KR100628921B1 - 안구의 비틀림 운동 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안구 비틀림 운동 측정 방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 각각 촬영된 두 개의 안구 이미지 상의 동공 형태의 변화를 이용하여 상기 안구 이미지 상의 각 지점을 서로 대응시키는 대응 모델을 산출하고 상기 대응 모델을 이용하여 안구의 비틀림 운동 정도를 측정할 수 있는 안구 비틀림 운동 측정 방법에 대한 것이다.

본 발명에 따른 안구의 비틀림 운동 측정 방법은, 동일 안구를 카메라로 촬영한 임의의 제1 안구 이미지 및 임의의 제2 안구 이미지를 입력 받는 단계, 명도 차이를 이용하여 상기 제1 안구 이미지 상의 제1 동공 모양 및 상기 제2 안구 이미지 상의 제2 동공 모양을 식별하는 단계, 상기 제1 동공 모양 및 상기 제2 동공 모양을 타원으로 각각 모델링하는 단계, 상기 모델링된 제1 동공 모양 및 상기 모델링된 제1 동공 모양이 구성하는 타원의 중심점에 기초하여 상기 제1 안구 이미지 상의 하나 이상의 제1 샘플링 위치를 결정하는 단계, 및 상기 모델링된 제2 동공 모양 및 상기 모델링된 제2 동공 모양이 구성하는 타원의 중심점에 기초하여 상기 제2 안구 이미지 상의 하나 이상의 제2 샘플링 위치를 결정하는 단계를 포함한다.

안구, 비틀림(torsional), 홍채, 동공, 샘플링 위치.

Description

안구의 비틀림 운동 측정 방법{Method For Torsional Eye Movement Measurement Compensation}

도 1은 종래기술을 설명하기 위해 사용된 촬영된 안구 이미지를 도시한다.

도 2는 본 발명에 따라 제2 안구 이미지에서의 제2 샘플링 위치를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 안구 비틀림 운동의 정도를 측정하는 과정을 도시한 흐름도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 동공 모양을 타원으로 모델링한 경우를 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 측정된 안구의 비틀림 운동 정도를 도시한 도면이다.

본 발명은 안구 비틀림 운동 측정 방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 각 각 촬영된 두 개의 안구 이미지 상의 동공 형태의 변화를 이용하여 상기 안구 이미지 상의 각 지점을 서로 대응시키는 대응 모델을 산출하고 상기 대응 모델을 이용하여 안구의 비틀림 운동 정도를 측정할 수 있는 안구 비틀림 운동 측정 방법에 대한 것이다.

인간의 안구는 비틀림 운동(torsional eye movement)을 한다. 안구의 비틀림 운동이란 "안구의 시선 방향에 따라 결정되는 시선축을 중심으로 안구가 회전하는 운동"을 의미한다. 그런데, 이러한 안구의 비틀림 운동은 비선형적이기 때문에 안구를 촬영한 안구 이미지를 이용하여 안구의 비틀림 운동을 측정하는 것이 용이하지 않았다.

이하에서는 종래기술에 따라 안구의 비틀림 운동을 측정하는 방법을 설명한다.

안구를 촬영하여 얻어지는 안구 표면 이미지는 대체적으로 명도가 낮은 동공 부분과 명도가 높은 흰자위 부분, 그리고 무늬를 띠고 있는 홍채 부분으로 대별될 수 있다. 그런데, 동공 또는 흰자위(공막) 부분의 안구 이미지만으로는 안구가 비틀림 운동을 한 이후에도 시각적으로 그 변화를 감지하는 것이 쉽지 않다. 반면, 홍채 부분은 명도가 일정치 않은 다채로운 무늬를 갖기 때문에 안구의 비틀림 운동을 측정하기 위해 홍채 무늬의 변화를 측정하는 방식이 널리 사용된다.

이러한 방식에서는 홍채 무늬의 변화를 측정하기 위해서는 제1 시점에서 소정의 안구를 촬영하여 얻어진 제1 안구 이미지와 제2 시점에서 상기 안구 이미지를 촬영하여 얻어진 제2 안구 이미지를 비교하는 과정이 필수적이다.

종래기술은 제1 안구 이미지 상의 하나 이상의 샘플링 위치에서 명도를 산출하고, 상기 샘플링 위치에 대응하는 제2 안구 이미지 상의 하나 이상의 샘플링 위치에서 명도를 산출한다.

