JP7621639B2 - 瞳孔検出装置及び瞳孔検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、人の画像から瞳孔を検出する瞳孔検出装置及び瞳孔検出方法に関する。

近年、視線検出等を目的として、近赤外光源等の光源とビデオカメラを使用して得られた画像から人の瞳孔の位置を検出する装置が普及しつつある（下記特許文献１および下記特許文献２）。これらの装置では、瞳孔を相対的に明るくする傾向を有する光を対象者の顔に照射して画像（明瞳孔画像）を取得し、瞳孔を相対的に暗くする傾向を有する光を対象者の顔に照射して画像（暗瞳孔画像）を取得する。その後、それらの画像を利用して差分画像を算出することにより、対象者の瞳孔の位置を検出する。

特開２００８－２４６００４号公報 特開２００９－２５４６９１号公報

上述したような装置を用いて対象者の瞳孔位置を検出する際には、その検出精度が周囲環境に大きく左右される。すなわち、太陽光等の強い光が入射する環境などの比較的明るい環境下、あるいは、室内環境等の比較的暗い環境下等で使用される場合に検出精度に影響を及ぼす場合があった。例えば、交互に取得した明瞳孔画像及び暗瞳孔画像を対象に対象者の瞳孔の位置を時間的に連続して検出する際に、検出精度を安定化させることが困難となる傾向にあった。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、時間的に連続して対象者の瞳孔の位置を検出する際の検出精度を安定化させることが可能な瞳孔検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一形態にかかる瞳孔検出装置は、対象者の眼を撮像することにより眼画像を取得するカメラと、カメラの開口部の外側に設けられてカメラに対して対象者の瞳孔を相対的に明るく写す第１の光源と、カメラの開口部の外側に設けられてカメラに対して対象者の瞳孔を相対的に暗く写す第２の光源と、第１の光源及び第２の光源の点灯タイミングが所定時間間隔で交互に繰り返されるように、第１の光源及び第２の光源の点灯を制御する点灯制御部と、第１の光源の点灯タイミングに同期してカメラによって取得された眼画像である明瞳孔画像と、第２の光源の点灯タイミングに同期してカメラによって取得された眼画像である暗瞳孔画像とを交互に取得し、交互に取得した明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の画像ペアの差分を計算することにより差分画像を連続して取得し、連続して取得したＮ個（Ｎは２以上の偶数）の差分画像を演算結果に反映することによって、演算結果を基に眼画像上の対象者の瞳孔位置を検出する算出部と、を備える。

あるいは、本発明の他の形態にかかる瞳孔検出方法は、対象者の眼を撮像することにより眼画像を取得するカメラと、カメラの開口部の外側に設けられてカメラに対して対象者の瞳孔を相対的に明るく写す第１の光源と、カメラの開口部の外側に設けられてカメラに対して対象者の瞳孔を相対的に暗く写す第２の光源と、カメラ、第２の光源、及び第２の光源の制御と画像処理とを実行する処理装置と、を用いた瞳孔検出方法であって、第１の光源及び第２の光源の点灯タイミングが所定時間間隔で交互に繰り返されるように、第１の光源及び第２の光源の点灯を制御し、第１の光源の点灯タイミングに同期してカメラによって取得された眼画像である明瞳孔画像と、第２の光源の点灯タイミングに同期してカメラによって取得された眼画像である暗瞳孔画像とを交互に取得し、交互に取得した明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の画像ペアの差分を計算することにより差分画像を連続して取得し、連続して取得したＮ個（Ｎは２以上の偶数）の差分画像を演算結果に反映することによって、演算結果を基に眼画像上の対象者の瞳孔位置を検出する。

上記形態の瞳孔検出装置あるいは瞳孔検出方法によれば、カメラの開口部の外側に配置された第１の光源及び第２の光源が所定時間間隔で交互に点灯され、これらの点灯タイミングに合わせてカメラで眼画像が取得されることにより、瞳孔が相対的に明るく写った明瞳孔画像と瞳孔が相対的に暗く写った暗瞳孔画像とが交互に得られ、明瞳孔画像と暗瞳孔画像との画像ペアの差分から差分画像が連続して取得される。さらに、連続して取得された２個以上の偶数個の差分画像を演算することによって対象者の瞳孔位置が検出される。このように、連続する偶数個の差分画像を演算することによって、周囲が明るい環境下であっても、周囲が暗い環境下であっても、連続して取得する差分画像において現れる瞳孔の位置を所定時間間隔のタイミングの位置に設定することができる。その結果、連続して取得する差分画像を基に、瞳孔の位置の変化を安定して検出することができる。

ここで、算出部は、連続して取得した２個の差分画像を演算結果に反映することによって、演算結果を基に眼画像上の対象者の瞳孔位置を検出する、こととしてもよい。この場合、連続する２個の差分画像を演算することによって、周囲が明るい環境下であっても、周囲が暗い環境下であっても、連続して取得する２個の差分画像において現れる瞳孔の位置を所定時間間隔のタイミングの位置に設定することができる。その結果、連続して取得する差分画像を基に、瞳孔の位置の変化を安定して検出することができる。

また、算出部は、連続して取得した差分画像の乗算値を計算することにより演算結果として乗算画像を取得し、乗算画像を基に瞳孔位置を検出する、こととしてもよい。この場合、連続する偶数個の差分画像の乗算画像を演算することによって、周囲が明るい環境下であっても、周囲が暗い環境下であっても、連続して取得する差分画像において現れる瞳孔の位置を所定時間間隔のタイミングの位置に設定することができる。その結果、連続して取得する差分画像を基に、瞳孔の位置の変化を安定して検出することができる。

また、算出部は、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像における角膜反射像の位置を検出し、交互に取得した明瞳孔画像及び暗瞳孔画像を対象に差分画像を取得する際には、角膜反射像の位置が一致するように画像位置を補正する、こととしてもよい。この場合、対象者の顔が動いた場合であっても、差分画像において瞳孔像を際立たせることができ、瞳孔位置の検出精度が向上する。その結果、連続して取得する差分画像を基に、瞳孔の位置の変化をさらに安定して検出することができる。

また、算出部は、交互に取得した明瞳孔画像及び暗瞳孔画像を対象に差分画像を取得する際には、角膜反射像の位置が一致するように暗瞳孔画像の位置を明瞳孔画像に対して補正する、こととしてもよい。あるいは、算出部は、交互に取得した明瞳孔画像及び暗瞳孔画像を対象に差分画像を取得する際には、角膜反射像の位置が一致するように明瞳孔画像の位置を暗瞳孔画像に対して補正する、こととしてもよい。こうすれば、画像位置を補正した場合に、周囲が明るい環境下であっても、周囲が暗い環境下であっても、連続して取得する差分画像において現れる瞳孔の位置を所定時間間隔のタイミングの位置に設定することができる。その結果、連続して取得する差分画像を基に、瞳孔の位置の変化をより安定して検出することができる。

また、算出部は、交互に取得した明瞳孔画像及び暗瞳孔画像を対象に差分画像を取得する際には、当該差分画像より前に連続して取得された２個の乗算画像を基に検出された２つの瞳孔位置の変化から、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像に対してウィンドウを設定し、ウィンドウ間で差分画像を生成する、こととしてもよい。この場合には、対象者の顔が動いた場合であっても、差分画像において瞳孔像を確実に捉えることができ、瞳孔位置を安定して検出することができる。加えて、ウィンドウを設定することで画像演算の範囲を限定できるので瞳孔検出の演算速度も向上させることができる。

また、算出部は、角膜反射像の位置及び瞳孔位置を基に対象者の視線方向をさらに検出する、こととしてもよい。この場合には、連続して取得する差分画像を基に、視線方向の変化を安定して検出することができる。

さらに、算出部は、連続して取得した差分画像を対象にＮ個の瞳孔位置の候補を検出し、Ｎ個の瞳孔位置の候補の平均値を演算結果として取得し、演算結果を基に瞳孔位置を検出する、こととしてもよい。この場合にも、連続する差分画像から検出された瞳孔位置を平均化することによって、周囲が明るい環境下であっても、周囲が暗い環境下であっても、連続して検出する瞳孔の位置を所定時間間隔のタイミングの位置に設定することができる。その結果、連続して取得する差分画像を基に、瞳孔の位置の変化を安定して検出することができる。

