JPH0731589A

JPH0731589A - ビデオを用いた自動眼球運動解析装置

Info

Publication number: JPH0731589A
Application number: JP5148234A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Shioya; 敬一塩屋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-05-13
Filing date: 1993-05-13
Publication date: 1995-02-03

Abstract

(57)【要約】ビデオに撮影した眼の角膜の位置と形から自動的に眼球
の水平・垂直運動の角度を求めるパーソナルコンピュー
タ装置．眼球が回旋した際の角膜の位置のずれと角膜辺
縁の形状の変化をコンピュータでシミュレートして角膜
辺縁の形状を描き、実際のビデオの眼球運動の像に重ね
て一致する位置を決定する．一致の判定は角膜辺縁の一
部の円弧をシミュレートして実際の角膜辺縁をサーチし
て移動距離を指数化し逐時的に近づけること（コンピュ
ータによるパターンマッチング）で行った．得られた角
膜中心位置から眼球運動の角度を計算する．【目的】眼球の水平・垂直運動の角度を正確に、眼瞼や
測定自体の影響をできるだけ受けずに解析できるととも
に、人の判定の作業を自動的に行う．【構成】ビデオ画像をＡ／Ｄコンバートしてハードディ
スクに取り込み次いでパーソナルコンピュータの画面上
に重ねる．コンピュータはフルカラーメモリーのデータ
をアクセスして計算を行う．

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は眼球運動の測定に関す
るものである．そして健常者や患者の眼球運動の解析を
必要とする病医院や研究施設において利用されるもので
ある．

【０００２】

【従来の技術】眼球運動の解析法としては様々なものが
実用化されているが、非光学的方法がこれまでの主体で
あった．一例として眼球内の電気的分極を利用して電気
的に眼球の動きを記録するＥｌｅｃｒｏＯｃｕｌｏ
Ｇｒａｐｈｙ（ＥＯＧ）がある．しかしこの方法は垂直
・水平運動が互いに影響し合い数値が正確でなく、電極
の装着に経験を要するという欠点がある．別の例として
サーチコイル法は磁気を持ったコンタクトレンズを装着
させて眼球の運動を詳細に検出する方法であるが、小児
などは装着による影響が無視できない．これに対し光学
的方法を用いた眼球運動解析は、マーカをつけにくいと
いう眼球の特殊事情にあっており正確でもあることから
次第に用いられてきている．例としてフォトセル法があ
る．しかしこの方法は水平運動角度には向く反面、垂直
角度は眼瞼の為に瞳孔が隠ぺいされると測定できなくな
る欠点があり機器も高価である．既に出願した発明「ビ
デオを用いた眼球運動解析装置」は光学的な方法で、眼
瞼の影響を受けにくく、小児への装着も容易であるが、
処理の際に人による画像の判定の作業が必要で労力が膨
大である．

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は既に特許出願
した発明「ビデオによる眼球運動解析装置」（人の判定
作業による解析システム）を自動化するものである．手
動で行うか自動で行うかに関係なく発明が解決しようと
する課題は同じである．すなわちマーカを装着せず小児
や高齢者にも測定時の不快感がなく、測定が眼球運動に
影響を与えないこと．データを記録し後々にいつでも同
じデータを呼び出して解析できること．解析の際には異
常な眼球運動自体をじかに見ながら確認して解析できる
こと．眼球運動の水平・垂直運動角度は正確で互いの影
響がないこと．垂直運動の解析に眼瞼の影響を受けにく
いこと．廉価であること．である．既に出願した発明
「ビデオによる眼球運動解析装置」では人による画像判
定の作業が必要であったが、コンピュータによるパター
ンマッチング処理を加えた解析システムに改良し省力化
する事が新たな課題である．

