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JP7638541B2 - Pupil detection device - Google Patents
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JP7638541B2 - Pupil detection device - Google Patents

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Description

実施形態は、人の画像から瞳孔を検出する瞳孔検出装置に関する。 The embodiment relates to a pupil detection device that detects pupils from an image of a person.

近年、視線検出等を目的として、近赤外光源等の光源とビデオカメラを使用して得られた画像から人の瞳孔の位置を検出する装置が普及しつつある(下記特許文献1)。この装置では、瞳孔を相対的に明るくする傾向を有する光を対象者の顔に照射して画像(明瞳孔画像)を取得し、瞳孔を相対的に暗くする傾向を有する光を対象者の顔に照射して画像(暗瞳孔画像)を取得する。その後、それらの画像を利用して差分画像を算出することにより、対象者の瞳孔を検出する。In recent years, devices that detect the position of a person's pupil from images obtained using a light source such as a near-infrared light source and a video camera for purposes such as gaze detection have become popular (see Patent Document 1 below). In this device, a light that tends to make the pupil relatively bright is irradiated onto the subject's face to obtain an image (bright pupil image), and a light that tends to make the pupil relatively dark is irradiated onto the subject's face to obtain an image (dark pupil image). These images are then used to calculate a difference image to detect the subject's pupil.

このような差分画像に基づく瞳孔検出の方法においては、一般には、明瞳孔画像と暗瞳孔画像を取得するタイミングには時間差があるため、両画像の取得の間に対象者の頭部が移動すると、瞳孔も移動するため、明瞳孔画像中の瞳孔像と暗瞳孔画像中の瞳孔像に位置ずれが生じ、瞳孔の検出精度に限界が生じる。このような問題を改善する方法として、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像から角膜反射像を検出して、角膜反射像の位置を基準に位置補正してから差分画像を生成する方法が用いられている(下記特許文献2参照。)。また、鼻孔の位置を利用した差分画像の生成方法も用いられている(下記特許文献3参照。)。In such methods of pupil detection based on differential images, there is generally a time lag between the acquisition of the bright pupil image and the dark pupil image, so if the subject's head moves between the acquisition of the two images, the pupil also moves, causing a positional shift between the pupil image in the bright pupil image and the pupil image in the dark pupil image, limiting the accuracy of pupil detection. To solve this problem, a method is used in which a corneal reflection image is detected from the bright pupil image and the dark pupil image, and a differential image is generated after position correction based on the position of the corneal reflection image (see Patent Document 2 below). A method of generating a differential image using the position of the nostrils is also used (see Patent Document 3 below).

特開2005-185431号公報JP 2005-185431 A 特開2008-29702号公報JP 2008-29702 A 特開2007-268026号公報JP 2007-268026 A

上述した従来の方法では、対象者において高速な眼球回転が生じた際には、画像に写る瞳孔の形状自体が変化するため、明瞳孔画像と暗瞳孔画像とを位置合わせしても瞳孔の像が両画像間で一致しないため、差分画像を用いた場合の瞳孔の検出精度が十分ではない。高速度カメラを利用して明瞳孔画像と暗瞳孔画像の時間差をできるだけ小さくすることも考えられるが、高速度カメラを導入することはコスト面において困難な場合がある。 In the conventional methods described above, when the subject's eyeball rotates rapidly, the shape of the pupil itself changes as seen in the image. Even if the bright pupil image and the dark pupil image are aligned, the pupil images do not match between the two images, and the accuracy of pupil detection when using a difference image is insufficient. It is possible to use a high-speed camera to minimize the time difference between the bright pupil image and the dark pupil image, but introducing a high-speed camera can be difficult in terms of cost.

本実施形態は、上記課題に鑑みて為されたものであり、対象者の状態に関わらず瞳孔の検出精度を容易に高めることが可能な瞳孔検出装置を提供することを目的とする。This embodiment has been made in consideration of the above-mentioned problems, and aims to provide a pupil detection device that can easily improve the accuracy of pupil detection regardless of the subject's condition.

