil even in an environment where the ambient light of the subject is strong and is not suitable for detection of the pupil.

前記目的を達成するために、本発明による請求項1記載の瞳孔検出装置は、カメラ,光源,光路形成手段,および演算手段を含み、前記光路形成手段が、被験者の顔面に前記光源からの光を照射し、且つ、前記被験者の瞳孔を含む顔面の像を前記カメラに結像可能に構成され、前記カメラに結像されることにより得られた画像を演算して瞳孔を検出する瞳孔検出装置であって、前記光源は、前記光を前記カメラの開口部内から照射可能に設けられ、被験者の瞳孔内反射が明瞳孔となる第1の波長成分を含む第1の照明光源と、被験者の瞳孔内反射が暗瞳孔となる第2の波長成分を含み、瞳孔以外については前記第1の照明光源と同等の照明効果を呈する第2の照明光源を含み、独立した第1の照明光源と第2の照明光源の光軸を、前記光路形成手段により共通の光軸を保つように合成し、さらに前記共通の光軸がカメラ手段の光軸に一致するように光路変更して構成され、前記カメラは、前記第1の照明光源による第1の画像データを得る第1の画像データ獲得手段と、前記第2の照明光源による第2の画像データを得る第2の画像データ獲得手段とを含み、前記演算手段は、前記第1の画像データと前記第2の画像データを演算処理して瞳孔を検出する手段である。
また、本発明による請求項2記載の瞳孔検出装置は、カメラ,光源,光路形成手段,および演算手段を含み、前記光路形成手段が、被験者の顔面に前記光源からの光を照射し、且つ、前記被験者の瞳孔を含む顔面の像を前記カメラに結像可能に構成され、前記カメラに結像されることにより得られた画像を演算して瞳孔を検出する瞳孔検出装置であって、前記光源は、前記光を前記カメラの開口部内から照射可能に設けられ、被験者の瞳孔内反射が明瞳孔となる第1の波長成分を含む第1の照明光源と、被験者の瞳孔内反射が暗瞳孔となる第2の波長成分を含み、瞳孔以外については前記第1の照明光源と同等の照明効果を呈する第2の照明光源を含み、独立した第1の発光源と第2の発光源をそれぞれの光軸を近接平行に配置しレンズ手段により集光し、さらに前記光路形成手段により近接平行光軸がカメラ手段の光軸に一致するように光路変更して構成され、前記カメラは、前記第1の照明光源による第1の画像データを得る第1の画像データ獲得手段と、前記第2の照明光源による第2の画像データを得る第2の画像データ獲得手段とを含み、前記演算手段は、前記第1の画像データと前記第2の画像データを演算処理して瞳孔を検出する手段である。
In order to achieve the above object, a pupil detection device according to claim 1 of the present invention includes a camera, a light source, an optical path forming means, and a calculating means, and the optical path forming means is a light from the light source on the face of a subject. And a pupil detection device for detecting a pupil by calculating an image obtained by forming an image of the face including the pupil of the subject on the camera and forming an image on the camera The light source is provided so as to be able to irradiate the light from within the opening of the camera, and includes a first illumination light source including a first wavelength component in which the reflection in the pupil of the subject becomes a bright pupil, and the pupil of the subject The internal reflection includes a second wavelength component that becomes a dark pupil, and includes a second illumination light source that exhibits an illumination effect equivalent to that of the first illumination light source except for the pupil, and includes an independent first illumination light source and a second illumination light source. The optical path of the illumination light source Synthesized so as to keep the common optical axis by means consists further said common optical axis to change the optical path to match the optical axis of the camera unit, the camera, first by the first illumination light source 1 First image data acquisition means for obtaining the image data, and second image data acquisition means for obtaining the second image data by the second illumination light source, wherein the calculation means comprises the first image data And a means for calculating the second image data and detecting the pupil.
Moreover, the pupil detection device according to claim 2 according to the present invention includes a camera, a light source, an optical path forming unit, and an arithmetic unit, and the optical path forming unit irradiates light from the light source to the face of the subject, and A pupil detection device configured to form an image of a face including a pupil of the subject on the camera, and to detect a pupil by calculating an image obtained by being imaged on the camera, the light source Is provided so that the light can be emitted from within the opening of the camera, the first illumination light source including a first wavelength component in which the reflection in the pupil of the subject becomes a bright pupil, and the reflection in the pupil of the subject is a dark pupil And a second illumination light source that exhibits an illumination effect equivalent to that of the first illumination light source except for the pupil, and includes an independent first light emission source and a second light emission source, respectively. Lens means with optical axis arranged close to parallel Further, the optical path is changed so that the parallel optical axis close to the optical axis of the camera means coincides with the optical path forming means, and the camera receives the first image data from the first illumination light source. First image data obtaining means for obtaining, and second image data obtaining means for obtaining second image data obtained by the second illumination light source, wherein the computing means comprises the first image data and the second image data. This is means for calculating the image data and detecting the pupil.

本発明による請求項7記載の瞳孔検出方法は、被験者の顔面に光源から光を照射することによって、前記被験者の瞳孔を含む顔面の像をカメラに結像させた後、前記カメラに結像させることにより得られた画像を、演算手段により演算して瞳孔を検出する瞳孔検出方法であって、前記光源により、被験者の瞳孔内反射が明瞳孔となる第1の波長成分と、被験者の瞳孔内反射が暗瞳孔となり、瞳孔以外については前記第1の波長成分と同等の照明効果を呈する第2の波長成分とを、前記カメラの開口部内から照射し、独立した第1の波長成分の光と第2の波長成分の光の光軸を、共通の光軸を保つように合成し、さらに前記共通の光軸がカメラ手段の光軸に一致するように光路変更するステップと、前記カメラにより、前記第1の波長成分による第1の画像データを得るステップと、前記カメラにより、前記第2の波長成分による第2の画像データを得るステップと、前記演算手段により、前記第1の画像データと前記第2の画像データを演算処理して瞳孔を検出するステップとを備える。
本発明による請求項8記載の瞳孔検出方法は、被験者の顔面に光源から光を照射することによって、前記被験者の瞳孔を含む顔面の像をカメラに結像させた後、前記カメラに結像させることにより得られた画像を、演算手段により演算して瞳孔を検出する瞳孔検出方法であって、前記光源により、被験者の瞳孔内反射が明瞳孔となる第1の波長成分と、被験者の瞳孔内反射が暗瞳孔となり、瞳孔以外については前記第1の波長成分と同等の照明効果を呈する第2の波長成分とを、前記カメラの開口部内から照射し、独立した第1の波長成分の光と第2の波長成分の光をそれぞれの光軸を近接平行に配置して集光し、さらに近接平行光軸がカメラ手段の光軸に一致するように光路変更するステップと、前記カメラにより、前記第1の波長成分による第1の画像データを得るステップと、前記カメラにより、前記第2の波長成分による第2の画像データを得るステップと、前記演算手段により、前記第1の画像データと前記第2の画像データを演算処理して瞳孔を検出するステップとを備える。
According to a seventh aspect of the present invention, in the pupil detection method according to the present invention, the image of the face including the pupil of the subject is formed on the camera by irradiating the subject's face with light from the light source, and then formed on the camera. A pupil detection method for detecting a pupil by calculating an image obtained by the calculation means, wherein the light source causes a reflection in the pupil of the subject to be a bright pupil, and in the subject's pupil The reflection is a dark pupil, and the second wavelength component exhibiting an illumination effect equivalent to that of the first wavelength component is irradiated from the inside of the opening of the camera except for the pupil, and the light of the independent first wavelength component Combining the optical axes of the light of the second wavelength components so as to maintain a common optical axis, and further changing the optical path so that the common optical axis matches the optical axis of the camera means; According to the first wavelength component Obtaining the first image data; obtaining the second image data based on the second wavelength component by the camera; and calculating the first image data and the second image data by the computing means. And a step of calculating and detecting a pupil.
In the pupil detection method according to claim 8 of the present invention, an image of the face including the pupil of the subject is formed on the camera by irradiating the subject's face with light from a light source, and then formed on the camera. A pupil detection method for detecting a pupil by calculating an image obtained by the calculation means, wherein a first wavelength component in which the reflection in the pupil of the subject becomes a bright pupil by the light source, and in the pupil of the subject The reflection is a dark pupil, and the second wavelength component exhibiting an illumination effect equivalent to that of the first wavelength component is irradiated from the inside of the opening of the camera except for the pupil, and the light of the independent first wavelength component Condensing the light of the second wavelength component by arranging the respective optical axes in close proximity and parallel, and further changing the optical path so that the close parallel optical axis coincides with the optical axis of the camera means ; In the first wavelength component Obtaining the first image data, obtaining the second image data based on the second wavelength component by the camera, and calculating the first image data and the second image data by the computing means. And a step of calculating a pupil to detect a pupil.