【０００４】

【課題を解決するための手段】眼球が水平・垂直に回旋
すると、角膜はそれに合わせて水平・垂直に移動し、か
つ角膜辺縁の形は正面からみた時に様々な楕円形に変形
する．この位置の移動と角膜の変形をコンピュータで計
算して描かせ実際の角膜の像に一致させることで眼球の
回旋の角度を求めることが可能である．この目的のため
市販の機器を組み合わせてシステムを構築しさらに専用
のソフトウェアを作製して１つの測定装置とした．また
角度の計算式に独自の工夫をした．データは頭部を固定
して撮影した眼の正面画像のビデオである．記録は家庭
用のＶＨＳ方式のビデオテープにて行ったが、これは他
の画像記録媒体でもよい．撮影の際、カメラを固視して
もらい（図１）丁度角膜辺縁２の中心に眼球の回旋の中
心が重なるようにして眼１の正面像を撮影する．同時に
角膜の近傍でカメラからの距離が角膜とカメラの距離に
等しい位置に適当な指標３をおいて撮影しておく（図
１）．この画面を撮影した後に目的の眼球運動を撮影す
る．一方、眼球の直径を既存の測定法で測定しておく．
実際には超音波計測法で行なって、前房深度と全体長と
から眼球の回旋の半径Ｌを求めた．そのために下記の推
定式を作った．眼球は球とみなした．回旋の半径Ｌ＝（全体長−前房深度／２）／２＋１
（ｍｍ）また撮影時にはカメラと角膜との距離を測定しておい
た．解析に使用する機器の構成を図２に示す．既に出願
した発明「ビデオを用いた眼球運動解析装置」と異なり
画面はデジタル化が不可欠である．ビデオカメラ４で撮
影したデータをビデオテープ５に記録する．コンピュー
タ７で制御されるビデオデッキ６にて再生した画像をア
ナログ／デジタル変換機（Ａ／Ｄコンバータ１１）によ
りデジタルデータに変換してコンピュータのメモリ１２
上に転送しモニタ８の画面に表示するとともにハードデ
イスク１３に保管する．この画像上でパターンマッチン
グを行うプログラムにより解析に必要な点の座標の値を
取り込む．先に撮影しておいた、カメラを固視した画面
（図１）において、円形とみなした角膜辺縁２上の３点
をマウスにより手動で選び、角膜中心位置座標を計算で
求める．原理は円周上の３点中の２点の垂直二等分線の
交点が円の中心であることを用いた．これを回旋中心の
画面への投影点Ｄとみなす、次に回旋中心Ｄと角膜辺縁
上の１点との距離をコンピュータ座標のドット数で求
め、この距離を角膜の半径（Ｒ）とする．指標を撮影し
た画面（同じく図１）で指標３（紙テープを用いた）の
実際の長さをマウスで選んだコンピュータ画面上での距
離（ドット数）で除して変換の為の係数を求めて較正す
る．この係数を用いて先に測定した眼球の回旋半径
（Ｌ）が何ドットに当たるかを計算する．以上で求めた
回旋中心座標（Ｘ，Ｙ）・角膜半径（Ｒ）・回旋半径
（Ｌ）（いずれもドット数で表す）から角膜が垂直ある
いは水平に回旋した際に画面上でどのように回旋中心か
ら離れ、どのような楕円に変形するかをコンピュータ内
でのプログラムにより計算してその角膜の形を自由に表
示できるようにする．その際角膜辺縁は眼球の１断面で
あると仮定する．角膜の変形の計算式を示す．（図３参