上記課題を解決するため、本開示の一形態にかかる瞳孔検出装置は、対象者の眼を撮像することにより眼画像を取得するカメラと、カメラの開口部の外側あるいは内側に設けられてカメラに対して対象者の瞳孔を第1の中心波長の光で照らす第1の光源と、カメラの開口部の外側あるいは内側に設けられてカメラに対して対象者の瞳孔を第1の中心波長と異なる第2の中心波長で照らす第2の光源と、眼画像を処理する演算装置とを備え、カメラは、互いに異なる少なくとも2種類の角度の直線偏光の光を透過する偏光子が、隣り合う画素毎に取り付けられたイメージセンサと、第1の中心波長の光を通過させるバンドパスフィルタと所定角度の直線偏光を透過する第1の偏光子とが組み合わされた第1の分割素子と、第2の中心波長の光を通過させるバンドパスフィルタと所定角度と異なる角度の直線偏光を透過する第2の偏光子とが組み合わされた第2の分割素子とが、開口部とイメージセンサとの間において開口部に沿って分割して設けられた光学素子と、を有し、演算装置は、眼画像のうちの隣り合う画素の輝度を基に、第1の中心波長の光に対応する輝度を計算し、計算した輝度を組み合わせて対象者の瞳孔が比較的明るく写った明瞳孔画像を取得し、眼画像のうちの隣り合う画素の輝度を基に、第2の中心波長の光に対応する輝度を計算し、計算した輝度を組み合わせて対象者の瞳孔が比較的暗く写った暗瞳孔画像を取得し、明瞳孔画像と暗瞳孔画像とを比較した比較画像を基に対象者の瞳孔像の位置を算出する。In order to solve the above problem, a pupil detection device according to one embodiment of the present disclosure includes a camera that captures an image of a subject's eye by capturing an image of the subject's eye, a first light source that is provided on the outside or inside of the opening of the camera and illuminates the subject's pupil relative to the camera with light of a first central wavelength, a second light source that is provided on the outside or inside of the opening of the camera and illuminates the subject's pupil relative to the camera with a second central wavelength different from the first central wavelength, and a computing device that processes the eye image, and the camera includes an image sensor in which a polarizer that transmits linearly polarized light of at least two different angles is attached to each of adjacent pixels, and a first dividing element that combines a bandpass filter that transmits light of the first central wavelength and a first polarizer that transmits linearly polarized light of a predetermined angle. and a second dividing element combining a bandpass filter that passes light of the second central wavelength and a second polarizer that transmits linearly polarized light at an angle different from the predetermined angle, and an optical element divided and provided along the opening between the opening and the image sensor, wherein the arithmetic device calculates a luminance corresponding to the light of the first central wavelength based on the luminance of adjacent pixels in the eye image, combines the calculated luminances to obtain a bright pupil image in which the subject's pupil is relatively bright, calculates a luminance corresponding to the light of the second central wavelength based on the luminance of adjacent pixels in the eye image, combines the calculated luminances to obtain a dark pupil image in which the subject's pupil is relatively dark, and calculates the position of the subject's pupil image based on a comparison image obtained by comparing the bright pupil image with the dark pupil image.

なお、ここでいう「カメラの開口部」とは、カメラの外側からの像の光をカメラの内部のイメージセンサに取り込むための部位のことを意味し、必ずしもカメラの鏡筒の円形のレンズ部分には限定されず、カメラのレンズ部分をレンズ部分より狭い開口を有するカバー部材で覆う場合はその開口を意味する。また、開口部の形状は、円形には限定されず、長方形等の多角形、楕円形、等の様々な形状であってよい。 Note that the "camera opening" here refers to the part that captures the light of an image from outside the camera to the image sensor inside the camera, and is not necessarily limited to the circular lens part of the camera barrel, but refers to the opening when the lens part of the camera is covered with a cover member having an opening narrower than the lens part. In addition, the shape of the opening is not limited to a circle, and may be various shapes such as a polygon such as a rectangle, an ellipse, etc.