本発明による請求項記載の瞳孔検出装置は、請求項1又は2記載の瞳孔検出装置において、前記演算手段は前記第1の画像データと前記第2の画像データの差分演算により瞳孔を検出するように構成されている。 The pupil detection device according to claim 3 of the present invention is the pupil detection device according to claim 1 or 2 , wherein the calculation means detects a pupil by calculating a difference between the first image data and the second image data. It is configured as follows.

本発明による請求項記載の瞳孔検出装置は、請求項1又は2記載の瞳孔検出装置において、前記カメラ手段は、前記第1の画像データ獲得手段と前記第2の画像データ獲得手段が単一のカメラの同一のイメージセンサの画素群を分割して構成されている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a pupil detection device according to the first or second aspect , wherein the camera means is a single unit of the first image data acquisition means and the second image data acquisition means. The pixel group of the same image sensor of this camera is divided and configured.

本発明による請求項記載の瞳孔検出装置は、請求項1又は2記載の瞳孔検出装置において、前記カメラ手段は、前記第1の画像データ獲得手段と前記第2の画像データ獲得手段が別々のカメラにより構成されている。 The pupil detection device according to claim 5 of the present invention is the pupil detection device according to claim 1 or 2 , wherein the camera means is configured such that the first image data acquisition means and the second image data acquisition means are different. It consists of a camera.

本発明による請求項記載の瞳孔検出装置は、請求項1〜記載の瞳孔検出装置において、被験者から一定距離離れ、相互に一定距離離れて配置され、それぞれが瞳孔を検出し、瞳孔の3次元位置を計測するための一組の瞳孔検出装置である。 A pupil detection device according to a sixth aspect of the present invention is the pupil detection device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the pupil detection device is arranged at a certain distance from the subject and at a certain distance from each other. It is a set of pupil detection devices for measuring a dimensional position.

本発明による請求項1,2記載の瞳孔検出装置及び請求項7,8記載の瞳孔検出方法によれば、確実な瞳孔の検出が可能になる。 According to the pupil detection device according to claims 1 and 2 and the pupil detection method according to claims 7 and 8 according to the present invention, it is possible to reliably detect the pupil.

本発明による請求項記載の瞳孔検出装置によれば、前記光源は、独立した第1の照明光源と第2の照明光源の光軸を、前記光路形成手段により共通の光軸を保つように合成し、さらに前記共通の光軸がカメラ手段の光軸に一致するように光路変更されるから、良好な照明効果が得られる。 According to the pupil detection device of the first aspect of the present invention, the light source keeps the optical axes of the independent first illumination light source and the second illumination light source by the optical path forming means. Furthermore, since the optical path is changed so that the common optical axis coincides with the optical axis of the camera means, a good illumination effect can be obtained.

本発明による請求項記載の瞳孔検出装置によれば、より小形の照明光源で良好な照明効果が得られる。 According to the pupil detection device of the second aspect of the present invention, a good illumination effect can be obtained with a smaller illumination light source.

本発明による請求項記載の瞳孔検出装置によれば、前記演算手段は前記第1の画像データと前記第2の画像データの差分演算により瞳孔像のみを良好に取り出すことができる。 According to the pupil detection device of the third aspect of the present invention, the calculation means can satisfactorily extract only the pupil image by calculating the difference between the first image data and the second image data.

本発明による請求項記載の瞳孔検出装置によれば、前記カメラ手段は、前記第1の画像データ獲得手段と前記第2の画像データ獲得手段が単一のカメラの同一のイメージセンサの画素群を分割して構成されており、装置の小形化が図られる。 According to the pupil detection device of a fourth aspect of the present invention, the camera means includes a pixel group of the same image sensor in which the first image data acquisition means and the second image data acquisition means are a single camera. The apparatus is divided to reduce the size of the apparatus.

本発明による請求項記載の瞳孔検出装置によれば、前記カメラ手段は、前記第1の画像データ獲得手段と前記第2の画像データ獲得手段が別々のカメラにより構成されており確実な瞳孔検出が可能となる。 According to the pupil detection device according to claim 5 of the present invention, the camera means includes the first image data acquisition means and the second image data acquisition means configured by separate cameras, and reliable pupil detection. Is possible.

本発明による請求項記載の瞳孔検出装置によれば、距離計方式により、瞳孔の3次元位置を計測するための一組の瞳孔検出装置が提供される。 According to the pupil detection device of the sixth aspect of the present invention, a set of pupil detection devices for measuring the three-dimensional position of the pupil by a distance meter method is provided.

以下図面等を参照して、先ず、本発明の原理を従来の技術と対比しながら説明する。
図7,8は、本発明における明瞳孔検出の原理を説明するための説明図である。
図7に示すようにハーフミラーMを介して光源の光を目に照射し、網膜の反射光を光源自体に妨害されないようにして、カメラの開口部に入射させる。この例は近視状態の場合を示している。図8の例では、無限遠に目の焦点がある場合を示している。これらの例のように、瞳孔面積が小さいときでも、また、目の焦点がどこに合っていても、網膜反射光はカメラの開口部に入射するようになる。
小さな瞳孔において明瞳孔画像を得るためには、光源をカメラ開口部内に設置するのが望ましいが、暗瞳孔画像を得るためにはカメラ開口部からできるだけ離れたところに設置するほうが効果的である。しかし、一方で、明瞳孔画像を得るための光源と暗瞳孔画像を得るための光源が離れていると、前述のように眼鏡反射光や眼鏡フレーム反射光が両画像間で異なる位置に映るために、画像差分によって除去しにくい。また、顔表面においても両者間で輝度差が生じやすい。さらに、顔と背景の境界では、片方の照明においては明るく、もう片方では影になり暗いなどの違いが生じるため、やはり検出がし難くなる。
First, the principle of the present invention will be described with reference to the drawings and the like in comparison with the prior art.
7 and 8 are explanatory views for explaining the principle of bright pupil detection in the present invention.
As shown in FIG. 7, the light of the light source is irradiated to the eyes through the half mirror M, and the reflected light of the retina is made incident on the opening of the camera without being disturbed by the light source itself. This example shows the case of myopia. The example of FIG. 8 shows a case where the eye is focused at infinity. As in these examples, even when the pupil area is small or where the eye is in focus, the retina reflected light enters the opening of the camera.
In order to obtain a bright pupil image in a small pupil, it is desirable to install a light source in the camera opening, but in order to obtain a dark pupil image, it is more effective to install it as far as possible from the camera opening. However, on the other hand, if the light source for obtaining the bright pupil image and the light source for obtaining the dark pupil image are separated, the spectacle reflected light and the spectacle frame reflected light appear in different positions between the two images as described above. In addition, it is difficult to remove by image difference. In addition, a luminance difference is easily generated between the two on the face surface. Furthermore, at the boundary between the face and the background, there is a difference such that the illumination on one side is bright and the other side is a shadow and darkness, so that it is difficult to detect.

