JP5590487B2 - Gaze measurement method and gaze measurement device - Google Patents
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Description
本発明は、視線計測方法及び視線計測装置に関する。 The present invention relates to a line-of-sight measurement method and a line-of-sight measurement apparatus.
視線情報は、神経科学における基礎研究、注意や関心といった心理状態の評価、PC機器への入力インターフェイスとしてなど幅広い分野で利用されている。今後、視線情報の取得が求められる機会は上記に留まらず、日常生活においても増加していくことが想定される。 Gaze information is used in a wide range of fields such as basic research in neuroscience, evaluation of psychological states such as attention and interest, and an input interface to PC devices. In the future, it is assumed that opportunities for obtaining line-of-sight information are not limited to the above, but will increase in daily life.
このような背景から、視線計測には位置精度だけでなく、被験者への負担が軽く、また、キャリブレーションの容易な視線計測方法が求められている。 From such a background, eye gaze measurement is demanded not only for positional accuracy but also for the eye gaze measuring method that is light on the subject and easy to calibrate.
カメラを用いた従来の視線計測法では、視線方向の検出に瞳孔中心が利用されてきた(例えば、特許文献1〜2)。また、角膜曲率中心位置を計測することによって視線を計測する方法がある(非特許文献1)。
In the conventional gaze measurement method using a camera, the center of the pupil has been used for detecting the gaze direction (for example,
特許文献1及び2に開示されているように、視線方向の検出に瞳孔中心を利用すると以下の問題がある。瞳孔の大きさは明るさの変化や遠近方向における注視点の移動によって時々刻々と変化しており、瞳孔伸縮の際に同心円を保つという保証はない。これは、検出される視線位置精度が低下する大きな原因となっている。また、視線位置精度向上のためにキャリブレーションを行う際には、既知の位置にある多くの指標を注視する過程が必要となり、簡便な計測ができない。
As disclosed in
また、非特許文献1では、角膜曲率中心から眼球回転中心までの距離を与えることで視線計測を行っており、与える角膜曲率中心から眼球回転中心までの距離によって計測結果が異なることとなるので計測精度に問題がある。
In
本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、被験者の負担が軽く、キャリブレーションの容易な視線計測方法及び視線計測装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described matters, and an object of the present invention is to provide a gaze measurement method and a gaze measurement apparatus that are easy to calibrate with a light burden on a subject.
本発明の第1の観点に係る視線計測方法は、
予め被験者の回転前後の眼球を1台の撮像装置で撮影し、撮像した画像から眼球表面上の任意の特徴点を3点以上抽出し、眼球の回転前後の前記特徴点の3次元位置に基づいて前記特徴点と眼球回転中心との位置関係を求めておき、
被験者に各点間の視角が既知である任意の3点の注視点を一巡するように順に注視させ、2点の前記注視点間をそれぞれ移動する際に眼球表面上の所定の1点が眼球回転軸回りに移動する第1の軌跡円、第2の軌跡円、及び、第3の軌跡円を求め、前記第1の軌跡円、前記第2の軌跡円、及び、前記第3の軌跡円の交点を視線ベクトル先端として求め、前記眼球回転中心と前記視線ベクトル先端とを結ぶ視線ベクトルを被験者の視線方向として求めておき、
前記視線ベクトルと前記特徴点の位置関係を求めておき、
前記撮像装置で眼球を撮像し、撮像した画像上の前記特徴点の位置に基づいて、前記視線ベクトルを求めることで被験者の視線方向を計測する、
ことを特徴とする。
The line-of-sight measurement method according to the first aspect of the present invention includes:
The eyeball before and after the subject's rotation is photographed in advance by one imaging device, and three or more arbitrary feature points on the eyeball surface are extracted from the captured image, and based on the three-dimensional position of the feature point before and after the eyeball is rotated. to previously obtain the positional relationship between the feature point and the eyeball rotation center Te,
The subject gazes at any three points of interest whose viewing angles between the points are known in order, and when moving between the two points of interest, a predetermined point on the eyeball surface is the eyeball. A first locus circle, a second locus circle, and a third locus circle that move around the rotation axis are obtained, and the first locus circle, the second locus circle, and the third locus circle are obtained. Is obtained as a gaze vector tip, and a gaze vector connecting the eyeball rotation center and the gaze vector tip is obtained as the gaze direction of the subject.
The positional relationship between the line-of-sight vector and the feature point is obtained,
The eyeball is imaged by the imaging device, and the gaze direction of the subject is measured by obtaining the gaze vector based on the position of the feature point on the captured image.
It is characterized by that.
また、前記特徴点として血管の分岐点を抽出してもよい。 Further, a branch point of a blood vessel may be extracted as the feature point.
本発明の第2の観点に係る視線計測装置は、
被験者の眼球を撮像する1台の撮像装置と、
前記撮像装置で撮像された画像に基づいて被験者の視線方向を計測する演算装置と、を備え、
前記演算装置は、
予め被験者の回転前後の眼球を撮像した画像から眼球表面上の任意の特徴点を3点以上抽出して眼球の回転前後の前記特徴点の3次元位置に基づいて前記特徴点と眼球回転中心との位置関係を求め、被験者が各点間の視角が既知である任意の3点の注視点を一巡するように順に注視して2点の前記注視点間をそれぞれ移動する際に眼球表面上の所定の1点が眼球回転軸回りに移動する第1の軌跡円、第2の軌跡円、及び、第3の軌跡円を求め、前記第1の軌跡円、前記第2の軌跡円、及び、前記第3の軌跡円の交点を視線ベクトル先端として求め、前記眼球回転中心と前記視線ベクトル先端とを結ぶ視線ベクトルを被験者の視線方向として求め、前記視線ベクトルと前記特徴点の位置関係を求める手段と、
前記撮像装置で眼球を撮像した画像上の前記特徴点の位置に基づいて前記視線ベクトルを求めて被験者の視線方向を計測する手段とを有する、
ことを特徴とする。
The line-of-sight measurement apparatus according to the second aspect of the present invention is:
One imaging device for imaging the eyeball of the subject;
An arithmetic device that measures the gaze direction of the subject based on the image captured by the imaging device,
The arithmetic unit is:
Three or more arbitrary feature points on the eyeball surface are extracted from an image obtained by imaging the eyeball before and after the rotation of the subject in advance, and the feature point and the eyeball rotation center are determined based on the three-dimensional position of the feature point before and after the eyeball rotation. When the subject moves around two points of interest in order to make a round of arbitrary three points of interest where the viewing angle between the points is known, A first trajectory circle, a second trajectory circle, and a third trajectory circle in which a predetermined point moves around the eyeball rotation axis are obtained, and the first trajectory circle, the second trajectory circle, and Means for obtaining an intersection of the third trajectory circle as a gaze vector tip, obtaining a gaze vector connecting the eyeball rotation center and the gaze vector tip as a gaze direction of a subject, and obtaining a positional relationship between the gaze vector and the feature point When,
That having a means for measuring a gaze direction of the subject seeking the gaze vector based on the position of the feature point on the image of the captured eye by the image pickup device,
It is characterized by that.
本発明の第3の観点に係る視線計測方法は、
被験者に視角が既知である3点を注視させ、各点についてそれぞれ、第1の光源から被験者の角膜に光を照射し、角膜で反射しレンズの光学中心を通過した反射光を第1の反射像として撮像領域に投影し、前記第1の光源、前記レンズの光学中心、及び、前記第1の反射像を含む第1の平面を求め、第2の光源から角膜に光を照射し、角膜で反射しレンズの光学中心を通過した反射光を第2の反射像として撮像領域に投影し、前記第2の光源、前記レンズの光学中心、及び、前記第2の反射像を含む第2の平面を求め、前記第1の平面と前記第2の平面との交線が角膜曲率中心を通過する直線として求める工程と、
眼球回転中心を頂点とし3点の角膜曲率中心からなる三角形を底面とする第1の三角錐を仮定し、レンズの光学中心を頂点とし3点の角膜曲率中心からなる三角形を底面とする第2の三角錐を仮定し、眼球回転中心から角膜曲率中心までの距離を正規化することよって同一の前記三角形を底面とする前記第1の三角錐と前記第2の三角錐との幾何学的解析を行って前記眼球回転中心の位置を求める工程と、
被験者に任意の点を注視させ、前記角膜曲率中心を通過する直線を求める工程を行って、角膜曲率中心を通過する直線を求める工程と、
求めた直線と眼球回転中心から角膜曲率中心までの距離を眼球半径で正規化した眼球回転中心を中心とする球との交点と眼球回転中心とを結ぶ直線を求め、被験者の視線方向を計測する工程と、を備える、ことを特徴とする。
The line-of-sight measurement method according to the third aspect of the present invention includes:
The subject gazes at three points whose viewing angles are known, and each point irradiates the subject's cornea with light from the first light source, and reflects the reflected light that has passed through the optical center of the lens after being reflected by the cornea. An image is projected onto the imaging region, a first plane including the first light source, the optical center of the lens, and the first reflected image is obtained, and the cornea is irradiated with light from the second light source. The reflected light that has passed through the optical center of the lens is projected onto the imaging region as a second reflected image, and includes a second light source, an optical center of the lens, and a second reflected image that includes the second reflected image. Determining a plane, and determining the line of intersection of the first plane and the second plane as a straight line passing through the corneal curvature center;
Assuming a first triangular pyramid having a triangle consisting of three corneal curvature centers with the center of eyeball rotation as the bottom, and a bottom having a triangle consisting of the corneal curvature center with three points as the vertex and the optical center of the lens. Analysis of the first triangular pyramid and the second triangular pyramid having the same triangle as the bottom by normalizing the distance from the eyeball rotation center to the corneal curvature center Performing the step of obtaining the position of the eyeball rotation center,
Gaze the subject at an arbitrary point, perform a step of obtaining a straight line passing through the corneal curvature center, and obtaining a straight line passing through the corneal curvature center;
Obtain the straight line connecting the intersection of the sphere centered on the eyeball rotation center normalized by the eyeball radius and the distance from the center of eyeball rotation to the center of corneal curvature, and measure the gaze direction of the subject A process.