照）長さＡＯ＝ＲＯＯＴ（Ｌ^２−Ｒ^２）長さＡＤ’＝ＲＯＯＴ（Ｘ^２＋Ｙ^２）角度θ ＝ＳＩＮ^−１（ＡＤ’／ＡＯ）長さＡＢ＝長さＡＣ＝角膜半径Ｒ長さＡ’Ｂ’＝長さＡ’Ｃ’＝Ｒ＊ＣＯＳ（θ）よって角膜辺縁上の点（ＢやＣなど）は、角膜中心Ａを
通る眼球の半径の方向（図４では縦方向）にＣＯＳ
（θ）だけ短縮すれば楕円として描ける．なお同じ画面
上にあっても眼球が回転して角膜辺縁が遠くになるにつ
れ遠近法により画面に縮小して現れる．すなわち遠近法
を無視した場合に比べ、画面の周辺の投影点がわずかに
周辺へ移動しただけで実際の眼球上の点ははるかに後方
へ移動しているのである．そこで遠近法により眼球上の
ある点が実際上較正した画面からどのくらい離れている
のかを計算する補正を行った（図４）．画面上の点Ｑの
実際の位置はＱ”ではなくＱ’でありＹ座標の値はＱ”
Ｓ”でなくＱ’Ｓ’で与えられる．またコンピュータの
画面とビデオの画面とは縦横の画素の間隔が異なるため
その補正の処理もプログラムに組み込んだ．すなわち使
用したコンピュータＰＣ−９８０１は画面の画素の構成
が縦４００：横６４０（５：８）であるにも関わらずＴ
Ｖ画面の画像（縦３：横４）をむりやり重ねてしまう結
果、２画素間のピッチが縦と横で狂ってしまう．そこで
取り込んだ点の横（Ｘ軸）座標の値を一律に一定値縮小
して計算し後に再度拡大して表示することで解決した．
データである人の眼の画像を処理する場合、下準備とし
て各画面上の点の色相によって眼瞼皮膚、角膜、強膜の
３つの部分を区別することが必要であった．実際に用い
たＡ／Ｄコンバータ１１の仕様から各点は１２ビットの
フルカラー画面で与えられた（すなわち１６７７万
色）．人がこの３領域をマウスでなぞって各領域のｒｅ
ｄ，ｇｒｅｅｎ，ｂｌｕｅの成分毎の平均と標準偏差を
求めておき、次いである点が与えられたときにその点が
眼瞼皮膚（ピンク色）、角膜（黒色）、強膜（白色）の
いずれに属するかを判定できるようにしておく．角膜辺
縁を探す際のパターンマッチングは以下のように行った
（図５）．まずある初期値Ｔの位置座標を角膜の中心と
しておく（実際には最初の画面でマウスにより人が決定
した）．ついでこの角膜中心Ｔから予想される角膜辺縁
像１５をコンピュータで描く．その後この予想辺縁上の
一点Ｕから実際の角膜辺縁２をサーチして辺縁上のＮを
決定する．距離ＵＮを計算し、ついですべての円弧上の
点で同様に行う．この後、ある移動のための指数（後
述）を設定しその値ができるだけ小さくなるように角膜
中心位置Ｔを移動する．最終的にこの指数がある閾値以
下の値に安定したところで角膜中心位置を決定する．Ｔ
は求める角膜中心位置Ａに近づく．この場合２つの問題
点の解決が必要である．第一の問題点は実際の角膜辺縁
２をサーチする場合、上・下眼瞼の皮膚１７・１８や
影、睫毛１６といった障害物をサーチしてしまい正しく
決定できないことである．この解決のためプログラムは
角膜の全辺縁はサーチせず、画面上へ投影された眼球中
心点Ｄに近い側の角膜辺縁の円弧ＪＫ（およそ９０度か
ら１２０度のみ）をサーチする事とした（図５）．なぜ