したがって、本発明では、光源の位置が同じでも瞳孔の部分だけに輝度差を生じさせるために、異なる波長成分の2種類の光源を用いる。
第1の照明光源は、被験者の瞳孔内反射が明瞳孔となる第1の波長成分を含むものであり、第2の照明光源は、被験者の瞳孔内反射が暗瞳孔となる第2の波長成分を含み、瞳孔以外については前記第1の照明光源と同等の照明効果を呈するものである。
なお、前述した特許文献3記載の発明(特表2002−513176)で述べられているように、850nmと950nmの波長では、網膜反射の反射率が異なるため、基本的に850nmを中心波長としたLEDと950nmを中心波長としたLEDを少なくとも2種類用いる(これらの中心波長は、これらに限定するものではない。950nmの代わりに930nmや970nmなどでもよいし、850nmに代わりに830nmや880nmなどでも良い。およそ900nmを境に網膜の反射率が大きく変化することを利用する。ただし、850nm未満の中心波長のLEDでは、発光源そのものが光って見えるため、用途によっては望ましくない)。
Therefore, in the present invention, two types of light sources having different wavelength components are used in order to cause a luminance difference only in the pupil portion even if the positions of the light sources are the same.
The first illumination light source includes a first wavelength component whose reflection in the pupil of the subject becomes a bright pupil, and the second illumination light source is a second wavelength component whose reflection in the pupil of the subject becomes a dark pupil. Except for the pupil, the same illumination effect as that of the first illumination light source is exhibited.
Note that, as described in the above-described invention described in Patent Document 3 (Japanese Patent Publication No. 2002-513176), the reflectance of retinal reflection differs between the wavelengths of 850 nm and 950 nm. Therefore, the center wavelength is basically 850 nm. Use at least two types of LEDs and LEDs having a central wavelength of 950 nm (the central wavelengths are not limited to these. 930 nm may be replaced by 970 nm, or 850 nm may be replaced by 830 nm or 880 nm) Use the fact that the reflectivity of the retina changes greatly at about 900 nm as a boundary (however, in an LED with a center wavelength of less than 850 nm, the light source itself appears to shine, which is undesirable depending on the application).

したがって、上記の明瞳孔と上記の暗瞳孔は、周囲の明るさにより必ずしも瞳孔以外の部分より明るいもしくは暗いという意味ではなく、相対的に明瞳孔が暗瞳孔に比べて明るいということを意味している。   Therefore, the bright pupil and the dark pupil are not necessarily brighter or darker than the portion other than the pupil depending on the brightness of the surroundings, but the bright pupil is relatively brighter than the dark pupil. Yes.

上述の2種類のLED発光源を、等価的に同じ位置になるように、しかもできるだけ開口部内に光源が収まるように設置する。そのようにすることにより、カメラ画像内に映る眼鏡反射は、どちらの波長の発光源が点灯しても同様に見える。さらに、900nmより短い波長の発光源(短波長光源)のほうが900nmより長い波長の発光源(長波長光源)よりも瞳孔が明るく映る。もちろん、カメラの感度も波長によって感度が異なるため、予め、それぞれの発光源に流す電流量を調整して、瞳孔以外の部分の輝度のバランスを取っておくのが理想である。このようにすることによって、差分画像においては、瞳孔のみが浮き上がり、検出しやすくなる。眼鏡レンズ前面、裏面、もしくは、フレームでの反射光についても同様で、光源の位置が同じと見なせるために、打ち消しあって消去される。   The two types of LED light sources described above are installed so that they are equivalently located at the same position and so that the light source is contained in the opening as much as possible. By doing so, the spectacle reflection reflected in the camera image looks the same regardless of which wavelength of the light source is turned on. Furthermore, the pupil of the light source with a wavelength shorter than 900 nm (short wavelength light source) appears brighter than the light source with a wavelength longer than 900 nm (long wavelength light source). Of course, since the sensitivity of the camera also varies depending on the wavelength, it is ideal to balance the luminance of the portion other than the pupil by adjusting the amount of current flowing to each light source in advance. By doing in this way, in the difference image, only the pupil is lifted and it is easy to detect. The same applies to the light reflected from the front surface, the back surface, or the frame of the spectacle lens.

ここで、前述の特許文献3記載の方法との相違点を簡単に説明しておく。前記方法ではカメラの開口部外に光源を並べているため、小さい瞳孔の検出が困難である。本発明では、基本的にカメラの開口部内に光源を並べている(カメラ開口部からはみ出てはいけないという意味ではない)。したがって、小さい瞳孔でも明瞳孔にすることが可能であり、瞳孔が検出できる。また前記方法では、波長の異なる光源は、物理的位置が別々に並べてあるので、差分をしただけでは光源の眼鏡反射が取り除きにくい。本発明では、後述するように、異なる光源を同じ位置に設置するため、差分をすると眼鏡反射が自動的に取り除け、瞳孔が検出しやすい。   Here, differences from the method described in Patent Document 3 will be briefly described. In the above method, since the light sources are arranged outside the opening of the camera, it is difficult to detect a small pupil. In the present invention, the light source is basically arranged in the opening of the camera (it does not mean that it should not protrude from the camera opening). Therefore, even a small pupil can be made a bright pupil, and the pupil can be detected. In the above method, since the physical positions of the light sources having different wavelengths are arranged separately, it is difficult to remove the specular reflection of the light source only by making a difference. In the present invention, as will be described later, since different light sources are installed at the same position, if the difference is made, the reflection of the glasses is automatically removed and the pupil is easily detected.

前述した特許文献2記載の方法(特開2004−261598)も、明瞳孔と暗瞳孔の検出に係るものである。この方法では2つの波長が同じ、もしくは異なる光源のうち一方をカメラの光軸近くに設置し、もう一方を光軸から遠くに設置している。
波長が同じ場合には時分割、波長が異なる場合は波長分離により、2つの画像を作り、それらの差分画像から瞳孔を検出しているが、この場合も、差分をする2つの画像における眼鏡反射の位置が異なるため、眼鏡反射除去が難しい。
これに対して本発明では、2つの波長の光源を基本的に共に開口部内に設置し、しかも差分する2つの画像において互いに眼鏡反射光が打ち消し合うように等価的に2つの波長の光源を同じ位置に設置する。
この手法では、瞳孔の動きが素早い場合において瞳孔中心を正確に検出したい場合などは波長分離で行ない、そうでない場合は時分割を使用しても良い。
The method described in Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-261598) also relates to detection of a bright pupil and a dark pupil. In this method, one of two light sources having the same or different wavelengths is installed near the optical axis of the camera, and the other is installed far from the optical axis.
Two images are created by time-division when the wavelengths are the same, and wavelength separation when the wavelengths are different, and the pupil is detected from the difference image between them. It is difficult to remove spectacles because of the different positions.
On the other hand, in the present invention, light sources of two wavelengths are basically installed in the opening, and equivalently, the light sources of the two wavelengths are the same so that the reflected spectacles cancel each other in the two different images. Install in position.
In this method, when it is desired to accurately detect the center of the pupil when the movement of the pupil is fast, the wavelength separation is used. When not, time division may be used.