제1 안구 이미지 상에서의 샘플링 위치에서의 명도를 B1(s), 상기 샘플링 위치와 안구 상에서 동일 지점을 나타내는 제2 안구 이미지 상에서의 샘플링 위치에서의 명도를 B2(s)라고 하면(상기 s는 샘플링 위치를 나타내는 변수임), B1(s)와 B2(s)의 Cross correlation의 값이 최대가 되는 S(상기 S는 상수)를 산출할 수 있고, 상기 S는 비틀림 운동의 정도의 크기를 나타낸다.

그런데, 홍채 무늬의 변화를 측정함으로써 안구의 비틀림 운동 정도를 측정하기 위해서는 제1 안구 이미지에서의 샘플링 위치와 제2 안구 이미지에서의 대응하는 샘플링 위치는 안구 상의 동일 형태를 나타낸다는 것이 보장되어야 한다.

그런데, 일반적으로 제1 시점과 제2 시점에서 피촬영자는 작게나마 움직이기 마련이고 안구 역시 병진 또는 회전 운동을 한다. 또한, 카메라의 축과 안구의 시선 방향이 일치하지 않는 등의 원인으로 안구 상에서 동일한 형태를 이루는 샘플링 위치를 상기 제1 안구 이미지와 상기 제2 안구 이미지 상에서 정확하게 특정하는 것이 용이하지 않다는 문제가 있다. 즉, 제1 안구 이미지 상의 홍채 부분에서 소정의 샘플링 위치를 선정하는 것은 용이하나, 이후 촬영되어 입력된 제2 안구 이미지에서 상기 선정된 샘플링 위치에 대응하는 샘플링 위치를 결정하는 것은 용이하지 않다는 문제가 있다.

예를 들면, 도 1의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 도 1의 (a)와 같이 촬영된 제1 안구 이미지의 홍채 이미지 상의 샘플링 위치들은 도면 부호(101)로 표시한 바와 같은 원형을 이루고 있다. 그런데, 동일 안구를 촬영한 도 1의 (b)의 제2 안구 이미지는 안구 중심과 카메라의 축이 일치하지 않는 등, 제1 안구 이미지에서와 달리 이미지 상에서 홍채의 모양이 많이 변형되어 있다. 따라서, 정확한 안구 비틀림 운동 정도를 측정하기 위해서는 제2 안구 이미지 상에서의 샘플링 위치들이 구성하는 형태 역시 촬영된 홍채 이미지의 모양 변형에 따라 변형되어야만 한다. 만약 제2 안구 이미지 상에서도 도면 부호(102)로 표시한 바와 같이 도 1의 (a)에서와 마찬가지로 원형 상에서 샘플링 위치를 선택한다면 안구의 비틀림 정도를 측정하는 경우 오차가 많이 발생하는 것은 당연하다.

종래기술은 이러한 문제점을 해결하기 위해 1) 안구가 완전한 구라고 가정할 때, 2) 상기 안구의 중점이 카메라 축 상에 위치하고 3) 안구의 반지름을 알면 제2 안구 이미지 상에서의 샘플링 위치를 결정할 수 있는 모델에 대해 제안했다. 이 모델은 안구의 회전 중심의 위치, 안구의 반지름 등을 가정한 구로부터 얻어진 동공의 위치를 기반으로 안구의 회전 각도를 계산한 후 기준 영상(제1 이미지)에서 측정하였던 샘플링 위치에 대응하는 제2 안구 이미지에서의 샘플링 위치를 계산하는 방법이다.

그러나, 종래기술을 사용하는 경우에도, 안구의 중점이 카메라 축 상에 위치하도록 촬영하는 것이 쉽지 않고, 피촬영자마다 상이한 안구 반지름을 피촬영자 별로 각각 측정해야 되야 한다는 불편함이 있었고, 또는 안구가 완전한 구는 아니라는 점에서, 안구의 비틀림 운동 정도를 정확하게 측정할 수 없었다는 문제가 여전 히 남아 있었다.

따라서, 동일한 안구를 측정하여 얻어진 제1 안구 이미지와 제2 안구 이미지 상에서 대응하는 샘플링 위치를 용이하게 결정할 수 있는 새로운 모델이 요청되고 있다.