本発明の第4の観点に係る視線計測装置は、
被験者の角膜に光を照射する第1の光源及び第2の光源と、
前記第1の光源及び前記第2の光源から照射された光が角膜で反射してレンズの光学中心を通過する反射光をそれぞれ第1の反射像及び第2の反射像として撮像領域内に投影する撮影装置と、
被験者が視角が既知である3点を注視し、各点についてそれぞれ、前記第1の光源、前記レンズの光学中心、及び、前記第1の反射像を含む第1の平面と、前記第2の光源、前記レンズの光学中心、及び、前記第2の反射像を含む第2の平面とを求め、前記第1の平面と前記第2の平面との交線を角膜曲率中心を通過する直線として求める手段と、眼球回転中心を頂点とし3点の角膜曲率中心からなる三角形を底面とする第1の三角錐を仮定し、レンズの光学中心を頂点とし3点の角膜曲率中心からなる三角形を底面とする第2の三角錐を仮定し、眼球回転中心から角膜曲率中心までの距離を正規化することよって同一の前記三角形を底面とする前記第1の三角錐と前記第2の三角錐との幾何学的解析を行って前記眼球回転中心の位置を求める手段と、被験者が任意の点を注視した場合に、前記第1の平面と前記第2の平面を求めて角膜曲率中心を通る直線を求め、求めた直線と眼球回転中心から角膜曲率中心までの距離を眼球半径で正規化した眼球回転中心を中心とする球との交点と眼球回転中心とを結ぶ直線を求め、被験者の視線方向を計測する手段と、を有する演算装置と、を備える、
ことを特徴とする。
The line-of-sight measurement apparatus according to the fourth aspect of the present invention is:
A first light source and a second light source for irradiating the subject's cornea with light;
The light irradiated from the first light source and the second light source is reflected by the cornea and reflected light passing through the optical center of the lens is projected into the imaging region as a first reflected image and a second reflected image, respectively. An imaging device to
The subject gazes at three points whose viewing angles are known, and for each point, the first light source, the optical center of the lens, the first plane including the first reflected image, and the second A light source, an optical center of the lens, and a second plane including the second reflected image are obtained, and a line of intersection between the first plane and the second plane is defined as a straight line passing through the corneal curvature center. Assuming that the first triangular pyramid has a triangular shape with the center of eyeball rotation as the apex and the triangle composed of three corneal curvature centers as the bottom, and the triangle with the optical center of the lens as the apex and consisting of the three corneal curvature centers as the bottom Assuming a second triangular pyramid, and normalizing the distance from the center of eyeball rotation to the corneal curvature center, the first triangular pyramid having the same triangle as the bottom surface and the second triangular pyramid Geometric analysis is performed to find the position of the eyeball rotation center Means, and when the subject gazes at an arbitrary point, the first plane and the second plane are obtained to obtain a straight line passing through the corneal curvature center, and the obtained straight line and the eyeball rotation center to the corneal curvature center are obtained. An arithmetic unit having a means for obtaining a straight line connecting an intersection of a sphere centered on an eyeball rotation center with a distance normalized by an eyeball radius and an eyeball rotation center, and measuring a subject's gaze direction,
It is characterized by that.
本発明に係る視線計測方法では、被験者に3点を注視させるだけで容易にキャリブレーションをとることができる。また、2つの光源と1台のカメラ、或いは、1台のカメラのみで、被験者の視線を計測することができるので、小型の視線計測装置も実現できる。このため被験者への負担も軽減できる。 In the line-of-sight measurement method according to the present invention, calibration can be easily performed simply by having a subject gaze at three points. In addition, since the gaze of the subject can be measured with only two light sources and one camera, or only one camera, a small gaze measuring device can be realized. For this reason, the burden on the subject can be reduced.
(実施の形態1)
実施の形態1に係る視線計測方法及び視線計測装置について説明する。図1に、一例として、視線計測方法を実現するために用いられ得る視線計測装置1を示している。視線計測装置1は、CCDカメラ等、被験者の眼球を撮像可能な撮像装置10と、撮像した画像情報から被験者の視線方向を演算する演算装置11と、撮像した画像情報を演算装置11に送信する送信ライン12とを備える。本例は、撮像装置10が眼鏡13に設置された眼鏡タイプであり、被験者の眼球と撮像装置10との位置関係が計測中に変動し難いことから好適に利用され得る。
(Embodiment 1)
The line-of-sight measurement method and line-of-sight measurement apparatus according to
また、眼鏡レンズ13aは、外界の像と表示素子からの情報像を重ね合わせて同時に観察できるよう、透過型ディスプレイが組み込まれた構成とすることもできる。
Further, the
上記の視線計測装置1における視線の計測については、以下の視線計測方法を参照する。
For the gaze measurement in the
実施の形態1に係る視線計測方法は、予め被験者の眼球表面上の任意の特徴点を3点以上抽出し、視線方向と眼球との交点と特徴点との位置関係を求めておき、撮像装置で眼球を撮像し、撮像した画像上の特徴点の位置に基づいて、被験者の視線方向を計測する方法である。
The line-of-sight measurement method according to
図を参照しつつ、視線計測の原理について説明する。図2にレンズの光学中心を原点とするカメラ座標系を示す。眼球は真球であり、ある一点(眼球回転中心Oc)を中心に回転するものとする。また、使用するカメラの内部パラメータ(画像中心、焦点距離、画素サイズ)は事前のキャリブレーションにより既知とし、撮像面上、例えば、CCD(Charge Coupled Device)面上に投影された特徴点の3次元位置が画像座標から求まるとする。 The principle of gaze measurement will be described with reference to the drawings. FIG. 2 shows a camera coordinate system with the optical center of the lens as the origin. It is assumed that the eyeball is a true sphere and rotates around a certain point (eyeball rotation center O c ). Also, internal parameters (image center, focal length, pixel size) of the camera to be used are known by prior calibration, and the three-dimensional feature points projected on the imaging surface, for example, on a CCD (Charge Coupled Device) surface Assume that the position is obtained from image coordinates.
眼球の撮影画像に含まれる毛細血管のパターンなどから、画像処理により眼球表面上の3点の特徴点を抽出する。そして、これらの特徴点の位置から眼球回転中心Oc、及び、注視線(注視点と眼球回転中心Ocを結ぶ直線)と眼球表面の交点(視線ベクトルの先端)の位置を計測する。カメラに対する視線の水平・垂直方向は、眼球回転中心Ocと上記の交点を結ぶ視線ベクトルから計算される。視線まわりの回転角(torsion)は、視線ベクトルに対する特徴点の位置から計算される、 Three feature points on the eyeball surface are extracted by image processing from a capillary blood vessel pattern or the like included in the photographed image of the eyeball. Then, the eyeball rotation center from the positions of these feature points O c, and measures the position of an intersection of the line of sight (fixation point and connecting the eyeball rotation center O c line) and ocular surface (tip of the sight line vector). The horizontal and vertical directions of the line of sight with respect to the camera are calculated from the line-of-sight vector connecting the eyeball rotation center Oc and the above intersection. The rotation angle around the line of sight is calculated from the position of the feature point with respect to the line-of-sight vector.