ならその側の円弧ＪＫは強膜１９との境界にあたり障害
物がないため誤りを避けられる、また色彩（白ピンク
黒）のコントラストがはっきりしておりサーチしやす
い、という利点と、原理的にこれと反対側の円弧は角膜
の表面上のある割線にしかすぎず必ずしも角膜辺縁を示
さないからである．なお円弧ＪＫを予想角膜楕円上のど
の位置に取るかも重要で、角膜が内転・外転している際
は眼瞼を避けてやや下方におきかつ９０度と狭く取る反
面、中央に位置している際は１２０度と広く取るなどの
工夫で障害の混入を効率よく排除できる．第二の問題点
は実際の角膜辺縁との距離の指数をどう設定するかであ
る（図５）．不適当な指数では判定が安定しない．サー
チする方向は上記の円弧ＪＫ上のある一点Ｕから、仮定
した角膜中心Ｔへ向かう方向および逆に離れる方向（点
Ｍの方向）の同じ直線上の２方向とした．点Ｕから一点
ずつサーチして最初の点Ｕが白で内側へのサーチであれ
ば黒点を、最初の点Ｕが黒で外側へのサーチであれば白
点を探して角膜辺縁の点Ｎとする．得られたベクトルＵ
Ｎを水平成分と垂直成分に分けそれぞれＸ方向Ｙ方向へ
の駆動力として計算し、順次円弧上のすべての点につい
て行って総計を求める．一方角膜辺縁上の点Ｕと求めた
点Ｎとの距離（すなわちベクトルＵＮの絶対値）が１な
いし２ドットというように近い場合の点Ｕの総数を計算
しておき先の駆動力の和を除して実際の移動距離の指数
とする．この求めた値だけ予想角膜中心位置をずらして
次の回のサーチの初期値としていく．こうすることによ
り予想角膜辺縁１５は次第に正しい辺縁２に近づくとと
もに駆動力を失い、近い点の数が増して移動しなくなっ
て安定する．なおサーチの距離を最初大きく取り粗動に
より近づき、次いでサーチ距離を減らしてかつ移動距離
の指数を常にＸＹ方向とも１ドットとする２つのモード
を用いてサーチを潤滑にかつ安全に行える工夫をした．
また角膜辺縁２は強膜１９と接する部分でピンク色の帯
状の部分ができるがこの部分は角膜あるいは強膜として
両者に含める事で角膜辺縁の判定に支障を来す事はなか
った．なおこの指数の設定には類似の様々のものが考え
られる．安定を判定するには予想角膜中心Ｔが同じ点上
に固定してしまった場合、同じ点を２度サーチした場合
に決定した．同じ点を２度サーチした場合は複数の点上
で周回している事もあり平均点を求めて最終点とした．
得られた角膜中心位置座標Ａから眼球の回旋の水平・垂
直角度をコンピュータで求める．この時の計算式を示
す．（図６参照）角ＡＯＤ＝角度θ 長さＯＤ＝長さＡＯ＊ＣＯＳ（θ）＝Ｌ＊ＣＯＳ（θ）長さＩＤ＝Ｙ長さＧＤ＝Ｘ垂直角＝角ＡＥＧ＝角ＩＯＤ＝ＴＡＮ^−１（長さＩＤ／
長さＯＤ）＝ＴＡＮ^−１（Ｙ／（Ｌ＊ＣＯＳ（θ））水平角＝角ＡＦＩ＝角ＧＯＤ＝ＴＡＮ^−１（長さＧＤ／
長さＯＤ）＝ＴＡＮ^−１（Ｘ／（Ｌ＊ＣＯＳ（θ））コンピュータは１画面の処理が終わる毎に次の画面を準
備し、再び同じ作業を繰り返して垂直角と水平角を計算
していく．得られた一連の水平垂直角度データは別に作
製したプログラムで表示し目的に応じて解析する．