(光源の具体例)図9に示すように、2種類のL1 用,L2 用発光源(LED)1,2をできるだけそれぞれの光軸が近接して平行になるように設置し、2種類の光の指向性がほぼ同じになるように1つ弾丸形モールド(集光レンズ)にパッケージングしたものを利用する。これにより、被写体における発光方向から見た光源(モールド)は、どちらの発光源が光っても同様の輝度分布を持つ。   (Specific Example of Light Source) As shown in FIG. 9, two types of light sources (LEDs) 1 and 2 for L1 and L2 are installed so that their optical axes are as close to each other as parallel as possible. One packaged in a bullet mold (condenser lens) is used so that the directivity of light is almost the same. Thereby, the light source (mold) viewed from the light emission direction in the subject has the same luminance distribution regardless of which light source emits light.

したがって、これらの光源で照明された被験者の他の部分の反射光、例えば被験者の眼鏡の反射は、極めて類似した反射光であるから、これをカメラで撮影した画像中の眼鏡反射などは、画像差分により極めて効率良く取り除かれる。   Therefore, since the reflected light of other parts of the subject illuminated with these light sources, for example, the reflection of the glasses of the subject is very similar reflected light, the reflection of the glasses in the image taken by the camera is the image The difference is removed very efficiently.

図9に示したものと同様な特性の光源を、他の光学系を利用しても得ることができる。例えば
イ)凹面反射を利用しても同様な光学特性を得ることができる。
ロ)また、Y分岐光ファイバを用いることもできる。分岐ファイバの分岐の片方から2種類のうちの短波長のLEDの光を入射させ、もう片方から長波長のLEDの光を入射させ、これにより、2種類の波長の光を混合し、集光レンズにてカメラの被写角(画角)にあわせて顔に光を照射させることもできる。
ハ)さらに、図16のように、2種類の光源L1 ,L2 にダイクロイックミラーMを利用して、例えば長波長光源からの光のほとんどは反射させ、また、短波長光源からの光のほとんどを透過させることによって、効率よく両者の光を目に照射することができる。場合によってハーフミラーMでも可能である。
その場合、カメラCのイメージセンサの波長−感度曲線や光源のパワーなどを考慮して、両者のバランスを取るように、ハーフミラーMの反射対透過比を適当に選べばよい。このようにして合成された光を図13に示すようにカメラCの光軸に平行になるようにハーフミラーM等で導入する。
(瞳孔検出の第1の実施形態)
A light source having characteristics similar to those shown in FIG. 9 can be obtained by using another optical system. For example, a) Similar optical characteristics can be obtained even when concave reflection is used.
B) A Y-branch optical fiber can also be used. Light from one of the two types of short-wavelength LEDs is incident from one of the branches of the branch fiber, and light from a long-wavelength LED is incident from the other, thereby mixing and condensing the two types of wavelengths. It is also possible to illuminate the face with the lens according to the angle of view (view angle) of the camera.
C) Further, as shown in FIG. 16, the dichroic mirror M is used for the two types of light sources L1 and L2, for example, most of the light from the long wavelength light source is reflected, and most of the light from the short wavelength light source is reflected. By transmitting the light, it is possible to efficiently irradiate the eyes with both lights. In some cases, a half mirror M is also possible.
In that case, considering the wavelength-sensitivity curve of the image sensor of the camera C, the power of the light source, and the like, the reflection-to-transmission ratio of the half mirror M may be appropriately selected so as to balance the two. The light thus synthesized is introduced by a half mirror M or the like so as to be parallel to the optical axis of the camera C as shown in FIG.
(First embodiment of pupil detection)

図10は、本発明による瞳孔検出の第1の実施形態の第1の配置例を示す光路図である。
中心波長が850nmと950nmの発光源を持つ光源L12によりハーフミラーMを介して被験者の眼球EBに2波長の近赤外光を照射する。この光源L12の光軸とカメラCの光軸とがほぼ一致するように、ハーフミラーM及び光源L12が配置される。
ただし、先述のように約900nmを挟んで、短い波長と長い波長の組み合わせであればよく、前述した特定の波長に限らない。
網膜からの反射光をハーフミラーもしくは約900nmで波長分離するためのダイクロイックミラーMを介してカメラCに入射させる。
ここで、ハーフミラーMを使用する場合は、各カメラC1 ,C2 に発光源とそれぞれ同じ中心波長を持つ帯域通過フィルタF1 ,F2 を配置する。帯域通過フィルタを用いない場合は遮断波長が約900nmである低域通過フィルタFと高域通過フィルタFをカメラの前に配置する。なお中心波長が異なる2つの光をできるだけ分離する。
FIG. 10 is an optical path diagram showing a first arrangement example of the first embodiment of pupil detection according to the present invention.
A subject's eyeball EB is irradiated with two wavelengths of near-infrared light through a half mirror M by a light source L12 having light emission sources with center wavelengths of 850 nm and 950 nm. The half mirror M and the light source L12 are arranged so that the optical axis of the light source L12 and the optical axis of the camera C substantially coincide with each other.
However, as described above, a combination of a short wavelength and a long wavelength across about 900 nm may be used, and is not limited to the specific wavelength described above.
Reflected light from the retina is incident on the camera C via a half mirror or a dichroic mirror M for wavelength separation at about 900 nm.
Here, when the half mirror M is used, band-pass filters F1 and F2 having the same center wavelength as the light source are arranged in the cameras C1 and C2, respectively. When the band pass filter is not used, a low pass filter F and a high pass filter F having a cutoff wavelength of about 900 nm are arranged in front of the camera. Two lights having different center wavelengths are separated as much as possible.

2台のカメラC1,C2 により得られる画像を差分した後に瞳孔を検出する。このとき、外部光(環境光)をできるだけカットするため、また頭部の動きなどによって移動する瞳孔の動きによる瞳孔画像のブレを極力減らすために、図11に示すように、2台のビデオカメラのシャッターを1フレームに付き、短時間(例えば、0.1ms)だけ開き、その間だけ光源を点灯させる方法が有効である。   The pupil is detected after subtracting the images obtained by the two cameras C1, C2. At this time, two video cameras are used as shown in FIG. 11 in order to cut external light (environmental light) as much as possible and to reduce blurring of the pupil image due to the movement of the pupil that moves due to the movement of the head. An effective method is to attach the shutter to one frame, open it for a short time (for example, 0.1 ms), and turn on the light source only during that time.

最も簡易な実現方法の1つとしては、パソコンに多チャンネルの画像入力ボードを挿入し、ビデオカメラにはプログレッシブカメラを使用する。発振器等により周期的な外部トリガー信号を画像入力ボードに入力する。その信号に従って、画像入力ボードからカメラに対して露光信号を出力させる。同じ信号を、2波長光源を点灯させるための信号として使用する。光源の点灯時間を短くすることにより、点灯時の電流量を極端に増やすことができ、シャッタが開いている期間における、外部光による光量に対する光源による光量の比を大きくでき、結果的に外部光(環境光)の影響を大幅に削減できる。   One of the simplest implementations is to insert a multi-channel image input board into a personal computer and use a progressive camera as the video camera. A periodic external trigger signal is input to the image input board by an oscillator or the like. In accordance with the signal, an exposure signal is output from the image input board to the camera. The same signal is used as a signal for turning on the two-wavelength light source. By shortening the lighting time of the light source, the amount of current at the time of lighting can be extremely increased, and the ratio of the light amount by the light source to the light amount by the external light during the period when the shutter is open can be increased. The effect of (environmental light) can be greatly reduced.