カメラ座標系における眼球表面上の特徴点の位置ベクトルPi(i=1,2,3)は、CCD面上に投影された特徴点に向かうベクトルpi=(xi,yi,z)と未知パラメータKi(レンズ光学中心OとPiとの距離が、レンズ光学中心Oとpiとの距離のKi倍と定義)、及び、眼球回転中心のベクトルOcからそれぞれの特徴点に向かうベクトルriを用いて式(1)で表わすことができる
ベクトルPi=Ki・ベクトルpi=ベクトルOc+ベクトルri (1)
The position vector P i (i = 1, 2, 3) of the feature point on the eyeball surface in the camera coordinate system is a vector p i = (x i , y i , z) toward the feature point projected on the CCD plane. the unknown parameters K i (distance between the lens optical center O and P i is, K i times the definition of the distance between the lens optical center O and p i), and each of the feature points from the vector O c of the eyeball rotation center the vector r i towards using vector can be represented by the formula (1) P i = K i · vector p i = vector O c + vector r i (1)
次に、眼球の回転運動が生じると、図3に示すように、回転前の特徴点ベクトルPiは回転後の特徴点ベクトルQiに、CCD面上に投影された特徴点ベクトルpiはベクトルqiに移動する。このとき、特徴点ベクトルQiはベクトルqiと未知パラメータJi(レンズ光学中心OとベクトルQiとの距離が、レンズ光学中心Oとベクトルqiとの距離のJi倍と定義)、回転中心ベクトルOcからベクトルqiに向かうベクトルti、及び、回転行列Aを用いて式(2)で表わされる。
ベクトルQi=Ji・ベクトルqi=ベクトルOc+ベクトルti
=ベクトルOc+回転行列A・ベクトルri (2)
Next, when the rotational movement of the eyeball occurs, as shown in FIG. 3, the feature point vector P i before rotation is converted into the feature point vector Q i after rotation, and the feature point vector p i projected onto the CCD surface is Move to vector q i . In this case, the feature point vector Q i (defined as J i times the distance between the distance between the lens optical center O and a vector Q i is the lens optical center O and the vector q i) vector q i and the unknown parameters J i, This is expressed by Expression (2) using a vector t i from the rotation center vector O c to the vector q i and a rotation matrix A.
Vector Q i = J i · vector q i = vector O c + vector t i
= Vector O c + rotation matrix A · vector r i (2)
眼球回転中心のベクトルOc、未知パラメータKi及びJiを眼球半径を1として正規化したものをそれぞれベクトルOn、K’i、J’iとする。そして、眼球の回転前後で眼球の半径は変わらないから、式(1)、(2)より、式(3)、(4)が導かれる。
|K’i・ベクトルpi−ベクトルOn|2=1 (3)
|J’i・ベクトルqi−ベクトルOn|2=1 (4)
Vector of the eyeball rotation center O c, the unknown parameters K i and J i the ones obtained by normalizing the eyeball radius as a respective vector O n, K 'i, J ' is set to i. Since the radius of the eyeball does not change before and after the rotation of the eyeball, the expressions (3) and (4) are derived from the expressions (1) and (2).
| K ′ i · vector p i −vector O n | 2 = 1 (3)
| J ′ i · vector q i −vector O n | 2 = 1 (4)
式3及び式4をそれぞれについて解くことで、未知パラメータK’i、J’iは、ベクトルOnを用いて次式(5)、(6)で表わされる。
各特徴点の相互の位置関係は、眼球の回転前後によっても不変であるため、眼球の半径を1として正規化された3つの特徴点のそれぞれの距離の関係から次式(7)、(8)、()9が得られる。
|K’1・ベクトルp1−K’2・ベクトルp2|2
=|J’1・ベクトルq1−J’2・ベクトルq2|2 (7)
|K’2・ベクトルp2−K’3・ベクトルp3|2
=|J’2・ベクトルq2−J’3・ベクトルq3|2 (8)
|K’3・ベクトルp3−K’1・ベクトルp1|2
=|J’3・ベクトルq3−J’1・ベクトルq1|2 (9)
Since the mutual positional relationship between the feature points is unchanged even before and after the rotation of the eyeball, the following equations (7) and (8) are obtained from the relationship between the distances of the three feature points normalized with the eyeball radius set to 1. ), () 9 are obtained.
| K ′ 1 · vector p 1 −K ′ 2 · vector p 2 | 2
= | J ′ 1 · vector q 1 −J ′ 2 · vector q 2 | 2 (7)
| K ′ 2 · vector p 2 −K ′ 3 · vector p 3 | 2
= | J ′ 2 · vector q 2 −J ′ 3 · vector q 3 | 2 (8)
| K ′ 3 · vector p 3 −K ′ 1 · vector p 1 | 2
= | J ′ 3 · vector q 3 −J ′ 1 · vector q 1 | 2 (9)
式(5)〜(9)から、9個のスカラー方程式が得られるので、これらを解くことで、眼球の回転中心ベクトルOnが求められる。更に、未知パラメータK1’〜K3’、J1’〜J3’も求められる。 From equation (5) to (9), since nine scalar equations is obtained by solving these, the rotational center vector O n of the eye is obtained. Furthermore, unknown parameters K 1 ′ to K 3 ′, J 1 ′ to J 3 ′ are also obtained.
上記のように、眼球半径で正規化された特徴点の回転前後の位置ベクトルP’i、ベクトルQ’iは、K’i、J’iが決定されたため、K’i、J’iを用い、式(10)、(11)により求めることができる。
ベクトルP’i=K’i・ベクトルpi (10)
ベクトルQ’i=J’i・ベクトルqi (11)
As described above, the position vector P 'i, the vector Q' before and after rotation of the normalized feature points eyeball radius i is, K 'i, J' because i is determined, K 'i, J' and i And can be obtained by equations (10) and (11).
Vector P ′ i = K ′ i · vector p i (10)
Vector Q ′ i = J ′ i · vector q i (11)
したがって、眼球の回転前後の特徴点の正規化後の位置がすべて決定される。 Therefore, all the normalized positions of the feature points before and after the eyeball rotation are determined.
眼球回転中心の位置ベクトルOnに対する回転前後の正規化された特徴点の位置ベクトルr’i、t’iについても、上記の未知パラメータが定まったため、式(1)、(2)より求められる。 Since the position vector r 'i, t' of the normalized feature points before and after the rotation with respect to the position vector O n of the eyeball rotation center for even i, said unknown parameters is determined, Equation (1), obtained from (2) .
また、回転前の特徴点の位置ベクトルR=(r’1,r’2,r’3)T、回転後の位置ベクトルT=(t’1,t’2,t’3)Tとおくと、眼球回転前後の特徴点は回転行列Aを用いて次式(12)で表わされる。
T=AR (12)
Further, a position vector R = (r ′ 1 , r ′ 2 , r ′ 3 ) T of the feature point before rotation, and a position vector T = (t ′ 1 , t ′ 2 , t ′ 3 ) T after rotation. The feature points before and after the eyeball rotation are expressed by the following equation (12) using the rotation matrix A.
T = AR (12)
上式より、回転行列Aが求まった結果、眼球の回転軸の方向ベクトルnおよび回転角φが決まる。 As a result of obtaining the rotation matrix A from the above equation, the direction vector n and the rotation angle φ of the rotation axis of the eyeball are determined.
続いて、視線方向ベクトルと特徴点との関係を求める。 Subsequently, the relationship between the line-of-sight direction vector and the feature point is obtained.
これまでに眼球の姿勢Pと姿勢Qにおける眼球表面上の3点の特徴点の位置をそれぞれカメラで計測することによって、眼球の半径を1として正規化した座標系における眼球回転中心のベクトルOn、眼球表面の特徴点の位置ベクトルr’i及び姿勢P’からQ’への回転行列Aが決定できることを示した。 Up to now, the positions of the three feature points on the eyeball surface in the posture P and the posture Q of the eyeball are respectively measured by the camera, whereby the vector O n of the eyeball rotation center in the coordinate system normalized with the eyeball radius set to 1 It has been shown that a position vector r ′ i of feature points on the eyeball surface and a rotation matrix A from posture P ′ to Q ′ can be determined.
しかし、回転行列Aが与えられても、視線の回転角が与えられるわけではない。なぜならば、3つの特徴点の位置と視線方向の関係が与えられていないからである。ここでは、3つの注視点(各視標間の視角は既知)を選ぶことにより、各注視点に対する特徴点位置の計測結果から、視線方向と特徴点の位置関係を求めることが可能であることを示す。 However, even if the rotation matrix A is given, the rotation angle of the line of sight is not given. This is because the relationship between the positions of the three feature points and the line-of-sight direction is not given. Here, it is possible to determine the positional relationship between the line-of-sight direction and the feature point from the measurement result of the feature point position with respect to each gazing point by selecting three gazing points (the viewing angle between each target is known). Indicates.
まず、任意の3つの注視点A,B,CをA→B→C→Aの順番に注視したときの視線回転角を、それぞれθi(i=1,2,3)とする。なお、その際に対応する回転行列、軌跡円の中心ベクトル、軌跡円の半径、視線回転角、眼球回転軸、眼球回転角をそれぞれ表1に示している。
First, let θ i (i = 1, 2, 3) be the line-of-sight rotation angles when any three gazing points A, B, C are watched in the order of A → B → C → A. Table 1 shows the rotation matrix, the center vector of the locus circle, the radius of the locus circle, the line-of-sight rotation angle, the eyeball rotation axis, and the eyeball rotation angle corresponding to the rotation matrix.