【０００５】

【作用】ハードディスクに画像を多数枚分Ａ／Ｄコンバ
ートして蓄積した後に一度に自動判定処理をしてデータ
を取る．あるいは１フレーム毎にビデオをＡ／Ｄコンバ
ートしつつ解析を繰り返してデータを延長していくなど
の運用が可能である．自動判定処理により人の労力は省
力化できたが、処理時間は構成する機器の能力に依存す
る．

【０００６】

【実施例】ビデオカメラとしてソニー社製８ｍｍビデオ
ＣＣＤ−ＴＲ５５、コンピュータで制御されるビデオデ
ッキとしてＮＥＣ社製ＰＶ−Ｄ８２８、Ａ／Ｄコンバー
タ（ビデオデジタイザ）としてデジタルアーツ社製Ｈｙ
ＰＥＲ−ＶｉＳｉＯＮ＋、メモリ（フレームバッファ
ー）として同社ＨｙＰＥＲ−ＦＲＡＭＥ＋、コンピュー
タとしてＮＥＣ社製ＰＣ−９８０１ＤＡ／Ｕ７を用い
た．プログラムにはＫ．Ｓ．Ｐ社ＢＡＳＩＣ９８ｐｒｏ
を用いた．眼科病院で患者の眼球運動をビデオに記録し
超音波計測で眼軸長を計っておく．得られたビデオテー
プをダビングしてビデオデッキＰＶ−Ｄ８２８で自由に
アクセスできるようにする．このテープをビデオデッキ
に入れコンピュータのプログラムを走らせる．まず較正
の画面、角膜の正面固視の画面、どの画面から処理する
かをビデオに記録された番号で決める．ついで画面の較
正、眼球中心位置の決定、画面上の眼険、角膜、強膜の
色調の決定をする．さらに最初の画面でおおよその角膜
中心位置の初期値をマウスで与える．あとはコンピュー
タにより自動的に眼球運動のデータが得られ、グラフ化
される．機器の構成は目的が達せられれば上記のものに
限定されない．

【０００７】

【発明の効果】本システムを用いた眼球運動解析は垂直
と水平の成分が独立しており、ＥＯＧに見られるような
相互作用はなかった．また眼瞼によってある程度角膜が
隠れても推測ができた．解析は後になって注目している
部分を確認しながら行える利点があった．また５歳の幼
児でも測定可能であった．角膜辺縁を探すという判断を
パターンマッチング処理によりコンピュータで自動化で
きたことで有用な省力化ができ多数のデータを集積する
ことが容易になった．

【図面の簡単な説明】

【図１】本案のビデオ画像（固視時）である．

【符号の説明】

１眼２角膜辺縁３示標Ｄ回旋中心の画面への投影点

【図２】本案の機器の構成図である．

【符号の説明】

４ビデオカメラ５ビデオテープ６コンピ
ュータで制御されるビデオデッキ７コンピュータ
８モニタ９マウス１０プログラム
１１Ａ／Ｄコンバータ１２メモリ１３
ハードディスク

【図３】角膜中心と回旋の中心とを通る面での眼球の断
面図である．

【符号の説明】

１４眼球辺縁１９画面Ａ角膜の中心ＢＣ角膜辺縁の点Ｄ回旋
中心の画面への投影点Ａ’ 画面上の角膜の中心Ｂ’Ｃ’画面上の角膜辺
縁の点Ｄ’角膜中心から眼軸ＯＤへの垂線の交点
Ｏ回旋の中心 θ 角ＡＯＤ

【図４】角膜中心と回旋の中心とを通る面での眼球の断
面図である．

【符号の説明】

１４眼球辺縁１９画面Ｐ焦点Ｑ画面上の点Ｑ’ 遠近補正をした場合の点Ｑの眼球上の位置Ｑ” 遠近補正をしない場合の点Ｑの眼球上の位置Ｓ” Ｑ”の垂線の足Ｓ’ Ｑ’の垂線の足

【図５】本案のビデオ画像（検査時）である．

【符号の説明】

２角膜辺縁１５予想角膜辺縁１６睫毛
１７上眼瞼１８下眼瞼１９強膜Ａ角膜の中心Ｄ回旋中心の画面への投影点ＪＫＵ予想角膜辺縁上の点Ｍ点ＵについてＴと反対側の点Ｎ実際の角膜辺縁上の点ベクトルＵＮ点Ｕにお
ける移動すべき距離ベクトル

【図６】本案の眼球の座標系と角膜中心の位置座標であ
る．

【符号の説明】

２角膜辺縁１４眼球辺縁ＸＹ平面モニタの画面に平行な平面Ｘ画面の水平座標軸Ｙ画面の垂直座標軸Ｚ
画面に垂直な座標軸Ａ角膜の中心Ｅ角膜中心のＸ座標Ｆ角膜
中心のＹ座標Ｄ角膜中心のＺ座標（回旋中心の画
面への投影点に等しい）Ｈ角膜中心のＸＹ平面へ
の投影点Ｉ角膜中心のＹＺ平面への投影点Ｇ
角膜中心のＸＺ平面への投影点角ＡＥＧ＝角ＩＯＤ＝垂直角角ＡＦＩ＝角ＧＯＤ＝
水平角

