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JP7631780B2 - Eye movement measuring device, eye movement measuring method and program - Google Patents
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JP7631780B2 - Eye movement measuring device, eye movement measuring method and program - Google Patents

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Description

本発明は、被験者の眼球運動を検出する眼球運動計測装置、眼球運動計測方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to an eye movement measuring device, an eye movement measuring method, and a program for detecting the eye movement of a subject.

一般的に、人間が眼を絶えず動かしながら対象空間を観察していることはよく知られている。すなわち、人間の眼球は観察する対象に対して視線が停止した状態にある固視状態と、また、視線を短時間(20ms(ミリ秒)~60ms程度)で高速(100度(deg)/~500度/秒程度)で眼球を移動させるサッカードを繰り返して、視覚情報を取得している。 It is generally known that humans observe an object space by constantly moving their eyes. That is, the human eye obtains visual information by repeating fixation, in which the gaze is fixed on the object being observed, and saccades, in which the gaze is moved quickly (approximately 100 degrees (deg)/500 degrees/second) for a short period of time (approximately 20 ms (milliseconds) to 60 ms).

しかし、固視状態においても、実際は眼球が所謂固視微動(以下、マイクロサッカードと示す)を行っている。
このマイクロサッカードは、固視微動の一種で、眼球の回旋角としての振幅は1度以下で、持続時間が数十ミリ秒以下の微小な跳躍運動である。
However, even during fixation, the eyeballs actually make so-called fixational eye movements (hereinafter referred to as microsaccades).
This microsaccade is a type of fixational eye movement, and is a minute jump movement with an amplitude of 1 degree or less in terms of the rotation angle of the eyeball and a duration of several tens of milliseconds or less.

マイクロサッカードには、その制御系において視覚的注意が強く反映されていることを示唆する研究報告が多数存在する。
そして、多くの研究報告においては、視覚的な注意の移動に伴って、マイクロサッカードの発生頻度が増加し、一方、視覚的な注意の集中に伴って、マイクロサッカードの発生頻度が減少することが示されている。
There are many research reports suggesting that visual attention is strongly reflected in the control system of microsaccades.
Many research reports have shown that the frequency of microsaccades increases with a shift in visual attention, whereas the frequency of microsaccades decreases with the concentration of visual attention.

このため、マイクロサッカードの発生頻度を解析する(例えば、非特許文献1及び非特許文献2を参照)ことにより、視線を向けている対象に視覚的な注意を集中して観察しているか、あるいは、ただぼんやりと(注意を集中しない状態で)視線を向けているだけなのかを判断するなど、人の内部状態を推定することができる。 Therefore, by analyzing the frequency of microsaccades (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2), it is possible to estimate a person's internal state, such as determining whether they are concentrating their visual attention on the object they are looking at, or whether they are simply looking absentmindedly (without concentrating their attention).

高橋正則、磯貝浩久、Judy L. Van Raalte、”予測反応事態の眼球運動からマイクロサッカードを検出する試み -テニスのサービスに対する予測反応課題を用いて-”、スポーツ産業学研究、VOL.28、No.1(2018)、13~29Masanori Takahashi, Hirohisa Isogai, Judy L. Van Raalte, "An Attempt to Detect Microsaccades from Eye Movements in Anticipatory Reaction Situations - Using an Anticipatory Reaction Task for Tennis Serves -", Sports Industry Research, Vol. 28, No. 1 (2018), pp. 13-29 鈴木一隆、豊田晴義、花山良平、石井勝弘、”インテリジェントビジョンセンサを用いた両眼同時固視微動計測装置の開発とマイクロサッカードの左右差の評価”、生体医工学、53(5)、247-254、2015Kazutaka Suzuki, Haruyoshi Toyoda, Ryohei Hanayama, Masahiro Ishii, "Development of a simultaneous binocular fixation micromovement measurement device using an intelligent vision sensor and evaluation of the left-right difference in microsaccades," Journal of Biomedical Engineering, 53(5), 247-254, 2015

上述したように、マイクロサッカードを検出することにより、視線を向けている対象に対する人間の潜在的な注意の度合いを推定することができる。
しかしながら、マイクロサッカードを検出しようとする場合、眼球の回旋角度が0.1度以下で、持続時間も0.01秒以下の眼球運動の検出が必要な場合もあり、一般的なサッカードの検出を対象とした視線計測装置においてはそれほど微少で高速な眼球運動の計測を行うことができない。
As described above, by detecting microsaccades, it is possible to estimate the degree of a person's potential attention to an object to which the gaze is directed.
However, when trying to detect microsaccades, it may be necessary to detect eye movements with an eye rotation angle of 0.1 degree or less and a duration of 0.01 seconds or less, and gaze measurement devices designed to detect general saccades are not able to measure such minute and rapid eye movements.

そのため、マイクロサッカードの検出を行おうとする場合には、眼球の回旋角の計測精度と計測速度を高める必要がある。
通常の視線計測では、視線の方向を推定するために、瞳孔の位置を正確に求める必要があり、測定精度を高めようとした場合、機械的構造の複雑化や高精度化のために、計測装置が据え置きを前提としたサイズに大型化する傾向がある。
また、測定精度を向上させるため、眼の位置が大きく変動しないように、被験者の頭部を固定させる必要がある。
Therefore, when attempting to detect microsaccades, it is necessary to improve the measurement accuracy and measurement speed of the eye rotation angle.
In conventional gaze measurement, the position of the pupil must be determined accurately to estimate the direction of gaze. However, when trying to improve measurement accuracy, the mechanical structure tends to become more complex and the measurement equipment tends to become larger and larger, assuming it is placed in a fixed location, in order to increase the accuracy.
Furthermore, in order to improve the measurement accuracy, it is necessary to fix the subject's head so that the eye position does not fluctuate significantly.

したがって、非特許文献1及び非特許文献2の視線計測装置は、大型の計測器において被験者の頭を固定して、マイクロサッカードを計測するため、被験者の日常生活で自由に室内及び室外を歩行しているなどにおけるマイクロサッカードを計測することができない。
例えば、商店において、被験者が商品棚の間を移動して商品を見ている状態などにおけるマイクロサッカードを計測することができない。
Therefore, the gaze measurement devices in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 measure microsaccades by fixing the subject's head in a large measuring instrument, and therefore cannot measure microsaccades when the subject is walking freely indoors and outdoors in their daily lives.
For example, it is not possible to measure microsaccades in a situation where a subject is moving between shelves in a store and looking at products.

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、被験者に装着可能とし、被験者の日常的な状態、すなわち日常生活における移動したり、頭部を動かしたりしている状態におけるマイクロサッカードを含む眼球運動を計測することができる眼球運動計測装置、眼球運動計測方法及びプログラムを提供する。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and provides an eye movement measuring device, an eye movement measuring method, and a program that can be worn by a subject and can measure eye movement, including microsaccades, in the subject's everyday state, i.e., when moving around or moving the head in daily life.

上述した課題を解決するために、本発明の眼球運動計測装置は、眼球を含んで撮像される眼の動画像において、前記眼球の着目点の位置変化を検出する眼球運動計測装置であり、前記動画像の所定の条件を満たす領域を計測範囲として設定する計測範囲設定部と、前記計測範囲において、輝度勾配を算出する輝度勾配算出部と、前記計測範囲のフレーム画像間の輝度変化量を求める輝度変化量算出部と、前記輝度変化量及び前記輝度勾配の各々により、勾配法を用いて前記位置変化を求める移動距離算出部と、を備え、前記計測範囲設定部が、前記計測範囲の内部において、前記動画像のショットノイズの影響を低減するための第1閾値未満の輝度値を有する画素を前記計測範囲として選択することを特徴とする。
本発明の眼球運動計測装置は、前記計測範囲設定部が、前記眼球の瞳孔及び虹彩の境界を含む領域を前記計測範囲として設定することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the eye movement measuring device of the present invention is an eye movement measuring device that detects a position change of a focus point of the eye in a moving image of the eye that is captured including the eye, and is equipped with a measurement range setting unit that sets an area of the moving image that satisfies predetermined conditions as a measurement range, a luminance gradient calculation unit that calculates a luminance gradient in the measurement range, a luminance change amount calculation unit that calculates an amount of luminance change between frame images of the measurement range, and a movement distance calculation unit that calculates the position change using a gradient method from each of the luminance change amount and the luminance gradient, and is characterized in that the measurement range setting unit selects pixels within the measurement range that have a luminance value less than a first threshold value for reducing the effect of shot noise in the moving image as the measurement range .
The eye movement measuring device of the present invention is characterized in that the measurement range setting unit sets an area including the boundary between the pupil and the iris of the eye as the measurement range.

本発明の眼球運動計測装置は、前記動画像が、前記フレーム画像間における瞳孔の前記位置変化を、前記輝度勾配が一定の勾配を有する前記計測範囲に収まる移動範囲内とするフレーム周期で撮像されていることを特徴とする。 The eye movement measuring device of the present invention is characterized in that the moving images are captured at a frame cycle in which the change in pupil position between the frame images is within a movement range that falls within the measurement range in which the luminance gradient has a constant gradient.

本発明の眼球運動計測装置は、前記計測範囲設定部が、前記フレーム画像において、各画素の輝度値と輝度閾値とを比較し、前記瞳孔の画像領域である瞳孔画像領域を抽出し、当該瞳孔画像領域の中心点から外周方向に前記瞳孔画像領域を拡大した領域を計測範囲として設定することを特徴とする。 The eye movement measuring device of the present invention is characterized in that the measurement range setting unit compares the brightness value of each pixel in the frame image with a brightness threshold, extracts a pupil image area that is the image area of the pupil, and sets an area obtained by enlarging the pupil image area from the center point of the pupil image area in the outer circumferential direction as the measurement range.

本発明の眼球運動計測装置は、前記計測範囲設定部が、前記計測範囲の内部において、他の領域に比較して前記輝度勾配がより高い領域の画素のグループを、前記計測範囲として選択することを特徴とする。 The eye movement measuring device of the present invention is characterized in that the measurement range setting unit selects, as the measurement range, a group of pixels in an area within the measurement range where the luminance gradient is higher than other areas.

本発明の眼球運動計測装置は、前記計測範囲設定部が、前記輝度勾配において輝度値がより低い画素を、前記計測範囲の画素として選択することを特徴とする。 The eye movement measuring device of the present invention is characterized in that the measurement range setting unit selects pixels with lower luminance values in the luminance gradient as pixels in the measurement range.

本発明の眼球運動計測装置は、前記計測範囲設定部が、前記計測範囲の内部において、前記輝度勾配及び画素の輝度値との各々に基づき、前記計測範囲の画素を選択することを特徴とする。 The eye movement measuring device of the present invention is characterized in that the measurement range setting unit selects pixels in the measurement range based on both the luminance gradient and the luminance value of the pixel within the measurement range.

本発明の眼球運動計測装置は、記計測範囲設定部が、前記計測範囲の内部において、前記輝度勾配を画素の輝度値から推定されるショットノイズ量により除算した数値と、第2閾値とを比較して、前記計測範囲の画素を選択することを特徴とする。 The eye movement measuring device of the present invention is characterized in that the measurement range setting unit selects pixels in the measurement range by comparing a numerical value obtained by dividing the brightness gradient by the amount of shot noise estimated from the brightness value of the pixel within the measurement range with a second threshold value.

本発明の眼球運動計測装置は、前記計測範囲の内部において、前記輝度勾配を画素の輝度値の平方根により除算した数値が、第2閾値より大きい画素を前記計測範囲の画素とすることを特徴とする。 The eye movement measuring device of the present invention is characterized in that within the measurement range, pixels for which the value obtained by dividing the luminance gradient by the square root of the luminance value of the pixel is greater than a second threshold value are defined as pixels of the measurement range.

本発明の眼球運動計測装置は、前記計測範囲設定部が、前記計測範囲に対応してx軸方向の輝度勾配としてx軸方向輝度勾配と、y軸方向の輝度勾配としてy軸方向輝度勾配を求め、前記輝度変化量と、前記x軸方向輝度勾配と、前記y軸方向輝度勾配とから、連立一次方程式を立てて、瞳孔のx軸方向の移動量であるx軸方向移動量と、y軸方向の移動量であるy軸方向移動量とを求めることを特徴とする。 The eye movement measuring device of the present invention is characterized in that the measurement range setting unit determines an x-axis luminance gradient as the luminance gradient in the x-axis direction and a y-axis luminance gradient as the luminance gradient in the y-axis direction corresponding to the measurement range, and determines an x-axis movement amount, which is the movement amount of the pupil in the x-axis direction, and a y-axis movement amount, which is the movement amount in the y-axis direction, by formulating simultaneous linear equations from the luminance change amount, the x-axis luminance gradient, and the y-axis luminance gradient.

本発明の眼球運動計測装置は、前記計測範囲設定部が、前記計測範囲の各々の前記x軸方向輝度勾配の絶対値である第1絶対値と、y軸方向輝度勾配の絶対値である第2絶対値とを比較し、前記第2絶対値より前記第1絶対値が大きい計測範囲の画素を第1グループとし、前記第1絶対値より前記第2絶対値が大きい計測範囲の画素を第2グループとし、前記第1グループにおける前記画素の各々の前記x軸方向輝度勾配を加算して変数であるx軸方向移動量に乗じた数値と、前記y軸方向輝度勾配を加算して変数であるy軸方向移動量に乗じた数値とを加算した結果が当該画素それぞれの輝度変化量の積算値となる、前記連立一次方程式の一方の方程式を生成し、前記第2グループにおける前記画素の各々の前記x軸方向輝度勾配を加算して変数であるx軸方向移動量に乗じた数値と、前記y軸方向輝度勾配を加算して変数であるy軸方向移動量に乗じた数値とを加算した結果が当該計測範囲それぞれの輝度変化量の積算値となる、前記連立一次方程式の他方の方程式を生成し、前記連立一次方程式を計算することにより、前記x軸方向移動量及び前記y軸方向移動量の各々を求めることを特徴とする。 In the eye movement measuring device of the present invention, the measurement range setting unit compares a first absolute value, which is the absolute value of the luminance gradient in the x-axis direction, of each pixel in the measurement range, with a second absolute value, which is the absolute value of the luminance gradient in the y-axis direction, and sets pixels in the measurement range in which the first absolute value is greater than the second absolute value as a first group, and pixels in the measurement range in which the second absolute value is greater than the first absolute value as a second group, and calculates a value obtained by adding the x-axis luminance gradients of each pixel in the first group and multiplying the result by a variable amount of movement in the x-axis direction, and a value obtained by adding the y-axis luminance gradients and multiplying the result by a variable amount of movement in the y-axis direction. one equation of the simultaneous linear equations is generated in which the sum of the x-axis luminance gradients of each of the pixels in the second group is an integrated value of the luminance change amount for each of the pixels, and the other equation of the simultaneous linear equations is generated in which the sum of the x-axis luminance gradients of each of the pixels in the second group is multiplied by the x-axis movement amount, which is a variable, and the sum of the y-axis luminance gradients is multiplied by the y-axis movement amount, which is a variable, is an integrated value of the luminance change amount for each of the measurement ranges, and the x-axis movement amount and the y-axis movement amount are each calculated by calculating the simultaneous linear equations.