上記形態の瞳孔検出装置によれば、第1の光源によって第1の中心波長の光で照らされた対象者の瞳孔からの光が、光学素子の第1の分割素子を透過して所定角度の直線偏光に変換された後、イメージセンサの2種類の偏光子が取り付けられた隣り合う画素によって、その輝度が検出される。同時に、第2の光源によって第2の中心波長の光で照らされた対象者の瞳孔からの光が、光学素子の第2の分割素子を透過して所定角度と異なる角度の直線偏光に変換された後、イメージセンサの2種類の偏光子が取り付けられた隣り合う画素によって、その輝度が検出される。ここで、第1の中心波長の光で照らされた瞳孔の像は、第2の中心波長の光で照らされた瞳孔の像よりも比較的明るい。そして、演算装置によって、イメージセンサによって検出された隣り合う画素の輝度から第1の中心波長の光に対応する輝度が計算され、その輝度を組み合わせることで明瞳孔画像が取得され、イメージセンサによって検出された隣り合う画素の輝度から第2の中心波長の光に対応する輝度が計算され、その輝度を組み合わせることで暗瞳孔画像が取得され、明瞳孔画像と暗瞳孔画像を基に瞳孔像の位置が算出される。これにより、明瞳孔画像と暗瞳孔画像の取得タイミングに差が生じないので、対象者の状態に関わらず(例えば、対象者において眼球回転が生じても)瞳孔像の検出精度を容易に高めることができる。According to the above-mentioned embodiment of the pupil detection device, the light from the pupil of the subject illuminated by the light of the first central wavelength from the first light source is converted into linearly polarized light at a predetermined angle by passing through the first dividing element of the optical element, and the brightness is detected by adjacent pixels of the image sensor to which two types of polarizers are attached. At the same time, the light from the pupil of the subject illuminated by the light of the second central wavelength from the second light source is converted into linearly polarized light at an angle different from the predetermined angle by passing through the second dividing element of the optical element, and the brightness is detected by adjacent pixels of the image sensor to which two types of polarizers are attached. Here, the image of the pupil illuminated by the light of the first central wavelength is relatively brighter than the image of the pupil illuminated by the light of the second central wavelength. The computing device then calculates a luminance corresponding to the light of the first central wavelength from the luminance of adjacent pixels detected by the image sensor and combines the luminances to obtain a bright pupil image, calculates a luminance corresponding to the light of the second central wavelength from the luminance of adjacent pixels detected by the image sensor and combines the luminances to obtain a dark pupil image, and calculates the position of the pupil image based on the bright pupil image and the dark pupil image. This makes it possible to easily improve the detection accuracy of the pupil image regardless of the state of the subject (for example, even if the subject's eyeball rotates), because there is no difference in the timing at which the bright pupil image and the dark pupil image are obtained.

実施形態によれば、対象者の状態に関わらず瞳孔の検出精度を容易に高めることができる。 According to the embodiment, the accuracy of pupil detection can be easily improved regardless of the subject's condition.

第1実施形態にかかる瞳孔検出装置の概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a pupil detection device according to a first embodiment. 図1の照明装置を筐体の外側から見た平面図である。FIG. 2 is a plan view of the lighting device of FIG. 1 as viewed from outside the housing. 図1の光学素子を筐体の外側から見た平面図である。2 is a plan view of the optical element of FIG. 1 as viewed from the outside of the housing. 図1の光学素子を筐体の外側から見た平面図である。2 is a plan view of the optical element of FIG. 1 as viewed from the outside of the housing. 図1の撮像素子の平面図である。FIG. 2 is a plan view of the imaging element of FIG. 1 . 図1の制御装置のハードウェア構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a hardware configuration of the control device shown in FIG. 1 . 図1の瞳孔検出装置の機能構成を示すブロック図である。2 is a block diagram showing a functional configuration of the pupil detection device shown in FIG. 1 . 瞳孔面積Aと明瞳孔画像における瞳孔輝度L及び暗瞳孔画像における瞳孔輝度Lとの関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between pupil area A and pupil luminance LB in a bright pupil image and pupil luminance LD in a dark pupil image. 瞳孔面積Aと差分画像における瞳孔輝度Lとの関係を示すグラフである。11 is a graph showing the relationship between pupil area A and pupil luminance L S in a difference image. カメラの開口部中心から光源までの距離と瞳孔輝度との関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the distance from the center of the camera aperture to the light source and pupil luminance. 変形例にかかる光源及び光学素子の構成を示す平面図である。13 is a plan view showing the configuration of a light source and an optical element according to a modified example. FIG. 変形例にかかる光源及び光学素子の構成を示す平面図である。13 is a plan view showing the configuration of a light source and an optical element according to a modified example. FIG.