またさらに、算出部は、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像のいずれかにおける角膜反射像の位置を検出し、角膜反射像の位置と差分画像を対象に検出した対象者の瞳孔位置とを基に、対象者の視線の方向を検出し、連続して取得した差分画像を対象に検出した対象者の視線の方向の平均値を、演算結果としてさらに取得する、こととしてもよい。かかる構成を採れば、連続する差分画像から検出された視線方向を平均化することによって、周囲が明るい環境下であっても、周囲が暗い環境下であっても、連続して検出する視線方向を所定時間間隔のタイミングの方向に設定することができる。その結果、連続して取得する差分画像を基に、対象者の視線方向の変化を安定して検出することができる。

本開示によれば、時間的に連続して対象者の瞳孔の位置を検出する際の検出精度を安定化させることができる。

実施形態にかかる瞳孔検出装置を示す斜視図である。 カメラのレンズ部分を示す平面図である。 実施形態に係る画像処理装置のハードウェア構成を示す図である。 実施形態に係る瞳孔検出装置の機能構成を示すブロック図である。 図４の算出部２３による差分画像の算出機能を説明する概念図である。 実施形態に係る瞳孔検出装置によって取得される明瞳孔画像及び暗瞳孔画像のイメージを示す図である。 実施形態に係る瞳孔検出装置によって取得される明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の一次元分布を示す図である。 実施形態に係る瞳孔検出装置によって取得される明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の一次元分布を示す図である。 明瞳孔優位及び暗瞳孔優位の場合に瞳孔検出装置によって取得される明瞳孔画像、暗瞳孔画像、及び差分画像の一次元分布を示す図である。 実施形態に係る瞳孔検出装置による差分画像の算出機能を説明する概念図である。 実施形態に係る瞳孔検出装置による差分画像の算出機能を説明する概念図である。 差分画像を基に瞳孔位置を検出した場合の瞳孔位置の時間変化を示すグラフである。 実施形態に係る瞳孔検出装置による位置補正の機能を説明する概念図である。 差分画像の輝度分布、及び連続した差分画像を基にした乗算画像の輝度分布を示す図である。 同一の差分画像を基にした乗算画像の輝度分布を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る瞳孔検出装置及び瞳孔検出方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、図１～４を用いて、本開示の実施形態に係る瞳孔検出装置１の構成を説明する。瞳孔検出装置１は、対象者Ａの眼を撮像することで対象者Ａの瞳孔の位置を検出するコンピュータシステムである。対象者とは、瞳孔の位置を検出する対象となる人であり、被験者ともいうことができる。瞳孔検出装置１の利用目的は何ら限定されず、例えば、よそ見運転の検出、運転者のサイドミラーやルームミラーの安全確認動作の確認、運転者の眠気の検出、商品の興味の度合いの調査、アミューズメント装置等に利用されるコンピュータへのデータ入力、乳幼児の自閉症診断等の診断用装置などに瞳孔検出装置１を利用することができる。

図１に模式的に示すように、瞳孔検出装置１は、ステレオカメラとして機能する一対のカメラ（第１のカメラおよび第２のカメラ）１０と画像処理装置２０とを備える。以下では、必要に応じて、一対のカメラ１０を、対象者Ａの左側にある左カメラ１０_Ｌと、対象者Ａの右側にある右カメラ１０_Ｒとに区別する。本実施形態では、瞳孔検出装置１は、対象者Ａが見る対象であるディスプレイ装置３０をさらに備えるが、瞳孔検出装置１の利用目的は上記のように限定されないので、対象者Ａの視線の先にある物はディスプレイ装置３０に限定されず、例えば自動車のフロントガラスでもあり得る。したがって、ディスプレイ装置３０は瞳孔検出装置１における必須の要素ではない。それぞれのカメラ１０は画像処理装置２０と無線または有線により接続され、カメラ１０と画像処理装置２０との間で各種のデータまたは命令が送受信される。各カメラ１０に対しては予めカメラ較正が行われる。

カメラ１０は対象者Ａの瞳孔およびその周辺を含む眼を撮影するために用いられる。一対のカメラ１０は水平方向に沿って所定の間隔をおいて配され、かつ、対象者Ａが眼鏡をかけているときの顔画像における反射光の写り込みを防止する目的で対象者Ａの顔より低い位置に設けられる。水平方向に対するカメラ１０の仰角は、瞳孔の確実な検出と対象者Ａの視野範囲の妨げの回避との双方を考慮して、例えば２０～３５度の範囲に設定される。個々のカメラ１０に対しては予めカメラ較正が行われる。

本実施形態では、カメラ１０は、それぞれ、所定の時間間隔（例えば、１２０ｆｐｓの時間間隔）で撮像可能な撮像装置である。カメラ１０は、画像処理装置２０からの命令に応じて対象者Ａを撮像し、画像データを画像処理装置２０に出力する。

カメラ１０のレンズ部分を図２に模式的に示す。この図に示すように、カメラ１０では、対物レンズ１１が円形状の開口部１２に収容され、開口部１２の外側に光源１３が取り付けられている。光源１３は、対象者Ａの眼に向けて照明光を照射するための機器であり、複数の発光素子１３ａ（第１の光源）と複数の発光素子１３ｂ（第２の光源）とから成る。発光素子１３ａは、出力光の中心波長が８５０ｎｍの半導体発光素子（ＬＥＤ）であり、開口部１２の縁に沿って等間隔でリング状に配される。発光素子１３ｂは、出力光の中心波長が９４０ｎｍの半導体発光素子であり、発光素子１３ａの外側の左右に上下方向に並んで配される。カメラ１０の光軸から発光素子１３ｂまでの距離は、該光軸から発光素子１３ａまでの距離よりも大きい。それぞれの発光素子１３ａ，１３ｂは、カメラ１０の光軸に沿って照明光を出射するように設けられる。なお、光源１３の配置は図２に示す構成に限定されず、カメラ１０をピンホールモデルとみなすことができれば他の配置であってもよい。発光素子１３ａ，１３ｂは、それぞれ、画像処理装置２０からの命令に応じた別々のタイミング及び期間で照明光を出射する。なお、発光素子１３ａ，１３ｂの出射する照明光の強度は、対象者Ａに照射された際に瞳孔以外の背景が同じ明るさとなるように予めそれぞれの強度が設定される。

光源１３を構成する発光素子（第１の光源）１３ａは、明瞳孔画像を得るための照明光（第１の照明光）を、対象者Ａの顔に向けて照射するための光源である。明瞳孔画像とは、後述の暗瞳孔画像と比較して対象者Ａの瞳孔が相対的に明るく写った画像をいう。また、発光素子１３ａは、暗瞳孔画像の取得時に、眼鏡反射を生じさせて差分画像において眼鏡反射を相殺させるための光源としても共用される。

光源１３を構成する発光素子（第２の光源）１３ｂは、暗瞳孔画像を得るための照明光（第２の照明光）を、対象者Ａの顔に向けて照射するための光源である。暗瞳孔画像とは、前述の明瞳孔画像と比較して対象者Ａの瞳孔が相対的に暗く映った画像をいう。この発光素子１３ｂは、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の取得時において角膜反射を強調して生じさせるための光源としても共用される。

画像処理装置２０は、カメラ１０及び光源１３の制御と、対象者Ａの瞳孔位置および視線方向の検出とを実行するコンピュータである。画像処理装置２０は、据置型または携帯型のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）により構築されてもよいし、ワークステーションにより構築されてもよいし、他の種類のコンピュータにより構築されてもよい。あるいは、画像処理装置２０は複数台の任意の種類のコンピュータを組み合わせて構築されてもよい。複数台のコンピュータを用いる場合には、これらのコンピュータはインターネットやイントラネットなどの通信ネットワークを介して接続される。