本発明の眼球運動計測装置は、赤外光を前記眼に照射して、当該眼から反射される反射光を多階調で撮像して前記動画像を取得することを特徴とする。 The eye movement measuring device of the present invention is characterized in that it irradiates the eye with infrared light and captures the light reflected from the eye in multiple tones to obtain the moving image.

本発明の眼球運動計測方法は、眼球を含んで撮像される眼の動画像において、前記眼球の着目点の位置変化を検出する眼球運動計測方法であり、計測範囲設定部が、前記動画像の所定の条件を満たす領域を計測範囲として設定し、前記計測範囲の内部において、前記動画像のショットノイズの影響を低減するための第1閾値未満の輝度値を有する画素を前記計測範囲として選択する計測範囲設定過程と、輝度勾配算出部が、前記計測範囲において、輝度勾配を算出する輝度勾配算出過程と、輝度変化量算出部が、前記計測範囲のフレーム画像間の輝度変化量を求める輝度変化量算出過程と、移動距離算出部が、前記輝度変化量及び前記輝度勾配の各々により、勾配法を用いて前記位置変化を求める移動距離算出過程と、を含むことを特徴とする。 The eye movement measuring method of the present invention is an eye movement measuring method that detects a position change of a focus point of the eye in a moving image of the eye that is captured including the eye, and is characterized in including a measurement range setting process in which a measurement range setting unit sets an area of the moving image that satisfies predetermined conditions as a measurement range, and selects, within the measurement range, pixels having a luminance value less than a first threshold value for reducing the effect of shot noise in the moving image as the measurement range; a luminance gradient calculation process in which a luminance gradient is calculated in the measurement range by a luminance gradient calculation unit; a luminance change amount calculation process in which a luminance change amount calculation unit calculates an amount of luminance change between frame images in the measurement range; and a movement distance calculation process in which a gradient method is used to calculate the position change using each of the luminance change amount and the luminance gradient.

本発明のプログラムは、眼球を含んで撮像される眼の動画像において、前記眼球の着目点の位置変化を検出する眼球運動計測装置の動作をコンピュータに実行させるプログラムであり、前記コンピュータを、前記動画像の所定の条件を満たす領域を計測範囲として設定し、前記計測範囲の内部において、前記動画像のショットノイズの影響を低減するための第1閾値未満の輝度値を有する画素を前記計測範囲として選択する計測範囲設定手段、前記計測範囲において、輝度勾配を算出する輝度勾配算出手段、前記計測範囲のフレーム画像間の輝度変化量を求める輝度変化量算出手段、前記輝度変化量及び前記輝度勾配の各々により、勾配法を用いて前記位置変化を求める移動距離算出手段として機能させるためのプログラムである。
The program of the present invention is a program that causes a computer to execute the operation of an eye movement measuring device that detects a change in position of a focus point of an eyeball in a moving image of an eye that is captured including the eyeball, and causes the computer to function as a measurement range setting means that sets an area of the moving image that satisfies predetermined conditions as a measurement range, and selects, within the measurement range, pixels having a luminance value less than a first threshold value for reducing the effect of shot noise in the moving image as the measurement range , a luminance gradient calculation means that calculates a luminance gradient in the measurement range, a luminance change amount calculation means that calculates the amount of luminance change between frame images in the measurement range, and a movement distance calculation means that calculates the position change using a gradient method based on each of the luminance change amount and the luminance gradient.

以上説明したように、本発明によれば、被験者に装着可能とし、被験者の日常的な状態、すなわち日常生活における移動しつつ、頭部を動かしている状態における眼球のマイクロサッカードを計測することができる眼球運動計測装置、眼球運動計測方法及びプログラムを提供することができる。 As described above, the present invention provides an eye movement measuring device, an eye movement measuring method, and a program that can be worn by a subject and can measure eye microsaccades while the subject is in an everyday state, i.e., moving around and moving their head in daily life.

本実施形態の眼球運動計測装置による計測システムの構成例を示す概念図である。1 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of a measurement system using an eye movement measurement device of the present embodiment. フレーム画像と、当該フレーム画像における眼の各部が撮像された撮像領域における画素の輝度値を示す図である。10 is a diagram showing a frame image and luminance values of pixels in an imaging region in which each part of the eye is imaged in the frame image. FIG. フレーム画像における瞳孔501の撮像領域から計測範囲の設定処理を説明する眼の概念図である。5 is a conceptual diagram of an eye for explaining a process of setting a measurement range from an imaging region of a pupil 501 in a frame image. FIG. 候補画素の存在する領域における輝度勾配の算出を説明する図である。11A and 11B are diagrams illustrating calculation of a luminance gradient in an area where a candidate pixel exists; 画像フレームにおける輝度勾配の算出の一例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of calculation of a luminance gradient in an image frame. 本実施形態における瞳孔の移動量を勾配法により求める処理を説明する概念図である。6A and 6B are conceptual diagrams illustrating a process of calculating the amount of pupil movement by a gradient method in the present embodiment. 移動量Δxが大きい場合におけるフレーム画像間の画素位置と画素の輝度値との関係を示す図である。13 is a diagram showing the relationship between pixel positions and pixel luminance values between frame images when the amount of movement Δx is large. FIG. 撮像面の瞳孔の跳躍運動における移動量の導出を説明する概念図である。1 is a conceptual diagram for explaining derivation of a movement amount in hopping movement of a pupil on an imaging surface. フレーム画像の眼球における瞳孔及び虹彩の境界領域における輝度勾配の直線性を説明する図である。11 is a diagram illustrating the linearity of the luminance gradient in the boundary region between the pupil and the iris of the eyeball in the frame image. FIG. 図2(b)の瞳孔501及び虹彩502の各々の境界領域における輝度勾配を示す図である。2B is a diagram showing the luminance gradient in the boundary region of each of the pupil 501 and the iris 502 in FIG. 図6(a)に示すパターンを二次元に拡張したフレーム画像のパターンを示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a frame image pattern obtained by two-dimensionally expanding the pattern shown in FIG. 6( a ). 複数の計測画素から連立一次方程式を生成する処理を説明する概念図である。11 is a conceptual diagram illustrating a process of generating simultaneous linear equations from a plurality of measurement pixels. FIG. 本実施形態による眼球運動計測装置における計測処理の動作例を説明するフローチャートである。10 is a flowchart illustrating an example of the operation of a measurement process in the eye movement measurement device according to the present embodiment.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態の眼球運動計測装置による計測システムの構成例を示す概念図である。図1において、計測システム1は、眼球運動計測装置10、赤外線照射装置20、撮像レンズ30、赤外線フィルター40及びイメージセンサー50の各々を備えている。
眼球運動計測装置10は、入力される人間の眼球運動を撮像した動画像から、眼球における着目点の瞳孔の位置変化の検出を行う。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of a measurement system using an eye movement measurement device according to the present embodiment. In FIG. 1, the measurement system 1 includes an eye movement measurement device 10, an infrared irradiation device 20, an imaging lens 30, an infrared filter 40, and an image sensor 50.
The eye movement measurement device 10 detects a change in the position of the pupil, which is a point of interest in the eye, from a moving image obtained by capturing input human eye movement.

赤外線照射装置20は、被験者の眼球を含む眼の領域を照明する赤外線を照射するLED(Light Emitting Diode)を備えている。本実施形態において、上記LEDは、例えば、770nmの波長の不可視の赤外光(赤外線)を放射するデバイスを使用している。
ここで、照明に可視光を用いた場合、被験者がその照明の光に反応して、すなわち、瞳孔に入ってくる光の光量を減少させるため、虹彩が閉じることで瞳孔の大きさが変動し、かつ光をよけるため瞳孔の位置が変化する可能性がある。あるいは照明の光に注意が向いてしまう可能性もあるため、対象の観察における被験者の心理的な状態を推定するために用いる、観察している対象に対応した自然な状態で生じる眼球運動の計測ができなくなる。このため、本実施形態において、眼球運動を照射光によって影響を受けずに計測するため、眼球の照明に不可視の波長の赤外光を用いている。
The infrared irradiation device 20 includes an LED (Light Emitting Diode) that emits infrared rays to illuminate the eye area including the eyeball of the subject. In this embodiment, the LED is a device that emits invisible infrared light (infrared rays) with a wavelength of, for example, 770 nm.
Here, when visible light is used for illumination, the subject may react to the light of the illumination, i.e., the iris may close to reduce the amount of light entering the pupil, causing the size of the pupil to change, and the position of the pupil may change to avoid the light. Or, the subject may be drawn to the light of the illumination, making it impossible to measure eye movement that occurs in a natural state corresponding to the object being observed, which is used to estimate the psychological state of the subject when observing the object. For this reason, in this embodiment, infrared light with an invisible wavelength is used to illuminate the eye in order to measure eye movement without being affected by the irradiated light.

撮像レンズ30は、眼球を近距離から撮像するための小型撮像レンズであり、被写体である眼球からの反射光(反射された赤外光)光を、後述するイメージセンサー50の撮像面に結像する。 The imaging lens 30 is a small imaging lens for capturing an image of the eyeball from a close distance, and forms an image of reflected light (reflected infrared light) from the subject eyeball on the imaging surface of the image sensor 50, which will be described later.

赤外線フィルター40は、不可視の波長の赤外光を透過させ、可視光の波長の光を遮断する光学フィルターである。本実施形態においては、例えば、カットオフ波長が700nmの光学フィルターを用いている。 The infrared filter 40 is an optical filter that transmits infrared light of invisible wavelengths and blocks light of visible wavelengths. In this embodiment, for example, an optical filter with a cutoff wavelength of 700 nm is used.

イメージセンサー50は、撮像面に照射される光の明暗を電気信号に変換して画像データとして出力するデバイスであり、例えば、CCD(Charge Coupled Device)センサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサなどである。
また、イメージセンサー50は、所定のフレーム周期(本実施形態におけるフレーム周期については後に詳述)の撮像画像であるフレーム画像を連続した動画像として、眼球運動計測装置10に出力する。ここで、動画像におけるフレーム画像の各々は、多階調で撮像されている。
The image sensor 50 is a device that converts the brightness of light irradiated onto an imaging surface into an electrical signal and outputs it as image data, and is, for example, a charge coupled device (CCD) sensor or a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) sensor.
The image sensor 50 outputs frame images, which are images captured at a predetermined frame period (the frame period in this embodiment will be described in detail later), as a continuous moving image to the eye movement measurement device 10. Here, each of the frame images in the moving image is captured in multiple gradations.

眼球運動計測装置10は、データ入出力部11、計測範囲設定部12、輝度勾配算出部13、輝度変化量算出部14、移動距離算出部15、表示部16及び記憶部17の各々を備えている。
データ入出力部11は、イメージセンサー50から供給される撮像画像を、記憶部17に書き込んで記憶させる。
また、データ入出力部11は、眼球運動計測装置10が計測した瞳孔移動量(眼球の旋回における移動量であり、後述する連続するフレーム周期におけるフレーム間のx軸方向移動量Δx及びy軸方向移動量Δy)を外部装置に対して出力する。
The eye movement measuring device 10 includes a data input/output unit 11 , a measurement range setting unit 12 , a luminance gradient calculation unit 13 , a luminance change amount calculation unit 14 , a movement distance calculation unit 15 , a display unit 16 , and a memory unit 17 .
The data input/output unit 11 writes the captured image supplied from the image sensor 50 into the storage unit 17 for storage.
In addition, the data input/output unit 11 outputs the pupil movement amount (the movement amount when the eyeball rotates, which is the x-axis movement amount Δx and the y-axis movement amount Δy between frames in successive frame periods described later) measured by the eye movement measurement device 10 to an external device.

計測範囲設定部12は、撮像画像であるフレーム画像における瞳孔の移動量を算出するために用いる計測画素を抽出する画像領域として、計測範囲を設定する。本実施形態においては、輝度勾配と輝度変化量とを用いて移動量を計測する勾配法を用いて着目点の眼球の移動量を計測する手法を用いている。
したがって、輝度勾配が大きい領域を用いて、移動量が微少であっても輝度変化量を大きく計測して、計測する移動量の精度を向上させるため、後述するように、眼球の他の部分に比較して、より高い輝度勾配を有する瞳孔及び虹彩の境界領域を計測対象としている。
The measurement range setting unit 12 sets the measurement range as an image region for extracting measurement pixels used to calculate the movement amount of the pupil in a frame image that is a captured image. In this embodiment, a method is used for measuring the movement amount of the eyeball at the point of interest using a gradient method that measures the movement amount using a luminance gradient and a luminance change amount.
Therefore, in order to improve the accuracy of the measured amount of movement by using an area with a large luminance gradient to measure a large amount of luminance change even if the amount of movement is small, the boundary area of the pupil and iris, which has a higher luminance gradient than other parts of the eyeball, is used as the measurement target, as will be described later.

図2は、フレーム画像と、当該フレーム画像における眼の各部が撮像された画像領域における画素の輝度値を示す図である。図2(a)は、眼球500における瞳孔501、虹彩502及び眼球結膜503の撮像領域を含むフレーム画像を示している。
また、境界領域505は、瞳孔501及び虹彩502の各々の境界近傍の画像領域を示している。反射領域506は、照射される赤外光源の反射像が映り込んだ部分の画像領域であり、周囲の画像領域に比較して輝度値が高くなる。
2A and 2B are diagrams showing frame images and luminance values of pixels in an image area in which each part of the eye is captured in the frame image. Fig. 2A shows a frame image including an image area of a pupil 501, an iris 502, and a conjunctiva 503 of an eyeball 500.
Moreover, a boundary region 505 indicates an image region near the boundary between the pupil 501 and the iris 502. A reflection region 506 is an image region in which a reflected image of the irradiated infrared light source is captured, and has a higher luminance value than the surrounding image regions.