以下、図面を参照しつつ本発明に係る瞳孔検出装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。Hereinafter, a preferred embodiment of the pupil detection device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding parts are given the same reference numerals, and duplicated explanations will be omitted.

(第1実施形態) (First embodiment)

図1に示されるように、本発明の第1実施形態である瞳孔検出装置1は、カメラ2と、照明装置(光源)3と、制御装置(演算装置)4と、を備えている。カメラ2は、筐体5と、筐体5内に収容されたCCD、CMOS等の撮像素子(イメージセンサ)6と、筐体5内に収容された対物レンズ7及び光学素子9とを有する。このカメラ2は、画像の1つのフレームの取得時間間隔が非常に短い高速度カメラであってもよいし、いわゆる中速度カメラ、低速度カメラ、又は60Hz、30Hz程度のフレームレートを有するカメラであってもよい。筐体5は、観察対象者の眼球Aと対向する面に形成された円形状の開口部8を有する。対物レンズ7及び光学素子9は、筐体5の内部の開口部8と撮像素子6との間に配置されている。対物レンズ7の光軸L0は、開口部8の中心軸線と一致している。撮像素子6は、その受光面が対物レンズ7の光軸L0に対して垂直に交わるように固定されている。光学素子9は、対物レンズ7の光軸L0上において対物レンズ7の内側(撮像素子6側)に配置されている。撮像素子6は、観察対象者の眼球Aの像を撮像することによって眼画像データを生成して制御装置4に出力する。制御装置4は、照明装置3の発光強度、点灯タイミング、及び点灯期間(発光期間)、並びにカメラ2の撮像タイミング及び撮像期間を制御する。また、制御装置4は、撮像素子6から出力された眼画像データに基づいて、画像生成処理、比較処理、瞳孔検出処理、及び角膜反射検出処理を実行する。すなわち、制御装置4は、瞳孔検出手段及び角膜反射検出手段としても機能する。As shown in FIG. 1, the pupil detection device 1 according to the first embodiment of the present invention includes a camera 2, an illumination device (light source) 3, and a control device (arithmetic device) 4. The camera 2 includes a housing 5, an image sensor (image sensor) 6 such as a CCD or CMOS housed in the housing 5, and an objective lens 7 and an optical element 9 housed in the housing 5. The camera 2 may be a high-speed camera in which the acquisition time interval of one frame of an image is very short, or may be a so-called medium-speed camera, a low-speed camera, or a camera having a frame rate of about 60 Hz or 30 Hz. The housing 5 has a circular opening 8 formed on a surface facing the eyeball A of the subject of observation. The objective lens 7 and the optical element 9 are disposed between the opening 8 inside the housing 5 and the image sensor 6. The optical axis L0 of the objective lens 7 coincides with the central axis of the opening 8. The image sensor 6 is fixed so that its light receiving surface perpendicularly intersects with the optical axis L0 of the objective lens 7. The optical element 9 is disposed inside the objective lens 7 (on the imaging element 6 side) on the optical axis L0 of the objective lens 7. The imaging element 6 captures an image of the eyeball A of the subject to be observed, thereby generating eye image data and outputting the data to the control device 4. The control device 4 controls the light emission intensity, lighting timing, and lighting period (light emission period) of the illumination device 3, as well as the imaging timing and imaging period of the camera 2. The control device 4 also executes image generation processing, comparison processing, pupil detection processing, and corneal reflex detection processing based on the eye image data output from the imaging element 6. That is, the control device 4 also functions as a pupil detection means and a corneal reflex detection means.

