JP6014931B2 - 視線計測方法 - Google Patents
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Description
Reality)技術と組み合わせたアミューズメント用途、運動弱者のための視線インタフェースなど様々な場面で視線の応用が期待される(非特許文献1〜5)。このように幅広い分野で視線情報の利用を促進するためには、正確に視線を測定する方法に加えて、簡単な手順ですぐに使えること、導入が容易で低コストであることが求められる。
瞳孔中心位置を、2値化により抽出した瞳孔領域を楕円近似したときに得られる楕円の中心とする文献も知られている(非特許文献15,16)。
S1: カメラにより眼球の画像を得る。すなわち1台のCCDカメラにより、平面上の3点以上の視標を順に注視したときの眼を撮影する。
S2: 眼球から見た前記平面上の視標間の角度は既知か否かを判断する。
S3: 前記角度が既知ではないと判断されたとき、前記カメラ画像の虹彩を用いて前記視標間の角度を決定する。
S4: 第3ステップS3により決定された前記視標間の角度、又は前記第2ステップS2にて既知と判断された前記視標間の角度から、前記平面上の3点以上の視標を順に注視したときの前記カメラによる画像の瞳孔中心位置から注視点推定に必要なパラメータである眼球回転中心位置を計測する。
S5: 前記眼球回転中心位置から求められる視線ベクトルを眼球座標系へ変換する回転行列を算出する。
S6: 前記視標をキャリブレーション点として選択することにより前記視線ベクトルの補正パラメータを算出する。
S7: 前記視標間の距離情報を用いて仮想的なターゲット平面を算出する。
S8: 前記第6ステップにて補正された視線と前記第7ステップで求められた平面を用いて注視点を決定する。
レンズの光学中心を原点とするカメラ座標系を図2に示す。本発明では、1台のカメラ(図示せず)で取得したCCD画像面上の瞳孔中心p (Pupil center)から眼球回転中心E (Center of eye-ball rotation)と瞳孔中心pを結ぶ直線として視線方向1を求め、視線方向1とターゲット平面2(平面、Screen)の交点(注視点Point of gaze)3を決定する。最初にターゲット平面2上の3点以上の視標を注視することにより、注視点3の推定に必要な眼球回転中心Eとターゲット平面2の位置、カメラ座標系から眼球座標系へ変換する行列および視線ベクトルの補正パラメータを計算する。
眼球回転中心Eは、平面上の視標N点を順に注視したときのCCD画像面上の瞳孔中心位置pから計算する。平面上のi番目の視標を注視したときの瞳孔中心位置Piは、未知パラメータKiとCCD画面上に投影された瞳孔中心位置piを用いて次式で表わされる。
k=2、…、N、l=1、…、 N C 2 とする。N=3のときの例を図3に示す。
瞳孔中心位置pから求まる視線ベクトルgCはカメラ座標系で表現される。一方、眼球座標系はターゲット平面2を基準として決定される。以下、カメラ座標系で与えられる視線ベクトルを眼球座標系へ変換する回転行列を求める方法について述べる。
D)Tとする。いま、眼球座標系において既知の位置にあるN点の視標を注視したとき、視標への方向ベクトルhi(i=1、2…、N)からなる3×N行列Hは、回転行列Rと視線ベクトルgiからなる3×N行列Gを用いて次式で表わされる。
眼球回転中心の計算過程において、眼球から見た視標間の角度θを与えるために眼球からターゲット平面2までの距離Dを既知としたが、この距離Dに誤差が含まれる場合、注視点の推定精度が低下する。そこでシステムから得られる視標間の距離情報vを用いて仮想的なターゲット平面を推定し、この平面と視線との交点から注視点を決定することで推定精度の向上を図る。