図2(b)は、図2(a)のフレーム画像における線分A-A’上にある画素の各々の輝度値を示すグラフである。図2(b)は、横軸が画素のx座標(画素位置)を示し、縦軸が各画素の輝度値を示している。
点線B1が眼球強膜503の撮像領域における画素の輝度値を指示している。
点線B2が瞳孔501及び虹彩502の境界領域505の撮像領域における画素の輝度値を示している。
Fig. 2(b) is a graph showing the luminance values of each pixel on the line segment A-A' in the frame image of Fig. 2(a). In Fig. 2(b), the horizontal axis shows the x-coordinate of the pixel (pixel position), and the vertical axis shows the luminance value of each pixel.
A dotted line B1 indicates the luminance value of the pixel in the imaging region of the sclera 503 of the eye.
A dotted line B2 indicates the luminance values of pixels in an imaging region of a boundary region 505 between the pupil 501 and the iris 502.

点線B3及び点線B4の各々が反射領域506の撮像領域における画素の輝度値を示している。
点線B5が虹彩502及び眼球強膜503の境界の撮像領域における画素の輝度値を示している。
本実施形態においては、眼球において、瞳孔と虹彩との境界領域が、眼球の他の領域と比較して大きな輝度勾配を有するため、勾配法により瞳孔の移動量の算出に用いている。このため、眼球が撮像されたフレーム画像から、瞳孔の撮像領域を抽出する。
Each of the dotted lines B3 and B4 indicates the luminance value of a pixel in the imaging area of the reflective area 506.
A dotted line B5 indicates the luminance value of the pixel in the imaging region of the boundary between the iris 502 and the sclera 503 of the eye.
In this embodiment, since the boundary area between the pupil and the iris of the eye has a large luminance gradient compared to other areas of the eye, the gradient method is used to calculate the movement amount of the pupil. For this reason, the imaging area of the pupil is extracted from the frame image in which the eye is imaged.

ここで、計測範囲設定部12は、瞳孔501が撮像された撮像領域を検出する際、フレーム画像の各画素の輝度値と、瞳孔検出閾値とを比較する。
そして、計測範囲設定部12は、上記瞳孔検出閾値(図2(b)の点線10)未満の輝度値を有する画素の集合体を瞳孔501が撮像された撮像領域として抽出する。瞳孔501の撮像領域は、フレーム画像内で最も輝度値が低いため、他の部分の撮像領域と容易に区別することができる。
Here, when detecting the imaging region in which the pupil 501 is imaged, the measurement range setting unit 12 compares the luminance value of each pixel in the frame image with the pupil detection threshold value.
Then, the measurement range setting unit 12 extracts a collection of pixels having a luminance value less than the pupil detection threshold (dotted line 10 in FIG. 2B) as an imaging area in which the pupil 501 is imaged. The imaging area of the pupil 501 has the lowest luminance value in the frame image, and therefore can be easily distinguished from the imaging areas of other parts.

ここで、瞳孔検出閾値は、本実施形態において、瞳孔が撮像された画素の輝度値と、虹彩が撮像された画素の輝度値との中間値を使用している。
また、瞳孔検出閾値は、実験として複数の人間の眼を撮像し、瞳孔の輝度値を周囲の他の部分と区別可能であることを検出した結果の輝度値を閾値として使用してもよい。
本実施形態においては、図2(a)に示す、輝度勾配の大きな範囲(点線B2が示す領域)である瞳孔501と虹彩502との境界領域505近傍の画素を、瞳孔501の移動量を勾配法により計測(推定)するために用いる計測画素(後述)として用いる。
In this embodiment, the pupil detection threshold value is an intermediate value between the luminance value of the pixel where the pupil is imaged and the luminance value of the pixel where the iris is imaged.
Furthermore, the pupil detection threshold may be determined by experimentally capturing images of a number of human eyes and detecting whether the pupil luminance value is distinguishable from other surrounding areas.
In this embodiment, pixels near a boundary region 505 between the pupil 501 and the iris 502, which is the range with a large luminance gradient (the region indicated by dotted line B2) shown in FIG. 2A, are used as measurement pixels (described later) used to measure (estimate) the amount of movement of the pupil 501 by the gradient method.

図3は、フレーム画像における瞳孔501の撮像領域から計測範囲の設定処理を説明する眼の概念図である。
図2で説明した瞳孔501の撮像領域、すなわち境界領域505の内側部分を抽出した後、計測範囲設定部12は、瞳孔501の領域の中心画素(中心O)を抽出し、中心画素から境界領域505までの画素数を、瞳孔501の領域の半径Rとする。
そして、計測範囲設定部12は、上記半径Rに対して所定の係数値p(p>1、例えば、本実施形態においては1.5)を乗じ、半径R’の範囲を計測範囲(処理対象領域)600として設定する。
FIG. 3 is a conceptual diagram of an eye for explaining the process of setting the measurement range from the imaging region of the pupil 501 in the frame image.
After extracting the imaging area of the pupil 501 described in FIG. 2, i.e., the inner portion of the boundary area 505, the measurement range setting unit 12 extracts the central pixel (center O) of the pupil 501 area, and sets the number of pixels from the central pixel to the boundary area 505 as the radius R of the pupil 501 area.
Then, the measurement range setting unit 12 multiplies the radius R by a predetermined coefficient value p (p>1, for example, 1.5 in this embodiment) and sets the range of radius R′ as the measurement range (processing target area) 600 .

すなわち、計測範囲設定部12は、瞳孔の移動量(すなわち眼球の移動量)を計測するための計測画素を抽出する領域として、瞳孔501と虹彩502との境界領域505が必ず含まれる計測範囲600を求める。
これにより、被験者の眼を撮像したフレーム画像において、眼球以外の眼鏡、眉毛などの誤差要因となる不要な部分の画像が含まれることを抑制し、瞳孔及び虹彩の境界領域が撮像された可能性が高い部分として計測範囲600が求められる。
That is, the measurement range setting unit 12 determines a measurement range 600 that necessarily includes the boundary area 505 between the pupil 501 and the iris 502 as a region for extracting measurement pixels for measuring the amount of movement of the pupil (i.e., the amount of movement of the eyeball).
This prevents the frame image of the subject's eye from including images of unnecessary parts that could cause errors, such as glasses or eyebrows, other than the eyeball, and determines the measurement range 600 as the area where the boundary area of the pupil and iris is likely to be captured.

図1に戻り、輝度勾配算出部13は、フレーム画像における各画素が、上記計測範囲600の範囲内の画素であるか否かの判定を行う。
そして、輝度勾配算出部13は、計測範囲600の範囲内の画素の各々の輝度値が、予め設定された輝度閾値(第1閾値)未満であるか否かを判定する。
Returning to FIG. 1, the luminance gradient calculation unit 13 determines whether or not each pixel in the frame image is within the measurement range 600 described above.
Then, the luminance gradient calculation unit 13 determines whether or not the luminance value of each pixel within the measurement range 600 is less than a preset luminance threshold value (first threshold value).

これにより、被験者の眼を撮像したフレーム画像において、眼球の撮像部分における光源の映り込みなどの輝度値が大きく、移動量の検出の誤差要因となる不要な画素を、計測画素として抽出する候補の候補画素から除外する。
そして、輝度勾配算出部13は、計測範囲600の範囲内における輝度値が上記輝度値未満の画素を、計測画素とする候補の画素である候補画素とする。
次に、輝度勾配算出部13は、抽出した候補画素の各々における輝度勾配を、以下の図4の説明のように、輝度勾配を算出する計測画素に隣接する8個の隣接画素のそれぞれを用いて算出する。
As a result, in a frame image capturing an image of the subject's eye, unnecessary pixels that have large luminance values due to reflections of light sources in the captured portion of the eyeball and that may cause errors in detecting the amount of movement are excluded from candidate pixels to be extracted as measurement pixels.
Then, the luminance gradient calculation unit 13 determines pixels within the measurement range 600 whose luminance values are less than the above luminance value as candidate pixels, which are candidates for measurement pixels.
Next, the luminance gradient calculation unit 13 calculates the luminance gradient at each of the extracted candidate pixels using each of eight adjacent pixels adjacent to the measurement pixel for which the luminance gradient is to be calculated, as explained below with reference to FIG.

図4は、候補画素の存在する領域における輝度勾配の算出を説明する図である。
候補画素Ci,jの属する領域700の輝度勾配は、x軸方向輝度勾配sxとy軸方向輝度勾配syとして、輝度勾配算出部13により算出される。
以下の説明において、画素Ci-1,j-1から画素Ci+1,j+1の各々の輝度値は、輝度値LCi-1,j-1から輝度値Ci+1,j+1のそれぞれとして示す。ここで、画素Ci,j のx軸方向輝度勾配sx及びy軸方向輝度勾配syの各々を、上、下、左、右、斜めにおける隣接する8個の画素Ci-1,j-1、Ci-1,j、Ci-1,j+1、Ci,j-1、Ci,j+1、Ci+1,j-1、Ci+1,j、Ci+1,j+1(これらの画素により計測画素の含まれる画素領域が形成されている)を用いて算出する。
FIG. 4 is a diagram for explaining the calculation of the luminance gradient in an area where a candidate pixel exists.
The luminance gradient of the region 700 to which the candidate pixel C i,j belongs is calculated by the luminance gradient calculation unit 13 as an x-axis direction luminance gradient sx and a y-axis direction luminance gradient sy.
In the following description, the luminance values of pixels C i-1,j-1 to C i+1,j+1 are respectively indicated as luminance values LC i-1,j-1 to C i+1,j+1 . Here, the x-axis luminance gradient sx and the y-axis luminance gradient sy of pixel C i,j are calculated using eight adjacent pixels C i-1,j-1 , C i-1 ,j , C i-1,j+ 1 , C i,j-1 , C i,j+1 , C i+ 1 ,j-1 , C i+1,j , C i+1,j+1 (these pixels form a pixel area including the measurement pixel) in the upper, lower, left, right and diagonal directions.

輝度勾配算出部13は、x軸方向輝度勾配sxを、以下の式により求める。
sx=[(LCi-1,j-1-LCi+1,j+1)/2+(LCi,j-1-LCi,j+1)/2+(LCi+1,j-1-LCi+1,j+1)/2]/3
すなわち、x軸方向輝度勾配sxは、画素Ci-1,j-1の輝度値LCi-1,j-1から画素Ci+1,j+1の輝度値LCi+1,j+1を減算して2画素で除算した輝度勾配と、画素Ci,j-1の輝度値LCi,j-1から画素Ci,j+1の輝度値LCi,j+1を減算して2画素で除算した輝度勾配と、画素Ci+1,j-1の輝度値LCi+1,j-1から画素Ci+1,j+1の輝度値LCi+1,j+1を減算して2画素で除算した輝度勾配との平均値により求められる。
The luminance gradient calculation unit 13 calculates the x-axis direction luminance gradient sx by the following formula.
sx=[(LC i-1,j-1 -LC i+1,j+1 )/2+(LC i,j-1 -LC i,j+1 )/2+(LC i+1,j-1 -LC i+1,j+1 )/2]/3
That is, the x-axis direction luminance gradient sx is calculated from the average value of a luminance gradient obtained by subtracting the luminance value LC i +1,j +1 of pixel C i+1,j+1 from the luminance value LC i-1,j-1 of pixel C i-1,j-1 and dividing the result by two pixels, a luminance gradient obtained by subtracting the luminance value LC i,j +1 of pixel C i,j-1 from the luminance value LC i,j-1 of pixel C i,j+1 and dividing the result by two pixels, and a luminance gradient obtained by subtracting the luminance value LC i+1,j+1 of pixel C i+1,j-1 from the luminance value LC i+1,j-1 of pixel C i+1,j-1 and dividing the result by two pixels.

同様に、輝度勾配算出部13は、y軸方向輝度勾配syを、以下の式により求める。
sy=[(LCi-1,j-1-LCi+1,j-1)/2+(LCi-1,j-LCi+1,j)/2+(LCi-1,j+1-LCi+1,j+1)/2]/3
すなわち、y軸方向輝度勾配yは、画素Ci-1,j-1の輝度値LCi-1,j-1から画素Ci+1,j-1の輝度値LCi+1,j-1を減算して2画素で除算した輝度勾配と、画素Ci-1,jの輝度値LCi-1,jから画素Ci+1,jの輝度値LCi+1,jを減算して2画素で除算した輝度勾配と、画素Ci-1,j+1の輝度値LCi-1,j+1から画素Ci+1,j+1の輝度値LCi+1,j+1を減算して2画素で除算した輝度勾配との平均値により求められる。
Similarly, the luminance gradient calculation unit 13 calculates the y-axis direction luminance gradient sy by the following formula.
sy=[(LC i-1,j-1 -LC i+1,j-1 )/2+(LC i-1,j -LC i+1,j )/2+(LC i-1,j+1 -LC i+1,j+1 )/2]/3
That is, the y-axis direction luminance gradient y is calculated as the average value of a luminance gradient obtained by subtracting the luminance value LC i +1,j -1 of pixel C i+1,j-1 from the luminance value LC i-1,j-1 of pixel C i-1,j-1 and dividing the result by two pixels, a luminance gradient obtained by subtracting the luminance value LC i+1,j of pixel C i+1,j from the luminance value LC i-1,j of pixel C i-1,j and dividing the result by two pixels, and a luminance gradient obtained by subtracting the luminance value LC i+1,j+1 of pixel C i-1,j+1 from the luminance value LC i-1,j+ 1 of pixel C i-1,j+1 and dividing the result by two pixels.

図5は、画像フレームにおける輝度勾配の算出の一例を示す図である。図5は横軸が画素の座標位置(画素位置)位置を示し、縦軸が画素の輝度値を示している。
画素位置xn-1の輝度勾配sn-1は、画素位置xn-2の画素の輝度値125から、画素位置xの画素の輝度値75を減算して、距離としての2画素で除算した25(=(125-75)/2=50/2)である。
また、画素位置xn+1の輝度勾配sn+1は、画素位置xの画素の輝度値75から、画素位置xn+2の画素の輝度値25を減算して、距離としての2画素で除算した25(=(75-25)/2=50/2)である。
5 is a diagram showing an example of calculation of the luminance gradient in an image frame, in which the horizontal axis indicates the coordinate position (pixel position) of a pixel, and the vertical axis indicates the luminance value of the pixel.
The luminance gradient s n-1 of pixel position x n-1 is 25 (=(125-75)/ 2= 50/2), obtained by subtracting the luminance value 75 of the pixel at pixel position x n-2 from the luminance value 125 of the pixel at pixel position x n-2, and dividing the result by the distance of two pixels.
Furthermore, the luminance gradient s n+ 1 at pixel position x n+1 is 25 (=(75-25)/ 2 =50/2), obtained by subtracting the luminance value 25 of the pixel at pixel position x n+2 from the luminance value 75 of the pixel at pixel position x n and dividing the result by two pixels as the distance.