なお、開口部8の径は、対物レンズ7の径に比較して小さく、対物レンズ7の有効径と略同程度である。また、光学素子9は全体として略円形の形状を有し、対物レンズ7の有効径と略同程度の径を有する。このような構成により、観察対象者の眼球A付近の像は、開口部8を経て対物レンズ7及びカメラ2内の撮像素子6に向けて導入された後、カメラ2内の対物レンズ7及び光学素子9を含む光学系によって、撮像素子6の受光面に収束するように結像される。The diameter of the opening 8 is smaller than the diameter of the objective lens 7, and is approximately the same as the effective diameter of the objective lens 7. The optical element 9 has an approximately circular shape overall, and has a diameter approximately the same as the effective diameter of the objective lens 7. With this configuration, an image near the subject's eyeball A is introduced through the opening 8 toward the objective lens 7 and the image sensor 6 in the camera 2, and then imaged so as to converge on the light receiving surface of the image sensor 6 by the optical system including the objective lens 7 and the optical element 9 in the camera 2.

照明装置3は、観察対象者の顔に向けて照明光を出射する。図2に示されるように、照明装置3は、ケーシング10と、ケーシング10に埋め込まれた光源3A,3Bを有する。ケーシング10は、開口部8の縁部に沿って開口部8の外側を覆うように筐体5に取り付けられている。光源3A,3Bは、いずれも対物レンズ7の光軸L0に沿って照明光を出射するようにケーシング10上に設けられ、開口部8の中心を基準に点対称となるように構成されている。The lighting device 3 emits illumination light toward the face of the person being observed. As shown in FIG. 2, the lighting device 3 has a casing 10 and light sources 3A and 3B embedded in the casing 10. The casing 10 is attached to the housing 5 so as to cover the outside of the opening 8 along the edge of the opening 8. The light sources 3A and 3B are both provided on the casing 10 so as to emit illumination light along the optical axis L0 of the objective lens 7, and are configured to be point symmetrical with respect to the center of the opening 8.

光源(第1の光源)3Aは、明瞳孔画像を得るための照明光(第1の照明光)によって、観察対象者の眼部(瞳孔)を照らすための光源である。明瞳孔画像とは、後述の暗瞳孔画像と比較して観察対象者の瞳孔が相対的に明るく写った画像をいう。光源3Aは、例えば、出力光の中心波長(第1の中心波長)が近赤外領域の複数の半導体発光素子(LED)からなり、開口部8の中心からの距離が比較的近い第1の距離D1の位置に配置されている。具体的には、光源3Aを構成する発光素子は、ケーシング10上で、開口部8の外側において開口部8の縁に沿って等間隔でリング状に連続して配設されている。光源3Aは、開口部8の縁にできるだけ近い位置に設けられることが好ましい。これにより、後述するように、光源3Aにより照らし出される観察対象者の像においては、瞳孔がより明るく映し出され、小さい瞳孔であっても検出が容易になる。The light source (first light source) 3A is a light source for illuminating the eye (pupil) of the subject of observation with illumination light (first illumination light) for obtaining a bright pupil image. A bright pupil image refers to an image in which the pupil of the subject of observation is relatively brighter than a dark pupil image described later. The light source 3A is, for example, composed of a plurality of semiconductor light-emitting elements (LEDs) whose output light has a central wavelength (first central wavelength) in the near-infrared region, and is disposed at a first distance D1 that is relatively close from the center of the opening 8. Specifically, the light-emitting elements constituting the light source 3A are arranged in a ring shape on the casing 10 at equal intervals along the edge of the opening 8 outside the opening 8. It is preferable that the light source 3A is provided as close as possible to the edge of the opening 8. As a result, as described later, in the image of the subject of observation illuminated by the light source 3A, the pupil is projected brighter, making it easier to detect even a small pupil.