ただし、j<k でj= 1, 2,…,N-1, k=2,…,N,l=1,…, N C 2 とする。これらの式からαiを決定することで注視点の位置が求まる。ターゲット平面の方程式を数式14で表わすと、平面のパラメータuは最小二乗法により各注視点の位置Fixi yi ziを用いて数式16の連立方程式を解くことで与えられる。
本実施形態法では瞳孔中心pが球面上を移動すると仮定して眼球回転中心Eを推定している。したがって、瞳孔中心pが回転楕円体のような非球面の曲面上を移動する場合、結果的に仮定した球面と実際の曲面との誤差を相殺する形で眼球回転中心Eの位置が決定されることになり、このことが視線推定の誤差の原因となりうる。実際に実験では、眼球座標系における視線ベクトルgEの水平方向の角度(X成分)が大きくなるにつれて、垂直方向(Y成分)の誤差が同じ方向に増大する傾向が確認された。
bは、ターゲット平面の水平軸上に位置するM点の視標を注視したときの視線ベクトルgEi(i=1、2…、M)のZ-Y平面における回帰直線Y=aZ+bより決定される。この補正パラメータを決定する手順について、キャリブレーション点として水平軸上に位置する視標を含むように選択すれば、新たにユーザの負担が発生することはない。
本実施形態の有効性を確認するため、6名の被験者に対して注視点の推定実験を行った。以下、その方法と結果について述べる。
CCDカメラにマクロレンズを装着し、近赤外光による照明下で右眼の瞳孔を撮影した。毎秒30フレームで撮影された画像(解像度320×240)を画像処理用コンピュータに取り込み、瞳孔中心の位置を計算した。瞳孔中心位置は、2値化により抽出した瞳孔領域を楕円近似したときに得られる楕円の中心とした。この実験によって取得した画像と瞳孔中心の一例を図4に示す。
被験者は平均23±1.2歳(21〜24歳)の健常者6名(sub.1〜sub.6)であった。被験者の前方430[mm]の位置に視標ボードを取り付け、ボード上に21点の視標を配置した。視標の位置は、右眼正面方向を基準として左右方向に10[deg]間隔となるよう7通り(0[mm],±75.8[mm]、±156.5[mm],±248.2[mm])、上下方向に3通り(0[mm],±75.8[mm])の合計21点であった(図5)。なお、符号については被験者から見て右方向と上方向を正、左方向と下方向を負で表わす。
最初に図5に示す5点の視標を用いたキャリブレーションにより注視点推定に必要なパラメータ(眼球回転中心位置、カメラ座標系から眼球座標系への回転行列、ターゲット平面、視線ベクトルの補正パラメータ)を決定した。眼球座標系における5点の視標位置はそれぞれ(0.0, 0.0, 430.0),(±156.5, 0.0, 430.0),(0.0, ±75.8, 430.0)であった。
注視点の推定精度を評価するため、このようなデータから各視標注視時における注視点位置の平均値を求めた結果を図9に示す。図中の記号の形状は各被験者(sub.1〜6)を表わす。視標の水平位置が大きくなるにつれて推定した注視点位置の誤差が増加する傾向が見られたので、視標の水平位置が±75.8[mm](±10[deg])以内の9点、±156.5[mm] (±20[deg])の6点、±248.2[mm](±30[deg])の6点についてそれぞれ平均誤差を求めた。
眼球に近赤外光を照射したときに得られる画像(元画像)を図11左に示す。最初にこのような画像データを2値化することで瞳孔(黒目)領域だけを抽出する。次に、アウトライアを除去した瞳孔輪郭に対してTaubin法を用いて楕円近似することで瞳孔中心を得る。楕円の式を数式24で表わすと、楕円のパラメータuは数式3の最小一般固有値λに対する一般固有ベクトルとして計算できる。
yi)から作られる6×6行列,VはTaubin法による重み行列である。
レンズの光学中心を原点とするカメラ座標系を図12に示す。視線方向1は、眼球回転中心Eと瞳孔中心pを結ぶ直線とする。最初にスクリーン2上の3点以上の視標3を順に注視したときの虹彩輪郭上の特徴点から眼球回転中心から見た視標間の角度(視角)を推定し、瞳孔中心位置pを用いて眼球回転中心位置Eを決定する。本発明ではこの手順をN点キャリブレーションと呼ぶ(N≧3)。ただし、頭部はカメラに対して不動であること、眼球は真球である一点を中心に回転するものと仮定する。