図13は、本発明による瞳孔検出の第1の実施形態の第2の配置例を示す光路図である。この第2の配置例は、カメラ1台で構成してある。その場合、図15に示すように、カメラに用いるイメージセンサ上に、画素にフィットするようにストライプ状に異なる中心波長の帯域通過フィルタを覆う。ここでは、縦縞のフィルタを示しているが、横縞でも良いし、あるいは格子状でもよい。どの場合も、近隣の異なる中心波長の帯域通過フィルタに覆われている画素間で画像差分を行い、輝度差の大きい部分として瞳孔を検出する。
なお、ここで帯域通過フィルタの代わりに、約900nmを遮断波長とする高域通過フィルタと低域通過フィルタに置き換えてもよい。ただし、その場合、環境光の影響を削減するためにカメラ開口部に可視光遮断フィルタあるいは約800nm〜約1000nmを通過させる広域の帯域通過フィルタを取り付けるのが望ましい。
FIG. 13 is an optical path diagram showing a second arrangement example of the first embodiment of pupil detection according to the present invention. This second arrangement example is composed of one camera. In that case, as shown in FIG. 15, band pass filters having different center wavelengths are covered in stripes on the image sensor used in the camera so as to fit the pixels. Although a vertical stripe filter is shown here, it may be a horizontal stripe or a lattice. In any case, an image difference is performed between pixels covered by neighboring bandpass filters having different center wavelengths, and a pupil is detected as a portion having a large luminance difference.
Here, instead of the band-pass filter, a high-pass filter and a low-pass filter having a cutoff wavelength of about 900 nm may be substituted. However, in that case, in order to reduce the influence of ambient light, it is desirable to attach a visible light blocking filter or a wide band-pass filter that passes about 800 nm to about 1000 nm to the camera opening.

図17は、本発明による瞳孔検出の第1の実施形態の第3の配置例を示す光路図である。対物レンズ19、レンズ18、ミラーM,Mは光路形成手段を形成する。第1のカメラは、短波長(850nm)付近に中心波長を有するバンドパスフィルタF、レンズ13、及びイメージセンサCにより構成され、第2のカメラは、長波長(950nm)付近に中心波長を有するバンドパスフィルタF、レンズ14、及びイメージセンサCにより構成される。ミラーMは、ハーフミラー又はダイクロイックミラーであり、2つのカメラの光軸上に配置されることにより、外見上2つのカメラの光軸がほぼ一致することを可能にするものである。レンズ19の前面には、2つのカメラの共通の開口部が形成されている。また、対物レンズ19の被験者側には照明光源結合用のハーフミラーMが設けられている。 FIG. 17 is an optical path diagram showing a third arrangement example of the first embodiment of pupil detection according to the present invention. The objective lens 19, the lens 18, and the mirrors M 1 and M 2 form optical path forming means. The first camera is composed of a bandpass filter F 1 having a center wavelength near the short wavelength (850 nm), the lens 13 and the image sensor C 1 , and the second camera has a center wavelength near the long wavelength (950 nm). Are constituted by a band pass filter F 2 , a lens 14, and an image sensor C 2 . Mirror M 1 is a half mirror or a dichroic mirror, by being disposed on the optical axes of the two cameras, it is to allow the optical axis of apparently two cameras coincide substantially. A common opening of the two cameras is formed on the front surface of the lens 19. Further, a half mirror M 2 for coupling an illumination light source is provided on the subject side of the objective lens 19.

光源21は、複数の発光素子21a〜21d、分岐ファイバ23a〜23d、及び結合部24から構成されている。この発光素子21a〜21dは、2つが長波長用LED、残りの2つが短波長用LEDであり、それぞれが、分岐ファイバ23a〜23dにより結合部24に光学的に接続されている。ここで、光源21を構成する発光素子21a〜21dとしては、一般的には短波長光源のほうが発光パワーが高い傾向にあるので、1つが短波長用で残りの3つが長波長用であってもよい。   The light source 21 includes a plurality of light emitting elements 21 a to 21 d, branch fibers 23 a to 23 d, and a coupling unit 24. Of these light emitting elements 21a to 21d, two are long wavelength LEDs and the other two are short wavelength LEDs, and each is optically connected to the coupling portion 24 by branch fibers 23a to 23d. Here, as the light emitting elements 21a to 21d constituting the light source 21, generally, the short wavelength light source tends to have higher light emission power, so one is for the short wavelength and the remaining three are for the long wavelength. Also good.

4つの発光素子21a〜21dが発光すると、2つの波長成分の光が結合部24において合成されてハーフミラーMに向けて入射する。その結果、2つの波長成分の光が、ハーフミラーMによって、カメラの開口部内で共通の光軸をカメラの光軸にほぼ一致するように保った状態で、被験者の顔に向けて反射される。すなわち、顔の方から見ると合成された光は、カメラの共通光軸を含む開口部内から照射されることになる。これらの照明による明瞳孔像を含む顔の像と、暗瞳孔像を含む顔の像は、ハーフミラーM2、レンズ19、及びレンズ18を透過した後にミラーMにより分離される。そして、短波長成分を含む光は、バンドパスフィルタFを透過して、レンズ13により短波長用イメージセンサC上に結像される。一方、ミラーMにより反射分離された長波長成分を含む光は、バンドパスフィルタFを透過して、レンズ14により長波長用イメージセンサC上に結像される。 When four light emitting elements 21a~21d emits light, the light of the two wavelength components are combined at the junction 24 is incident toward the half mirror M 2 by. As a result, the light of the two wavelength components is reflected toward the subject's face by the half mirror M 2 while keeping the common optical axis substantially coincident with the optical axis of the camera within the opening of the camera. The That is, when viewed from the face, the synthesized light is irradiated from within the opening including the common optical axis of the camera. The face image including the bright pupil image and the face image including the dark pupil image by the illumination are separated by the mirror M 1 after passing through the half mirror M 2, the lens 19, and the lens 18. Then, the light including the short wavelength component passes through the band pass filter F 1 and forms an image on the short wavelength image sensor C 1 by the lens 13. On the other hand, the light including the long wavelength component reflected and separated by the mirror M 1 passes through the band pass filter F 2 and is imaged on the long wavelength image sensor C 2 by the lens 14.

さらに、何らかの理由により、帯域通過フィルタやダイクロイックミラーを使用したくない場合には、最も簡易な実現法の1つとして、図12に示すように、1台のパソコンに2台の画像入力ボードを挿入し、両ボードに外部トリガー信号を周期的に入力し、片方の画像入力ボードに遅延を設けることにより2台のカメラの露光期間をずらし、同時に2波長の光源のそれぞれの発光源の発光タイミングをずらす方法が考えられる。もし、露光時間が1ms未満程度であれば、画像差分を行なうカメラの露光のタイミングのずれは最大で2msであるので、瞳孔の動きによるぶれはほとんど無視ができ、瞳孔中心なども正確に検出できる。もちろん、上述のように画像入力ボードに遅延を設けずに、2台の画像入力ボードにはじめから時間差を設けた外部トリガー信号を時間的にずらして入力してもよい。なお、画像差分は差分を行なうペアの2画像の両方が取得された時点で行なうこともできるし、遅れて取得されるほうのビデオ信号がパソコンに転送され次第、できるだけ早期に差分をする方法も考えられる。このように、いずれにしても、露光、ビデオ出力共に時間的にずらして(非同期)、画像差分を行なう2画像を取得する。
(瞳孔検出の第2の実施形態)
Furthermore, if for some reason you do not want to use a band-pass filter or dichroic mirror, one of the simplest implementations is to install two image input boards on one computer as shown in FIG. Insert an external trigger signal into both boards periodically, and delay the exposure time of the two cameras by providing a delay on one image input board, and at the same time, the emission timing of each light source of the two-wavelength light source A method of shifting is conceivable. If the exposure time is less than 1 ms, the difference in the exposure timing of the camera that performs the image difference is 2 ms at the maximum. Therefore, the blur due to the movement of the pupil can be almost ignored, and the center of the pupil can be detected accurately. . Of course, as described above, an external trigger signal having a time difference from the beginning may be input to the two image input boards with a time shift without providing a delay in the image input board. Note that the image difference can be performed at the time when both of the two images of the pair that performs the difference are acquired, or a method of calculating the difference as soon as possible after the video signal acquired later is transferred to the personal computer. It is done. In this way, in any case, both exposure and video output are shifted in time (asynchronous), and two images to be subjected to image difference are acquired.
(Second Embodiment of Pupil Detection)