図1に戻り、輝度勾配算出部13は、上記候補画素の輝度勾配S(すなわち、ベクトルsx・Xとベクトルsy・Yとの合成ベクトル、ここでXはx軸方向の単位ベクトルであり、Yはy軸方向の単位ベクトルである)の絶対値を、候補画素の輝度値Iの平方根を除算した数値(=|S|/(I)1/2)が、あらかじめ設定した勾配輝度値比閾値(第2閾値)以上か否かの判定を行う。ここで、|S|=(sx+sy1/2であり、輝度値の平方根である(I)1/2は光子数の平方根である(N)1/2に比例している。また、sxはx軸方向における瞳孔の移動量を示すx軸方向輝度勾配であり、syはy軸方向における瞳孔の移動量を示すy軸方向輝度勾配である(後述)。
そして、輝度勾配算出部13は、|S|/(I)1/2が勾配輝度値比閾値以上の候補画素を、計測画素とする。
Returning to FIG. 1, the luminance gradient calculation unit 13 judges whether or not the absolute value of the luminance gradient S of the candidate pixel (i.e., a composite vector of vector sx.X and vector sy.Y, where X is a unit vector in the x-axis direction and Y is a unit vector in the y-axis direction) divided by the square root of the luminance value I of the candidate pixel (=|S|/(I) 1/2 ) is equal to or greater than a preset gradient luminance value ratio threshold (second threshold). Here, |S|=( sx2 + sy2 ) 1/2 , and (I)1/2, which is the square root of the luminance value, is proportional to (N) 1/2 , which is the square root of the number of photons . Also, sx is the x-axis luminance gradient indicating the amount of movement of the pupil in the x-axis direction, and sy is the y-axis luminance gradient indicating the amount of movement of the pupil in the y-axis direction (described later).
Then, the luminance gradient calculation unit 13 determines, as a measurement pixel, a candidate pixel for which |S|/(I) 1/2 is equal to or greater than a gradient luminance value ratio threshold value.

このとき、輝度勾配算出部13は、連続するフレーム画像の各々に対して、何れの位置の画素が計測画素となったかを、フレーム画像に計測画素にマーキングした確認画像を、表示部16に表示する構成としてもよい。
そして、ユーザが表示部16の確認画像を観察し、瞳孔及び虹彩の境界領域における画素のみが計測画素となるように、勾配輝度値比閾値を調整して、計測画素の抽出をやり直したり、また、瞳孔及び虹彩の境界領域以外の計測画素として抽出された画素を検出し、この画素を計測画素から外す処理を行ってもよい。
At this time, the brightness gradient calculation unit 13 may be configured to display on the display unit 16 a confirmation image in which the measurement pixel is marked in the frame image, indicating which pixel in each of the consecutive frame images is the measurement pixel.
The user may then observe the confirmation image on the display unit 16 and adjust the gradient luminance value ratio threshold so that only pixels in the boundary region between the pupil and the iris become measurement pixels, thereby re-extracting the measurement pixels, or may detect pixels extracted as measurement pixels outside the boundary region between the pupil and the iris, and remove these pixels from the measurement pixels.

図6は、本実施形態における瞳孔の移動量を勾配法により求める処理を説明する概念図である。図6においては、勾配法の説明を簡単とするため、一次元(x軸方向のみ)における移動量の算出を説明する。
図6(a)は、一次元方向の輝度値の分布をグラデーションとして示している。図6(a)において、パターン201が第n番目のフレーム画像を示し、パターン202が第n+1番目のフレーム画像を示している。
そして、パターン201及びパターン202における、同一の計測画素205を用いて移動量Δx(x軸方向移動量Δx)が求められる。ここで、計測画素205は、パターン201及びパターン202の各々のフレーム画像において、同一の画素位置の計測画素である。
6 is a conceptual diagram for explaining a process for calculating the amount of pupil movement by the gradient method in this embodiment. In order to simplify the explanation of the gradient method, calculation of the amount of movement in one dimension (only in the x-axis direction) will be explained in FIG.
6A shows the distribution of luminance values in one dimension as a gradation, in which a pattern 201 indicates the n-th frame image, and a pattern 202 indicates the (n+1)-th frame image.
Then, the movement amount Δx (the movement amount Δx in the x-axis direction) is calculated using the same measurement pixel 205 in the pattern 201 and the pattern 202. Here, the measurement pixel 205 is a measurement pixel at the same pixel position in each of the frame images of the pattern 201 and the pattern 202.

図6(b)は、計測画素205の輝度勾配sx(x軸方向輝度勾配sx)と輝度変化量ΔIとから移動量Δxを勾配法により求めることを説明するグラフである。図6は横軸が画素の座標位置(画素位置)位置を示し、縦軸が画素の輝度値を示している。曲線203(実線)がパターン201の画素と輝度値の関係を示し、曲線204(点線)がパターン202の画素と輝度値の関係を示している。曲線204は曲線203から移動量Δxだけ位相がx軸の+方向にシフトしている。この、移動量Δxは、フレーム画像間におけるフレーム周期(イメージセンサー50の撮像周期)における瞳孔の移動量を示している。
ここで、輝度変化量ΔIは、パターン201の計測画素205の輝度値Iから、パターン201の計測画素205の輝度値In+1を減算した輝度値差(I-In+1)である。
6B is a graph for explaining how to obtain the movement amount Δx from the luminance gradient sx (x-axis luminance gradient sx) of the measurement pixel 205 and the luminance change amount ΔI by the gradient method. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the coordinate position (pixel position) of the pixel, and the vertical axis indicates the luminance value of the pixel. A curve 203 (solid line) indicates the relationship between the pixel and the luminance value of the pattern 201, and a curve 204 (dotted line) indicates the relationship between the pixel and the luminance value of the pattern 202. The phase of the curve 204 is shifted in the positive direction of the x-axis by the movement amount Δx from the curve 203. This movement amount Δx indicates the movement amount of the pupil in the frame period (the imaging period of the image sensor 50) between frame images.
Here, the luminance change amount ΔI is the luminance value difference (I n −I n+1 ) obtained by subtracting the luminance value I n +1 of the measurement pixel 205 of the pattern 201 from the luminance value I n of the measurement pixel 205 of the pattern 201 .

そして、瞳孔が移動する(眼球が回旋して移動する)ことにより、パターン202のフレーム画像の計測画素205に撮像される瞳孔の位置が、パターン201のフレーム画像の計測画素205に撮像される瞳孔の位置から移動量Δx移動している。
このように、瞳孔の位置が変化することにより、瞳孔の領域における移動量Δxに対応した位置の輝度値Iの違いが輝度変化量ΔIとして計測される。
As the pupil moves (the eyeball rotates and moves), the position of the pupil imaged at measurement pixel 205 of the frame image of pattern 202 moves by an amount Δx from the position of the pupil imaged at measurement pixel 205 of the frame image of pattern 201.
In this way, as the pupil position changes, the difference in luminance value I at a position corresponding to the amount of movement Δx in the pupil region is measured as the amount of luminance change ΔI.

したがって、計測画素205の輝度勾配sxと、計測画素205の輝度変化量ΔIとにより、図6(b)から幾何学的に、以下の式により移動量Δxが求められる。
すなわち、図6(b)において、ΔI=-sxΔxの関係式における関係性があることが判る。これにより、移動量Δxは、上記関係式を変形した以下の第1式により求めることができる。
Δx=-ΔI/sx … 第1式
この第1式において、x軸方向においては、sxは正方向に向かって輝度が増加する勾配の場合に極性が+であり、逆に、負方向に向かって輝度が増加する勾配の場合に極性が-である。また、移動量Δxは正方向に向かって移動する場合に極性が+であり、逆に、負方向に向かって移動する場合に極性が-となる。
Therefore, the movement amount Δx can be geometrically calculated from the luminance gradient sx of the measurement pixel 205 and the luminance change amount ΔI of the measurement pixel 205 in FIG.
6B, it can be seen that there is a relationship in the relational expression ΔI=-sxΔx. As a result, the amount of movement Δx can be calculated by the following first formula, which is a modification of the above relational expression.
Δx=-ΔI/sx ... Equation 1 In this Equation 1, in the x-axis direction, sx has a positive polarity when the gradient is one where the brightness increases in the positive direction, and a negative polarity when the gradient is one where the brightness increases in the negative direction. Also, the movement amount Δx has a positive polarity when moving in the positive direction, and a negative polarity when moving in the negative direction.

また、上記第1式から移動量Δxを求める場合、パターン201及びパターン202間(フレーム画像間)において計測画素205の輝度勾配sxが一定であると仮定している。
すなわち、パターン201の曲線203の計測画素205における輝度勾配sxと、パターン202の曲線204の計測画素205における輝度勾配sx’とが許容される誤差内で一定とみなせる必要がある。
そのため、フレーム画像間における瞳孔の移動量Δxが大きくなると、パターン201の計測画素205の輝度勾配sxと、パターン202の計測画素205の輝度勾配sx’との各々が一定の値とはならず、上記第1式では、パターン201及びパターン202のフレーム画像を用いて移動量Δxを輝度変化量ΔIから算出することができない。
Furthermore, when calculating the amount of movement Δx from the above-mentioned first equation, it is assumed that the luminance gradient sx of the measurement pixel 205 is constant between the pattern 201 and the pattern 202 (between the frame images).
That is, the luminance gradient sx at the measurement pixel 205 of the curve 203 of the pattern 201 and the luminance gradient sx' at the measurement pixel 205 of the curve 204 of the pattern 202 must be considered to be constant within an allowable error.
Therefore, when the amount of pupil movement Δx between frame images becomes large, the luminance gradient sx of measurement pixel 205 of pattern 201 and the luminance gradient sx' of measurement pixel 205 of pattern 202 do not each have a constant value, and the above first equation cannot calculate the amount of movement Δx from the amount of luminance change ΔI using the frame images of pattern 201 and pattern 202.

図7は、移動量Δxが大きい場合におけるフレーム画像間の画素位置と画素の輝度値との関係を示す図である。
移動量Δxが大きいため、計測画素205において、パターン201の曲線203と、パターン202の曲線204とのシフトする距離が大きくなる。
このため、パターン201の曲線203の計測画素205における輝度勾配sxと、パターン202の曲線204の計測画素205における輝度勾配sx’とは途中で変化しており一定ではない(非直線性)。
したがって、第1式により輝度値ΔIを用いて移動量Δxを求める場合、輝度勾配sxが同一となる移動量Δxになるフレーム周期とする必要がある。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between pixel positions and pixel luminance values between frame images when the amount of movement Δx is large.
Since the amount of movement Δx is large, the shift distance between the curve 203 of the pattern 201 and the curve 204 of the pattern 202 at the measurement pixel 205 becomes large.
Therefore, the luminance gradient sx at the measurement pixel 205 of the curve 203 of the pattern 201 and the luminance gradient sx' at the measurement pixel 205 of the curve 204 of the pattern 202 change midway and are not constant (non-linear).
Therefore, when calculating the amount of movement Δx using the luminance value ΔI according to the first equation, it is necessary to select a frame period that results in the amount of movement Δx that results in the same luminance gradient sx.

そのため、本実施形態におけるイメージセンサー50は、フレーム周期が短く、高速撮像が可能なイメージセンサーを用いており、例えば、格子状に512×512画素を有する撮像面を備えており、500フレーム/秒の動画像を撮像することができる。 For this reason, the image sensor 50 in this embodiment uses an image sensor with a short frame period and capable of high-speed imaging, and for example, has an imaging surface with 512 x 512 pixels in a grid pattern, and can capture moving images at 500 frames per second.

また、通常の瞳孔の跳躍運動におけるサッカードの速度(以下、サッカード速度)は、最大で500度(°)/秒である。このため、1/500秒間における瞳孔の回旋角は、最大1度となる。また、瞳孔の移動量が小さくなるしたがって、跳躍運動における最大速度も低下する。
一方、マイクロサッカード(振幅≪1度)の速度は、例えば、最大で100度/秒以下である。このため、1/500秒間における瞳孔の回旋角は、最大0.2度となる。
In addition, the speed of saccades in normal hopping movements of the pupil (hereinafter referred to as saccade speed) is a maximum of 500 degrees (°) per second. Therefore, the rotation angle of the pupil in 1/500 seconds is a maximum of 1 degree. In addition, as the amount of movement of the pupil becomes smaller, the maximum speed in hopping movements also decreases.
On the other hand, the speed of a microsaccade (amplitude << 1 degree) is, for example, 100 degrees/second or less at most. Therefore, the pupil rotation angle in 1/500 seconds is a maximum of 0.2 degrees.

ここで、瞳孔のイメージセンサー50の移動量として、1フレーム時間(1/500秒)における、撮像面における最大画素移動量を、以下の図8を用いて求める。
図8における最大画素移動量の算出条件としては、イメージセンサー50の撮像画像の解像度を128×128画素とし、撮像画像における眼球の大きさを瞳孔の中心から50画素とする。
Here, as the movement amount of the image sensor 50 of the pupil, the maximum pixel movement amount on the imaging surface in one frame time (1/500 seconds) is obtained using FIG.
The conditions for calculating the maximum pixel movement amount in FIG. 8 are that the resolution of the captured image of the image sensor 50 is 128×128 pixels, and the size of the eyeball in the captured image is 50 pixels from the center of the pupil.

図8は、撮像面の瞳孔の跳躍運動における移動量の導出を説明する概念図である。図8(a)は、撮像画像としての動画像におけるフレーム画像を示しており、128×128画素の分解能を有している。また、図8(a)は、イメージセンサー50の撮像面における眼球の撮像画素範囲を示している。瞳孔撮像領域EAは、撮像画像50Aにおける瞳孔が撮像されている領域である。
そして、瞳孔撮像領域EAの中心Oを中心とした半径r(=50画素)の円領域が、眼球の部分が撮像された撮像領域である眼球撮像領域IAを示している。
Fig. 8 is a conceptual diagram for explaining derivation of the amount of movement in the hopping movement of the pupil on the imaging plane. Fig. 8(a) shows a frame image in a moving image as a captured image, and has a resolution of 128 x 128 pixels. Fig. 8(a) also shows the imaging pixel range of the eyeball on the imaging plane of the image sensor 50. The pupil imaging area EA is the area in the captured image 50A where the pupil is imaged.
A circular area having a radius r (=50 pixels) centered on the center O of the pupil imaging area EA indicates an eyeball imaging area IA, which is an imaging area in which a portion of the eyeball is imaged.