視線を注視点AからBに移すとき、視線ベクトルの先端は、図4に示すように、ベクトルF1からベクトルF2に移動する。このとき視線回転角∠F1OnF2=θ1、眼球回転角∠F1O1F2=φ1となる。視線ベクトルの先端が移動する軌跡円は半径がR’1で、眼球回転軸の方向ベクトルn1を法線ベクトルとする円(軌跡円の中心ベクトルO1)である。
When moving the line of sight from the fixation point A to B, the tip of the line-of-sight vector, as shown in FIG. 4, to move from the vector F 1 to the vector F 2. In this case the line of
同様に、視線をB→Cに移すときにも視線ベクトルの先端が移動する軌跡円(軌跡円の中心ベクトルO2)が存在する。また、同様に、視線をC→Aに移すときにも視線ベクトルの先端が移動する軌跡円(軌跡円の中心ベクトルO3)が存在する。 Similarly, when the line of sight is shifted from B to C, there is a locus circle (the center vector O 2 of the locus circle) in which the tip of the line-of-sight vector moves. Similarly, there is a locus circle (the center vector O 3 of the locus circle) in which the tip of the line-of-sight vector moves when the line of sight is shifted from C to A.
このように、視線を注視点AからB、BからC、CからAに移すことにより、合計3つの視線ベクトルの先端が移動する軌跡円が求められ、3つの軌跡円の交点が1点求められる。したがって、眼球回転中心Onからこの3つの軌跡円の交点へのベクトルが視線ベクトルとなる。 In this way, by moving the line of sight from the gazing point A to B, from B to C, and from C to A, a trajectory circle in which the tip of a total of three gaze vectors moves is obtained, and one intersection of the three trajectory circles is obtained. It is done. Accordingly, the vector from the eyeball rotation center O n the intersection of the three circular path is line-of-sight vector.
3つの軌跡円の中心ベクトルOiは回転軸の方向ベクトルniと半径R’iを用いて次式で表わされる。
ベクトルOi=ベクトルOn+L’i・ベクトルni (13)
|ベクトルOi−ベクトルOn|2=1−R’i 2 (14)
The center vector O i of the three trajectory circles is expressed by the following equation using the direction vector n i of the rotation axis and the radius R ′ i .
Vector O i = vector O n + L ′ i · vector n i (13)
| Vector O i −Vector O n | 2 = 1−R ′ i 2 (14)
ここでL’iは未知パラメータであり、軌跡円の半径R’iがわかれば、3つの軌跡円の中心ベクトルOiを決定できる。そして、軌跡円の中心ベクトルOiの半径R’iは、視線ベクトルの回転角θiと眼球回転角φiの関係から求まる。
ここで、正規化座標系において、眼球半径R=1、視線ベクトルの回転角θiは既知であり、眼球回転角φiは回転前後の特徴点の位置から与えられる。
Here, L ′ i is an unknown parameter, and if the radius R ′ i of the locus circle is known, the center vector O i of the three locus circles can be determined. The radius R ′ i of the center vector O i of the locus circle is obtained from the relationship between the rotation angle θ i of the line-of-sight vector and the eyeball rotation angle φ i .
Here, in the normalized coordinate system, the eyeball radius R = 1, the line-of-sight vector rotation angle θ i is known, and the eyeball rotation angle φ i is given from the position of the feature point before and after the rotation.
そして、3つの注視点をA→B→C→Aの順番に注視した後の3つの軌跡円の中心ベクトルO’iは次式(16)、(17)、(18)で表わされる。
O’1=A3A2O1 (16)
O’2=A3O2 (17)
O’3=O3 (18)
ここで、回転行列A1、A2、A3は、表1に示したように、それぞれA→B、B→C、C→Aの視線移動に対応している。
The center vectors O ′ i of the three trajectory circles after the three gazing points are observed in the order of A → B → C → A are expressed by the following equations (16), (17), and (18).
O ′ 1 = A 3 A 2 O 1 (16)
O ′ 2 = A 3 O 2 (17)
O ′ 3 = O 3 (18)
Here, as shown in Table 1, the rotation matrices A 1 , A 2 , and A 3 correspond to line-of-sight movements of A → B, B → C, and C → A, respectively.
そして、視線ベクトルの先端Fは3つの軌跡円の交点として次式により求まる。
|ベクトルF−ベクトルO’1|2=R’1 2 (19)
|ベクトルF−ベクトルO’2|2=R’2 2 (20)
|ベクトルF−ベクトルO’3|2=R’3 2 (21)
|ベクトルF−On|2=1 (22)
And the front-end | tip F of a gaze vector is calculated | required by following Formula as an intersection of three locus | trajectory circles.
| Vector F−Vector O ′ 1 | 2 = R ′ 1 2 (19)
| Vector F−Vector O ′ 2 | 2 = R ′ 2 2 (20)
| Vector F−Vector O ′ 3 | 2 = R ′ 3 2 (21)
| Vector F−O n | 2 = 1 (22)
以上より、視線の方向ベクトルGは次式で与えられる。
ベクトルF=ベクトルP’+ベクトルΔF (23)
ベクトルG=ベクトルF−ベクトルOn (24)
ここで、ベクトルΔFは注視点Aを注視しているときの特徴点ベクトルP’から見たベクトルFへの方向ベクトルであり、視線方向と特徴点の位置関係を表わす。
From the above, the line-of-sight direction vector G is given by the following equation.
Vector F = Vector P ′ + Vector ΔF (23)
Vector G = vector F- vector O n (24)
Here, the vector ΔF is a directional vector from the feature point vector P ′ to the vector F when the gazing point A is being watched, and represents the positional relationship between the line-of-sight direction and the feature point.
したがって、最初にベクトルΔFを求めさえすれば、以降は特徴点の計測結果から視線ベクトルを計算することができる。視線ベクトルが求まったことによって、視線まわりの回転角(torsion)は視線ベクトルに対する特徴点の位置から容易に求まる。 Accordingly, if the vector ΔF is first obtained, the line-of-sight vector can be calculated from the measurement result of the feature points thereafter. By obtaining the line-of-sight vector, the rotation angle around the line of sight can be easily obtained from the position of the feature point with respect to the line-of-sight vector.
このように、本実施の形態に係る視線計測方法では、眼球表面上の特徴点3点と視線の方向ベクトルとの関係が求められるため、カメラで3点の特徴点を撮像することにより、視線の方向を計測することができる。また、被験者に3点の注視点を順に注視させるだけで、眼球表面上の特徴点3点と視線の方向ベクトルとの関係が求められるので、キャリブレーションが容易である。また、カメラ1台だけで視線計測ができるので、これを用いた計測システムの小型化を実現し得る。このため、被験者に掛かる負担も小さくなる。 As described above, in the visual line measurement method according to the present embodiment, since the relationship between the three feature points on the eyeball surface and the direction vector of the visual line is obtained, the visual line is obtained by imaging the three feature points with the camera. Can be measured. Further, the calibration is easy because the relationship between the three feature points on the eyeball surface and the direction vector of the line of sight is obtained simply by having the subject gaze at the three gaze points in order. In addition, since the line of sight can be measured with only one camera, it is possible to reduce the size of the measurement system using this. For this reason, the burden placed on the subject is also reduced.
(検証実験)
本実施の形態に係る視線計測方法の有用性を検証するために、特徴点として3点の印をつけたガラス球(直径15mm)を用いて計測実験を行った。ガラス球の回転中心と光学ステージの中心が一致するように光学系を設置し、ガラス球を水平、垂直角度ともに±20degの範囲で10degごとに回転させたときの特徴点座標からガラス球の回転角度の計測を行った。
(Verification experiment)
In order to verify the usefulness of the line-of-sight measurement method according to the present embodiment, a measurement experiment was performed using glass spheres (diameter: 15 mm) marked with three points as feature points. An optical system is installed so that the center of rotation of the glass sphere coincides with the center of the optical stage, and the rotation of the glass sphere from the feature point coordinates when the glass sphere is rotated every 10 degrees within a range of ± 20 deg in both horizontal and vertical angles. Angle measurement was performed.
図5に、光学ステージを水平方向、垂直方向それぞれ−20degから20degまで手動で回転させたときの測定した回転角度の計測結果を示す。25点のターゲットに対する眼球回転角φに基づくガラス球の回転角度計測の結果、位置誤差は0.1〜1.1degと小さく、十分実用可能であることを立証した。 FIG. 5 shows a measurement result of the rotation angle measured when the optical stage is manually rotated from −20 deg to 20 deg in each of the horizontal direction and the vertical direction. As a result of measuring the rotation angle of the glass sphere based on the eyeball rotation angle φ with respect to 25 targets, the position error was as small as 0.1 to 1.1 deg.