光源(第2の光源)3Bは、暗瞳孔画像を得るための照明光(第2の照明光)によって、観察対象者の眼部(瞳孔)を照らすための光源である。暗瞳孔画像とは、前述の明瞳孔画像と比較して観察対象者の瞳孔が相対的に暗く映った画像をいう。光源3Bは、例えば、出力光の中心波長(第2の中心波長)が第1の中心波長よりも長い近赤外領域の複数の半導体発光素子(LED)からなり、開口部8の中心からの距離が比較的遠い第2の距離D2の位置に配置されている。この第2の距離D2は第1の距離D1より大きい。具体的には、光源3Bを構成する発光素子は、ケーシング10上で、光源3Aから開口部8の外側に離間して等間隔でリング状に連続して配設されている。The light source (second light source) 3B is a light source for illuminating the eye (pupil) of the subject with illumination light (second illumination light) for obtaining a dark pupil image. The dark pupil image refers to an image in which the pupil of the subject is relatively dark compared to the above-mentioned bright pupil image. The light source 3B is, for example, composed of a plurality of semiconductor light-emitting elements (LEDs) in the near-infrared region whose output light has a central wavelength (second central wavelength) longer than the first central wavelength, and is arranged at a relatively long second distance D2 from the center of the opening 8. This second distance D2 is greater than the first distance D1. Specifically, the light-emitting elements constituting the light source 3B are arranged in a continuous ring shape on the casing 10 at equal intervals from the light source 3A to the outside of the opening 8.

上記の光源3Aから観察対象者の眼球Aに照明光が出射され、カメラ2によってその照明光で照らされた瞳孔が撮像されると明瞳孔画像が取得される。また、上記の光源3Bから観察対象者の眼球Aに照明光が出射され、カメラ2によってその照明光で照らされた瞳孔が撮像されると暗瞳孔画像が取得される。これは、次のような性質によるものである。つまり、眼球Aへの照明光がカメラ2の光軸L0から相対的に離れた位置から入射した場合には、眼球Aの瞳孔から入射し、眼球内部で反射されて再び瞳孔を通過した照明光がカメラ2に届きにくいため、瞳孔が相対的に暗く映るという性質である。When illumination light is emitted from the light source 3A onto the eyeball A of the subject to be observed, and the pupil illuminated by the illumination light is captured by the camera 2, a bright pupil image is obtained. When illumination light is emitted from the light source 3B onto the eyeball A of the subject to be observed, and the pupil illuminated by the illumination light is captured by the camera 2, a dark pupil image is obtained. This is due to the following property. In other words, when illumination light onto eyeball A is incident from a position relatively distant from the optical axis L0 of camera 2, the illumination light that enters through the pupil of eyeball A, is reflected inside the eyeball, and passes through the pupil again is less likely to reach camera 2, so the pupil appears relatively dark.

ここで、光源3Aの出力光の第1の中心波長は、例えば、850nmに設定され、光源3Bの出力光の第2の中心波長は、例えば、第1の中心波長よりも長い940nmに設定される。ただし、明瞳孔画像取得用の光源である光源3Aは、網膜を反射して戻ってくる光の輝度が強い点で、900nm付近より短い出力光の波長の光源であれば、他の波長の光源を用いてもよい。同様に、暗瞳孔取得用の光源である光源3Bは、網膜を反射して戻ってくる光の輝度が弱い点で、900nm付近より長い出力光の波長の光源であれば他の波長の光源を用いてもよい。一方で、長い波長の光源の発光パワーは弱くカメラの感度も一般に長波長になるに従って低くなるため、光源3Bは、光源3Aに比べて2倍程度の数の発光素子を備えることが好ましい。多数の発光素子を配置する余地が無い場合には、光源3Bは2重のリング状に発光素子が配置された構造であってもよい。Here, the first central wavelength of the output light of the light source 3A is set to, for example, 850 nm, and the second central wavelength of the output light of the light source 3B is set to, for example, 940 nm, which is longer than the first central wavelength. However, the light source 3A, which is a light source for acquiring a bright pupil image, may be a light source with a wavelength of output light shorter than around 900 nm in that the luminance of the light reflected back from the retina is strong. Similarly, the light source 3B, which is a light source for acquiring a dark pupil, may be a light source with a wavelength of output light longer than around 900 nm in that the luminance of the light reflected back from the retina is weak. On the other hand, since the light emission power of a light source with a long wavelength is weak and the sensitivity of the camera generally decreases as the wavelength becomes longer, it is preferable that the light source 3B has about twice as many light-emitting elements as the light source 3A. If there is no room to arrange a large number of light-emitting elements, the light source 3B may have a structure in which light-emitting elements are arranged in a double ring shape.