図8(b)は、マイクロサッカードにおける眼球の回旋運動の回旋角から画素移動量の算出を説明する図である。
例えば、回旋角が0.2度の場合、眼球の移動量dx(Δx)は、瞳孔撮像領域EAの半径rを50画素とした場合、dx/r=sin(0.2deg)s=0.0035の関係から以下のように求められる。
dx=sin(0.2deg)×50(画素)=0.17(画素)
また、回旋角が1.0度の場合、移動量dx(Δx)は、瞳孔撮像領域EAの半径rを50画素とした場合、dx/r=sin(1.0deg)s=0.017の関係から以下のように求められる。
dx=sin(0.2deg)×50(画素)=0.87(画素)
FIG. 8B is a diagram for explaining calculation of the pixel movement amount from the rotation angle of the rotational movement of the eyeball during a microsaccade.
For example, when the rotation angle is 0.2 degrees, the eyeball movement amount dx (Δx) can be calculated as follows from the relationship dx/r=sin(0.2 deg)s=0.0035, assuming that the radius r of the pupil imaging area EA is 50 pixels.
dx = sin(0.2 deg) x 50 (pixels) = 0.17 (pixels)
Furthermore, when the rotation angle is 1.0 degree, the amount of movement dx (Δx) can be calculated as follows from the relationship dx/r=sin(1.0 deg)s=0.017, assuming that the radius r of the pupil imaging area EA is 50 pixels.
dx = sin(0.2 deg) x 50 (pixels) = 0.87 (pixels)

図9は、フレーム画像の眼球における瞳孔及び虹彩の境界領域における輝度勾配の直線性を説明する図である。
図9(a)は、図2(b)においてグラフを拡大する範囲Z(瞳孔及び虹彩の境界領域の近傍)を示している。範囲Zは、画素位置54から画素位置84までの30画素の領域である。
FIG. 9 is a diagram for explaining the linearity of the luminance gradient in the boundary region between the pupil and the iris of the eyeball in the frame image.
9A shows a region Z (near the boundary region of the pupil and the iris) in which the graph in FIG. 2B is enlarged. Region Z is a region of 30 pixels from pixel position 54 to pixel position 84.

図9(b)は、図9(a)における画素位置54から画素位置84までの30画素の範囲Zを拡大したグラフである。
図9(b)において、各画素における輝度勾配を観察すると、図8で求めた移動量Δxが0.17画素の範囲においては輝度勾配は一定であり、また、0.87画素の範囲においても輝度勾配に差異はないことが判る。したがって、輝度勾配が同様の画素領域(計測画素を含む隣接する9画素の領域内)に収まる移動範囲にて瞳孔の移動量を計測することができる。
FIG. 9B is a graph showing an enlarged range Z of 30 pixels from pixel position 54 to pixel position 84 in FIG.
Observing the luminance gradient at each pixel in Fig. 9(b) reveals that the luminance gradient is constant when the movement amount Δx calculated in Fig. 8 is in the range of 0.17 pixels, and that there is no difference in the luminance gradient even in the range of 0.87 pixels. Therefore, it is possible to measure the movement amount of the pupil within a movement range in which the luminance gradient falls within a similar pixel region (within a region of 9 adjacent pixels including the measurement pixel).

したがって、図8で示したように、500フレーム/秒のフレーム周期で撮像することにより、100度/秒以下のマイクロサッカードにおける移動量Δxの計測については、一定の輝度勾配を有する瞳孔の範囲となる。これにより、移動量Δxを求めるため、フレーム画像間の輝度勾配sxが等しければ、x方向に対する移動量も等しくなり、非直線性による誤差を抑制し、第1式により移動量Δxを所定の精度で計測することができる。 Therefore, as shown in Figure 8, by capturing images at a frame rate of 500 frames/second, the measurement of the movement amount Δx in microsaccades of 100 degrees/second or less is within the range of the pupil with a certain luminance gradient. As a result, if the luminance gradient sx between frame images is equal to calculate the movement amount Δx, the movement amount in the x direction will also be equal, and errors due to nonlinearity can be suppressed, making it possible to measure the movement amount Δx with a specified accuracy using the first formula.

本実施形態においては、上述したように、瞳孔及び虹彩の境界領域が撮像された画素領域における画素の輝度変化量ΔI及び輝度勾配sxから、勾配法を用いてx軸方向(及び後述するy軸方向)の瞳孔の移動量を算出している。
しかしながら、マイクロサッカードにおける眼球運動に伴う瞳孔の位置の変化は、すでに述べたように微小のΔxに抑制しているため、計測のノイズの影響による移動量の検出精度の低下が大きく影響する。
In this embodiment, as described above, the amount of movement of the pupil in the x-axis direction (and the y-axis direction, which will be described later) is calculated using the gradient method from the amount of change in luminance ΔI and the luminance gradient sx of pixels in a pixel region in which an image of the boundary region between the pupil and the iris is captured.
However, since the change in pupil position accompanying eye movement in microsaccades is suppressed to a minute amount Δx as already described, the decrease in accuracy of detection of the amount of movement due to the influence of measurement noise has a large effect.

一般的に、イメージセンサーの撮像面における各画素に蓄積される光子数(実際には光子数に対応する電荷量)の統計的な変動によりショットノイズが生じる。
そして、このショットノイズのレベルは、蓄積光子数をNとした場合、光子数の平方根の(N)1/2に比例する。
Generally, shot noise occurs due to statistical fluctuations in the number of photons (actually, the amount of charge corresponding to the number of photons) accumulated in each pixel on the imaging surface of an image sensor.
When the number of accumulated photons is N, the level of this shot noise is proportional to the square root of the number of photons, that is, (N) 1/2 .

また、輝度信号のレベルが蓄積光子数Nに比例し、ショットノイズのレベルが上述したように(N)1/2に比例するため、SN比(信号対雑音比)は、(N)1/2(=N/(N)1/2)に比例することになる。
したがって、輝度の計測においては、蓄積光子数Nが増加するにしたがって、SN比が向上することになり、輝度の計測におけるショットノイズの影響が低減される。
In addition, since the luminance signal level is proportional to the number of accumulated photons N and the shot noise level is proportional to (N) 1/2 as described above, the S/N ratio (signal-to-noise ratio) is proportional to (N) 1/2 (= N/(N) 1/2 ).
Therefore, in the measurement of luminance, as the number N of accumulated photons increases, the signal-to-noise ratio improves and the effect of shot noise in the measurement of luminance is reduced.

一方、輝度勾配及び輝度変化量の各々は、蓄積光子数Nの差分値に比例するため、輝度信号のように、蓄積光子数Nが多くなる毎に精度が向上することはない。逆に、蓄積光子数Nが大きくなるに従い、差分値に含まれるショットノイズ(N)1/2に比例して増大してしまう。
このため、輝度勾配が同一であった場合、輝度値が小さい画素を用いた方が輝度勾配及び輝度変化量の計測精度が向上する。
このため、輝度勾配算出部13は、すでに述べたように、|S|/(I)1/2が勾配輝度値比閾値以上の候補画素を計測画素として用いている。ここで、輝度値の平方根(I)1/2は、光子数の平方根(N)1/2に比例する。
On the other hand, since the luminance gradient and the amount of change in luminance are each proportional to the difference value of the number of accumulated photons N, unlike the luminance signal, the accuracy does not improve as the number of accumulated photons N increases. Conversely, as the number of accumulated photons N increases, the shot noise (N) 1/2 included in the difference value increases.
For this reason, when the luminance gradient is the same, the measurement accuracy of the luminance gradient and the amount of change in luminance is improved by using pixels with smaller luminance values.
For this reason, as already described, the luminance gradient calculation unit 13 uses candidate pixels for which |S|/(I) 1/2 is equal to or greater than the gradient luminance value ratio threshold as measurement pixels, where the square root of the luminance value (I) 1/2 is proportional to the square root of the number of photons (N) 1/2 .

図10は、図2(b)の瞳孔501及び虹彩502の各々の境界領域における輝度勾配を示す図である。
図10においては、フレーム画像Nと、このフレーム画像Nの1フレーム周期後のフレーム画像N+1とにおいて、瞳孔がΔx移動した際の輝度差ΔIを求めている。
計測画素として画素を選択する際、同一の輝度勾配を有する画素であれば、いずれの画素においても、移動した際の輝度差ΔIは同一となる。
FIG. 10 is a diagram showing the luminance gradient in the boundary region of each of the pupil 501 and the iris 502 in FIG.
In FIG. 10, a luminance difference ΔI between a frame image N and a frame image N+1 one frame period after this frame image N when the pupil moves by Δx is obtained.
When pixels are selected as measurement pixels, if the pixels have the same luminance gradient, the luminance difference ΔI when moved will be the same for all the pixels.

しかしながら、画素位置601は光子数200であり、ノイズ量が14.1(=(200)1/2)である。画素位置602は光子数100であり、ノイズ量が10(=(100)1/2)である。また、画素位置603は光子数20であり、ノイズ量が4.7(=(20)1/2)である。
したがって、画素位置601で求めた移動量Δx602は、画素位置603で求めた移動量Δx603に比較して、ノイズレベルが3(=14.1/4.7)倍高くなり、計測の精度が低下する。
However, pixel position 601 has 200 photons and a noise amount of 14.1 (=(200) 1/2 ). Pixel position 602 has 100 photons and a noise amount of 10 (=(100) 1/2 ). Pixel position 603 has 20 photons and a noise amount of 4.7 (=(20) 1/2 ).
Therefore, the amount of movement Δx 602 calculated at pixel position 601 has a noise level 3 (=14.1/4.7) times higher than the amount of movement Δx 603 calculated at pixel position 603, resulting in a decrease in measurement accuracy.

本実施形態においては、輝度勾配が他の領域に比較して高い場所として、瞳孔及び虹彩の間の境界領域が撮像された計測画素を移動量Δx(後述するy軸方向移動量Δyも同様)の計測に用いている。瞳孔及び虹彩の間の境界領域は、すでに述べたように、輝度勾配が大きく、微少の移動量Δxであっても、輝度変化量ΔIが大きくなるため、移動量Δxの検出に適している。 In this embodiment, the measurement pixels in which the boundary region between the pupil and the iris is imaged are used to measure the amount of movement Δx (as well as the amount of movement Δy in the y-axis direction, described below), since this is an area where the luminance gradient is higher than other regions. As already mentioned, the boundary region between the pupil and the iris has a large luminance gradient, and even a small amount of movement Δx results in a large amount of luminance change ΔI, making it suitable for detecting the amount of movement Δx.

そして、上述したショットノイズの影響を低減するため、同様の輝度勾配を有している場合、より輝度値の低い(蓄積光子数Nの少ない)計測画素を用いている。
そのため、本実施形態においては、すでに述べたように、輝度勾配算出部13が、候補画素の各々の|S|/(I)1/2が、あらかじめ設定した勾配輝度値比閾値以上か否かを判定して、勾配輝度値比閾値以上である候補画素を計測画素として抽出している。
In order to reduce the effect of the above-mentioned shot noise, when the same luminance gradient is present, a measurement pixel having a lower luminance value (a smaller number N of accumulated photons) is used.
Therefore, in this embodiment, as already described, the luminance gradient calculation unit 13 determines whether or not |S|/(I) ½ of each candidate pixel is equal to or greater than a preset gradient luminance value ratio threshold, and extracts candidate pixels that are equal to or greater than the gradient luminance value ratio threshold as measurement pixels.

本実施形態においては、眼球における瞳孔の移動量を2次元で求めるため、x軸に平行な移動量Δxをx軸方向移動量Δxとし、y軸に平行な移動量Δyをy軸方向移動量とし、x軸方向に平行な輝度勾配をx軸方向輝度勾配とし、y軸方向に平行な輝度勾配をy軸方向輝度勾配とし、すでに説明した一次元方程式の第1式を、以下に示す一次方程式の第2式に拡張する。
ΔI=(-s)・Δx+(-s)・Δy … 第2式
In this embodiment, in order to obtain the movement amount of the pupil in the eyeball in two dimensions, the movement amount Δx parallel to the x-axis is defined as the x-axis direction movement amount Δx, the movement amount Δy parallel to the y-axis is defined as the y-axis direction movement amount, the luminance gradient parallel to the x-axis direction is defined as the x-axis direction luminance gradient, and the luminance gradient parallel to the y-axis direction is defined as the y-axis direction luminance gradient, and the first equation, which is a one-dimensional equation already described above, is expanded to the second equation, which is a linear equation shown below.
ΔI=(-s x )・Δx+(-s y )・Δy... Second formula

この第2式において、x軸方向輝度勾配sはx軸方向を正方向に向かって輝度が増加する勾配の場合に極性が+であり、負方向に向かって輝度が増加する勾配の場合に極性が-である。また、x軸方向移動量Δxはx軸方向にを正方向に向かって移動する場合に極性が+であり、負方向に向かって移動する場合に極性が-である。 In this second equation, the x-axis luminance gradient sx has a positive polarity when the luminance increases in the positive direction along the x-axis, and a negative polarity when the luminance increases in the negative direction along the x-axis. Also, the x-axis direction movement amount Δx has a positive polarity when moving in the positive direction along the x-axis, and a negative polarity when moving in the negative direction along the x-axis.

そして、第2式において、輝度勾配sはy軸方向を正方向に向かって輝度が増加する勾配の場合に極性が+であり、y軸方向輝度勾配sは負方向に向かって輝度が増加する勾配の場合に極性が-である。また、y軸方向移動量Δyはy軸方向を正方向に向かって移動する場合に極性が+であり、負方向に向かって移動する場合に極性が-である。 In the second equation, the luminance gradient s y has a positive polarity when the luminance increases in the positive direction along the y axis, and the luminance gradient s y has a negative polarity when the luminance increases in the negative direction along the y axis. Also, the y-axis direction movement amount Δy has a positive polarity when moving in the positive direction along the y axis, and has a negative polarity when moving in the negative direction along the y axis.