본 발명은 동일 안구를 측정하여 각각 얻어진 제1 안구 이미지와 제2 안구 이미지 상에서 서로 대응하는 샘플링 위치를 결정할 수 있는 안구 비틀림 운동 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, 본 발명은 안구 촬영 시 촬영 조건에 제약이 적으면서도 안구 이미지 상의 샘플링 위치를 더욱 정확하고 용이하게 결정할 수 있는 안구 비틀림 운동 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하고, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 안구의 비틀림 운동 측정 방법은, 동일 안구를 카메라로 촬영한 임의의 제1 안구 이미지 및 임의의 제2 안구 이미지를 입력 받는 단계, 명도 차이를 이용하여 상기 제1 안구 이미지 상의 제1 동공 모양 및 상기 제2 안구 이미지 상의 제2 동공 모양을 식별하는 단계, 상기 제1 동공 모양 및 상기 제2 동공 모양을 타원으로 각각 모델링하는 단계, 상기 모델링된 제1 동공 모양 및 상기 모델링된 제1 동공 모양이 구성하는 타원의 중심점에 기초하여 상기 제1 안구 이미지 상의 하나 이상의 제1 샘플링 위치를 결정하는 단계, 및 상기 모델링된 제2 동공 모양 및 상기 모델링된 제2 동공 모양이 구성하는 타원의 중심점에 기초하여 상기 제2 안구 이미지 상의 하나 이상의 제2 샘플링 위치를 결정하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 일측에 따르면, 상기 안구의 비틀림 운동 측정 방법은, 상기 하나 이상의 제1 샘플링 위치에서의 상기 제1 안구 이미지의 제1 명도를 순차적으로 산출하는 단계, 상기 하나 이상의 제2 샘플링 위치에서의 제2 안구 이미지의 제2 명도를 순차적으로 산출하는 단계, 상기 순차적으로 산출된 제1 명도 및 상기 순차적으로 산출된 제2 명도를 이용하여 상기 안구의 비틀림 운동 정도를 측정하는 단계를 더 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명에 따른 안구 비틀림 운동 측정 방법은 소정의 안구 비틀림 운동 측정 시스템에 의해 수행될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따라 제2 안구 이미지에서의 제2 샘플링 위치를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2a는 제1 촬영 시점에서 피촬영자의 안구를 촬영하여 얻어진 제1 안구 이미지를 도시한 도면이고, 도 2b는 제2 촬영 시점에서 상기 피촬영자의 안구를 촬영하여 얻어진 제2 안구 이미지를 도시한 도면이다. 본 명세서에서는, 제1 안구 이미지 상에서의 샘플링 위치를 "제1 샘플링 위치", 제2 안구 이미지 상에서의 샘플링 위치를 "제2 샘플링 위치"라 칭한다.

이하, 안구 이미지 상에서 샘플링 위치를 결정하여 안구의 비틀림 운동 정도 를 측정하는 과정을 도 2를 참조하여 설명한다.

도 3은 본 실시예에 따라 안구 비틀림 운동의 정도를 측정하는 경우 각 샘플링 위치를 결정하기 위해 사용되는 대응 모델을 산출하는 과정을 도시한 흐름도이다. 본 실시예에 따른 안구 비틀림 운동 측정 방법은 소정의 측정 시스템에 의해 수행될 수 있다.

상기 측정 시스템은 단계(301)에서 동일한 안구를 카메라로 촬영한 임의의 제1 안구 이미지 및 제2 안구 이미지를 입력 받는다. 이하에서는 상기 제1 안구 이미지 및 상기 제2 안구 이미지로서 도 2에서 도시한 안구 이미지를 각각 입력되는 경우를 예로 들어 설명한다.

상기 측정 시스템은 단계(302)에서 명도 차이를 이용하여 상기 제1 안구 이미지 상의 제1 동공 모양과, 상기 제2 안구 이미지 상의 제2 동공 모양을 식별한다. 도 2에서 도면 부호(201)과 같은 명도가 높은 흰자위(공막)이고 도면 부호(202)와 같은 명도가 낮은 부분은 동공을 나타내므로, 명도 차이를 이용하여 동공의 모양을 식별할 수 있다.

상기 측정 시스템은 단계(303)에서 식별된 상기 제1 동공 모양 및 식별된 상기 제2 동공 모양을 타원 형태로 각각 모델링한다.

그런데, 안구의 이미지를 촬영하는 경우, 안구의 일부가 눈꺼풀로 덮이거나, 동공 주위의 홍채 중에서 명도가 낮은 부분 등으로 인해 제1 동공 모양 또는 제2 동공 모양을 타원 형태로 모델링하는 것이 용이하지 않은 경우가 있다.