瞳孔の動きにブレが気にならない用途には、必ずしも2波長を分離する必要はない。
図13に示すように、2波長LED(L12)中の2つの波長の発光源をカメラ1台の前においたハーフミラーMを介して、2波長光源の各波長の発光源を、フレームごとあるいは、例えばNTSC方式(飛び越し走査方式)のカメラであればフィールド毎に交互に点灯させ、目に光を照射し、各発光源照射により得られた時間的に隣り合う画像を差分した後に瞳孔像を画像処理により検出する。
最も簡易な実現方法の1つは、図11に示した露光信号と、画像入力ボードから出力する発光源選択のための信号とから、図14に示した回路を用いて、各発光源を交互に点灯させるための露光信号を新たに作ればよい。なお、発光源選択信号は、ビデオの垂直同期信号や画像入力ボードからの露光信号などをDフリップフロップに入力し、その出力を用いることもできる。(Dフリップフロップ出力は、入力信号の立ち上がり、または立ち下がりのタイミングで、ハイレベルとローレベルを交互に繰り返す。)
It is not always necessary to separate the two wavelengths for applications where blurring of the pupil movement is not an issue.
As shown in FIG. 13, the light source of each wavelength of the two-wavelength light source is changed for each frame or through the half mirror M in which the light source of two wavelengths in the two-wavelength LED (L12) is placed in front of one camera. For example, in the case of an NTSC (interlace scanning) camera, alternately turn on each field, irradiate light on the eyes, and after subtracting temporally adjacent images obtained by each light source irradiation, the pupil image is Detect by image processing.
One of the simplest realization methods is to alternately switch each light source from the exposure signal shown in FIG. 11 and the light source selection signal output from the image input board using the circuit shown in FIG. A new exposure signal may be created to light up. As the light source selection signal, a video vertical synchronization signal, an exposure signal from an image input board, or the like is input to a D flip-flop, and an output thereof can be used. (The D flip-flop output alternately repeats the high level and the low level at the rising or falling timing of the input signal.)

なお、ここでも、環境光の影響を削減するためにカメラ開口部に可視光遮断フィルタあるいは約800nm〜約1000nmを通過させる広域の帯域通過フィルタを取り付けるのが望ましい。   In this case as well, in order to reduce the influence of ambient light, it is desirable to attach a visible light blocking filter or a wide-band bandpass filter that passes about 800 nm to about 1000 nm to the camera opening.

このように、本発明の瞳孔検出装置は、必ずしも2台のカメラを必要としない。例えば、図17に示す配置例において、レンズ19の前面に約800nm〜約1000nmを通過させる広域の帯域通過フィルタ、又は850nm付近と950nm付近とを通過させる帯域通過フィルタを設け、2つのイメージセンサC,Cの代わりに、レンズ18とレンズ19との中間位置にNTSC方式やPAL方式のような飛び越し走査(インターレーススキャン)のイメージセンサ(カメラ)を固定してもよいし、ノンインターレーススキャンのイメージセンサ(カメラ)を固定してよい。インターレーススキャンの場合、光源21a〜21dのうちの長波長用光源と短波長用光源とを、イメージセンサの画像信号中の奇数フィールド及び偶数フィールドの発生タイミングに交互に同期して発光させることにより、明瞳孔像及び暗瞳孔像を分離して得ることができ、得られた奇数ラインの画素とその奇数ラインに隣接する偶数ラインの画素とを差分することにより瞳孔を検出する。ノンインターレーススキャンの場合は、光源21a〜21dのうちの長波長用光源と短波長用光源とを、イメージセンサのフレームに同期させて交互に発光させることにより、明瞳孔像及び暗瞳孔像を分離して得ることができ、得られた隣り合う時間に得られたフレーム間の対応する画素どうしを差分することにより瞳孔を検出する。なお、どちらの場合にも、瞳孔検出の精度を上げるためには、このイメージセンサのシャッタースピードを0.1ms〜1ms程度に設定し、そのシャッタータイミングに合わせて光源21a〜21dを発光させることが好適である。
(瞳孔検出と瞳孔の3次元位置計測を行なう第3の実施形態)
Thus, the pupil detection device of the present invention does not necessarily require two cameras. For example, in the arrangement example shown in FIG. 17, a wide bandpass filter that passes about 800 nm to about 1000 nm or a bandpass filter that passes about 850 nm and about 950 nm is provided on the front surface of the lens 19. Instead of 1 and C 2 , an interlaced scan (interlaced scan) image sensor (camera) such as the NTSC system or PAL system may be fixed at an intermediate position between the lens 18 and the lens 19, or non-interlaced scanning. The image sensor (camera) may be fixed. In the case of interlaced scanning, by causing the long wavelength light source and the short wavelength light source among the light sources 21a to 21d to emit light alternately in synchronization with the generation timing of the odd field and even field in the image signal of the image sensor, The bright pupil image and the dark pupil image can be obtained separately, and the pupil is detected by subtracting the obtained odd line pixels from the even line pixels adjacent to the odd lines. In the case of non-interlaced scanning, the light source for the long wavelength and the light source for the short wavelength among the light sources 21a to 21d are alternately emitted in synchronization with the frame of the image sensor, thereby separating the bright pupil image and the dark pupil image. The pupil is detected by subtracting the corresponding pixels between the frames obtained at the obtained adjacent times. In either case, in order to increase the accuracy of pupil detection, it is preferable to set the shutter speed of the image sensor to about 0.1 ms to 1 ms and cause the light sources 21a to 21d to emit light in accordance with the shutter timing. It is.
(Third embodiment for performing pupil detection and pupil three-dimensional position measurement)

被験者の視線を高精度に検出するためには、瞳孔の3次元位置情報は重要である。また、被験者がどこから見ているかがわかるため、瞳孔の3次元位置は、ヒューマンインターフェースの分野で重要な情報源である。
瞳孔の3次元位置計測にはステレオ計測をするのが一般的である。したがって、図10、図13、図17等で示した光学系を2系統以上必要とする。具体的には、このような光学系を有する2系統の瞳孔検出装置を、被験者に対向して一定距離離れて、且つ、相互にも一定距離離れた位置に配置する。そして、それぞれの瞳孔検出装置によって検出された瞳孔の2次元位置に基づいてステレオ計測により瞳孔の3次元位置が計測可能に構成される。
In order to detect the subject's line of sight with high accuracy, the three-dimensional position information of the pupil is important. In addition, the three-dimensional position of the pupil is an important information source in the field of human interface because it is known where the subject is looking from.
Stereo measurement is generally used to measure the three-dimensional position of the pupil. Therefore, two or more optical systems shown in FIGS. 10, 13, 17 and the like are required. Specifically, the two systems of pupil detection devices having such an optical system are arranged at a position facing the subject and spaced apart from each other by a certain distance and also from each other by a certain distance. The three-dimensional position of the pupil can be measured by stereo measurement based on the two-dimensional position of the pupil detected by each pupil detection device.