(実施の形態2)
実施の形態2に係る視線計測方法及び視線計測装置について説明する。図6に、一例として、実施の形態2に係る視線計測方法を実現するために用いられ得る視線計測装置2を示している。視線計測装置1は、被験者の角膜に光を照射するLED等の2つの光源14、15と、角膜で反射したそれぞれの反射光を反射像として撮像するCCDカメラ等の撮像装置10と、撮像した画像情報から被験者の視線方向を演算する演算装置11と、撮像した画像情報を演算装置11に送信する送信ライン12とを備える。本例は、撮像装置10、2つの光源14、15が眼鏡13に設置された眼鏡タイプでる。被験者の眼球と撮像装置10との位置関係が視線の計測中に変動し難いことから好適に利用され得る。
(Embodiment 2)
A line-of-sight measurement method and a line-of-sight measurement apparatus according to
また、図7に示すように、眼鏡レンズ13aとして外界からの可視光を透過させる波長選択性のある反射鏡(例えば、HOE:Holographic Optical Element)を用い、撮像装置10及び光源14、15を眼鏡レンズ13a上面に設置してもよい。矢印に示すように、光源14、15から光は、眼鏡レンズ13aで反射して角膜に照射され、角膜反射像の眼球運動に伴う位置変化を、同じ眼鏡レンズ13aを介して撮像装置10で撮像することができる。装置の小型軽量化が達成できるとともに、被験者の視界を遮らないようにできるので、被計測者の心理状態や行動を妨げることなく視線位置を客観的に知ることが可能となる。
Further, as shown in FIG. 7, a wavelength-selective reflecting mirror that transmits visible light from the outside as the
また、眼鏡レンズ13aは、外界の像と表示素子からの情報像を重ね合わせて同時に観察できるよう、透過型ディスプレイが組み込まれた構成とすることもできる。
Further, the
更に、被験者の注視点が外界のどこに位置しているのかを3次元的に計測することもできる。上述のように、眼鏡レンズ13a内に作成された約45度の傾きの反射鏡(例えば、HOE)を介し、眼鏡レンズ13aから投射された光源による角膜反射像の眼球運動に伴う位置変化を、眼鏡レンズ13a上面に取り付けた撮像装置10で2次元的に計測することにより、瞬時の視線方向を計測することができる。そして、上記のセットを眼鏡13の両レンズに設置し、各眼の水平・垂直視線方向の同時測定値から両眼視線の交点(注視点位置)を計測することもできる。なお、光学系の構成によっては1セットのみで両眼の視線を計測することも可能である。そして、外界の像は、眼鏡13の両眼中点に別途撮像装置を設置して撮像し、また、計測された視線方向と外界の位置を関連付ける(計測値の較正)ため、眼鏡レンズ13a内に設置したHOEによるディスプレイに計測した視線位置を光点として表示し、被験者が注視した位置と一致するようフィードバックをかけて、計測値と真値の対応付けを行うこともできる。
Furthermore, it is possible to measure three-dimensionally where the subject's gazing point is located in the outside world. As described above, the positional change accompanying the eye movement of the corneal reflection image by the light source projected from the
視線計測装置2における視線の計測については、以下の視線計測方法を参照する。
For the measurement of the line of sight in the line-of-
実施の形態2に係る視線計測方法は、被験者に視角が既知である3点を注視させ、各点についてそれぞれ、第1の光源から被験者の角膜に光を照射し、角膜で反射した反射光がレンズの光学中心を通過させて撮像領域に第1の反射像を投影し、第1の光源、レンズの光学中心、及び、第1の反射像を含む第1の平面を求め、また、第2の光源から角膜に光を照射し、角膜で反射した反射光がレンズの光学中心を通過させて撮像領域に第2の反射像を投影し、第2の光源、レンズの光学中心、及び、第2の反射像を含む第2の平面を求め、第1の平面と第2の平面との交線を角膜曲率中心を通過する直線として求める工程と、眼球回転中心を頂点とし3点の角膜曲率中心からなる三角形を底面とする第1の三角錐を仮定し、また、レンズの光学中心を頂点とし3点の角膜曲率中心からなる三角形を底面とする第2の三角錐を仮定し、眼球回転中心から角膜曲率中心までの距離を正規化することよって同一の三角形を底面とする第1の三角錐と第2の三角錐との幾何学的解析を行って眼球回転中心の位置を求める工程と、被験者に任意の点を注視させ、上記の角膜曲率中心を通過する直線を求める工程を行って、角膜曲率中心を通過する直線を求める工程と、求めた直線と眼球回転中心から角膜曲率中心までの距離を眼球半径で正規化した眼球回転中心を中心とする球との交点と眼球回転中心とを結ぶ直線を求め、被験者の視線方向を計測する工程と、から構成される。
The line-of-sight measurement method according to
図を参照しつつ、視線計測方法の原理について説明する。図8にカメラレンズの光学中心Oを原点とするカメラ座標系を示している。2つの異なる位置にある点光源LED1、LED2から、角膜へ向けて赤外光を発すると、2つの正立の虚像(プルキニエ・サンソン像)が角膜後方にできる。カメラでこれら2つの角膜反射像P1,P2を撮影することにより、角膜曲率中心及び眼球回転中心の位置を計測し、これら2点を結ぶ直線として視線方向を算出する。なお、角膜は完全な球の一部とし、眼球はある一点を中心に回転するものとする。 The principle of the line-of-sight measurement method will be described with reference to the drawings. FIG. 8 shows a camera coordinate system with the optical center O of the camera lens as the origin. When infrared light is emitted toward the cornea from the point light sources LED1 and LED2 at two different positions, two erecting virtual images (Purkinje-Sanson images) are formed behind the cornea. By taking these two corneal reflection images P1 and P2 with a camera, the positions of the corneal curvature center and the eyeball rotation center are measured, and the gaze direction is calculated as a straight line connecting these two points. It is assumed that the cornea is a part of a complete sphere, and the eyeball rotates around a certain point.
まず、角膜反射像位置の算出について説明する。最初に撮影画像から各光源LED1,LED2に対応する角膜反射像の領域を抽出する。次に撮影画像上における角膜反射像Pの位置(xp、yp)は、式1及び式2に示すように、各画素の輝度値を用いて反射像領域の重心を計算することにより決定される。なお、式1及び式2中、反射像領域の左下の座標を(xl,yl)、右上の座標を(xr,xr)とし、f(x,y)を画像上の座標(x,y)における輝度値としている。
First, calculation of the corneal reflection image position will be described. First, a cornea reflection image region corresponding to each of the light sources LED1 and LED2 is extracted from the photographed image. Next, the position (x p , y p ) of the cornea reflection image P on the photographed image is determined by calculating the center of gravity of the reflection image region using the luminance value of each pixel as shown in
次に、カメラ座標系における光源の角膜反射像位置P(x’p,y’p,z’p)は次式で表すことができる。
x’p=μx(xp−xc) (3)
y’p=μx(yp−yc) (4)
z’p=D (5)
ここで、μx,μyは、変換係数であり、画素サイズに相当する。xc,ycはレンズの光軸と撮像面(例えば、CCD面)との交点であり、画像中心の位置である。Dは画像中心から光学中心までの距離である。これらはいずれもカメラ固有の既知の定数である。
Next, the corneal reflection image position P (x ′ p , y ′ p , z ′ p ) of the light source in the camera coordinate system can be expressed by the following equation.
x ′ p = μx (x p −x c ) (3)
y ′ p = μx (y p −y c ) (4)
z ′ p = D (5)
Here, μ x and μ y are conversion coefficients and correspond to the pixel size. x c and y c are intersections between the optical axis of the lens and the imaging surface (for example, a CCD surface), and are positions at the center of the image. D is the distance from the image center to the optical center. These are all known constants specific to the camera.
続いて、図9を参照しつつ、角膜曲率中心を通る直線の算出を行う。 Subsequently, a straight line passing through the corneal curvature center is calculated with reference to FIG.
眼球に近赤外光を照射したとき、光源位置、レンズ光学中心、CCD面上に投影された角膜反射像の位置及び角膜曲率中心の4点は、同一平面上に位置する。光源1点につき、角膜反射像、レンズ光学中心、光源の3点からなる平面が1つ定まる。位置の異なる2個の光源L1,L2を用いると、それぞれ上記3点が含まれる平面が2つ定まる。 When the eyeball is irradiated with near-infrared light, the light source position, the lens optical center, the position of the corneal reflection image projected on the CCD surface, and the corneal curvature center are located on the same plane. For each light source, one plane consisting of the cornea reflection image, the lens optical center, and the light source is determined. When two light sources L1 and L2 having different positions are used, two planes each including the three points are determined.
この2つの平面の交線は、レンズ光学中心を通って角膜曲率中心ベクトルQ(q)に向かう直線となる。 The intersecting line between the two planes is a straight line passing through the lens optical center toward the corneal curvature center vector Q (q).
光学中心をO、2つの光源L1(ベクトルl1)、L2(ベクトルl2)それぞれの光源反射像位置をP1(ベクトルp1)、P2(ベクトルp2)とする。そして、L1、O、P1でなす平面に垂直なベクトルn1と、L2、O、P2でなす平面に垂直な法線ベクトルn2を式(6)、(7)よりそれぞれ求める。
ベクトルn1=(ベクトルp1−ベクトルo)×(ベクトルl1−ベクトルo) (6)
ベクトルn2=(ベクトルp2−ベクトルo)×(ベクトルl2−ベクトルo) (7)
The optical center is O, and the light source reflection image positions of the two light sources L1 (vector l 1 ) and L2 (vector l 2 ) are P 1 (vector p 1 ) and P 2 (vector p 2 ). Then, a vector n 1 perpendicular to the plane formed by L 1 , O, and P 1 and a normal vector n 2 perpendicular to the plane formed by L 2 , O, and P 2 are obtained from equations (6) and (7), respectively. .