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年４月１４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】

【課題を解決するための手段】眼球が水平・垂直に回旋
すると、角膜はそれに合わせて水平・垂直に移動し、か
つ角膜辺縁の形は正面からみた時に様々な楕円形に変形
する。この位置の移動と角膜の変形をコンピュータで計
算して描かせ実際の角膜の像に一致させることで眼球の
回旋の角度を求めることが可能である。この目的のため
市販の機器を組み合わせてシステムを構築しさらに専用
のソフトウェアを作製して１つの測定装置とした。また
角度の計算式に独自の工夫をした。データは頭部を固定
して撮影した眼の正面画像のビデオである。記録は家庭
用のＶＨＳ方式のビデオテープにて行ったが、これは他
の画像記録媒体でもよい。撮影の際、カメラを固視して
もらい（図１）丁度角膜辺縁２の中心に眼球の回旋の中
心が重なるようにして眼１の正面像を撮影する。同時に
角膜の近傍でカメラからの距離が角膜とカメラの距離に
等しい位置に適当な指標３をおいて撮影しておく（図
１）。この画面を撮影した後に目的の眼球運動を撮影す
る。一方、眼球の直径を既存の測定法で測定しておく。
実際には超音波計測法で行なって、前房深度と全体長と
から眼球の回旋の半径Ｌを求めた。そのために下記の推
定式を作った。眼球は球とみなした。回旋の半径Ｌ＝（全体長−前房深度／２）／２＋１
（ｍｍ）また撮影時にはカメラと角膜との距離を測定しておい
た。解析に使用する機器の構成を図２に示す。既に出願
した発明「ビデオを用いた眼球運動解析装置」と異なり
画面はデジタル化が不可欠である。ビデオカメラ４で撮
影したデータをビデオテープ５に記録する。コンピュー
タ７で制御されるビデオデッキ６にて再生した画像をア
ナログ／デジタル変換機（Ａ／Ｄコンバータ１１）によ
りデジタルデータに変換してコンピュータのメモリ１２
上に転送しモニタ８の画面に表示するとともにハードデ
ィスク１３に保管する。この画像上でパターンマッチン
グを行うプログラムにより解析に必要な点の座標の値を
取り込む。先に撮影しておいた、カメラを固視した画面
（図１）において、円形とみなした角膜辺縁２上の３点
をマウスにより手動で選び、角膜中心位置座標を計算で
求める。原理は円周上の３点中の２点の垂直二等分線の
交点が円の中心であることを用いた。これを回旋中心の
画面への投影点Ｄとみなす。次に回旋中心Ｄと角膜辺縁
上の１点との距離をコンピュータ座標のドット数で求
め、この距離を角膜の半径（Ｒ）とする。指標を撮影し
た画面（同じく図１）で指標３（紙テープを用いた）の
実際の長さをマウスで選んだコンピュータ画面上での距
離（ドット数）で除して変換の為の係数を求めて較正す
る。この係数を用いて先に測定した眼球の回旋半径
（Ｌ）が何ドットに当たるかを計算する。以上で求めた
回旋中心座標（Ｘ，Ｙ）・角膜半径（Ｒ）・回旋半径
（Ｌ）（いずれもドット数で表す）から角膜が垂直ある
いは水平に回旋した際に画面上でどのように回旋中心か
ら離れ、どのような楕円に変形するかをコンピュータ内
でのプログラムにより計算してその角膜の形を自由に表
示できるようにする。その際角膜辺縁は眼球の１断面で
あると仮定する。角膜の変形の計算式を示す。（図３参