画像処理装置２０の一般的なハードウェア構成を図３に示す。画像処理装置２０は、オペレーティングシステムやアプリケーション・プログラムなどを実行するＣＰＵ（プロセッサ）１０１と、ＲＯＭおよびＲＡＭで構成される主記憶部１０２と、ハードディスクやフラッシュメモリなどで構成される補助記憶部１０３と、ネットワークカードあるいは無線通信モジュールで構成される通信制御部１０４と、キーボードやマウスなどの入力装置１０５と、ディスプレイやプリンタなどの出力装置１０６とを備える。

後述する画像処理装置２０の各機能要素は、ＣＰＵ１０１または主記憶部１０２の上に所定のソフトウェアを読み込ませ、ＣＰＵ１０１の制御の下で通信制御部１０４や入力装置１０５、出力装置１０６などを動作させ、主記憶部１０２または補助記憶部１０３におけるデータの読み出しおよび書き込みを行うことで実現される。処理に必要なデータやデータベースは主記憶部１０２または補助記憶部１０３内に格納される。

図４に示すように、画像処理装置２０は機能的構成要素として点灯制御部２１、画像取得部２２、及び算出部２３を備える。点灯制御部２１は、光源１３の点灯タイミング及び点灯期間を制御する。画像取得部２２は、カメラ１０の撮影タイミングを光源１３の点灯タイミングに同期して制御することで、カメラ１０から画像データ（眼画像のデータ）を取得する機能要素である。算出部２３は、画像データを基に、対象者Ａの瞳孔の三次元位置および対象者Ａの視線方向として視線ベクトルを検出する機能要素である。視線とは、対象者Ａの瞳孔中心と該対象者Ａの注視点（対象者が見ている点）とを結ぶ線である。なお、「視線」という用語は、起点、終点、および方向の意味（概念）を含む。また、「視線ベクトル」とは、対象者の視線の方向をベクトルで表したもので、「視線方向」を表す一形態である。画像処理装置２０の検出結果の瞳孔位置及び視線方向の出力先は何ら限定されない。例えば、画像処理装置２０は判定結果を画像、図形、またはテキストでモニタに表示してもよいし、メモリやデータベースなどの記憶装置に格納してもよいし、通信ネットワーク経由で他のコンピュータシステムに送信してもよい。

画像取得部２２は、カメラ１０の撮影タイミングを制御する機能要素である。具体的には、カメラ１０を所定のフレームレート（例えば、１２０ｆｐｓ）及び所定の露光時間で繰り返し撮像し、交互に明瞳孔画像及び暗瞳孔画像を取得するように制御する。

点灯制御部２１は、カメラ１０の撮影タイミングに同期させて、発光素子１３ａ，１３ｂの点灯タイミング及びカメラ１０の露光期間内の発光量を制御する機能要素である。本実施形態では、点灯制御部２１は、発光素子１３ａ，１３ｂの発光量をそれぞれの点灯期間を設定することによって制御している。具体的には、点灯制御部２１は、明瞳孔画像の撮像タイミングに同期した発光素子１３ａの比較的強い（比較的長い点灯期間での）点灯と、暗瞳孔画像の撮影タイミングに同期した発光素子１３ｂの比較的強い（比較的長い点灯期間での）点灯とを交互に繰り返すように、発光素子１３ａ，１３ｂを点灯させる。このとき、点灯制御部２１は、明瞳孔画像の撮影タイミングでは、角膜反射像を強調させるために、発光素子１３ｂを比較的弱い強度で（比較的短い点灯期間で）点灯させるように制御し、暗瞳孔画像の撮影タイミングでは、眼鏡反射を生じさせて後述する差分画像において眼鏡反射を相殺させるために、発光素子１３ａを比較的弱い強度で（比較的短い点灯期間で）点灯させるように制御する。

上記画像取得部２２及び上記点灯制御部２１の機能により、主に発光素子１３ａから対象者Ａの眼球に照明光が出射されるタイミングでカメラ１０によって瞳孔が撮像されると明瞳孔画像が取得され、主に発光素子１３ｂから照明光が出射されるタイミングでカメラ１０によって瞳孔が撮像されると暗瞳孔画像が取得される。これは、次のような性質によるものである。つまり、対象者Ａの眼球への照明光がカメラ１０の光軸から相対的に離れた位置から入射した場合には、眼球の瞳孔から入射し、眼球内部で反射されて再び瞳孔を通過した照明光がカメラ１０に届きにくいため、瞳孔が相対的に暗く映るという性質である。逆に、対象者Ａの眼球への照明光がカメラ１０の光軸に相対的に近い位置から入射した場合には、眼球の瞳孔から入射し、眼球内部で反射されて再び瞳孔を通過した照明光がカメラ１０に届きやすいため、瞳孔が相対的に明るく映るという性質である。

以下、算出部２３による、対象者Ａの瞳孔の三次元位置および対象者Ａの視線方向の検出機能の詳細について説明する。

算出部２３は、所定の時間間隔（例えば、１２０ｆｐｓに対応する時間間隔）で交互に取得された明瞳孔画像と暗瞳孔画像との２つの画像を用いて、明瞳孔画像のウィンドウ内の各画素の輝度から暗瞳孔画像のウィンドウ内の各画素の輝度を差し引いて差分を求めることにより差分画像を連続して取得する。このとき、明瞳孔画像と暗瞳孔画像を取得するタイミングには時間差があること、及び対象者Ａがカメラ１０に対して移動することを考慮して、算出部２３は、特許第４４５２８３６号に記載の手法と同様の手法を用いて、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像上において角膜反射像の位置を検出し、角膜反射像の位置が一致するように暗瞳孔画像の画像上のウィンドウの位置を明瞳孔画像に対して補正する。画像上の角膜反射像の位置は、前のフレームから得られた瞳孔輝度よりも高い角膜反射用閾値で２値化し、ラベリング処理を行い、最も角膜反射として大きさと形状を有する画素群を選択し、その画素群から、角膜反射像の中心を輝度も考慮した重心として求めることにより、検出される。一方で、算出部２３は、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像上において角膜反射像の位置を検出し、角膜反射像の位置が一致するように明瞳孔画像の画像上のウィンドウの位置を暗瞳孔画像に対して補正してもよい。このような機能により、算出部２３は、上記の所定の時間間隔（例えば、１２０ｆｐｓに対応する時間間隔）で、差分画像を連続して取得することができる。図５は、算出部２３による差分画像の算出機能を説明する概念図である。すなわち、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の所定の時間間隔の取得タイミングをｔ_ｉ－１，ｔ_ｉ，ｔ_ｉ＋１，…（ｉは任意の自然数）とすると、算出部２３は、時刻ｔ_ｉにて取得される明瞳孔画像と時刻ｔ_ｉ＋１にて取得される暗瞳孔画像を基にした差分画像を、その後の演算時刻（例えば、ｔ_ｉ＋２）において取得し、次に、時刻ｔ_ｉ＋１にて取得される暗瞳孔画像と時刻ｔ_ｉ＋２にて取得される明瞳孔画像を基にした差分画像を、その後の演算時刻（例えば、ｔ_ｉ＋３）において取得する。

また、算出部２３は、時間的に連続して取得した２個の差分画像を均等に演算する。すなわち、算出部２３は、２個の差分画像の各画素の画素値を乗算することにより乗算画像を生成する。そして、算出部２３は、時間的に連続する２個の差分画像を、１個ずつ時間的に後ろにずらして選択して乗算画像を生成することにより、上記の所定の時間間隔（例えば、１２０ｆｐｓに対応する時間間隔）での眼部の画像が反映された乗算画像を連続して生成する。例えば、算出部２３は、演算時刻ｔ_ｉ＋１にて取得される差分画像と演算時刻ｔ_ｉ＋２にて取得される差分画像とを用いて、それらの画像が反映された乗算画像を、その後の演算時刻ｔ_ｉ＋３にて取得し、その後連続して演算時刻ｔ_ｉ＋４，ｔ_ｉ＋５，…にて乗算画像を取得する。