Vector n 1 = (vector p 1 -vector o) × (vector l 1 -vector o) (6)
Vector n 2 = (vector p 2 −vector o) × (vector l 2 −vector o) (7)
式(8)に示すように、ベクトルn1とベクトルn2の外積から、交線の方向ベクトルvが求まる。
ベクトルv=ベクトルn1×ベクトルn2 (8)
As shown in the equation (8), the intersection direction vector v is obtained from the outer product of the vector n 1 and the vector n 2 .
Vector v = vector n 1 × vector n 2 (8)
交線mは、光学中心ベクトルO(o)とパラメータKを用いることにより、式(9)で表される。
ベクトルm=ベクトルo+K・ベクトルv (9)
The intersection line m is expressed by Expression (9) by using the optical center vector O (o) and the parameter K.
Vector m = vector o + K · vector v (9)
続いて、眼球回転中心位置の算出を行う。眼球回転中心は、図10に示すように、視角が既知である3点の注視点と角膜曲率中心を通る3本の直線から求めることができる。 Subsequently, the eyeball rotation center position is calculated. As shown in FIG. 10, the eyeball rotation center can be obtained from three gazing points with known viewing angles and three straight lines passing through the corneal curvature center.
3点の視覚目標を順番に注視したときの角膜曲率中心の位置をQ1,Q2,Q3とすると、それらの位置は、式9より、3つの未知のパラメータK1,K2,K3を用いることで次式(10)〜(12)のように表すことができる。
ベクトルq1=ベクトルo+K1・ベクトルv1 (10)
ベクトルq2=ベクトルo+K2・ベクトルv2 (11)
ベクトルq3=ベクトルo+K3・ベクトルv3 (12)
Assuming that the positions of the corneal curvature centers when the three visual targets are looked at in turn are Q 1 , Q 2 , and Q 3 , these positions are represented by three unknown parameters K 1 , K 2 , and K from Equation 9. By using 3 , it can be expressed as the following formulas (10) to (12).
Vector q 1 = vector o + K 1 · vector v 1 (10)
Vector q 2 = vector o + K 2 · vector v 2 (11)
Vector q 3 = vector o + K 3 · vector v 3 (12)
ここで、3つの角膜曲率中心位置Q1,Q2,Q3と、眼球回転中心位置ベクトルE(e)を結ぶ直線同士がなす角をそれぞれφ1,φ2,φ3とし、眼球回転中心と角膜曲率中心との距離をRとすると、三角形Q1,Q2,Q3における各辺の長さについて式(10)〜(12)を用い、次式(13)〜(15)で表すことができる。(13)〜(15)式中の左辺はそれぞれ眼球回転中心と2つ角膜曲率中心位置からなる三角形から算出される三角形Q1,Q2,Q3における各辺の長さであり、右辺はそれぞれレンズの光学中心と2つ角膜曲率中心位置からなる三角形から算出される三角形Q1,Q2,Q3における各辺の長さである。
Here, the angles formed by the straight lines connecting the three corneal curvature center positions Q 1 , Q 2 , Q 3 and the eyeball rotation center position vector E (e) are φ 1 , φ 2 , φ 3 , respectively. When the distance between the center of curvature of the cornea and the center of corneal curvature is R, the lengths of the sides in the triangles Q 1 , Q 2 , Q 3 are expressed by the following expressions (13) to (15) using Expressions (10) to (12). be able to. The left side in the equations (13) to (15) is the length of each side in the triangles Q 1 , Q 2 , Q 3 calculated from the triangle composed of the center of eyeball rotation and the two corneal curvature centers, and the right side is This is the length of each side in the triangles Q 1 , Q 2 , and Q 3 calculated from the triangle formed by the optical center of the lens and the center position of the two corneal curvatures.
式(13)〜(15)には、4つの未知パラメータ(R,K1,K2,K3)が含まれているため、このままでは解くことができない。そこで、上式の両辺をそれぞれR2で割り、
K1/R=K’1,K2/R=K’2,K3/R=K’3とそれぞれおくと、(13)〜(15)はそれぞれ、(16)〜(18)と表すことができる。
Since the equations (13) to (15) include four unknown parameters (R, K 1 , K 2 , K 3 ), they cannot be solved as they are. So, divide both sides of the above equation by R 2
When K 1 / R = K ′ 1 , K 2 / R = K ′ 2 , and K 3 / R = K ′ 3 are set, (13) to (15) are expressed as (16) to (18), respectively. be able to.
これをK’1,K’2,K’3について解くことで、眼球回転中心から角膜曲率中心までの距離Rで正規化された角膜曲率中心位置Q’1(ベクトルq’1),Q’2(ベクトルq’2),Q’3(ベクトルq’3)をそれぞれ求めることができる。 By solving this with respect to K ′ 1 , K ′ 2 , K ′ 3 , the corneal curvature center position Q ′ 1 (vector q ′ 1 ), Q ′ normalized by the distance R from the center of eyeball rotation to the corneal curvature center. 2 (vector q ′ 2 ) and Q ′ 3 (vector q ′ 3 ) can be obtained respectively.
正規化された角膜曲率中心E’(ベクトルe’)は、Q’1,Q’2,Q’3から等距離にあるので、以下の式より、E’(ベクトルe’)が定まる。なお、算出される2点のうちカメラからより遠い点をE’とする。
|ベクトルe’−ベクトルq’1|2=|ベクトルe’−ベクトルq’2|2
=|ベクトルe’−ベクトルq’3|2=1 (19)
Since the normalized corneal curvature center E ′ (vector e ′) is equidistant from Q ′ 1 , Q ′ 2 , and Q ′ 3 , E ′ (vector e ′) is determined from the following equation. Of the two calculated points, a point farther from the camera is E ′.
| Vector e′−vector q ′ 1 | 2 = | vector e′−vector q ′ 2 | 2
= | Vector e′−vector q ′ 3 | 2 = 1 (19)
視線方向を求めるにはE’(ベクトルe’)がわかれば十分であるが、もし半径Rが与えられるならば、実際の眼球回転中心位置E(ベクトルe’)も、次式より求めることもかのうである。
e=R・e’ (20)
It is sufficient to know E ′ (vector e ′) to obtain the line-of-sight direction, but if the radius R is given, the actual eyeball rotation center position E (vector e ′) can also be obtained from the following equation. It's ok.
e = R · e '(20)
続いて、角膜曲率中心位置の算出を行う。任意の視線位置における正規化された角膜曲率中心位置Q’(ベクトルq’)は、正規化された眼球回転中心位置を中心とする半径1の球と、反射像2点から求まる直線mとの交点であることから、K’が求まることにより、Q’(ベクトルq’)が定まる。
|ベクトルq’−ベクトルe’|2=1 (21)
ベクトルq’=K’・ベクトルv (22)
なお、算出される2つの交点のうちカメラにより近い点をQ’とする。
Subsequently, the corneal curvature center position is calculated. A normalized corneal curvature center position Q ′ (vector q ′) at an arbitrary line-of-sight position is a sphere having a radius of 1 centered on the normalized center of eyeball rotation and a straight line m obtained from two reflection images. Since K ′ is obtained from the intersection, Q ′ (vector q ′) is determined.
| Vector q′−vector e ′ | 2 = 1 (21)
Vector q ′ = K ′ · vector v (22)
A point closer to the camera among the two calculated intersections is defined as Q ′.
以上より、視線の方向ベクトルg’は、式23より求まる。
ベクトルg’=ベクトルq’−ベクトルe’ (23)
From the above, the line-of-sight direction vector g ′ is obtained from Equation 23.
Vector g ′ = vector q′−vector e ′ (23)
したがって、被験者が任意の点を見ている場合、上述した手法によって角膜曲率中心を通過する直線を求めることで、この直線と眼球回転中心から角膜曲率中心までの距離を眼球半径で正規化した球との交点が得られ、この交点と眼球回転中心とを結ぶ直線が得られるので、被験者の視線方向を計測することができる。 Therefore, when the subject is looking at an arbitrary point, a straight line that passes through the corneal curvature center by the above-described method is obtained, and the distance between this straight line and the center of eyeball rotation to the corneal curvature center is normalized by the eyeball radius. Is obtained, and a straight line connecting the intersection and the eyeball rotation center is obtained, so that the visual line direction of the subject can be measured.
なお、眼球半径Rが与えられるならば、角膜曲率中心と眼球回転中心を結ぶ視線ベクトルgは、ベクトルg’を用いて、式24により求めることもできる。
ベクトルg=R・ベクトルg’ (24)
If the eyeball radius R is given, the line-of-sight vector g connecting the center of corneal curvature and the center of eyeball rotation can also be obtained by Expression 24 using the vector g ′.
Vector g = R · Vector g ′ (24)
本実施の形態に係る視線計測方法では、視線の算出に必要な眼球回転中心位置は、視角が既知である3点の指標を注視することで得られるので、キャリブレーションが容易である。 In the line-of-sight measurement method according to the present embodiment, the eyeball rotation center position necessary for the line-of-sight calculation is obtained by gazing at three points with known visual angles, so that calibration is easy.