なお、元来、光源自体も不可視のLEDを使用するとし、また、カメラが使用に耐えられる感度を持つ波長領域となると、中心波長にして850nm〜950nmの範囲である。このような状況下の中で、2系統以上の各光学系において2波長ずつ使用した上で、2系統以上を光学的に分離するには、かなり狭帯域の帯域通過フィルタが必要であり、光学フィルタによる分離は非常に困難である。したがって、時分割手法を選ぶのが相応しい。ただし、各系統における2つの中心波長の発光源は同時に発光させ、波長分離をしてもよい。
その場合、図10及び図17で示した2台のカメラを使用した光学系、もしくは、図13において図15に示したような、隣り合う画素に中心波長がそれぞれ850nm及び950nmの帯域通過フィルタを取り付けたイメージセンサを用いたカメラを1台使用した光学系においては、2系統以上の光学系のそれぞれに取り付けられている2波長光源の2種類の中心波長の光源は同時に発光させた上で、系統ごとに時間的に僅かずつずらして発光させ、発光と同時に各光源が取り付けてあるカメラのシャッタを開けばよい。
Originally, an invisible LED is used for the light source itself, and if the wavelength range has a sensitivity that the camera can withstand, the center wavelength is in the range of 850 nm to 950 nm. Under such circumstances, in order to optically separate two or more systems after using two wavelengths in each of two or more optical systems, a fairly narrow bandpass filter is required. Separation by a filter is very difficult. Therefore, it is appropriate to select a time division method. However, the light sources having two central wavelengths in each system may emit light at the same time to separate the wavelengths.
In that case, an optical system using the two cameras shown in FIGS. 10 and 17, or a band pass filter having center wavelengths of 850 nm and 950 nm, respectively, in adjacent pixels as shown in FIG. 15 in FIG. In an optical system using one camera using an attached image sensor, two types of central wavelength light sources of two wavelength light sources attached to each of two or more optical systems emit light simultaneously. It is only necessary to cause the system to emit light with a slight shift in time, and simultaneously open the shutter of the camera to which each light source is attached.

本発明による瞳孔検出装置によれば、瞳孔の検出が正確にできる。これを利用して、瞳孔の移動量をパソコン画面上のカーソル移動に対応させるヒューマンインターフェイスの開発の分野に利用することができる。また照明環境の極端に異なる所でも瞳孔検出が可能であるから、乗用車,トラックの運転者の視線を検出したり、眠気を検知したり、余所見運転を検出する運転援助の機器開発の産業分野にも利用できる。   According to the pupil detection device of the present invention, the pupil can be accurately detected. By using this, it can be used in the field of human interface development in which the amount of movement of the pupil corresponds to the movement of the cursor on the personal computer screen. In addition, because pupil detection is possible even in extremely different lighting environments, it can be used in the industrial field of equipment development for driving assistance that detects the eyes of passengers and truck drivers, detects drowsiness, and detects other driving. Can also be used.

明瞳孔が検出され難い理由を説明するための眼球,光源,カメラの位置関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the positional relationship of the eyeball, light source, and camera for demonstrating the reason a bright pupil is hard to be detected. 遠視状態における図1と同趣の説明図である。It is explanatory drawing of the same concept as FIG. 1 in a hyperopic state. 近視状態における図1と同趣の説明図である。It is explanatory drawing of the same concept as FIG. 1 in a myopia state. 光源をカメラの開口近くに配置した状態における図1と同趣の説明図である。It is explanatory drawing of the same concept as FIG. 1 in the state which has arrange | positioned the light source near the opening of a camera. 瞳孔が小さいときの問題を説明するための図1と同趣の説明図である。It is explanatory drawing of the same concept as FIG. 1 for demonstrating the problem when a pupil is small. 瞳孔が小さく、かつ光源がカメラの開口内に配置されている場合における問題を説明するための図1と同趣の説明図である。It is explanatory drawing of the same concept as FIG. 1 for demonstrating the problem in case a pupil is small and the light source is arrange | positioned in the opening of a camera. 本発明における明瞳孔検出の原理を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the principle of the bright pupil detection in this invention. 本発明における明瞳孔検出の原理を説明するためのさらに他の説明図である。It is another explanatory view for explaining the principle of bright pupil detection in the present invention. 本発明による瞳孔検出装置で用いる第1,第2の照明光源の具体例を示す図である。It is a figure which shows the specific example of the 1st, 2nd illumination light source used with the pupil detection apparatus by this invention. 本発明による瞳孔検出装置を示す光路図である。It is an optical path diagram which shows the pupil detection apparatus by this invention. 照明光源とカメラの出力タイミングを示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the output timing of an illumination light source and a camera. 照明光源とカメラの出力タイミングを示す他のタイムチャートである。It is another time chart which shows the output timing of an illumination light source and a camera. 本発明による他の瞳孔検出装置を示す光路図である。It is an optical path diagram which shows the other pupil detection apparatus by this invention. 光源選択信号と露光期間のタイミング発生回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the timing generation circuit of a light source selection signal and an exposure period. カメラのイメージセンサを示す図である。It is a figure which shows the image sensor of a camera. 本発明による瞳孔検出装置で用いる第1,第2の照明光源のさらに他の具体例を示す図である。It is a figure which shows the other specific example of the 1st, 2nd illumination light source used with the pupil detection apparatus by this invention. 本発明による他の瞳孔検出装置を示す光路図である。It is an optical path diagram which shows the other pupil detection apparatus by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

L(L1 ,L2 ,L12),21a〜21d…光源、C(C1 ,C2)…カメラ、EB…眼球、M,M,M…(ダイクロイック,ハーフ)ミラー、F(F1 ,F2 )…フィルタ。 L (L1, L2, L12) , 21a~21d ... light source, C (C1, C2) ... camera, EB ... eyeball, M, M 1, M 2 ... ( dichroic half) mirror, F (F1, F2) ... filter.

Claims (8)