上記のように取得された乗算画像においては、瞳孔部における画素値が比較的大きな値を持ち、それ以外の部分が乗算画像の元になった差分画像に比較してより零値に近くなり、瞳孔部がより強調された画像となっている。このような性質を利用し、算出部２３は、連続して取得した乗算画像を対象にして、対象者Ａの瞳孔像の画像上の位置（以下、二次元位置ともいう。）を検出する。すなわち、算出部２３は、乗算画像を瞳孔用閾値を基準に２値化し、孤立点除去、モルフォロジー処理によるノイズ除去、ラベリングを行う。そして、算出部２３は、最も瞳孔らしい形状を有する画素群を、瞳孔として検出する。このとき、瞳孔がまぶたやまつ毛で隠れた場合にも、まぶたやまつ毛と瞳孔との境界を偽の瞳孔輪郭として排除し、真の瞳孔輪郭のみを楕円フィッティングして、真の瞳孔輪郭の乗算画像上の位置を検出し、楕円フィッティングで求まる楕円の式から瞳孔像の中心位置を算出する。このとき、算出部２３は、演算対象の乗算画像の画素値のビット数を削減するために、乗算画像の画素値を所定値（例えば、画素値が８ビットで表現されている場合は２の８乗の値）で割ってから瞳孔像の二次元位置を検出してもよい。

さらに、算出部２３は、一対のカメラ１０ごとに、同一の演算時間において取得された乗算画像を基に検出された瞳孔像の二次元位置と、その乗算画像の元となった３つの画像のうちの中間の暗瞳孔画像あるいは明瞳孔画像を対象に検出された角膜反射像の位置とを、連続して取得する。例えば、上記の演算時刻ｔ_ｉ＋３において取得された乗算画像に対しては、その乗算画像の元となった２つの差分画像の共通の演算元である、時刻ｔ_ｉの明瞳孔画像における角膜反射像の位置が対応する。また、上記の演算時刻ｔ_ｉ＋４において取得された乗算画像に対しては、その乗算画像の元となった２つの差分画像の共通の演算元である、時刻ｔ_ｉ＋１の暗瞳孔画像における角膜反射像の位置が対応する（図５）。そして、算出部２３は、一対のカメラ１０に対応して得られた瞳孔像の二次元位置を用いて、対象者Ａの瞳孔の三次元位置を算出する。さらに、算出部２３は、算出した瞳孔の三次元位置、一対のカメラ１０ごとに得られた瞳孔像の二次元位置及び角膜反射像の位置とを用いて対象者Ａの視線ベクトルおよび注視点を、所定の時間間隔で連続して検出する。上記の瞳孔の三次元位置の算出手法、視線ベクトルおよび注視点の算出手法は、本発明者らによって開発された手法（国際公開ＷＯ２０１２／０２０７６０号公報参照）を採用することができる。

ここで、上記説明では、差分画像の演算および乗算画像の演算が１フレームに相当する時間を要するという前提で差分画像及び乗算画像の演算時刻を記載している。一方で、これらの差分及び乗算の両方に要する時間の合計が十分短くて１フレームに対応する時間より小さい時間Δｔである場合は、乗算画像の演算時刻を前倒しの時刻で得るように動作してもよい。例えば、図５に示す演算時刻ｔ_ｉ＋３で取得する乗算画像は、時刻ｔ_ｉ＋１に対して「Δｔ」の時間遅れで、言い換えれば、時刻ｔ_ｉに対して「１フレームの時間＋Δｔ」の時間遅れで取得することができる。

以上説明した瞳孔検出装置１の作用効果について説明する。

瞳孔検出装置１によれば、カメラ１０の開口部１２の外側に配置された発光素子１３ａ，１３ｂが所定時間間隔で交互に点灯され、これらの点灯タイミングに合わせてカメラ１０で眼画像が取得されることにより、瞳孔が相対的に明るく写った明瞳孔画像と瞳孔が相対的に暗く写った暗瞳孔画像とが交互に得られ、明瞳孔画像と暗瞳孔画像との画像ペアの差分から差分画像が連続して取得される。さらに、連続して取得された２個の差分画像を均等に演算することによって対象者Ａの瞳孔位置が検出される。このように、連続する２個の差分画像を均等に演算することによって、周囲が明るい環境下であっても、周囲が暗い環境下であっても、連続して取得する差分画像において現れる瞳孔の位置を所定時間間隔のタイミングの位置に設定することができる。その結果、連続して取得する差分画像を基に、瞳孔の位置の変化を安定して検出することができる。特に、本実施形態は、比較的フレームレートの高い（通常の６０ｆｐｓよりも高い）カメラを用いる場合に有効である。さらに、コストあるいは設置場所の広さの制限等の理由から、発光素子の数あるいは装置の設置面積を削減したい場合にも有効である。

また、本実施形態の算出部２３は、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像における角膜反射像の位置を検出し、交互に取得した明瞳孔画像及び暗瞳孔画像を対象に差分画像を取得する際には、角膜反射像の位置が一致するように画像位置を補正している。このような構成の場合、対象者Ａの顔が動いた場合であっても、差分画像において瞳孔像を際立たせることができ、瞳孔位置の検出精度が向上する。その結果、連続して取得する差分画像を基に、瞳孔の位置の変化をさらに安定して検出することができる。

なお、本実施形態の算出部２３は、交互に取得した明瞳孔画像及び暗瞳孔画像を対象に差分画像を取得する際には、角膜反射像の位置が一致するように暗瞳孔画像の位置を明瞳孔画像に対して補正するか、あるいは、角膜反射像の位置が一致するように明瞳孔画像の位置を暗瞳孔画像に対して補正している。こうすれば、画像位置を補正した場合に、周囲が明るい環境下であっても、周囲が暗い環境下であっても、連続して取得する差分画像において現れる瞳孔の位置を所定時間間隔のタイミングの位置に設定することができる。その結果、連続して取得する差分画像を基に、瞳孔の位置の変化をより安定して検出することができる。

また、本実施形態の算出部２３は、乗算画像を対象に検出した瞳孔の二次元位置、および、明瞳孔画像あるいは暗瞳孔画像を対象に検出した角膜反射像の位置を基に対象者Ａの視線方向をさらに検出している。この場合には、連続して取得する差分画像を基に、視線方向の変化を安定して検出することができる。

上記のような瞳孔検出装置１による処理イメージを具体的に説明する。

図６には、瞳孔検出装置１によって取得される明瞳孔画像及び暗瞳孔画像のイメージを示しており、（ａ）部には明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の二次元分布のイメージを示し、（ｂ）部には位置補正処理前の明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の一次元分布のイメージを示し、（ｃ）部には位置補正処理後の明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の一次元分布のイメージを示し、（ｄ）部には差分画像の一次元分布のイメージを示す。図６の（ｂ）部～（ｄ）部には、角膜反射像の中心に沿った直線上における画素値（輝度）の一次元分布を示し、簡略化のため瞳孔部以外の虹彩部分等の画素値が一定に表現されている（以下の各図においても同様）。

図６の（ａ）部に示すように、瞳孔検出装置１によって取得される明瞳孔画像上で比較的輝度が高い瞳孔部Ｐ_Ｂが現れ、瞳孔検出装置１によって取得される暗瞳孔画像上で比較的輝度が低い瞳孔部Ｐ_Ｄが現れ、それぞれの画像上には輝度が瞳孔部Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ｄよりも高い角膜反射像Ｃ_Ｂ，Ｃ_Ｄが現れる。これらの明瞳孔画像及び暗瞳孔画像においては、発光素子１３ａ，１３ｂの設置位置の違いに起因して対象者Ａの顔の輪郭部等において明暗差が生じたり、対象者Ａの顔の動きにより顔の各部分に明暗差が生じる傾向にある。そこで、瞳孔検出装置１の算出部２３は、差分画像において瞳孔の誤検出を防止するために、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像において各瞳孔部を含むようなウィンドウを設定し、そのウィンドウ内の画像を用いて差分画像を生成するようにしている。さらに、算出部２３は、対象者Ａの動きにより明瞳孔画像における瞳孔部Ｐ_Ｂと暗瞳孔画像の瞳孔部Ｐ_Ｄとの間で位置がずれた場合（図６の（ｂ）部）、互いのウィンドウの位置を角膜反射像Ｃ_Ｂ，Ｃ_Ｄが一致するように補正した後に（図６の（ｃ）部）、互いのウィンドウの共通部分を差分することにより差分画像を生成することにより（図６の（ｃ）部）、瞳孔の位置の検出精度を保つようにしている。