第2式において、計測して得られる数値は、輝度勾配sx、sy及び輝度変化量ΔIであるため、x軸方向移動量Δx、y軸方向移動量Δyそれぞれが未知数となる。
したがって、上述した第2式により生成される以下の連立一次方程式を解くことにより、x軸方向移動量Δx及びy軸方向移動量Δyの各々を算出する。
ΔI1=(-sx1)・Δx+(-sy1)・Δy
ΔI2=(-sx2)・Δx+(-sy2)・Δy
In the second equation, the values obtained by measurement are the luminance gradients sx and sy and the luminance change amount ΔI, so the x-axis direction movement amount Δx and the y-axis direction movement amount Δy are both unknowns.
Therefore, the x-axis direction movement amount Δx and the y-axis direction movement amount Δy are each calculated by solving the following simultaneous linear equations generated by the above-mentioned second equation.
ΔI1=(-s x1 )・Δx+(-s y1 )・Δy
ΔI2=(-s x2 )・Δx+(-s y2 )・Δy

図11は、図6(a)に示すパターンを二次元に拡張したフレーム画像のパターンを示す図である。
図11においては、眼球の所定の領域801を撮像して、当該領域801のフレーム画像(801)を取得し、1フレーム周期後に、眼球の上記領域801からx軸方向移動量Δx、y軸方向移動量Δyだけ移動した領域802を撮像して、当該領域802のフレーム画像(802)を取得したことを示している。
FIG. 11 is a diagram showing a frame image pattern obtained by two-dimensionally expanding the pattern shown in FIG.
In Figure 11, a specified area 801 of the eyeball is imaged, and a frame image (801) of the area 801 is obtained. One frame period later, an area 802 that has moved from the above area 801 of the eyeball by an x-axis movement amount Δx and a y-axis movement amount Δy is imaged, and a frame image (802) of the area 802 is obtained.

計測画素611においては、x軸方向輝度勾配sxがsxであり、y軸方向輝度勾配syがsyであり、領域801の輝度値と領域802の輝度値との輝度変化量ΔI1である。
また、計測画素812においては、x軸方向輝度勾配sxがsxであり、y軸方向輝度勾配syがsyであり、領域801の輝度値と領域802の輝度値との輝度変化量ΔI2である。
In the measurement pixel 611, the x-axis direction luminance gradient sx is sx1 , the y-axis direction luminance gradient sy is sy1 , and the luminance change amount between the luminance value of the region 801 and the luminance value of the region 802 is ΔI1.
In addition, in the measurement pixel 812, the x-axis direction luminance gradient sx is sx2 , the y-axis direction luminance gradient sy is sy2 , and the amount of luminance change between the luminance value of the region 801 and the luminance value of the region 802 is ΔI2.

また、輝度勾配算出部13は、候補画素から計測画素811及び計測画素812の各々を抽出する際、|S1|/(I1)1/2=(sx +sy 1/2/(I1)1/2と、|S1|/(I2)1/2=(sx +sy 1/2/(I2)1/2との各々が勾配輝度値比閾値以上であることをそれぞれ判定している。
そして、移動距離算出部15は、計測画素811及び計測画素812の各々の計測値を用いて、上記連立一次方程式を生成する(後述)。
In addition, when extracting each of measurement pixel 811 and measurement pixel 812 from the candidate pixels, the brightness gradient calculation unit 13 determines that each of |S1|/(I1) 1/2 = (sx 1 2 + sy 1 2 ) 1/2 /(I1) 1/2 and |S1|/(I2) 1/2 = (sx 2 2 + sy 2 2 ) 1/2 /(I2) 1/2 is greater than or equal to the gradient brightness value ratio threshold.
Then, the movement distance calculation unit 15 generates the simultaneous linear equations described above using the measurement values of the measurement pixel 811 and the measurement pixel 812 (described later).

輝度変化量算出部14は、フレーム画像間における所定の計測画素の輝度値の差分を、フレーム画像の所定の計測画素の輝度値から、このフレーム画像の一周期後のフレーム画像の同一計測画素の輝度値を減算することにより算出する。
移動距離算出部15は、上記計測画素811及び計測画素812の各々の計測値であるx軸方向輝度勾配sx、y軸方向輝度勾配sy、輝度変化量ΔIの各々による上記連立一次方程式を解くことにより、x軸方向移動量Δx、y軸方向移動量Δyのそれぞれを求める。
The brightness change amount calculation unit 14 calculates the difference in brightness value of a specified measurement pixel between frame images by subtracting the brightness value of the specified measurement pixel in a frame image from the brightness value of the same measurement pixel in a frame image one period later.
The movement distance calculation unit 15 calculates the x-axis direction movement amount Δx and the y-axis direction movement amount Δy by solving the above simultaneous linear equations using the x-axis direction luminance gradient sx, the y-axis direction luminance gradient sy, and the luminance change amount ΔI, which are the measurement values of the measurement pixel 811 and the measurement pixel 812, respectively.

また、上述したように計測画素を2箇所として、上記連立一次方程式を生成して解いてもよいが、より精度を向上させるため、本実施形態においては、以下に示すように、複数の計測画素から連立一次方程式を生成している。
図12は、複数の計測画素から連立一次方程式を生成する処理を説明する概念図である。図12においては、複数の計測画素のn個の一例として、計測画素p1から計測画素p6の6個(1≦n≦6)が移動用を算出する計測画素として選択され場合を示している。
As described above, the simultaneous linear equations may be generated and solved using two measurement pixels. However, in order to further improve accuracy, in this embodiment, the simultaneous linear equations are generated from a plurality of measurement pixels as shown below.
12 is a conceptual diagram for explaining a process of generating simultaneous linear equations from a plurality of measurement pixels. In FIG. 12, as an example of the plurality of measurement pixels, six measurement pixels p1 to p6 (1≦n≦6) are selected as measurement pixels for calculating a shift vector.

ここで、輝度勾配算出部13は、x軸方向輝度勾配sxの絶対値|sx|(第1絶対値)と、y軸方向輝度勾配の絶対値|sy|(第2絶対値)とを比較する。
そして、輝度勾配算出部13は、|sx|>|sy|の計測画素(図12において計測画素p2、p4、p6)を、優位点群(第1グループ)としてグループ化し、それぞれsxn1、syn1とする。
また、x優位点群における計測画素の各々のsxn1、syn1それぞれの積算を行ない、Σsxn1、Σsyn1を求める。
ここで、x優位点群において、x軸方向勾配が負の場合、積算を行う際に輝度勾配の符号を揃えるため、符号の反転を行う。図12において、x優位点群における計測画素p4が、極性の反転を行う計測画素である。
ΔIn1=(-)(-sxn1)Δx+(-)(-syn1)Δy
=sxn1Δx+syn1Δy
Here, the luminance gradient calculation unit 13 compares the absolute value |sx n | of the x-axis direction luminance gradient sx n (first absolute value) with the absolute value |sy n | of the y-axis direction luminance gradient (second absolute value).
Then, the luminance gradient calculation unit 13 groups the measurement pixels where |sx n |>|sy n | (measurement pixels p2, p4, and p6 in FIG. 12) as a group of advantageous points (first group), and sets these as sx n1 and sy n1 , respectively.
Also, sx n1 and sy n1 of each measurement pixel in the x-significant point group are integrated to obtain Σsx n1 and Σsy n1 .
Here, in the x-significant point group, when the x-axis direction gradient is negative, the sign is inverted in order to make the sign of the luminance gradient consistent when accumulating. In FIG. 12, the measurement pixel p4 in the x-significant point group is the measurement pixel for which polarity inversion is performed.
ΔIn1=(-)(-sx n1 )Δx+(-)(-sy n1 )Δy
=sx n1 Δx+sy n1 Δy

そして、輝度変化量算出部14は、x優位点群における計測画素の各々の輝度変化量ΔIn1を積算して、ΣΔIn1を求める。
これにより、移動距離算出部15は、x優位点群による一方の一次方程式として、以下の第1一次方程式を生成する。
ΣΔIn1=Σ(-sxn1)Δx + Σ(-syn1)Δy
Then, the luminance variation calculation unit 14 accumulates the luminance variation ΔIn1 of each of the measurement pixels in the x dominant point group to obtain ΣΔIn1.
As a result, the movement distance calculation unit 15 generates the following first linear equation as one of the linear equations based on the x advantageous point group.
ΣΔIn1=Σ(-sx n1 )Δx + Σ(-sy n1 )Δy

一方、輝度勾配算出部13は、|sx|≦|sy|の計測画素(図12において計測画素p1、p3、p5)を、y優位点群(第2グループ)としてグループ化し、それぞれsxn2、syn2とする。
ここで、y優位点群において、y軸方向勾配が負の場合、積算を行う際に輝度勾配の符号を揃えるため、符号の反転を行う。図12において、y優位点群における計測画素p1が、極性の反転を行う計測画素である。
ΔIn2=(-)(-sxn2)Δx+(-)(-syn2)Δy
=sxn2Δx+syn2Δy
On the other hand, the luminance gradient calculation unit 13 groups the measurement pixels where |sx n |≦|sy n | (measurement pixels p1, p3, and p5 in FIG. 12) as a y-dominant point group (second group), and defines these as sx n2 and sy n2 , respectively.
Here, in the y-dominant point group, when the y-axis direction gradient is negative, the sign is inverted in order to make the sign of the brightness gradient consistent when performing integration. In FIG. 12, the measurement pixel p1 in the y-dominant point group is the measurement pixel for which polarity inversion is performed.
ΔIn2=(-)(-sx n2 )Δx+(-)(-sy n2 )Δy
=sx n2 Δx+sy n2 Δy

また、輝度変化量算出部14は、y優位点群における計測画素の各々の輝度変化量ΔIn2を積算して、ΣΔInを求める。
これにより、y優位点群による他方の一次方程式として、以下の第2一次方程式を生成する。
ΣΔIn2=Σ(-sxn2)Δx + Σ(-syn2)Δy
Furthermore, the luminance variation calculation unit 14 accumulates the luminance variation ΔIn2 of each of the measurement pixels in the y dominant point group to obtain ΣΔIn2 .
As a result, the following second linear equation is generated as the other linear equation based on the y advantageous point group.
ΣΔIn2=Σ(-sx n2 )Δx + Σ(-sy n2 )Δy

そして、移動距離算出部15は、以下の第1一次方程式及び第2一次方程式からなる連立一次方程式を解いて、x軸方向移動量Δx及びy軸方向移動量Δyを求める。
ΣΔIn1=Σ(-sxn1)Δx + Σ(-syn1)Δy
ΣΔIn2=Σ(-sxn2)Δx + Σ(-syn2)Δy
また、データ入出力部11は、移動距離算出部15により算出されたx軸方向移動量Δx及びy軸方向移動量Δyを外部装置に対して出力する。
また、データ入出力部11は、移動距離算出部15により算出されたx軸方向移動量Δx及びy軸方向移動量Δyを、順次、表示部16に表示させるとともに、記憶部17に書き込んで記憶させてもよい。
Then, the movement distance calculation unit 15 solves the simultaneous linear equations consisting of the following first and second linear equations to obtain the x-axis direction movement amount Δx and the y-axis direction movement amount Δy.
ΣΔIn1=Σ(-sx n1 )Δx + Σ(-sy n1 )Δy
ΣΔIn2=Σ(-sx n2 )Δx + Σ(-sy n2 )Δy
Furthermore, the data input/output unit 11 outputs the amount of movement Δx in the x-axis direction and the amount of movement Δy in the y-axis direction calculated by the movement distance calculation unit 15 to an external device.
In addition, the data input/output unit 11 may sequentially display the x-axis direction movement amount Δx and the y-axis direction movement amount Δy calculated by the movement distance calculation unit 15 on the display unit 16 and write and store them in the memory unit 17.

上述したように、本実施形態によれば、被験者の眼を動画像として撮像し、動画像の連続したフレーム画像間における計測画素の輝度変化量ΔIと、x軸方向輝度勾配及びy軸方向輝度勾配の各々とにより、勾配法を用いて瞳孔の移動量を算出する構成であるため、瞳孔の絶対位置を高精度に求める必要はなく、マイクロサッカードを示す眼球運動を検出できればよいため、従来の装置に対して小型化でき、かつ被験者の頭部を固定する必要が無いため、被験者の頭部に装着可能な装置として作成することが可能となり、被験者の日常的な状態、すなわち日常生活において移動しつつ、頭部を動かしている状態におけるマイクロサッカードを、瞳孔の移動量を求めることにより精度よく計測することができる。
これにより、マイクロサッカードの計測を実生活に即した条件で行う、すなわち、多様な条件下での対象に対する人間の反応をウェアラブルな計測装置を用いて計測して解析することが可能となる。
As described above, according to this embodiment, the subject's eye is captured as a moving image, and the amount of pupil movement is calculated using the gradient method based on the amount of change in luminance ΔI of the measurement pixel between successive frame images of the moving image, and each of the x-axis luminance gradient and the y-axis luminance gradient. Therefore, there is no need to determine the absolute position of the pupil with high precision; it is sufficient to detect eye movement indicating microsaccades, so the device can be made smaller than conventional devices, and since there is no need to fix the subject's head, it is possible to create a device that can be worn on the subject's head. Microsaccades in the subject's everyday state, that is, when moving and moving their head in daily life, can be accurately measured by determining the amount of pupil movement.
This makes it possible to measure microsaccades under conditions that are similar to those in real life, i.e., to measure and analyze human responses to objects under a variety of conditions using a wearable measuring device.

また、本実施形態によれば、眼球の運動を検出するため、輝度勾配が大きい箇所として、フレーム画像における瞳孔と虹彩との境界領域部分を用いているため、微小な移動においても輝度変化量が大きく検出でき、瞳孔の移動量を精度よく取得することができる。 In addition, according to this embodiment, in order to detect eye movement, the boundary area between the pupil and the iris in the frame image is used as the area with a large brightness gradient, so that even with a small movement, a large amount of brightness change can be detected, and the amount of pupil movement can be obtained with high accuracy.

また、本実施形態によれば、輝度勾配(S)と輝度値の平方根(I1/2)との比が、あらかじめ設定した勾配輝度値比閾値以上である画素を計測画素として用いる。このため、光子数(輝度値)の平方根に比例して増大するショットノイズの影響が低い計測画素(同一の輝度勾配であれば輝度値の低い、所謂、暗い画素)により瞳孔の移動量を算出しているため、計測の精度を向上させることができる。 Furthermore, according to this embodiment, pixels in which the ratio of the luminance gradient (S) to the square root of the luminance value (I 1/2 ) is equal to or greater than a preset gradient luminance value ratio threshold are used as measurement pixels. Therefore, the pupil movement amount is calculated using measurement pixels (so-called dark pixels with low luminance value for the same luminance gradient) that are less affected by shot noise that increases in proportion to the square root of the number of photons (luminance value), and the measurement accuracy can be improved.