照）長さＡＯ＝ＲＯＯＴ（Ｌ^２−Ｒ^２）長さＡＤ’＝ＲＯＯＴ（Ｘ^２＋Ｙ^２）角度θ ＝ＳＩＮ^−１（ＡＤ’／ＡＯ）長さＡＢ＝長さＡＣ＝角膜半径Ｒ長さＡ’Ｂ’＝長さＡ’Ｃ’＝Ｒ＊ＣＯＳ（θ）よって角膜辺縁上の点（ＢやＣなど）は、角膜中心Ａを
通る眼球の半径の方向（図３では縦方向）にＣＯＳ
（θ）だけ短縮すれば楕円として描ける。なお同じ画面
上にあっても眼球が回転して角膜辺縁が遠くになるにつ
れ遠近法により画面に縮小して現れる。すなわち遠近法
を無視した場合に比べ、画面の周辺の投影点がわずかに
周辺へ移動しただけで実際の眼球上の点ははるかに後方
へ移動しているのである。そこで遠近法により眼球上の
ある点が実際上較正した画面からどのくらい離れている
のかを計算する補正を行った（図４）。画面上の点Ｑの
実際の位置はＱ”ではなくＱ’でありＹ座標の値はＱ”
Ｓ”でなくＱ’Ｓ’で与えられる。またコンピュータの
画面とビデオの画面とは縦横の画素の間隔が異なるため
その補正の処理もプログラムに組み込んだ。すなわち使
用したコンピュータＰＣ−９８０１は画面の画素の構成
が縦４００：横６４０（５：８）であるにも関わらずＴ
Ｖ画面の画像（縦３：横４）をむりやり重ねてしまう結
果、２画素間のピッチが縦と横で狂ってしまう。そこで
取り込んだ点の横（Ｘ軸）座標の値を一律に一定値縮小
して計算し後に再度拡大して表示することで解決した。
データである人の眼の画像を処理する場合、下準備とし
て各画面上の点の色相によって眼瞼皮膚、角膜、強膜の
３つの部分を区別することが必要であった。実際に用い
たＡ／Ｄコンバータ１１の仕様から各点は１２ビットの
フルカラー画面で与えられた（すなわち１６７７万
色）。人がこの３領域をマウスでなぞって各領域のｒｅ
ｄ，ｇｒｅｅｎ，ｂｌｕｅの成分毎の平均と標準偏差を
求めておき、次いである点が与えられたときにその点が
眼瞼皮膚（ピンク色）、角膜（黒色）、強膜（白色）の
いずれに属するかを判定できるようにしておく。角膜辺
縁を探す際のパターンマッチングは以下のように行った
（図５）。まずある初期値Ｔの位置座標を角膜の中心と
しておく（実際には最初の画面でマウスにより人が決定
した）。ついでこの角膜中心Ｔから予想される角膜辺縁
像１５をコンピュータで描く。その後この予想辺縁上の
一点Ｕから実際の角膜辺縁２をサーチして辺縁上のＮを
決定する。距離ＵＮを計算し、ついですべての円弧上の
点で同様に行う。この後、ある移動のための指数（後
述）を設定しその値ができるだけ小さくなるように角膜
中心位置Ｔを移動する。最終的にこの指数がある閾値以
下の値に安定したところで角膜中心位置を決定する。Ｔ
は求める角膜中心位置Ａに近づく。この場合２つの問題
点の解決が必要である。第一の問題点は実際の角膜辺縁
２をサーチする場合、上・下眼瞼の皮膚１７・１８や
影、睫毛１６といった障害物をサーチしてしまい正しく
決定できないことである。この解決のためプログラムは
角膜の全辺縁はサーチせず、画面上へ投影された眼球中
心点Ｄに近い側の角膜辺縁の円弧ＪＫ（およそ９０度か
ら１２０度のみ）をサーチする事とした（図５）。なぜ
ならその側の円弧ＪＫは強膜１９との境界にあたり障害
物がないため誤りを避けられる、また色彩（白ピンク
黒）のコントラストがはっきりしておりサーチしやす
い、という利点と、原理的にこれと反対側の円弧は角膜
の表面上のある割線にしかすぎず必ずしも角膜辺縁を示
さないからである。なお円弧ＪＫを予想角膜楕円上のど