なお、明瞳孔画像における瞳孔部Ｐ_Ｂは、暗瞳孔画像の瞳孔部Ｐ_Ｄに比較して輝度が高いが、瞳孔検出装置１が太陽光などの近赤外線を含む光が照射する環境で使用される場合には、対象者Ａの顔が明るくなるために輝度が周辺部に比較して低くなる場合がある。さらに、このように周辺部が明るくなる環境下では対象者Ａの瞳孔が一般的に小さくなるため、瞳孔部Ｐ_Ｂの輝度が低くなりやすい。これは、対象者Ａの瞳孔を通過して眼球内に入射する光量が減少するためであり、光源とカメラと対象者との位置関係、及び、対象者の視線方向の変化がなければ、瞳孔面積と瞳孔輝度との間には比例関係が成り立つためである。同様に、暗瞳孔画像あるいは差分画像における瞳孔部においても、瞳孔面積と瞳孔輝度との間には比例関係が成り立つ。

ここで、対象者の瞳孔面積あるいは使用環境に応じた瞳孔検出装置１における差分画像を用いた瞳孔像の位置の検出状態の変化について説明する。

図７には、周囲が暗い環境下あるいは瞳孔面積が大きい場合における明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の一次元分布を示す。図７の（ａ）部に示す状態では、明瞳孔画像における瞳孔部Ｐ_Ｂの輝度Ｌ_ＰＢが、周辺の虹彩等よりも明らかに高くなっており、暗瞳孔画像における瞳孔部Ｐ_Ｄの輝度Ｌ_ＰＤは、周辺の虹彩等より少し低くなっている。図７の（ｂ）部に示す状態では、明瞳孔画像における瞳孔部Ｐ_Ｂの輝度Ｌ_ＰＢが、周辺の虹彩等よりも明らかに高くなっており、暗瞳孔画像における瞳孔部Ｐ_Ｄの輝度Ｌ_ＰＤは、周辺の虹彩等より少し高くなっている。これらの状態は、明瞳孔画像において瞳孔部が明るく光りやすい一方で、暗瞳孔画像においては瞳孔部が他の部分に対して輝度が同等で目立たない状態である（以下、このような状態を「明瞳孔優位」と呼ぶ。）。

図８には、周囲が明るい環境下あるいは瞳孔面積が小さい場合における明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の一次元分布を示す。図８の（ａ）部に示す状態では、暗瞳孔画像における瞳孔部Ｐ_Ｄの輝度Ｌ_ＰＤが、周辺の虹彩等よりも明らかに低くなっており、明瞳孔画像における瞳孔部Ｐ_Ｂの輝度Ｌ_ＰＢは、周辺の虹彩等より少し高くなっている。図８の（ｂ）部に示す状態では、暗瞳孔画像における瞳孔部Ｐ_Ｄの輝度Ｌ_ＰＤが、周辺の虹彩等よりも明らかに低くなっており、明瞳孔画像における瞳孔部Ｐ_Ｂの輝度Ｌ_ＰＢは、周辺の虹彩等より少し低くなっている。これらの状態は、暗瞳孔画像において瞳孔部が暗くなりやすい一方で、明瞳孔画像においては瞳孔部が他の部分に対して輝度が同等で目立たない状態である（以下、このような状態を「暗瞳孔優位」と呼ぶ。）。

上記のような明瞳孔優位及び暗瞳孔優位の状態で瞳孔像が画像中で動いた場合を想定する。図９の（ａ）部及び（ｂ）部には、それぞれ、明瞳孔優位及び暗瞳孔優位の場合の画像の一次元分布を示し、上側に明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の一次元分布を示し、下側に差分画像の一次元分布を示している。

図９の（ａ）部に示すように、明瞳孔優位の場合は、差分画像において直前に得られた差分画像の瞳孔部の輝度の平均値の５０％を閾値として設定した場合、それによって検出される瞳孔像のエッジは元の明瞳孔画像における瞳孔部のエッジと一致する。一方、図９の（ｂ）部に示すように、暗瞳孔優位の場合は、同様な閾値によって検出される瞳孔像のエッジは元の暗瞳孔画像における瞳孔部のエッジと一致する。このことから、差分画像を基に瞳孔の二次元位置を検出しようとする場合、明瞳孔優位の場合は明瞳孔画像の瞳孔が検出され、暗瞳孔優位の場合には暗瞳孔画像の瞳孔が検出されることが分かる。

図１０に示すように、時刻ｔ_ｉ－１，ｔ_ｉ，ｔ_ｉ＋１，…において、暗瞳孔画像、明瞳孔画像、暗瞳孔画像、…と順に取得された場合を仮定する。算出部２３によって連続した時刻に取得された明瞳孔画像及び暗瞳孔画像を基に、明瞳孔画像から暗瞳孔画像を差し引いて差分画像が取得される。例えば、時刻ｔ_ｉに得られた明瞳孔画像から時刻ｔ_ｉ－１で得られた暗瞳孔画像が差し引かれることにより、演算時刻ｔ_ｉ＋１に差分画像が得られる。その次に、既に時刻ｔ_ｉで取得された明瞳孔画像から時刻ｔ_ｉ＋１で取得される暗瞳孔画像が差し引かれることにより、演算時刻ｔ_ｉ＋２に差分画像が得られる。ここで、明瞳孔優位の状態の場合には、互いに位置ずれが生じている明瞳孔画像及び暗瞳孔画像から差分画像を生成した際には明瞳孔画像における瞳孔位置が検出されることになるため、上記の２枚の差分画像において検出される瞳孔の二次元位置は、ともに時刻ｔ_ｉでの明瞳孔画像における瞳孔の二次元位置となる。つまり、演算時刻ｔ_ｉ＋１，ｔ_ｉ＋２において同じ位置が続けて２回検出される。同様に、演算時刻ｔ_ｉ＋３，ｔ_ｉ＋４において、時刻ｔ_ｉ＋２での明瞳孔画像における瞳孔位置が続けて２回検出される。

また、図１１に示すように、暗瞳孔優位の状態の場合には、互いに位置ずれが生じている明瞳孔画像及び暗瞳孔画像から差分画像を生成した際には暗瞳孔画像における瞳孔位置が検出されることになるため、演算時刻ｔ_ｉ＋２，ｔ_ｉ＋３で取得される２枚の差分画像において検出される瞳孔の二次元位置は、ともに時刻ｔ_ｉ＋１での暗瞳孔画像における瞳孔の二次元位置となる。つまり、演算時刻ｔ_ｉ＋２，ｔ_ｉ＋３において同じ位置が続けて２回検出される。

このように、明瞳孔画像と暗瞳孔画像との間の位置補正を実行しない場合は、明瞳孔優位の場合は、時刻ｔ_ｉと時刻ｔ_ｉ＋２の瞳孔の二次元位置が得られ、暗瞳孔優位の場合は、時刻ｔ_ｉ＋１と時刻ｔ_ｉ＋３の瞳孔の二次元位置が得られることがわかり、明瞳孔優位の状態と暗瞳孔優位の状態とでは、瞳孔の二次元位置が得られる時刻が異なってくる。図１２には、瞳孔位置が一方向に等速で変化する場合に、算出部２３によって検出される瞳孔位置の画像フレーム毎の変化を示している。このように、明瞳孔優位であっても暗瞳孔優位であっても、２枚の画像フレームで連続して同じ位置が検出され、明瞳孔優位の状態と暗瞳孔優位の状態とでは、同じ位置が連続して得られるタイミングが１フレームずれてしまう。つまり、別の観点から考えると、カメラ１０のフレームレートの半分の頻度でしか瞳孔位置を検出できないこととなる。瞳孔位置の検出頻度が低いと次の画像フレームにおける瞳孔位置の予測の精度が低くなり、差分画像の生成対象となるウィンドウの位置を正確に設定することが困難となる。その結果、ウィンドウサイズを大きくする必要があり、背景ノイズを拾いやすくなって瞳孔検出のロバスト性が低下する。