따라서, 제1 동공 모양 또는 제2 동공 모양을 타원으로 모델링하기 위해, 수 학식 1이 사용될 수 있다. 수학식 1은 안구의 회전(x축 회전에 대한 φ값, 또는 z축 회전에 대한 θ값) 또는 병진 운동(x축 좌표 이동에 대한 Tx값, y축 좌표 이동에 대한 Ty값), 안구의 축소 또는 확장(스케일링 팩터 s값), 3차원 물체인 동공을 2차원의 이미지로 표현하는 경우의 기하학적 왜곡을 반영한다. 다만, 본 발명의 범위는 수학식 1에 한정되지 않으며, 동공 모양을 식별하기 위해 상기와 같은 안구의 회전 또는 병진 운동 등의 요소를 반영하여 결정된 수학식은 본 발명의 범위에 속한다.

수학식 1에서의 x 및 y는 제1 안구 이미지 상에서의 동공 경계에 위치한 점의 좌표이고, x' 및 y'는 제2 안구 이미지 상에서의 동공 경계에 위치한 점의 좌표를 나타낸다.

상기와 같은 수학식을 사용하면, 눈까풀이 동공을 일부 가리고 있는 경우, 또는 동공 근처에 홍채 무늬 중 명도가 낮은 부분이 존재하는 경우 등 명도만으로 동공 모양을 정확히 모델링하기 어려운 경우에도 제1 동공 모양 또는 제2 동공 모양에 가장 근접한 타원 모양으로 모델링 할 수 있다.

도 4는 상기와 같은 방법으로 동공 모양을 타원으로 모델링한 경우를 도시한 도면이다. 동공 주변의 파란색 타원(401)은 모델링된 동공 모양을 나타내고 있다. 또한, 동공 가운데의 붉은색 십자표시(402)는 상기 타원의 중심점을 나타낸다.

상기 측정 시스템은 단계(304)에서 상기 모델링된 제1 동공 모양 및 상기 모델링된 제1 동공 모양이 구성하는 타원의 중심점에 기초하여 상기 제1 안구 이미지 상의 하나 이상의 제1 샘플링 위치를 결정한다. 예를 들면, 측정 시스템은 상기 모델링된 제1 동공 모양을 나타내는 타원과 동일한 중심점을 갖도록 상기 타원을 일정한 배율로 확장한 타원 상의 지점을 제1 샘플링 위치로 결정할 수 있다. 도 2의 도면 부호(203)은 상기 확장된 타원 상에 위치한 제1 샘플링 위치를 나타낸다.

마찬가지로, 상기 측정 시스템은 단계(305)에서 상기 모델링된 제2 동공 모양 및 상기 모델링된 제2 동공 모양이 구성하는 타원의 중심점에 기초하여 상기 제2 안구 이미지 상의 하나 이상의 제2 샘플링 위치를 결정한다. 즉, 상기 모델링된 제2 동공 모양을 나타내는 타원과 동일한 중심점을 갖도록 상기 타원을 "상기" 배율로 확장한 타원 상의 하나 이상의 지점을 제2 샘플링 위치로 결정할 수 있다. 도 2의 도면 부호(204)는 상기 확장된 타원 상에 위치한 제2 샘플링 위치를 나타낸다.

본 실시예에서는 상기 제1 및 제2 동공 모양을 확장한 타원 상에서 제1 및 제2 샘플링 위치를 결정하였으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않으며, 상기와 같이 모델링된 제1 및 제2 동공 모양을 제1 및 제2 샘플링 위치로 결정하기 위한 기준으로 사용하는 경우를 모두 포함한다.

이와 같이, 홍채 이미지 상의 샘플링 위치를 동공 모양에 기초하여 결정하기 때문에, 안구 이미지만 정확하게 촬영되면, 카메라의 축과 안구의 중심점이 일치하거나, 개개인의 안구 반지름을 측정할 필요 없이도 정확한 샘플링 위치를 결정할 수 있다. 따라서, 편안한 상태에서 촬영자나 피촬영자가 안구를 촬영할 수 있게 된다.

또한, 도 2의 (a)에서는 설명의 편의를 위해 안구의 중점과 촬영축이 일치하는 경우에 촬영된 안구 이미지를 사용했으나, 본 발명은 동공 모양에 기초하여 샘플링 위치를 결정하기 때문에, 기준이 되는 제1 안구 이미지는 물론 이후 비틀림 정보를 측정하기 위해 사용되는 다수의 제2 안구 이미지를 촬영하기 위해 안구의 중점과 촬영축이 일치하도록 할 필요는 없다.

상기와 같이 제1 및 제2 샘플링 위치가 결정되면, 상기 측정 시스템은 단계(306)에서 상기 제1 샘플링 위치에서의 상기 제1 안구 이미지의 제1 명도를 순차적으로 산출하고, 단계(307)에서 상기 제2 샘플링 위치에서의 제2 안구 이미지의 제2 명도를 순차적으로 산출한다.