また、光源3A,3Bの発光強度(発光パワー)は、互いに同一の点灯期間で光源3A及び光源3Bを発光させたときの撮影対象である観察対象者の顔面での照度が略同一になるように予め設定されている。そのために、例えば、制御装置4から光源3A,3Bに供給される電流値あるいは電力値が予め設定される。 The light emission intensities (light emission powers) of the light sources 3A and 3B are preset so that the illuminance on the face of the subject being photographed is approximately the same when the light sources 3A and 3B are illuminated for the same lighting period. For this purpose, for example, the current value or power value supplied from the control device 4 to the light sources 3A and 3B is preset.

図3には、開口部8の内側に配置された光学素子9の構造を示す。光学素子9は、円板状の構造を有し、対物レンズ7の光軸L0がその中心近傍を通り、かつ、光軸L0に対して略垂直になるように配置されている。この光学素子9は、中心で2つに分割された半円の板状の分割素子9A,9Bによって構成されている。分割素子9Aは、第1の中心波長の第1の照明光を通過させるバンドパスフィルタと、開口部8の上下方向を基準にした0度の偏光方向の直線偏光を透過する第1の偏光子とが2枚重ねで組み合わされた光学素子である。分割素子9Bは、第2の中心波長の第2の照明光を通過させるバンドパスフィルタと、上下方向を基準にした90度の偏光方向の直線偏光を透過する第2の偏光子とが2枚重ねで組み合わされた光学素子である。すなわち、第1の偏光子の透過する直線偏光の偏光方向と、第2の偏光子の透過する直線偏光の偏光方向とは略直交する。このような構造の光学素子9は、分割素子9A,9Bが開口部8の開口面に沿ってその中心を水平方向に貫く中心軸(線)の両側に配置されるように、より具体的には、中心軸を基準に線対称となるように構成されている。照明装置3の光源3A,3Bも同様に構成されている。なお、分割素子9A,9Bを組み合わせた光学素子9の形状は円板状には限定されず、開口部8の縁の形状に対応した形状であれば、長方形状等の他の形状であってもよい。 Figure 3 shows the structure of the optical element 9 arranged inside the opening 8. The optical element 9 has a disk-shaped structure and is arranged so that the optical axis L0 of the objective lens 7 passes near its center and is approximately perpendicular to the optical axis L0. This optical element 9 is composed of semicircular plate-shaped splitting elements 9A and 9B split into two at the center. The splitting element 9A is an optical element in which a bandpass filter that passes the first illumination light of a first center wavelength and a first polarizer that transmits linearly polarized light with a polarization direction of 0 degrees based on the vertical direction of the opening 8 are combined in two layers. The splitting element 9B is an optical element in which a bandpass filter that passes the second illumination light of a second center wavelength and a second polarizer that transmits linearly polarized light with a polarization direction of 90 degrees based on the vertical direction are combined in two layers. That is, the polarization direction of the linearly polarized light transmitted by the first polarizer and the polarization direction of the linearly polarized light transmitted by the second polarizer are approximately perpendicular to each other. The optical element 9 having such a structure is configured so that the splitting elements 9A, 9B are arranged on both sides of a central axis (line) that passes horizontally through the center of the opening 8 along the opening surface of the opening 8, more specifically, so as to be linearly symmetrical with respect to the central axis. The light sources 3A, 3B of the illumination device 3 are configured in a similar manner. Note that the shape of the optical element 9 combining the splitting elements 9A, 9B is not limited to a disk shape, and may be any other shape, such as a rectangle, as long as it corresponds to the shape of the edge of the opening 8.