の位置に取るかも重要で、角膜が内転・外転している際
は眼瞼を避けてやや下方におきかつ９０度と狭く取る反
面、中央に位置している際は１２０度と広く取るなどの
工夫で障害の混入を効率よく排除できる。第二の問題点
は実際の角膜辺縁との距離の指数をどう設定するかであ
る（図５）。不適当な指数では判定が安定しない。サー
チする方向は上記の円弧ＪＫ上のある一点Ｕから、仮定
した角膜中心Ｔへ向かう方向および逆に離れる方向（点
Ｍの方向）の同じ直線上の２方向とした。点Ｕから一点
ずつサーチして最初の点Ｕが白で内側へのサーチであれ
ば黒点を、最初の点Ｕが黒で外側へのサーチであれば白
点を探して角膜辺縁の点Ｎとする。得られたベクトルＵ
Ｎを水平成分と垂直成分に分けそれぞれＸ方向Ｙ方向へ
の駆動力として計算し、順次円弧上のすべての点につい
て行って総計を求める。一方角膜辺縁上の点Ｕと求めた
点Ｎとの距離（すなわちベクトルＵＮの絶対値）が１な
いし２ドットというように近い場合の点Ｕの総数を計算
しておき先の駆動力の和を除して実際の移動距離の指数
とする。この求めた値だけ予想角膜中心位置をずらして
次の回のサーチの初期値としていく。こうすることによ
り予想角膜辺縁１５は次第に正しい辺縁２に近づくとと
もに駆動力を失い、近い点の数が増して移動しなくなっ
て安定する。なおサーチの距離を最初大きく取り粗動に
より近づき、次いでサーチ距離を減らしてかつ移動距離
の指数を常にＸＹ方向とも１ドットとする２つのモード
を用いてサーチを潤滑にかつ安全に行える工夫をした。
また角膜辺縁２は強膜１９と接する部分でピンク色の帯
状の部分ができるがこの部分は角膜あるいは強膜として
両者に含める事で角膜辺縁の判定に支障を来す事はなか
った。なおこの指数の設定には類似の様々のものが考え
られる。安定を判定するには予想角膜中心Ｔが同じ点上
に固定してしまった場合、同じ点を２度サーチした場合
に決定した。同じ点を２度サーチした場合は複数の点上
て周回している事もあり平均点を求めて最終点とした。
得られた角膜中心位置座標Ａから眼球の回旋の水平・垂
直角度をコンピュータで求める。この時の計算式を示
す。（図６参照）角ＡＯＤ’＝角度θ 長さＯＤ’＝長さＡＯ＊ＣＯＳ（θ）＝ＲＯＯＴ（Ｌ^２
−Ｒ^２）＊ＣＯＳ（θ）長さＩＤ’＝Ｙ長さＧＤ’＝Ｘ垂直角＝角ＡＥＧ＝角ＩＯＤ’＝ＴＡＮ^−１（長さＩ
Ｄ’／長さＯＤ’）＝ＴＡＮ^−１（Ｙ／（ＲＯＯＴ（Ｌ^２−Ｒ^２）＊ＣＯＳ
（θ））水平角＝角ＡＦＩ＝角ＧＯＤ’＝ＴＡＮ^−１（長さＧ
Ｄ’／長さＯＤ’）＝ＴＡＮ^−１（Ｘ／（ＲＯＯＴ（Ｌ^２−Ｒ^２）＊ＣＯＳ
（θ））コンピュータは１画面の処理が終わる毎に次の画面を準
備し、再び同じ作業を繰り返して垂直角と水平角を計算
していく。得られた一連の水平垂直角度データは別に作
製したプログラムで表示し目的に応じて解析する。 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年６月１３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】ビデオを用いた自動眼球運動解析装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】眼球運動の水平・垂直角度を、ビデオに記
録した眼の角膜の位置と形状から、パターンマッチング
機能により自動的に推定するコンピュータ装置．