ここで注意すべき点は、差分画像によって瞳孔が検出されて瞳孔領域が明確になる前においては、その瞳孔の位置が明瞳孔画像における瞳孔像のものなのか暗瞳孔画像における瞳孔像のものなのかが不明という点である。つまり、角膜反射像に基づく位置補正を行って差分演算および二値化演算を行って瞳孔領位置が明確になって初めて、明瞳孔優位の状態か暗瞳孔優位の状態かが明らかになる。そのため、差分画像に基づく瞳孔の二次元位置の検出時にその瞳孔位置の時刻を解析することはその処理が煩雑となる。

これに対して、本実施形態では、連続して取得された２個の差分画像を均等に演算することによって対象者Ａの瞳孔位置が検出されるため、煩雑な処理は不要である。特に、本実施形態では、瞳孔が画像中をおおよそ等速で移動するのであれば、明瞳孔優位あるいは暗瞳孔優位のいずれの場合であっても、連続する差分画像において瞳孔位置の誤差の方向が逆となっている。このような性質を考慮して乗算画像を利用して瞳孔位置を検出することによって、２枚の差分画像中の瞳孔位置の誤差が相殺されることになり、瞳孔位置の検出精度が向上する。

また、本実施形態の瞳孔検出装置１によれば、明瞳孔優位か暗瞳孔優位かが不明の状況で対象者Ａの頭部が動く場合であっても、瞳孔位置の検出精度を向上させるとともに、瞳孔形状までも正確に検出することが可能である。図１３に示すように、本実施形態にかかる算出部２３により、時刻ｔ_ｉ－１の暗瞳孔画像と時刻ｔ_ｉの明瞳孔画像との間の差分画像を演算時刻ｔ_ｉ＋１で生成する際には、時刻ｔ_ｉ－１の暗瞳孔画像の位置が時刻ｔ_ｉの明瞳孔画像に対して補正される。このとき、明瞳孔優位の状態であると、演算時刻ｔ_ｉ＋１の差分画像で得られる瞳孔位置は時刻ｔ_ｉにおける瞳孔位置となる。その後、演算時刻ｔ_ｉ＋２の差分画像で得られる瞳孔位置も時刻ｔ_ｉにおける瞳孔位置となる。また、暗瞳孔優位の状態である場合は、演算時刻ｔ_ｉ＋１の差分画像で得られる瞳孔位置は時刻ｔ_ｉ－１における瞳孔位置を位置補正したものなる。その後、演算時刻ｔ_ｉ＋２の差分画像で得られる瞳孔位置は時刻ｔ_ｉ＋１における瞳孔位置を位置補正したものとなる。そのため、連続した演算時刻で得られた差分画像を基にした乗算画像を用いることにより、瞳孔位置の変化を精度よく検出できる。

一方で、明瞳孔画像と暗瞳孔画像との間の位置補正としては、直前のフレームの画像を直後のフレームの画像に対して補正する処理も考えられる。この場合、明瞳孔優位の状態であると、演算時刻ｔ_ｉ＋１の差分画像で得られる瞳孔位置は時刻ｔ_ｉにおける瞳孔位置となる。その後、演算時刻ｔ_ｉ＋２の差分画像で得られる瞳孔位置は時刻ｔ_ｉにおける瞳孔位置を位置補正したものとなる。そのため、演算時刻ｔ_ｉ＋２においては時刻ｔ_ｉの瞳孔位置を時刻ｔ_ｉ＋１の瞳孔位置に誤って検出することになり、連続した演算時刻で得られた差分画像を基にした乗算画像を用いても、瞳孔位置の検出精度を高めることはできない。この場合、明瞳孔優位であることが予めわかっていれば、演算時刻ｔ_ｉ＋２において得られる瞳孔位置を時刻ｔ_ｉのものと認識すれば問題ないが、既に述べたように、そのように認識することは困難である。暗瞳孔優位の状態の場合は、演算時刻ｔ_ｉ＋１の差分画像で得られる瞳孔位置は時刻ｔ_ｉ－１における瞳孔位置が位置補正されたものとなる。その後、演算時刻ｔ_ｉ＋２の差分画像で得られる瞳孔位置は時刻ｔ_ｉ＋１における瞳孔位置となる。そのため、演算時刻ｔ_ｉ＋１においては時刻ｔ_ｉ－１の瞳孔位置を時刻ｔ_ｉの瞳孔位置に誤って検出することになり、連続した演算時刻で得られた差分画像を基にした乗算画像を用いても、瞳孔位置の検出精度を高めることはできない。この場合も、暗瞳孔優位であることは不明であるため、瞳孔位置の検出時刻を修正することは困難である。

図１４の（ａ）部には差分画像の輝度分布を示し、図１４の（ｂ）部には連続した差分画像を基にした乗算画像の輝度分布を示し、図１５には同一の差分画像を基にした乗算画像の輝度分布を示している。それぞれの図において、上側に各画像の表示例を示し、下側に各画像の一次元輝度分布を示す。このように、図１４の（ａ）部に示される差分画像においては背景と瞳孔との輝度にあまり差が生じていないが、図１４の（ｂ）部に示されるように、連続した差分画像を基にした乗算画像においては、左右の瞳孔輝度が高くなっているとともに瞳孔部以外の背景部分のノイズが小さくなっており、乗算画像を用いることで瞳孔位置が検出しやすくなることが分かる。また、図１５に示されるように、同一の差分画像を基にした乗算画像においては、瞳孔以外の背景部分に高輝度点が多く見られ、ノイズが強調されている。これは、画素間の画素値の大小関係は二乗しても変化しないためである。従って、同一の差分画像を基にした乗算画像を用いると、瞳孔を誤検出する可能性がある。しかも、画素値は離散的であるので、２５６諧調の画素値の差分画像を二乗した画像も２５６諧調であり、瞳孔位置の検出のための閾値を設定する際の容易さには変化がない。これに対して、連続する異なる差分画像を乗算する場合には、元の差分画像の一方が異なっている。例えば、明瞳孔画像は共通であるが暗瞳孔画像は異なっている。通常、これらの２つの暗瞳孔画像は異なったノイズを含む。そのため、乗算画像において、ランダムノイズを含むノイズ、および頭部が動くことによる画像の変化による差分画像上の輝度変化が相殺されて、瞳孔以外の部分の輝度値が零に近づくことになる。また、乗算画像においては、一方の差分画像上の瞳孔部の画素の輝度が低くなっても、他方の差分画像上の同一画素の輝度がそれを補うことになる。上述した結果から、本実施形態のように時間的に連続する差分画像を基にした乗算画像を用いることが、瞳孔輝度を高くして瞳孔位置が検出しやすくなること、及びノイズの影響を除去することに関して有効であることが示された。

さらに、本実施形態の算出部２３は、連続する差分画像を基に乗算画像を取得している。つまり、演算時刻ｔ_ｉ＋２，ｔ_ｉ＋４等の演算時刻が１フレームを超えて離れた差分画像を用いていない。演算時刻ｔ_ｉ＋２，ｔ_ｉ＋４で取得された２つの差分画像を基に乗算画像を生成する場合も、２つの差分画像の元となる明瞳孔画像と暗瞳孔画像とが両方とも違うので、乗算の効果は得られる。しかしながら、このような乗算画像では、明瞳孔優位あるいは暗瞳孔優位の状態における瞳孔位置のずれ量が相殺されない。本実施形態では、瞳孔が画像中をおおよそ等速で移動するのであれば、明瞳孔優位あるいは暗瞳孔優位のいずれの場合であっても、それぞれの差分画像におけるずれ方向が同一であるので２枚の差分画像中の瞳孔位置は一致することになり、乗算による効果が期待できる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。上記実施形態の構成は様々変更されうる。

上述した実施形態では、算出部２３は、所定の時間間隔で取得された連続するＮ個（Ｎは２以上の偶数）の差分画像を基に乗算画像を生成し、その乗算画像を基に瞳孔の二次元位置および視線方向を検出してもよい。この場合も、瞳孔の位置の変化を安定して検出することができる。特に、乗算画像の生成元を偶数個の差分画像に設定することにより、連続する差分画像における瞳孔位置及び視線方向の誤差方向が逆方向であることに対してその誤差を確実に相殺することができる。また、解析が必要な瞳孔の位置変化の時間間隔に応じて、乗算画像の元となる差分画像の数を設定することで演算量を削減することができる。