상기 측정 시스템은 단계(308)에서 상기 순차적으로 산출된 제1 명도 및 상기 순차적으로 산출된 제2 명도의 Cross correlation이 최대가 되는 값을 산출하여 상기 안구의 비틀림 운동 정도를 측정한다.

도 5의 도면 부호(501)는 상기와 같이 측정된 안구의 비틀림 운동 정도를 도시한 도면으로서, t축은 시간, y축은 시간의 변화에 따른 안구의 비틀림 운동 정도 를 나타낸다. 기준 이미지로서 제1 안구 이미지를 사용하고, 제2 안구 이미지를 지속적으로 촬영 및 입력 받아 상기와 같은 방법으로 안구의 비틀림 운동 정도를 지속적으로 측정한 결과이다.

한편, 동일한 안구에 대해 안구의 비틀림 운동 정도를 반복하여 측정하는 경우에는 제3 안구 이미지만을 재촬영하여 상기 제1 안구 이미지와 비교하면 되므로, 매번 기준 이미지로서 제1 안구 이미지를 재촬영할 필요는 없다.

또한, 본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램은 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허 청구 범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

본 발명에 따르면, 동일 안구를 측정하여 각각 얻어진 제1 안구 이미지와 제2 안구 이미지 상에서 서로 대응하는 샘플링 위치를 결정할 수 있는 안구 비틀림 운동 측정 방법이 제공된다. 특히, 본 발명에 따르면, 안구 촬영 시 촬영 조건에 제약이 적으면서도 안구 이미지 상의 샘플링 위치를 더욱 정확하고 용이하게 결정할 수 있는 안구 비틀림 운동 측정 방법이 제공된다.

Claims (5)

1. 안구의 비틀림 운동을 측정하기 위한 샘플링 위치를 결정하는 방법에 있어서,

   동일 안구를 카메라로 촬영한 임의의 제1 안구 이미지 및 임의의 제2 안구 이미지를 입력 받는 단계;

   명도 차이를 이용하여 상기 제1 안구 이미지 상의 제1 동공 모양 및 상기 제2 안구 이미지 상의 제2 동공 모양을 식별하는 단계;

   상기 제1 동공 모양 및 상기 제2 동공 모양을 타원으로 각각 모델링하는 단계;

   상기 모델링된 제1 동공 모양 및 상기 모델링된 제1 동공 모양이 구성하는 타원의 중심점에 기초하여 상기 제1 안구 이미지 상의 하나 이상의 제1 샘플링 위치를 결정하는 단계;

   상기 모델링된 제2 동공 모양 및 상기 모델링된 제2 동공 모양이 구성하는 타원의 중심점에 기초하여 상기 제2 안구 이미지 상의 하나 이상의 제2 샘플링 위치를 결정하는 단계;

   상기 하나 이상의 제1 샘플링 위치에서의 상기 제1 안구 이미지의 제1 명도를 순차적으로 산출하는 단계;

   상기 하나 이상의 제2 샘플링 위치에서의 제2 안구 이미지의 제2 명도를 순차적으로 산출하는 단계; 및

   상기 순차적으로 산출된 제1 명도 및 상기 순차적으로 산출된 제2 명도를 이용하여 상기 안구의 비틀림 운동 정도를 측정하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 안구의 비틀림 운동 측정 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 동공 모양 및 상기 제2 동공 모양을 타원으로 각각 모델링하는 상기 단계는,

   상기 제1 안구 이미지의 촬영 시점과 상기 제2 안구 이미지의 촬영 시점 사이의 안구의 병진 운동, 회전 운동 또는 입체적인 안구를 평면 상의 상기 제1 안구 이미지 또는 상기 제2 안구 이미지로 표현한 경우의 기하학적 왜곡을 고려하여 산출되는 것을 특징으로 하는 안구의 비틀림 운동 측정 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제2 동공 모양을 타원으로 각각 모델링하는 상기 단계는,

   상기 모델링된 제1 동공 모양의 경계 상의 점을 A(x, y)라 하는 경우, 상기 모델링된 제2 동공 모양의 경계 상의 점 B(x', y')를,

   

   로 결정하는 단계를 포함하고,

   상기 s는 스케일, 상기 φ는 x축을 회전축으로 한 경우의 회전량, 상기 θ는 z축을 회전축으로 한 경우의 회전량, Tx는 x축 좌표 이동, Ty는 y축 좌표 이동을 나타내는 것을 특징으로 하는 안구의 비틀림 운동 측정 방법.
5. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한 기록 매체.

Images