また、本願発明によれば、輝度勾配及び輝度変化量を用いた勾配法により、瞳孔の移動量を計測しているため、フレームレートが十分に高い撮像装置であれば、解像度自体はそれほど高くなくとも、検出する眼球の瞳孔移動量の計測精度を得ることができる。そして、明確な特徴がなくとも検出可能な輝度勾配があれば、眼球の移動量の計測が可能である。 In addition, according to the present invention, the amount of pupil movement is measured using a gradient method that uses the luminance gradient and the amount of change in luminance, so as long as the image capture device has a sufficiently high frame rate, it is possible to obtain high measurement accuracy for the amount of pupil movement of the detected eyeball even if the resolution itself is not that high. And, even if there is no clear feature, as long as there is a detectable luminance gradient, it is possible to measure the amount of eyeball movement.

図13は、本実施形態による眼球運動計測装置における計測処理の動作例を説明するフローチャートである。
ステップS101:
データ入出力部11は、フレーム画像が外部装置であるイメージセンサー50から供給された場合、フレーム画像のデータを記憶部17に書き込んで記憶させる。
計測範囲設定部12は、記憶部17に記憶されている直前のフレーム画像から求めたx軸方向輝度勾配sxの積算値Σsx1及びΣsx2と、y軸方向輝度勾配syの積算値Σsy1及びΣsy2と、輝度変化量ΔIの積算値ΣΔI1及びΣΔI2との各々を消去する(データのクリア)。
FIG. 13 is a flowchart for explaining an example of the operation of the measurement process in the eye movement measurement device according to this embodiment.
Step S101:
When a frame image is supplied from an image sensor 50 that is an external device, the data input/output unit 11 writes and stores the frame image data in the storage unit 17 .
The measurement range setting unit 12 erases each of the integrated values Σsx1 and Σsx2 of the x-axis direction luminance gradient sx, the integrated values Σsy1 and Σsy2 of the y-axis direction luminance gradient sy, and the integrated values ΣΔI1 and ΣΔI2 of the luminance change amount ΔI obtained from the immediately previous frame image stored in the memory unit 17 (clearing the data).

ステップS102:
計測範囲設定部12は、記憶部17からフレーム画像の各画素の輝度値のデータを読み込む。
Step S102:
The measurement range setting unit 12 reads the luminance value data of each pixel of the frame image from the storage unit 17 .

ステップS103:
そして、計測範囲設定部12は、読み込んだフレーム画像における各画素の輝度値が瞳孔検出閾値未満か否かの判定を行う。
このとき、計測範囲設定部12は、輝度値が瞳孔検出閾値未満の画素値を瞳孔が撮像された瞳孔領域の画素とする。一方、計測範囲設定部12は、輝度値が瞳孔検出閾値以上の画素値を瞳孔以外の部分が撮像された領域の画素とする。
Step S103:
Then, the measurement range setting unit 12 determines whether or not the luminance value of each pixel in the read frame image is less than the pupil detection threshold value.
At this time, the measurement range setting unit 12 determines pixel values whose luminance values are less than the pupil detection threshold as pixels in the pupil region where the pupil is captured, while the measurement range setting unit 12 determines pixel values whose luminance values are equal to or greater than the pupil detection threshold as pixels in the region where a part other than the pupil is captured.

計測範囲設定部12は、瞳孔領域の画素及び瞳孔領域の画素に囲まれた画素の集合体の画像領域を抽出し、この画像領域を瞳孔の撮像された領域(瞳孔撮像領域)とする。
そして、計測範囲設定部12は、計測範囲600の中心Oから、計測範囲600の外周の画素までの距離を半径Rとする。
計測範囲設定部12は、上記半径Rを所定の係数値p倍して半径R’を算出し、中心Oから半径R’の範囲内を計測範囲600として設定する。
The measurement range setting unit 12 extracts an image area that is a collection of pixels in the pupil area and pixels surrounded by the pixels in the pupil area, and sets this image area as an area in which the pupil is imaged (pupil imaged area).
Then, the measurement range setting unit 12 sets the distance from the center O of the measurement range 600 to a pixel on the outer periphery of the measurement range 600 as the radius R.
The measurement range setting unit 12 calculates a radius R′ by multiplying the radius R by a predetermined coefficient value p, and sets the range from the center O to the radius R′ as the measurement range 600 .

ステップS104:
輝度勾配算出部13は、記憶部107を参照して、フレーム画像における画素を選択し、その画素の画素位置を読み込む。
ここで、輝度勾配算出部13は、例えば、参照しフレーム画像において、最上部の行から、選択する行を順次代えつつ、列の順に画素の選択を行う。
Step S104:
The luminance gradient calculation unit 13 refers to the storage unit 107, selects a pixel in the frame image, and reads the pixel position of that pixel.
Here, the luminance gradient calculation unit 13 selects pixels in the order of columns, for example, starting from the top row in the reference frame image, while sequentially switching the row to be selected.

ステップS105:
輝度勾配算出部13は、選択した画素の画素位置が、上記中心Oから半径R’の計測範囲600に含まれているか否かの判定を行う。
このとき、輝度勾配算出部13は、選択した画素の画素位置が中心Oから半径R’の計測範囲600に含まれている場合、処理をステップS106へ進める。
一方、輝度勾配算出部13は、選択した画素の画素位置が中心Oから半径R’の計測範囲600に含まれていない場合、処理をステップS112へ進める。
Step S105:
The luminance gradient calculation unit 13 determines whether or not the pixel position of the selected pixel is included in the measurement range 600 having a radius R' from the center O.
At this time, if the pixel position of the selected pixel is included in the measurement range 600 having a radius R' from the center O, the luminance gradient calculation unit 13 advances the process to step S106.
On the other hand, if the pixel position of the selected pixel is not included in the measurement range 600 of radius R' from the center O, the luminance gradient calculation unit 13 advances the process to step S112.

ステップS106:
輝度勾配算出部13は、記憶部107を参照して、フレーム画像において選択した画素の輝度値を読み込む。
そして、輝度勾配算出部13は、読み込んだ画素の画素値が、輝度閾値(第1閾値)未満か否かの判定を行う。
Step S106:
The luminance gradient calculation unit 13 refers to the storage unit 107 and reads the luminance value of the pixel selected in the frame image.
Then, the luminance gradient calculation unit 13 determines whether or not the pixel value of the read pixel is less than a luminance threshold value (first threshold value).

このとき、輝度勾配算出部13は、読み込んだ画素の画素値が、輝度閾値(第1閾値)未満である場合、この画素を候補画素として抽出するとともに、処理をステップS107へ進める。
一方、輝度勾配算出部13は、読み込んだ画素の画素値が、輝度閾値(第1閾値)未満でない場合、処理をステップS112へ進める。
At this time, if the pixel value of the read pixel is less than the luminance threshold value (first threshold value), the luminance gradient calculation unit 13 extracts this pixel as a candidate pixel and proceeds to step S107.
On the other hand, if the pixel value of the read pixel is not less than the luminance threshold value (first threshold value), the luminance gradient calculation unit 13 advances the process to step S112.

ステップS107:
輝度勾配算出部13は、候補画素のx軸方向輝度勾配sx及びy軸方向輝度勾配syの各々を、隣接する8画素から図4において説明した処理により算出する。
そして、輝度勾配算出部13は、x軸方向輝度勾配sx及びy軸方向輝度勾配syの各々から、(sx+sy1/2の計算を行って輝度勾配Sを算出する。
Step S107:
The luminance gradient calculation unit 13 calculates each of the x-axis direction luminance gradient sx and the y-axis direction luminance gradient sy of the candidate pixel from the eight adjacent pixels by the process described with reference to FIG.
Then, the luminance gradient calculation unit 13 calculates the luminance gradient S by calculating (sx 2 +sy 2 ) 1/2 from each of the x-axis direction luminance gradient sx and the y-axis direction luminance gradient sy.

ステップS108:
輝度勾配算出部13は、算出した輝度勾配S及び輝度値Iの各々から|S|/(I)1/2を算出し、算出した|S|/(I)1/2が勾配輝度比閾値以上か否かの判定を行う。
このとき、輝度勾配算出部13は、算出した|S|/(I)1/2が勾配輝度比閾値以上である場合、この候補画素を計測画素として抽出するとともに、処理をステップS109へ進める。
一方、輝度勾配算出部13は、算出した|S|/(I)1/2が勾配輝度比閾値未満の場合、処理をステップS112へ進める。
Step S108:
The luminance gradient calculation unit 13 calculates |S|/(I) 1/2 from each of the calculated luminance gradient S and luminance value I, and determines whether the calculated |S|/(I) 1/2 is equal to or greater than a gradient luminance ratio threshold value.
At this time, if the calculated |S|/(I) 1/2 is equal to or greater than the gradient luminance ratio threshold, the luminance gradient calculation unit 13 extracts this candidate pixel as a measurement pixel, and advances the process to step S109.
On the other hand, if the calculated |S|/(I) 1/2 is less than the gradient luminance ratio threshold, the luminance gradient calculation unit 13 advances the process to step S112.

ステップS109:
輝度勾配算出部13は、計測画素の各々のx軸方向輝度勾配sxの絶対値|sx|と、y軸方向輝度勾配syの絶対値|sy|とを比較する。
そして、輝度勾配算出部13は、|sx|>|sy|の計測画素を、x優位点群(第1グループ)としてグループ化し、|sx|≦|sy|の計測画素を、y優位点群(第2グループ)としてグループ化する。
そして、輝度勾配算出部13は、計測画素がx優位点群の計測画素である場合、x優位点群の計測画素のx軸方向輝度勾配sxn1及びy軸方向輝度勾配syn1の各々の積算を行なって、積算値Σsxn1、Σsyn1を算出し、記憶部17に書き込んで記憶させる。
一方、輝度勾配算出部13は、計測画素がy優位点群の計測画素である場合、y優位点群の計測画素のx軸方向輝度勾配sxn2及びy軸方向輝度勾配syn2の各々の積算を行なって、積算値Σsxn2、Σsyn2を算出し、記憶部17に書き込んで記憶させる。
Step S109:
The luminance gradient calculation unit 13 compares the absolute value |sx n | of the x-axis luminance gradient sx n with the absolute value |sy n | of the y-axis luminance gradient sy n for each measurement pixel.
Then, the luminance gradient calculation unit 13 groups the measurement pixels where |sx n |>|sy n | as an x-dominant point group (first group), and groups the measurement pixels where |sx n |≦|sy n | as a y-dominant point group (second group).
Then, when the measurement pixel is a measurement pixel of the x-advantageous point group, the luminance gradient calculation unit 13 accumulates the x-axis luminance gradient sx n1 and the y-axis luminance gradient sy n1 of the measurement pixel of the x-advantageous point group to calculate the accumulated values Σsx n1 and Σsy n1 , and writes and stores them in the memory unit 17.
On the other hand, when the measurement pixel is a measurement pixel of the y-dominant point group, the luminance gradient calculation unit 13 accumulates each of the x-axis luminance gradient sx n2 and the y-axis luminance gradient sy n2 of the measurement pixel of the y-dominant point group to calculate the accumulated values Σsx n2 and Σsy n2 , and writes and stores them in the memory unit 17.

ステップS110:
輝度変化量算出部14は、記憶部17のフレーム画像のデータを参照し、対応する計測画素のフレーム画像における輝度値を、当該計測画素の直前のフレーム画像における輝度値から減算し、輝度変化量ΔIを算出する。
Step S110:
The luminance change amount calculation unit 14 refers to the frame image data in the storage unit 17, and subtracts the luminance value of the corresponding measurement pixel in the frame image from the luminance value of the measurement pixel in the frame image immediately before to calculate the luminance change amount ΔI.

ステップS111:
輝度変化量算出部14は、計測画素がx優位点群の計測画素である場合、x優位点群の計測画素の輝度変化量ΔI1(=ΔI)を積算して、積算値ΣΔI1を算出し、記憶部17に書き込んで記憶させる。
一方、輝度変化量算出部14は、計測画素がy優位点群の計測画素である場合、y優位点群の計測画素の輝度変化量ΔI2(=ΔI)を積算して、積算値ΣΔI2を算出し、記憶部17に書き込んで記憶させる。
Step S111:
When the measurement pixel is a measurement pixel of the x advantageous point group, the brightness change amount calculation unit 14 accumulates the brightness change amount ΔI1 (=ΔI) of the measurement pixel of the x advantageous point group to calculate the accumulated value ΣΔI1 and writes and stores it in the memory unit 17.
On the other hand, when the measurement pixel is a measurement pixel of the y advantageous point group, the brightness change amount calculation unit 14 accumulates the brightness change amount ΔI2 (= ΔI) of the measurement pixel of the y advantageous point group to calculate the accumulated value ΣΔI2 and writes and stores it in the memory unit 17.

ステップS112:
輝度勾配算出部13は、フレーム画像における全ての画素に対する処理が終了したか否かの判定を行う。
ここで、輝度勾配算出部13は、例えば、選択されている画素がフレーム画像における終点の画素位置であるか否かにより判定を行う。
このとき、輝度勾配算出部13は、フレーム画像における全ての画素に対する処理が終了した場合、処理をステップS113へ進める。
一方、輝度勾配算出部13は、フレーム画像における全ての画素に対する処理が終了していない場合、処理をステップS104へ進める。
Step S112:
The luminance gradient calculation unit 13 determines whether or not the processing has been completed for all pixels in the frame image.
Here, the luminance gradient calculation unit 13 makes the determination based on, for example, whether or not the selected pixel is the pixel position of the end point in the frame image.
At this time, if the processing for all pixels in the frame image has been completed, the luminance gradient calculation unit 13 advances the process to step S113.
On the other hand, if the processing has not been completed for all pixels in the frame image, the luminance gradient calculation unit 13 advances the process to step S104.

ステップS113:
移動距離算出部15は、積算値Σsxn1、積算値Σsyn1及び積算値ΣΔI1と、積算値Σsyn2、積算値Σsxn2及び、積算値ΣΔI2とを読み出し、以下の連立一次方程式を作成する。
ΣΔIn1=Σ(-sxn1)Δx + Σ(-syn1)Δy
ΣΔIn2=Σ(-sxn2)Δx + Σ(-syn2)Δy
そして、移動距離算出部15は、上記連立一次方程式を解き、x軸方向移動量Δx及びy軸方向移動量Δyの各々を瞳孔の移動量として算出して、処理を終了する。
このとき、移動距離算出部15は、表示部16の表示画面に、算出したx軸方向移動量Δx及びy軸方向移動量Δyの各々を表示する。
また、データ入出力部11は、算出したx軸方向移動量Δx及びy軸方向移動量Δyの各々を出力してもよい。
Step S113:
The movement distance calculation unit 15 reads out the integrated values Σsx n1 , Σsy n1 , and ΣΔI1, and the integrated values Σsy n2 , Σsx n2 , and ΣΔI2, and creates the following simultaneous linear equations.
ΣΔIn1=Σ(-sx n1 )Δx + Σ(-sy n1 )Δy
ΣΔIn2=Σ(-sx n2 )Δx + Σ(-sy n2 )Δy
Then, the movement distance calculation unit 15 solves the simultaneous linear equations, calculates the amount of movement Δx in the x-axis direction and the amount of movement Δy in the y-axis direction as the amount of movement of the pupil, and ends the process.
At this time, the movement distance calculation unit 15 displays the calculated amount of movement Δx in the x-axis direction and the amount of movement Δy in the y-axis direction on the display screen of the display unit 16 .
Furthermore, the data input/output unit 11 may output each of the calculated x-axis direction movement amount Δx and y-axis direction movement amount Δy.