また、上述した実施形態の算出部２３は、明瞳孔画像と暗瞳孔画像との間で角膜反射像の位置を用いた位置補正を行っているが、特許第４４５２８３２号に記載の鼻孔に基づく位置補正を行ってもよいし、特許第５４２９８８５号、特許第６０８３７６１号、特許第６５８３７３４号、及び特許第６５５５７０７号に記載の三次元空間での瞳孔の位置を予測することによる位置補正を行ってもよい。

また、上記実施形態の変形例として、算出部２３は、連続する差分画像を均等の演算結果に反映する際には、次のように処理してもよい。すなわち、算出部２３は、連続して取得した２つの差分画像を対象に、上述した方法と同様にして２つの瞳孔の二次元位置の候補を検出し、２つの瞳孔位置の候補の平均値を演算結果として取得し、その演算結果を基に最終的な瞳孔の二次元位置を検出してもよい。このようにすれば、演算時刻ｔ_ｉ＋１，ｔ_ｉ＋２で得られる２つの差分画像によって検出される２つの瞳孔位置を平均化することにより、明瞳孔優位の場合であっても暗瞳孔優位の場合であっても、その結果得られる瞳孔位置を時刻ｔ_ｉにおける瞳孔位置に近い位置とすることができる。その結果、連続して取得する差分画像を基に、瞳孔位置の変化を安定して検出することができる。

また、上記実施形態の別の変形例として、算出部２３は、連続する差分画像を基に検出した視線方向を平均化することにより、連続する差分画像を均等の演算結果に反映してもよい。すなわち、算出部２３は、連続して取得した２つの差分画像を対象に、上述した実施形態と同様にして、それぞれの差分画像を基に瞳孔の二次元位置と角膜反射像の位置とを検出し、それらを用いて２つの視線方向の候補を検出し、２つの視線方向の候補の平均値を演算結果として取得し、その演算結果を基に最終的な視線方向を検出してもよい。

ただし、上記別の変形例においては、算出部２３は、連続する差分画像を基に２つの視線方向の候補を検出する際には、連続する差分画像から検出した２つの瞳孔位置を平均化したものを用いてもよい。

視線方向の検出を精度よく実現するためには、瞳孔の位置と角膜反射の位置とは同じ時刻に検出されたものを用いる必要がある。視線は基本的に瞳孔中心と角膜反射点位置との相対関係から算出されるため、両者の検出時刻がずれていると、検出される視線に大きなばらつきが発生したり、頭部が一定方向に移動している場合にその方向に依存した視線のずれが生じる。例えば、明瞳孔優位の場合には、演算時刻ｔ_ｉ＋１，ｔ_ｉ＋２で得られる差分画像から検出されるのは、時刻ｔ_ｉの瞳孔の位置であり、角膜反射の位置も時刻ｔ_ｉでの明瞳孔画像上の位置であるため（図１０）、問題は生じない。しかし、暗瞳孔優位の場合には、演算時刻ｔ_ｉ＋１，ｔ_ｉ＋２で得られる差分画像から検出されるのは、それぞれ時刻ｔ_ｉ－１，ｔ_ｉ＋１の瞳孔の位置であり、角膜反射の位置は時刻ｔ_ｉでの明瞳孔画像上の位置であるため（図１１）、別々の時刻に検出された瞳孔位置と角膜反射位置から視線方向を検出することになってしまう。その結果、視線検出結果にばらつきが生じてしまう。

直前のフレームの画像位置をその直後のフレームの画像位置に対して補正する場合にも、検出される視線方向にずれが生じる。明瞳孔優位の場合には、時刻ｔ_ｉ－１の暗瞳孔画像を時刻ｔ_ｉの明瞳孔画像に対して位置補正したときは問題ないが、時刻ｔ_ｉの明瞳孔画像をｔ_ｉ＋１の暗瞳孔画像に対して位置補正したときには視線方向がずれる（図１０）。暗瞳孔優位の場合は、時刻ｔ_ｉの明瞳孔画像を時刻ｔ_ｉ＋１の暗瞳孔画像に対して位置補正したときは問題ないが、時刻ｔ_ｉ－１の暗瞳孔画像をｔ_ｉの明瞳孔画像に対して位置補正したときには視線方向がずれる（図１１）。そのずれ量は、瞳孔の画像中での移動速度に依存し、移動速度が大きいときほどずれ量が大きくなる。

一方、上記変形例によれば、明瞳孔優位か暗瞳孔優位かが不明な場合に、頭部が動いても視線方向あるいは注視点を正確に追尾できる。瞳孔が画像中でほぼ等速で動いていると仮定すると、暗瞳孔優位の場合は、時刻ｔ_ｉ－１の暗瞳孔画像を時刻ｔ_ｉの明瞳孔画像に対して位置補正して両画像から差分画像を生成するときと、時刻ｔ_ｉ＋１の暗瞳孔画像を時刻ｔ_ｉの明瞳孔画像に対して位置補正して両画像から差分画像を生成するときとでは、検出される視線方向のずれる方向が正反対となる。従って、連続して検出される視線方向はばらつきを有し、そのばらつき方向は正反対である。さらに、明瞳孔優位の場合は、時刻ｔ_ｉ－１の暗瞳孔画像を時刻ｔ_ｉの明瞳孔画像に対して位置補正して両画像から差分画像を生成するときと、時刻ｔ_ｉ＋１の暗瞳孔画像を時刻ｔ_ｉの明瞳孔画像に対して位置補正して両画像から差分画像を生成するときとでは、検出される視線方向が正しいので、それらの検出結果を平均化した視線方向も正しい方向を示す。本変形例によれば、差分画像を用いて連続して検出される視線方向を平均化することにより本来の正しい視線方向を検出することができる。

また、上記の２つの変形例においても、所定の時間間隔で取得された連続するＮ個（Ｎは２以上の偶数）の差分画像を基に演算結果を平均化して、平均化した演算結果を基に瞳孔の二次元位置および視線方向を検出してもよい。

また、上記実施形態に係る算出部２３は、交互に取得した明瞳孔画像及び暗瞳孔画像を基に差分画像を取得する際には、当該差分画像より先の演算時刻に連続して取得された２つの乗算画像を基に検出された２つの瞳孔の二次元位置の変化から、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像に対してウィンドウを設定し、設定したウィンドウ間で差分画像を生成してもよい。例えば、算出部２３は、時刻ｔ_ｉ－１，ｔ_ｉ，ｔ_ｉ＋１の３枚の眼部画像を基にした乗算画像から検出した瞳孔位置を、時刻ｔ_ｉの位置として検出し、時刻ｔ_ｉ－２，ｔ_ｉ－１，ｔ_ｉの３枚の眼部画像を基にした乗算画像から検出した瞳孔位置を、時刻ｔ_ｉ－１の位置として検出する。算出部２３は、これらの瞳孔位置から時刻ｔ_ｉ＋２における瞳孔の二次元位置を予測する。同様に、算出部２３は、時刻ｔ_ｉ＋１における瞳孔の二次元位置を、時刻ｔ_ｉ－２の瞳孔位置と時刻ｔ_ｉ－１の瞳孔位置とから予測する。そして、算出部２３は、予測した瞳孔位置を基に、差分画像を取得する際に、時刻ｔ_ｉ＋１における眼部画像上のウィンドウの位置、及び、時刻ｔ_ｉ＋２における眼部画像上のウィンドウの位置を設定することができる。このような変形例によれば、対象者Ａの顔が動いた場合であっても、差分画像において瞳孔像を確実に捉えることができ、瞳孔位置を安定して検出することができる。加えて、ウィンドウを設定することで画像演算の範囲を限定できるので瞳孔検出の演算速度も向上させることができる。