カメラ,光源,光路形成手段,および演算手段を含み、前記光路形成手段が、被験者の顔面に前記光源からの光を照射し、且つ、前記被験者の瞳孔を含む顔面の像を前記カメラに結像可能に構成され、前記カメラに結像されることにより得られた画像を演算して瞳孔を検出する瞳孔検出装置であって、
前記光源は、
前記光を前記カメラの開口部内から照射可能に設けられ、
被験者の瞳孔内反射が明瞳孔となる第1の波長成分を含む第1の照明光源と、
被験者の瞳孔内反射が暗瞳孔となる第2の波長成分を含み、瞳孔以外については前記第1の照明光源と同等の照明効果を呈する第2の照明光源を含み、
独立した第1の照明光源と第2の照明光源の光軸を、前記光路形成手段により共通の光軸を保つように合成し、さらに前記共通の光軸がカメラ手段の光軸に一致するように光路変更して構成され、
前記カメラは、
前記第1の照明光源による第1の画像データを得る第1の画像データ獲得手段と、
前記第2の照明光源による第2の画像データを得る第2の画像データ獲得手段とを含み、
前記演算手段は、前記第1の画像データと前記第2の画像データを演算処理して瞳孔を検出する手段である瞳孔検出装置。
A camera, a light source, an optical path forming means, and a computing means, wherein the optical path forming means irradiates the subject's face with light from the light source, and forms an image of the face including the pupil of the subject on the camera A pupil detection device configured to detect a pupil by calculating an image obtained by being imaged on the camera,
The light source is
The light is provided so as to be radiated from the opening of the camera,
A first illumination light source including a first wavelength component in which the reflection in the pupil of the subject becomes a bright pupil;
The subject's intra-pupil reflection includes a second wavelength component that becomes a dark pupil, and includes a second illumination light source that exhibits an illumination effect equivalent to that of the first illumination light source except for the pupil,
The optical axes of the independent first illumination light source and the second illumination light source are combined by the optical path forming means so as to maintain a common optical axis, and the common optical axis coincides with the optical axis of the camera means. The optical path is changed to
The camera
First image data acquisition means for obtaining first image data from the first illumination light source;
Second image data acquisition means for obtaining second image data from the second illumination light source,
The pupil detection device is a means for detecting the pupil by performing arithmetic processing on the first image data and the second image data.
カメラ,光源,光路形成手段,および演算手段を含み、前記光路形成手段が、被験者の顔面に前記光源からの光を照射し、且つ、前記被験者の瞳孔を含む顔面の像を前記カメラに結像可能に構成され、前記カメラに結像されることにより得られた画像を演算して瞳孔を検出する瞳孔検出装置であって、A camera, a light source, an optical path forming means, and a computing means, wherein the optical path forming means irradiates the subject's face with light from the light source, and forms an image of the face including the pupil of the subject on the camera A pupil detection device configured to detect a pupil by calculating an image obtained by being imaged on the camera,
前記光源は、  The light source is
前記光を前記カメラの開口部内から照射可能に設けられ、The light is provided so as to be radiated from the opening of the camera,
被験者の瞳孔内反射が明瞳孔となる第1の波長成分を含む第1の照明光源と、A first illumination light source including a first wavelength component in which the reflection in the pupil of the subject becomes a bright pupil;
被験者の瞳孔内反射が暗瞳孔となる第2の波長成分を含み、瞳孔以外については前記第1の照明光源と同等の照明効果を呈する第2の照明光源を含み、The subject's intra-pupil reflection includes a second wavelength component that becomes a dark pupil, and includes a second illumination light source that exhibits an illumination effect equivalent to that of the first illumination light source except for the pupil,
独立した第1の発光源と第2の発光源をそれぞれの光軸を近接平行に配置しレンズ手段により集光し、さらに前記光路形成手段により近接平行光軸がカメラ手段の光軸に一致するように光路変更して構成され、The independent first light source and the second light source are arranged so that their optical axes are close to each other in parallel and are condensed by the lens means, and the near parallel optical axis coincides with the optical axis of the camera means by the optical path forming means. It is configured by changing the optical path as
前記カメラは、  The camera
前記第1の照明光源による第1の画像データを得る第1の画像データ獲得手段と、First image data acquisition means for obtaining first image data from the first illumination light source;
前記第2の照明光源による第2の画像データを得る第2の画像データ獲得手段とを含み、Second image data acquisition means for obtaining second image data from the second illumination light source,
前記演算手段は、前記第1の画像データと前記第2の画像データを演算処理して瞳孔を検出する手段である瞳孔検出装置。  The pupil detection device is a means for detecting the pupil by performing arithmetic processing on the first image data and the second image data.
前記演算手段は前記第1の画像データと前記第2の画像データの差分演算により瞳孔を検出するように構成されている請求項1又は2記載の瞳孔検出装置。 Said calculating means pupil detection device according to claim 1 or 2, wherein being configured to detect a pupil by differential operation of the second image data and the first image data. 前記カメラ手段は、前記第1の画像データ獲得手段と前記第2の画像データ獲得手段が単一のカメラの同一のイメージセンサの画素群を分割して構成されている請求項1又は2記載の瞳孔検出装置。 3. The camera unit according to claim 1 or 2 , wherein the first image data acquisition unit and the second image data acquisition unit are configured by dividing a pixel group of the same image sensor of a single camera. Pupil detection device. 前記カメラ手段は、前記第1の画像データ獲得手段と前記第2の画像データ獲得手段が別々のカメラにより構成されている請求項1又は2記載の瞳孔検出装置。 The pupil detection device according to claim 1 or 2 , wherein the camera means includes the first image data acquisition means and the second image data acquisition means configured by separate cameras. 被験者から一定距離離れ、相互に一定距離離れて配置され、それぞれが瞳孔を検出し、瞳孔の3次元位置を計測するための請求項1〜記載の一組の瞳孔検出装置。 A predetermined distance from the subject, are spaced apart from each other a predetermined distance, each of which detects a pupil, a set of pupil detection device according to claim 1 to 5, wherein for measuring the three-dimensional position of the pupil. 被験者の顔面に光源から光を照射することによって、前記被験者の瞳孔を含む顔面の像をカメラに結像させた後、前記カメラに結像させることにより得られた画像を、演算手段により演算して瞳孔を検出する瞳孔検出方法であって、  By irradiating the subject's face with light from a light source, an image of the face including the pupil of the subject is formed on the camera, and then an image obtained by forming the image on the camera is calculated by the calculation means. A pupil detection method for detecting a pupil,
前記光源により、被験者の瞳孔内反射が明瞳孔となる第1の波長成分と、被験者の瞳孔内反射が暗瞳孔となり、瞳孔以外については前記第1の波長成分と同等の照明効果を呈する第2の波長成分とを、前記カメラの開口部内から照射し、独立した第1の波長成分の光と第2の波長成分の光の光軸を、共通の光軸を保つように合成し、さらに前記共通の光軸がカメラ手段の光軸に一致するように光路変更するステップと、  The light source causes a first wavelength component in which the reflection in the pupil of the subject becomes a bright pupil, and a reflection in the pupil of the subject becomes a dark pupil. And the optical axes of the independent first wavelength component light and the second wavelength component light are combined so as to maintain a common optical axis, and further, Changing the optical path so that the common optical axis coincides with the optical axis of the camera means;
前記カメラにより、前記第1の波長成分による第1の画像データを得るステップと、  Obtaining first image data of the first wavelength component by the camera;
前記カメラにより、前記第2の波長成分による第2の画像データを得るステップと、  Obtaining second image data of the second wavelength component by the camera;
前記演算手段により、前記第1の画像データと前記第2の画像データを演算処理して瞳孔を検出するステップと、  A step of calculating the first image data and the second image data by the calculating means to detect a pupil;
を備える瞳孔検出方法。A pupil detection method comprising:
被験者の顔面に光源から光を照射することによって、前記被験者の瞳孔を含む顔面の像をカメラに結像させた後、前記カメラに結像させることにより得られた画像を、演算手段により演算して瞳孔を検出する瞳孔検出方法であって、
前記光源により、被験者の瞳孔内反射が明瞳孔となる第1の波長成分と、被験者の瞳孔内反射が暗瞳孔となり、瞳孔以外については前記第1の波長成分と同等の照明効果を呈する第2の波長成分とを、前記カメラの開口部内から照射し、独立した第1の波長成分の光と第2の波長成分の光をそれぞれの光軸を近接平行に配置して集光し、さらに近接平行光軸がカメラ手段の光軸に一致するように光路変更するステップと、
前記カメラにより、前記第1の波長成分による第1の画像データを得るステップと、
前記カメラにより、前記第2の波長成分による第2の画像データを得るステップと、
前記演算手段により、前記第1の画像データと前記第2の画像データを演算処理して瞳孔を検出するステップと、
を備える瞳孔検出方法。
By irradiating the subject's face with light from a light source, an image of the face including the pupil of the subject is formed on the camera, and then an image obtained by forming the image on the camera is calculated by the calculation means. A pupil detection method for detecting a pupil,
The light source causes a first wavelength component in which the reflection in the pupil of the subject becomes a bright pupil, and a reflection in the pupil of the subject becomes a dark pupil, and the second has a lighting effect equivalent to that of the first wavelength component except for the pupil. The first wavelength component light and the second wavelength component light are condensed with their respective optical axes arranged close to each other in parallel, and further closer to each other. Changing the optical path so that the parallel optical axis coincides with the optical axis of the camera means ;
Obtaining first image data of the first wavelength component by the camera;
Obtaining second image data of the second wavelength component by the camera;
A step of calculating the first image data and the second image data by the calculating means to detect a pupil;
A pupil detection method comprising:
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