なお、本発明における眼球運動計測装置10の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより瞳孔の移動量の計測処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)を備えたWWWシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD-ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回旋等の通信回旋を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(RAM)のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
It should be noted that a program for implementing the functions of the eye movement measuring device 10 of the present invention may be recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium may be read into a computer system and executed to measure the amount of pupil movement. Note that the term "computer system" here includes hardware such as an OS and peripheral devices.
Additionally, "computer system" includes a WWW system equipped with a homepage providing environment (or display environment). Furthermore, "computer-readable recording medium" refers to portable media such as flexible disks, optical magnetic disks, ROMs, and CD-ROMs, as well as storage devices such as hard disks built into computer systems. Furthermore, "computer-readable recording medium" also includes devices that hold a program for a certain period of time, such as volatile memory (RAM) within a computer system that becomes a server or client when a program is transmitted via a network such as the Internet or a communication circuit such as a telephone circuit.

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回旋等の通信回旋(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。 The above program may be transmitted from a computer system in which the program is stored in a storage device or the like to another computer system via a transmission medium, or by transmission waves in the transmission medium. Here, the "transmission medium" that transmits the program refers to a medium that has the function of transmitting information, such as a network (communication network) such as the Internet or a communication circuit (communication line) such as a telephone circuit. The above program may also be one that realizes part of the above-mentioned functions. Furthermore, it may be a so-called difference file (difference program) that can realize the above-mentioned functions in combination with a program already recorded in the computer system.

1…計測システム
10…眼球運動計測装置
11…データ入出力部
12…計測範囲設定部
13…輝度勾配算出部
14…輝度変化量算出部
15…移動距離算出部
16…表示部
17…記憶部
20…赤外線照射装置
30…撮像レンズ
40…赤外線フィルター
50…イメージセンサー
300…眼球
301…瞳孔
302…虹彩
600…計測範囲
REFERENCE SIGNS LIST 1 measurement system 10 eye movement measuring device 11 data input/output section 12 measurement range setting section 13 luminance gradient calculation section 14 luminance change amount calculation section 15 movement distance calculation section 16 display section 17 memory section 20 infrared irradiation device 30 imaging lens 40 infrared filter 50 image sensor 300 eyeball 301 pupil 302 iris 600 measurement range

Claims (14)

眼球を含んで撮像される眼の動画像において、前記眼球の着目点の位置変化を検出する眼球運動計測装置であり、
前記動画像の所定の条件を満たす領域を計測範囲として設定する計測範囲設定部と、
前記計測範囲において、輝度勾配を算出する輝度勾配算出部と、
前記計測範囲のフレーム画像間の輝度変化量を求める輝度変化量算出部と、
前記輝度変化量及び前記輝度勾配の各々により、勾配法を用いて前記位置変化を求める移動距離算出部と
を備え
前記計測範囲設定部が、前記計測範囲の内部において、前記動画像のショットノイズの影響を低減するための第1閾値未満の輝度値を有する画素を前記計測範囲として選択する
ことを特徴とする眼球運動計測装置。
An eye movement measuring device for detecting a change in a position of a focus point of an eye in a moving image of an eye that includes the eye,
a measurement range setting unit that sets an area of the moving image that satisfies a predetermined condition as a measurement range;
a luminance gradient calculation unit that calculates a luminance gradient in the measurement range;
a luminance change amount calculation unit for calculating a luminance change amount between frame images in the measurement range;
a moving distance calculation unit that calculates the position change by using a gradient method based on each of the luminance change amount and the luminance gradient ;
Equipped with
The measurement range setting unit selects, within the measurement range, pixels having a luminance value less than a first threshold for reducing an effect of shot noise in the moving image as the measurement range.
An eye movement measuring device comprising:
前記計測範囲設定部が、前記眼球の瞳孔及び虹彩の境界を含む領域を前記計測範囲として設定する
ことを特徴とする請求項1に記載の眼球運動計測装置。
2. The eye movement measuring device according to claim 1, wherein the measurement range setting unit sets an area including a boundary between the pupil and the iris of the eye as the measurement range.
前記動画像が、
前記フレーム画像間における瞳孔の前記位置変化を、前記輝度勾配が一定の勾配を有する前記計測範囲に収まる移動範囲内とするフレーム周期で撮像されている
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の眼球運動計測装置。
The moving image is
The eye movement measuring device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the position change of the pupil between the frame images is captured at a frame period within a movement range that falls within the measurement range in which the luminance gradient has a constant gradient.
前記計測範囲設定部が、前記フレーム画像において、各画素の輝度値と輝度閾値とを比較し、前記瞳孔の画像領域である瞳孔画像領域を抽出し、当該瞳孔画像領域の中心点から外周方向に前記瞳孔画像領域を拡大した領域を計測範囲として設定する
ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の眼球運動計測装置。
4. The eye movement measuring device according to claim 2, wherein the measurement range setting unit compares the brightness value of each pixel in the frame image with a brightness threshold value, extracts a pupil image area which is an image area of the pupil, and sets an area obtained by enlarging the pupil image area from a center point of the pupil image area in an outer circumferential direction as the measurement range.
前記計測範囲設定部が、前記計測範囲の内部において、他の領域に比較して前記輝度勾配がより高い領域の画素のグループを、前記計測範囲として選択する
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の眼球運動計測装置。
5. The eye movement measuring device according to claim 1, wherein the measurement range setting unit selects, as the measurement range, a group of pixels in an area within the measurement range in which the luminance gradient is higher than other areas .
前記計測範囲設定部が、前記輝度勾配において輝度値がより低い画素を、前記計測範囲の画素として選択する
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の眼球運動計測装置。
The eye movement measuring device according to claim 1 , wherein the measurement range setting unit selects pixels having lower luminance values in the luminance gradient as pixels in the measurement range.
前記計測範囲設定部が、前記計測範囲の内部において、前記輝度勾配及び画素の輝度値との各々に基づき、前記計測範囲の画素を選択する
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の眼球運動計測装置。
The eye movement measuring device according to claim 1 , wherein the measurement range setting unit selects pixels in the measurement range based on both the luminance gradient and the luminance value of a pixel within the measurement range.
前記計測範囲設定部が、前記計測範囲の内部において、前記輝度勾配を画素の輝度値から推定されるショットノイズ量により除算した数値と、第2閾値とを比較して、前記計測範囲の画素を選択する
ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の眼球運動計測装置。
The eye movement measuring device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the measurement range setting unit selects pixels in the measurement range by comparing a numerical value obtained by dividing the brightness gradient by an amount of shot noise estimated from the brightness values of pixels within the measurement range with a second threshold value.
前記計測範囲設定部が、前記計測範囲の内部において、前記輝度勾配を画素の輝度値の平方根により除算した数値が、第2閾値より大きい画素を前記計測範囲の画素とする
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の眼球運動計測装置。
The eye movement measuring device according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the measurement range setting unit sets, within the measurement range, pixels for which a value obtained by dividing the luminance gradient by the square root of the luminance value of the pixel is greater than a second threshold value as pixels of the measurement range.
前記計測範囲設定部が、
前記計測範囲に対応してx軸方向の輝度勾配としてx軸方向輝度勾配と、y軸方向の輝度勾配としてy軸方向輝度勾配を求め、前記輝度変化量と、前記x軸方向輝度勾配と、前記y軸方向輝度勾配とから、連立一次方程式を立てて、瞳孔のx軸方向の移動量であるx軸方向移動量と、y軸方向の移動量であるy軸方向移動量とを求める
ことを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の眼球運動計測装置。
The measurement range setting unit,
10. The eye movement measuring device according to claim 1 , further comprising: determining an x-axis luminance gradient as a luminance gradient in the x-axis direction and a y-axis luminance gradient as a luminance gradient in the y-axis direction corresponding to the measurement range; and formulating simultaneous linear equations from the luminance change amount, the x-axis luminance gradient, and the y-axis luminance gradient to determine an x-axis movement amount that is a movement amount of the pupil in the x-axis direction and a y-axis movement amount that is a movement amount in the y- axis direction.
前記計測範囲設定部が、
前記計測範囲の各々の前記x軸方向輝度勾配の絶対値である第1絶対値と、y軸方向輝度勾配の絶対値である第2絶対値とを比較し、
前記第2絶対値より前記第1絶対値が大きい計測範囲の画素を第1グループとし、前記第1絶対値より前記第2絶対値が大きい計測範囲の画素を第2グループとし、
前記第1グループにおける前記画素の各々の前記x軸方向輝度勾配を加算して変数であるx軸方向移動量に乗じた数値と、前記y軸方向輝度勾配を加算して変数であるy軸方向移動量に乗じた数値とを加算した結果が当該画素それぞれの輝度変化量の積算値となる、前記連立一次方程式の一方の方程式を生成し、
前記第2グループにおける前記画素の各々の前記x軸方向輝度勾配を加算して変数であるx軸方向移動量に乗じた数値と、前記y軸方向輝度勾配を加算して変数であるy軸方向移動量に乗じた数値とを加算した結果が当該計測範囲それぞれの輝度変化量の積算値となる、前記連立一次方程式の他方の方程式を生成し、
前記連立一次方程式を計算することにより、前記x軸方向移動量及び前記y軸方向移動量の各々を求める
ことを特徴とする請求項10に記載の眼球運動計測装置。
The measurement range setting unit,
comparing a first absolute value, which is an absolute value of the luminance gradient in the x-axis direction, with a second absolute value, which is an absolute value of the luminance gradient in the y-axis direction, in each of the measurement ranges;
a first group of pixels in a measurement range in which the first absolute value is greater than the second absolute value, and a second group of pixels in a measurement range in which the second absolute value is greater than the first absolute value;
generating one of the simultaneous linear equations, in which a result of adding up the x-axis luminance gradients of each of the pixels in the first group and multiplying the result by an amount of movement in the x-axis direction, which is a variable, and adding up the y-axis luminance gradients and multiplying the result by an amount of movement in the y-axis direction, which is a variable, is an integrated value of the amount of change in luminance of each of the pixels;
generating the other equation of the simultaneous linear equations, in which a result of adding up the x-axis luminance gradients of each of the pixels in the second group and multiplying the result by an amount of movement in the x-axis direction, which is a variable, and a result of adding up the y-axis luminance gradients and multiplying the result by an amount of movement in the y-axis direction, which is a variable, is an integrated value of the amount of change in luminance in each of the measurement ranges;
The eye movement measuring device according to claim 10 , wherein the x-axis movement amount and the y-axis movement amount are each obtained by calculating the simultaneous linear equations.
赤外光を前記眼に照射して、当該眼から反射される反射光を多階調で撮像して前記動画像を取得する
ことを特徴とする請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の眼球運動計測装置。
The eye movement measuring device according to claim 1 , further comprising: a step of irradiating the eye with infrared light and capturing a multi-tone image of reflected light from the eye to obtain the moving image.
眼球を含んで撮像される眼の動画像において、前記眼球の着目点の位置変化を検出する眼球運動計測方法であり、
計測範囲設定部が、前記動画像の所定の条件を満たす領域を計測範囲として設定し、前記計測範囲の内部において、前記動画像のショットノイズの影響を低減するための第1閾値未満の輝度値を有する画素を前記計測範囲として選択する計測範囲設定過程と、
輝度勾配算出部が、前記計測範囲において、輝度勾配を算出する輝度勾配算出過程と、
輝度変化量算出部が、前記計測範囲のフレーム画像間の輝度変化量を求める輝度変化量算出過程と、
移動距離算出部が、前記輝度変化量及び前記輝度勾配の各々により、勾配法を用いて前記位置変化を求める移動距離算出過程と、
を含むことを特徴とする眼球運動計測方法。
An eye movement measuring method for detecting a change in position of a focus point of an eye in a moving image of an eye that includes the eye, the method comprising:
a measurement range setting step in which a measurement range setting unit sets an area of the moving image that satisfies a predetermined condition as a measurement range, and selects, within the measurement range, pixels having a luminance value less than a first threshold value for reducing an effect of shot noise in the moving image as the measurement range ;
a luminance gradient calculation step in which a luminance gradient calculation unit calculates a luminance gradient in the measurement range;
a luminance change amount calculation step in which a luminance change amount calculation unit calculates a luminance change amount between frame images in the measurement range;
a movement distance calculation step in which a movement distance calculation unit calculates the position change by using a gradient method based on each of the luminance change amount and the luminance gradient;
13. An eye movement measuring method comprising:
眼球を含んで撮像される眼の動画像において、前記眼球の着目点の位置変化を検出する眼球運動計測装置の動作をコンピュータに実行させるプログラムであり、
前記コンピュータを、
前記動画像の所定の条件を満たす領域を計測範囲として設定し、前記計測範囲の内部において、前記動画像のショットノイズの影響を低減するための第1閾値未満の輝度値を有する画素を前記計測範囲として選択する計測範囲設定手段、
前記計測範囲において、輝度勾配を算出する輝度勾配算出手段、
前記計測範囲のフレーム画像間の輝度変化量を求める輝度変化量算出手段、
前記輝度変化量及び前記輝度勾配の各々により、勾配法を用いて前記位置変化を求める移動距離算出手段
として機能させるためのプログラム。
A program for causing a computer to execute an operation of an eye movement measuring device for detecting a change in a position of a focus point of an eye in a moving image of an eye that includes the eye,
The computer,
a measurement range setting means for setting an area of the moving image that satisfies a predetermined condition as a measurement range, and selecting, within the measurement range, pixels having a luminance value less than a first threshold value for reducing an effect of shot noise in the moving image as the measurement range;
a luminance gradient calculation means for calculating a luminance gradient in the measurement range;
a luminance change amount calculation means for calculating an amount of luminance change between frame images in the measurement range;
a program for causing the computer to function as a moving distance calculation means for calculating the position change by using a gradient method based on each of the amount of luminance change and the luminance gradient.
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