スクリーン2上の視標を順に注視したとき、CCDに映る見かけの虹彩径は変化するが実際の虹彩径は不変であることから眼球回転中心EIを求める(図13)。スクリーン2上のi番目の視標を注視したときの虹彩輪郭上の2つの特徴点Qij(i =1, …, N, j = 1,2)は、未知パラメータαijとCCD面上に投影された虹彩輪郭上の特徴点qijを用いて以下のように表される。
眼球回転中心EIが求まると、数式29により虹彩輪郭上の特徴点Q'ijが定まる。虹彩中心位置をQC'とすると、眼球回転中心と虹彩中心を結ぶ視線ベクトルgIは次式で表わされる。
眼球回転中心は、N点の視標を順に注視したときのCCDに映った瞳孔中心の3次元位置piから算出する。
眼球回転中心−瞳孔中心間距離で正規化された座標系での瞳孔中心Pi'は、前述の数式2で表される。
本発明の有効性を確認するため、視線の推定実験を行った。視標間の角度を未知として5点キャリブレーションにより虹彩と瞳孔を用いて視線推定を行い、視標間の角度を既知として視線推定した結果と比較した。以下、実験方法と結果について述べる。
被験者は顎台とバイトバーを用いて頭部を固定した状態で、右眼前方580[mm]に位置するスクリーン上の21点の視標を3秒間隔で順に注視した。視標間隔は右眼正面方向を基準として、上下左右100[mm]間隔とした。図13に21点の視標配置とキャリブレーションに用いた5点の視標位置を示す。また、CCDカメラにマクロレンズを装着し、近赤外光による照明下で解像度320×240の画像を毎秒30フレームで撮影した。
視標を順次注視したときの視線の水平角度を図14に、垂直角度を図15に示す。これらの波形から水平角角度と垂直角度の平均をプロットしたもの図16に示す。また、精度比較のため視角が既知の場合の結果も示している。また、符号については被験者から見て右方向と上方向を正、左方向と下方向を負で表す。図17、図18に視角が既知の場合と未知の場合での-10〜10[deg]の9点、±19[deg]の6点、±27[deg]の6点、21点についてそれぞれの平均誤差±標準誤差を比較したものを示す。水平方向について図18、垂直方向について図19に示す。
p 瞳孔中心
1 視線方向
2 ターゲット平面
3 視標、注視点
Claims (1)
- カメラと眼球間の距離および眼球形状に関する個人パラメータが未知という条件下で、1台のカメラで取得した瞳孔画像から視線と平面の注視点を推定する視線計測方法であって、
前記カメラにより眼球の画像を得る第1ステップ、
眼球から見た前記平面上の視標間の角度は既知か否かを判断する第2ステップ、
該第2ステップにて前記角度が既知ではないと判断されたとき、前記カメラによる眼球の画像の虹彩を用いて前記視標間の角度を決定する第3ステップ、
該第3ステップにより決定された前記視標間の角度、又は前記第2ステップにて既知と判断された前記視標間の角度から、前記平面上の3点以上の視標を順に注視したときの前記カメラによる画像の瞳孔中心位置から注視点推定に必要なパラメータである眼球回転中心位置を計測する第4ステップ、
前記眼球回転中心位置から求められる視線ベクトルを眼球座標系へ変換する回転行列を算出する第5ステップ、
前記視標をキャリブレーション点として選択することにより前記視線ベクトルの補正パラメータを算出する第6ステップ、
前記視標間の距離情報を用いて仮想的なターゲット平面を算出する第7ステップ、
前記第6ステップにて補正された視線と前記第7ステップで求められた平面を用いて注視点を決定する第8ステップ、
を含むことを特徴とする視線計測方法。
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