また、2つの角膜反射像の位置さえ検出できれば視線を計測できるため、画像処理の負担が軽減される結果、高速化及び低コスト化が期待できる。 In addition, since the line of sight can be measured as long as the positions of the two cornea reflection images can be detected, the burden of image processing is reduced, and as a result, high speed and low cost can be expected.
また、本実施の形態に係る視線計測方法では、1台のカメラと2つの光源があればよく、計測システムの小型化が容易であり、これらを眼鏡やHMD(Head Mount Display)と一体化させることで、頭部運動時にも視線位置精度を劣化させることなく視線検出を行うことが可能となる。 Further, in the line-of-sight measurement method according to the present embodiment, it is only necessary to have one camera and two light sources, and it is easy to reduce the size of the measurement system, and these are integrated with eyeglasses and HMD (Head Mount Display). Thus, it becomes possible to detect the line of sight without deteriorating the line-of-sight position accuracy even during head movement.
(検証実験)
実験環境を以下に示す。CCDカメラ(SONY株式会社製、XC−EI50)にマクロレンズ(VS Technology,VS−LD25)を装着し、角膜模型(直径15.4mmの光学ガラス球)を撮影した。
(Verification experiment)
The experimental environment is shown below. A macro lens (VS Technology, VS-LD25) was attached to a CCD camera (manufactured by Sony Corporation, XC-EI50), and a cornea model (optical glass sphere having a diameter of 15.4 mm) was photographed.
眼球の水平及び垂直回転を再現するため、光学ステージとして水平回転ステージ(シグマ光機株式会社製、水平方向に±180deg回転可能)とゴニオステージ(シグマ光機株式会社製、垂直方向に±30deg回転可能)を用いた。 In order to reproduce the horizontal and vertical rotation of the eyeball, the optical stage is a horizontal rotation stage (Sigma Kogyo Co., Ltd., capable of rotating ± 180 deg in the horizontal direction) and a gonio stage (Sigma Sigma Co., Ltd., vertical rotation of ± 30 deg). Possible).
両ステージの回転軸が一致した点を眼球の回転中心とし、生理学的知見に基づき眼球回転中心から5.3mm前方にガラス球を設置した。 The point where the rotational axes of both stages coincided was taken as the center of rotation of the eyeball, and based on physiological knowledge, a glass ball was placed 5.3 mm ahead of the center of eyeball rotation.
水平回転ステージの正面0deg方向はカメラの光軸方向とし、回転面はカメラの水平面と一致させた。 The front 0 deg direction of the horizontal rotation stage was the optical axis direction of the camera, and the rotation plane was made to coincide with the horizontal plane of the camera.
また、カメラの上部と側部にそれぞれ近赤外線LED(浜松ホトニクス株式会社製、波長880nm、発光径160μm)を設置し、可視光領域をカットするフィルタを通してガラス球からの反射光を撮影した。 Further, near-infrared LEDs (manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd., wavelength 880 nm, emission diameter 160 μm) were installed at the top and side of the camera, respectively, and the reflected light from the glass sphere was photographed through a filter that cuts the visible light region.
毎秒30フレームで撮影された画像(解像度640×480pixel)をキャプチャボード(株式会社バッファロー、CBP−AV)を介して画像処理用コンピュータに取り込み、反射像の位置を計算した。 Images captured at 30 frames per second (resolution: 640 × 480 pixels) were taken into an image processing computer via a capture board (Buffalo, Inc., CBP-AV), and the position of the reflected image was calculated.
そして、光学ガラス球を水平及び垂直回転させたときの反射像の位置から視線回転角を計算し、位置精度を検証した。 Then, the visual axis rotation angle was calculated from the position of the reflected image when the optical glass sphere was rotated horizontally and vertically, and the positional accuracy was verified.
続いて、検証方法について以下に示す。回転ステージ及びゴニオステージにより、水平±40deg、垂直±30degの範囲で角膜模型を回転させて、視線位置の計測を行った。それぞれのステージを水平方向、垂直方向に10deg刻みで回転させ、合計63点の視線位置における光源反射像位置を計測し、それぞれについて視線方向を求めた。 Next, the verification method is shown below. The corneal model was rotated within the range of horizontal ± 40 deg and vertical ± 30 deg by the rotation stage and the gonio stage, and the line-of-sight position was measured. Each stage was rotated in 10 deg increments in the horizontal and vertical directions, the light source reflection image positions at a total of 63 line-of-sight positions were measured, and the line-of-sight direction was determined for each.
なお、本検証では光学ステージを用いて水平角度と垂直角度で視線方向を与えたため、視線位置精度の評価を角度で行った。水平角度は、ステージの水平回転面に計測した視線ベクトルを投影したベクトルと基準ベクトル(正面0deg方向のベクトル)とのなす角とし、垂直角度は水平回転面と計測したベクトルのなす角とした。 In this verification, since the visual line direction was given by the horizontal angle and the vertical angle using the optical stage, the visual line position accuracy was evaluated by the angle. The horizontal angle was an angle formed by a vector projected from the gaze vector measured on the horizontal rotation plane of the stage and a reference vector (vector in the front 0 deg direction), and the vertical angle was an angle formed by the horizontal rotation plane and the measured vector.
図11に、光学ステージを水平方向、垂直方向それぞれ−10degから10degまで手動で回転させたときの視線角度を示す。回転後の定常状態における1秒間(フレーム番号2402〜2430の30フレーム)の視線角度の平均値と標準偏差は、水平方向については10.001±0.008degであった。また、垂直方向については0.048±0.008degであった。 FIG. 11 shows the line-of-sight angle when the optical stage is manually rotated from −10 degrees to 10 degrees in the horizontal direction and the vertical direction, respectively. The average value and standard deviation of the line-of-sight angle for 1 second (30 frames of frame numbers 2402 to 2430) in the steady state after rotation were 10.001 ± 0.008 deg in the horizontal direction. The vertical direction was 0.048 ± 0.008 deg.
このようにして、水平±40deg、垂直±30degの範囲について調べた視線角度を図12に示す。なお、光学ステージの水平方向への回転角度を水平角度と、光学ステージの垂直方向への回転角度を垂直角度と記す。 FIG. 12 shows the line-of-sight angles examined in the range of horizontal ± 40 deg and vertical ± 30 deg. The rotation angle of the optical stage in the horizontal direction is referred to as a horizontal angle, and the rotation angle of the optical stage in the vertical direction is referred to as a vertical angle.
図12のグリッド格子点が光学ステージの回転角である。検出した視線角度をプロットしている。検出した視線角度は水平角度、垂直角度ともにほぼ光学ステージの回転角と一致していた。 The grid lattice points in FIG. 12 are the rotation angles of the optical stage. The detected line-of-sight angle is plotted. The detected line-of-sight angle almost coincided with the rotation angle of the optical stage in both the horizontal angle and the vertical angle.
表2に視線角度の最大誤差、平均誤差、標準偏差を示す。
Table 2 shows the maximum line-of-sight angle error, average error, and standard deviation.
視線角度が水平角度±20deg、垂直角度±20degの範囲における平均誤差は水平方向で0.187degであり、垂直方向で0.200degであった。また、視線角度を水平角度±40deg、垂直角度±30degに範囲を拡大した場合でも、平均誤差は水平方向及び垂直方向で0.3deg未満であり、大きな誤差の増加は見られなかった。このことから、本実施の形態に係る視線計測方法で得られる視線位置精度は高いことがわかる。 The average error in the range of the line-of-sight angle in the range of horizontal angle ± 20 deg and vertical angle ± 20 deg was 0.187 deg in the horizontal direction and 0.200 deg in the vertical direction. Even when the range of the line-of-sight angle was expanded to a horizontal angle of ± 40 deg and a vertical angle of ± 30 deg, the average error was less than 0.3 deg in the horizontal direction and the vertical direction, and no significant increase in error was observed. From this, it can be seen that the gaze position accuracy obtained by the gaze measurement method according to the present embodiment is high.
キャリブレーションが容易で、被験者に負担の小さい視線計測方法であるので、神経科学における基礎研究、心理状態の評価、PC機器への入力インターフェイスなど幅広い分野に利用可能である。 Since it is a gaze measurement method that is easy to calibrate and has little burden on the subject, it can be used in a wide range of fields such as basic research in neuroscience, evaluation of psychological state, and input interface to PC devices.