また、上記実施形態、上記変形例、及び上記別の変形例においては、明瞳孔画像と暗瞳孔画像を取得する時間間隔が１フレームに対応する間隔で一定でなく変化する場合は次のような機能を有していてもよい。すなわち、算出部２３は、両画像を取得した時刻を特定し、両画像から得た差分画像の演算結果への反映度合いを均等ではなく、両画像の取得時刻に対応させて調整（重み付け）してもよい。このように、算出部２３は、均等に連続する差分画像を演算結果に反映する以外にも、誤差を差分画像間で打ち消すことができれば、連続する差分画像を重み付けして演算結果に反映するようにしてもよい。これにより、画像の取得間隔に対応して瞳孔位置あるいは視線方向の検出の誤差を少なくすることができる。

１…瞳孔検出装置、１０…カメラ、１２…開口部、１３…光源、１３ａ…発光素子（第１の光源）、１３ｂ…発光素子（第２の光源）、２０…画像処理装置、２１…点灯制御部、２３…算出部、Ａ…対象者。

Claims (10)

1. 対象者の眼を撮像することにより眼画像を取得するカメラと、
   前記カメラの開口部の外側に設けられて前記カメラに対して前記対象者の瞳孔を相対的に明るく写す第１の光源と、
   前記カメラの開口部の外側に設けられて前記カメラに対して前記対象者の瞳孔を相対的に暗く写す第２の光源と、
   前記第１の光源及び前記第２の光源の点灯タイミングが所定時間間隔で交互に繰り返されるように、前記第１の光源及び前記第２の光源の点灯を制御する点灯制御部と、
   前記第１の光源の点灯タイミングに同期して前記カメラによって取得された前記眼画像である明瞳孔画像と、前記第２の光源の点灯タイミングに同期して前記カメラによって取得された前記眼画像である暗瞳孔画像とを交互に取得し、交互に取得した明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の画像ペアの差分を計算することにより差分画像を連続して取得し、連続して取得したＮ個（Ｎは２以上の偶数）の差分画像を演算結果に反映することによって、前記演算結果を基に前記眼画像上の前記対象者の瞳孔位置を検出する算出部と、
   を備え、
   前記算出部は、連続して取得した差分画像の乗算値を計算することにより前記演算結果として乗算画像を取得し、前記乗算画像を基に前記瞳孔位置を検出する、
   瞳孔検出装置。
2. 前記算出部は、連続して取得した２個の差分画像を演算結果に反映することによって、前記演算結果を基に前記眼画像上の前記対象者の瞳孔位置を検出する、
   請求項１記載の瞳孔検出装置。
3. 前記算出部は、前記明瞳孔画像及び前記暗瞳孔画像における角膜反射像の位置を検出し、交互に取得した前記明瞳孔画像及び前記暗瞳孔画像を対象に前記差分画像を取得する際には、前記角膜反射像の位置が一致するように画像位置を補正する、
   請求項１記載の瞳孔検出装置。
4. 前記算出部は、交互に取得した前記明瞳孔画像及び前記暗瞳孔画像を対象に前記差分画像を取得する際には、前記角膜反射像の位置が一致するように前記暗瞳孔画像の位置を前記明瞳孔画像に対して補正する、
   請求項３記載の瞳孔検出装置。
5. 前記算出部は、交互に取得した前記明瞳孔画像及び前記暗瞳孔画像を対象に前記差分画像を取得する際には、前記角膜反射像の位置が一致するように前記明瞳孔画像の位置を前記暗瞳孔画像に対して補正する、
   請求項３記載の瞳孔検出装置。
6. 前記算出部は、交互に取得した前記明瞳孔画像及び前記暗瞳孔画像を対象に前記差分画像を取得する際には、当該差分画像より前に連続して取得された２個の前記乗算画像を基に検出された２つの瞳孔位置の変化から、前記明瞳孔画像及び前記暗瞳孔画像に対してウィンドウを設定し、前記ウィンドウ間で差分画像を生成する、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の瞳孔検出装置。
7. 前記算出部は、前記角膜反射像の位置及び前記瞳孔位置を基に前記対象者の視線方向をさらに検出する、
   請求項３～５のいずれか１項に記載の瞳孔検出装置。
8. 対象者の眼を撮像することにより眼画像を取得するカメラと、
   前記カメラの開口部の外側に設けられて前記カメラに対して前記対象者の瞳孔を相対的に明るく写す第１の光源と、
   前記カメラの開口部の外側に設けられて前記カメラに対して前記対象者の瞳孔を相対的に暗く写す第２の光源と、
   前記第１の光源及び前記第２の光源の点灯タイミングが所定時間間隔で交互に繰り返されるように、前記第１の光源及び前記第２の光源の点灯を制御する点灯制御部と、
   前記第１の光源の点灯タイミングに同期して前記カメラによって取得された前記眼画像である明瞳孔画像と、前記第２の光源の点灯タイミングに同期して前記カメラによって取得された前記眼画像である暗瞳孔画像とを交互に取得し、交互に取得した明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の画像ペアの差分を計算することにより差分画像を連続して取得し、連続して取得したＮ個（Ｎは２以上の偶数）の差分画像を演算結果に反映することによって、前記演算結果を基に前記眼画像上の前記対象者の瞳孔位置を検出する算出部と、
   を備え、
   前記算出部は、連続して取得した前記差分画像を対象にＮ個の瞳孔位置の候補を検出し、前記Ｎ個の瞳孔位置の候補の平均値を前記演算結果として取得し、前記演算結果を基に前記瞳孔位置を検出する、
   瞳孔検出装置。
9. 対象者の眼を撮像することにより眼画像を取得するカメラと、
   前記カメラの開口部の外側に設けられて前記カメラに対して前記対象者の瞳孔を相対的に明るく写す第１の光源と、
   前記カメラの開口部の外側に設けられて前記カメラに対して前記対象者の瞳孔を相対的に暗く写す第２の光源と、
   前記第１の光源及び前記第２の光源の点灯タイミングが所定時間間隔で交互に繰り返されるように、前記第１の光源及び前記第２の光源の点灯を制御する点灯制御部と、
   前記第１の光源の点灯タイミングに同期して前記カメラによって取得された前記眼画像である明瞳孔画像と、前記第２の光源の点灯タイミングに同期して前記カメラによって取得された前記眼画像である暗瞳孔画像とを交互に取得し、交互に取得した明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の画像ペアの差分を計算することにより差分画像を連続して取得し、連続して取得したＮ個（Ｎは２以上の偶数）の差分画像を演算結果に反映することによって、前記演算結果を基に前記眼画像上の前記対象者の瞳孔位置を検出する算出部と、
   を備え、
   前記算出部は、前記明瞳孔画像及び前記暗瞳孔画像のいずれかにおける角膜反射像の位置を検出し、前記角膜反射像の位置と前記差分画像を対象に検出した前記対象者の瞳孔位置とを基に、前記対象者の視線の方向を検出し、連続して取得した前記差分画像を対象に検出した前記対象者の視線の方向の平均値を、前記演算結果としてさらに取得する、
   瞳孔検出装置。
10. 対象者の眼を撮像することにより眼画像を取得するカメラと、前記カメラの開口部の外側に設けられて前記カメラに対して前記対象者の瞳孔を相対的に明るく写す第１の光源と、前記カメラの開口部の外側に設けられて前記カメラに対して前記対象者の瞳孔を相対的に暗く写す第２の光源と、前記カメラ、前記第２の光源、及び前記第２の光源の制御と画像処理とを実行する処理装置と、を用いた瞳孔検出方法であって、
    前記第１の光源及び前記第２の光源の点灯タイミングが所定時間間隔で交互に繰り返されるように、前記第１の光源及び前記第２の光源の点灯を制御し、
    前記第１の光源の点灯タイミングに同期して前記カメラによって取得された前記眼画像である明瞳孔画像と、前記第２の光源の点灯タイミングに同期して前記カメラによって取得された前記眼画像である暗瞳孔画像とを交互に取得し、交互に取得した明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の画像ペアの差分を計算することにより差分画像を連続して取得し、連続して取得したＮ個（Ｎは２以上の偶数）の差分画像を演算結果に反映することによって、前記演算結果を基に前記眼画像上の前記対象者の瞳孔位置を検出し、
    連続して取得した差分画像の乗算値を計算することにより前記演算結果として乗算画像を取得し、前記乗算画像を基に前記瞳孔位置を検出する、
    瞳孔検出方法。

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