1 視線計測装置
2 視線計測装置
10 撮像装置
11 演算装置
12 送信ライン
13 眼鏡
13a 眼鏡レンズ
14 光源
15 光源
DESCRIPTION OF
Claims (5)
被験者に各点間の視角が既知である任意の3点の注視点を一巡するように順に注視させ、2点の前記注視点間をそれぞれ移動する際に眼球表面上の所定の1点が眼球回転軸回りに移動する第1の軌跡円、第2の軌跡円、及び、第3の軌跡円を求め、前記第1の軌跡円、前記第2の軌跡円、及び、前記第3の軌跡円の交点を視線ベクトル先端として求め、前記眼球回転中心と前記視線ベクトル先端とを結ぶ視線ベクトルを被験者の視線方向として求めておき、
前記視線ベクトルと前記特徴点の位置関係を求めておき、
前記撮像装置で眼球を撮像し、撮像した画像上の前記特徴点の位置に基づいて、前記視線ベクトルを求めることで被験者の視線方向を計測する、
ことを特徴とする視線計測方法。 The eyeball before and after the subject's rotation is photographed in advance by one imaging device, and three or more arbitrary feature points on the eyeball surface are extracted from the captured image, and based on the three-dimensional position of the feature point before and after the eyeball is rotated. to previously obtain the positional relationship between the feature point and the eyeball rotation center Te,
The subject gazes at any three points of interest whose viewing angles between the points are known in order, and when moving between the two points of interest, a predetermined point on the eyeball surface is the eyeball. A first locus circle, a second locus circle, and a third locus circle that move around the rotation axis are obtained, and the first locus circle, the second locus circle, and the third locus circle are obtained. Is obtained as a gaze vector tip, and a gaze vector connecting the eyeball rotation center and the gaze vector tip is obtained as the gaze direction of the subject.
The positional relationship between the line-of-sight vector and the feature point is obtained,
The eyeball is imaged by the imaging device, and the gaze direction of the subject is measured by obtaining the gaze vector based on the position of the feature point on the captured image.
A gaze measurement method characterized by the above.
前記撮像装置で撮像された画像に基づいて被験者の視線方向を計測する演算装置と、を備え、
前記演算装置は、
予め被験者の回転前後の眼球を撮像した画像から眼球表面上の任意の特徴点を3点以上抽出して眼球の回転前後の前記特徴点の3次元位置に基づいて前記特徴点と眼球回転中心との位置関係を求め、被験者が各点間の視角が既知である任意の3点の注視点を一巡するように順に注視して2点の前記注視点間をそれぞれ移動する際に眼球表面上の所定の1点が眼球回転軸回りに移動する第1の軌跡円、第2の軌跡円、及び、第3の軌跡円を求め、前記第1の軌跡円、前記第2の軌跡円、及び、前記第3の軌跡円の交点を視線ベクトル先端として求め、前記眼球回転中心と前記視線ベクトル先端とを結ぶ視線ベクトルを被験者の視線方向として求め、前記視線ベクトルと前記特徴点の位置関係を求める手段と、
前記撮像装置で眼球を撮像した画像上の前記特徴点の位置に基づいて前記視線ベクトルを求めて被験者の視線方向を計測する手段とを有する、
ことを特徴とする視線計測装置。 One imaging device for imaging the eyeball of the subject;
An arithmetic device that measures the gaze direction of the subject based on the image captured by the imaging device,
The arithmetic unit is:
Three or more arbitrary feature points on the eyeball surface are extracted from an image obtained by imaging the eyeball before and after the rotation of the subject in advance, and the feature point and the eyeball rotation center are determined based on the three-dimensional position of the feature point before and after the eyeball rotation. When the subject moves around two points of interest in order to make a round of arbitrary three points of interest where the viewing angle between the points is known, it moves on the surface of the eyeball. A first trajectory circle, a second trajectory circle, and a third trajectory circle in which a predetermined point moves around the eyeball rotation axis are obtained, and the first trajectory circle, the second trajectory circle, and Means for obtaining an intersection of the third trajectory circle as a gaze vector tip, obtaining a gaze vector connecting the eyeball rotation center and the gaze vector tip as a gaze direction of a subject, and obtaining a positional relationship between the gaze vector and the feature point When,
That having a means for measuring a gaze direction of the subject seeking the gaze vector based on the position of the feature point on the image of the captured eye by the image pickup device,
A line-of-sight measurement device characterized by that.
眼球回転中心を頂点とし3点の角膜曲率中心からなる三角形を底面とする第1の三角錐を仮定し、レンズの光学中心を頂点とし3点の角膜曲率中心からなる三角形を底面とする第2の三角錐を仮定し、眼球回転中心から角膜曲率中心までの距離を正規化することよって同一の前記三角形を底面とする前記第1の三角錐と前記第2の三角錐との幾何学的解析を行って前記眼球回転中心の位置を求める工程と、
被験者に任意の点を注視させ、前記角膜曲率中心を通過する直線を求める工程を行って、角膜曲率中心を通過する直線を求める工程と、
求めた直線と眼球回転中心から角膜曲率中心までの距離を眼球半径で正規化した眼球回転中心を中心とする球との交点と眼球回転中心とを結ぶ直線を求め、被験者の視線方向を計測する工程と、を備える、
ことを特徴とする視線計測方法。 The subject gazes at three points whose viewing angles are known, and each point irradiates the subject's cornea with light from the first light source, and reflects the reflected light that has passed through the optical center of the lens after being reflected by the cornea. An image is projected onto the imaging region, a first plane including the first light source, the optical center of the lens, and the first reflected image is obtained, and the cornea is irradiated with light from the second light source. The reflected light that has passed through the optical center of the lens is projected onto the imaging region as a second reflected image, and includes a second light source, an optical center of the lens, and a second reflected image that includes the second reflected image. Determining a plane, and determining the line of intersection of the first plane and the second plane as a straight line passing through the corneal curvature center;
Assuming a first triangular pyramid having a triangle consisting of three corneal curvature centers with the center of eyeball rotation as the bottom, and a bottom having a triangle consisting of the corneal curvature center with three points as the vertex and the optical center of the lens. Analysis of the first triangular pyramid and the second triangular pyramid having the same triangle as the bottom by normalizing the distance from the eyeball rotation center to the corneal curvature center Performing the step of obtaining the position of the eyeball rotation center,
Gaze the subject at an arbitrary point, perform a step of obtaining a straight line passing through the corneal curvature center, and obtaining a straight line passing through the corneal curvature center;
Obtain the straight line connecting the intersection of the sphere centered on the eyeball rotation center normalized by the eyeball radius and the distance from the center of eyeball rotation to the center of corneal curvature, and measure the gaze direction of the subject A process comprising:
A gaze measurement method characterized by the above.
前記第1の光源及び前記第2の光源から照射された光が角膜で反射してレンズの光学中心を通過する反射光をそれぞれ第1の反射像及び第2の反射像として撮像領域内に投影する撮影装置と、
被験者が視角が既知である3点を注視し、各点についてそれぞれ、前記第1の光源、前記レンズの光学中心、及び、前記第1の反射像を含む第1の平面と、前記第2の光源、前記レンズの光学中心、及び、前記第2の反射像を含む第2の平面とを求め、前記第1の平面と前記第2の平面との交線を角膜曲率中心を通過する直線として求める手段と、眼球回転中心を頂点とし3点の角膜曲率中心からなる三角形を底面とする第1の三角錐を仮定し、レンズの光学中心を頂点とし3点の角膜曲率中心からなる三角形を底面とする第2の三角錐を仮定し、眼球回転中心から角膜曲率中心までの距離を正規化することよって同一の前記三角形を底面とする前記第1の三角錐と前記第2の三角錐との幾何学的解析を行って前記眼球回転中心の位置を求める手段と、被験者が任意の点を注視した場合に、前記第1の平面と前記第2の平面を求めて角膜曲率中心を通る直線を求め、求めた直線と眼球回転中心から角膜曲率中心までの距離を眼球半径で正規化した眼球回転中心を中心とする球との交点と眼球回転中心とを結ぶ直線を求め、被験者の視線方向を計測する手段と、を有する演算装置と、を備える、
ことを特徴とする視線計測装置。 A first light source and a second light source for irradiating the subject's cornea with light;
The light irradiated from the first light source and the second light source is reflected by the cornea and reflected light passing through the optical center of the lens is projected into the imaging region as a first reflected image and a second reflected image, respectively. An imaging device to
The subject gazes at three points whose viewing angles are known, and for each point, the first light source, the optical center of the lens, the first plane including the first reflected image, and the second A light source, an optical center of the lens, and a second plane including the second reflected image are obtained, and a line of intersection between the first plane and the second plane is defined as a straight line passing through the corneal curvature center. Assuming that the first triangular pyramid has a triangular shape with the center of eyeball rotation as the apex and the triangle composed of three corneal curvature centers as the bottom, and the triangle with the optical center of the lens as the apex and consisting of the three corneal curvature centers as the bottom Assuming a second triangular pyramid, and normalizing the distance from the center of eyeball rotation to the corneal curvature center, the first triangular pyramid having the same triangle as the bottom surface and the second triangular pyramid Geometric analysis is performed to find the position of the eyeball rotation center Means, and when the subject gazes at an arbitrary point, the first plane and the second plane are obtained to obtain a straight line passing through the corneal curvature center, and the obtained straight line and the eyeball rotation center to the corneal curvature center are obtained. An arithmetic unit having a means for obtaining a straight line connecting an intersection of a sphere centered on an eyeball rotation center with a distance normalized by an eyeball radius and an eyeball rotation center, and measuring a subject's gaze direction,
A line-of-sight measurement device characterized by that.
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