一方、光学素子9は、図4に示すような構造であってもよい。図4に示す光学素子9は、開口部8の縁の形状に対応した連続した形状を有する分割素子9A,9Bによって構成され、これらの分割素子9A,9Bは、開口部8の縁に沿った境界線で2つに分割された形状を有し、分割素子9Bは分割素子9Aの内側に配置されている。すなわち、分割素子9Bは、中心が光軸L0付近に位置する円板状の形状(円形形状)とされ、分割素子9Aは分割素子9Bの外側に位置するリング状の形状とされる。このような構造の光学素子9は、照明装置3と同様に、分割素子9A,9Bが開口部8の中心を基準に点対称となるように構成されている。照明装置3の光源3A,3Bも同様に構成されている。なお、分割素子9A,9Bを組み合わせた光学素子9の形状は円板状には限定されず、開口部8の縁の形状に対応した形状であれば、長方形状等の他の形状であってもよい。On the other hand, the optical element 9 may have a structure as shown in FIG. 4. The optical element 9 shown in FIG. 4 is composed of splitting elements 9A and 9B having a continuous shape corresponding to the shape of the edge of the opening 8, and these splitting elements 9A and 9B have a shape divided into two by a boundary line along the edge of the opening 8, and the splitting element 9B is arranged inside the splitting element 9A. That is, the splitting element 9B has a disk-like shape (circular shape) whose center is located near the optical axis L0, and the splitting element 9A has a ring-like shape located outside the splitting element 9B. The optical element 9 having such a structure is configured so that the splitting elements 9A and 9B are point-symmetric with respect to the center of the opening 8, similar to the illumination device 3. The light sources 3A and 3B of the illumination device 3 are also configured in the same way. Note that the shape of the optical element 9 combining the splitting elements 9A and 9B is not limited to a disk shape, and may be other shapes such as a rectangular shape as long as it corresponds to the shape of the edge of the opening 8.

図5には、開口部8の内側に配置された撮像素子6の開口部8側から見た構造を示す。撮像素子6は、光軸L0に略垂直となるように配置された受光面20と、受光素子(図示せず)が内部に形成され、受光面20上に二次元アレイ状に配置された複数の画素21と、複数の画素21のそれぞれの表面上に画素21を覆うように配置された4種類の偏光子22A,22B,22C,22Dとを有する。すなわち、互いに隣り合う4つの画素21(以下、4画素群とも言う。)のそれぞれの表面に、互いに異なる種類の偏光子22A,22B,22C,22Dが取り付けられる。偏光子22Aは、開口部8の上下方向に対して0度の偏光方向の直線偏光を透過する光学素子である。偏光子22Bは、開口部8の上下方向に対して反時計回りに45度回転させた偏光方向の直線偏光を透過する光学素子である。偏光子22Cは、開口部8の上下方向に対して反時計回りに90度回転させた偏光方向の直線偏光を透過する光学素子である。偏光子22Dは、開口部8の上下方向に対して反時計回りに135度回転させた偏光方向の直線偏光を透過する光学素子である。撮像素子6はこのような構造が二次元的(図5の左右方向及び上下方向に)に繰り返されたような構造を有する。 Figure 5 shows the structure of the image sensor 6 arranged inside the opening 8 as seen from the opening 8 side. The image sensor 6 has a light receiving surface 20 arranged to be approximately perpendicular to the optical axis L0, a plurality of pixels 21 arranged in a two-dimensional array on the light receiving surface 20 with a light receiving element (not shown) formed inside, and four types of polarizers 22A, 22B, 22C, and 22D arranged on the surfaces of the plurality of pixels 21 so as to cover the pixels 21. That is, different types of polarizers 22A, 22B, 22C, and 22D are attached to the surfaces of four adjacent pixels 21 (hereinafter also referred to as a four-pixel group). The polarizer 22A is an optical element that transmits linearly polarized light with a polarization direction of 0 degrees relative to the vertical direction of the opening 8. The polarizer 22B is an optical element that transmits linearly polarized light with a polarization direction rotated 45 degrees counterclockwise relative to the vertical direction of the opening 8. The polarizer 22C is an optical element that transmits linearly polarized light having a polarization direction rotated 90 degrees counterclockwise with respect to the up-down direction of the opening 8. The polarizer 22D is an optical element that transmits linearly polarized light having a polarization direction rotated 135 degrees counterclockwise with respect to the up-down direction of the opening 8. The imaging element 6 has a structure in which such structures are repeated two-dimensionally (in the left-right and up-down directions in FIG. 5 ).

撮像素子6の受光面20上の4画素群の範囲は、対物レンズ7の大きさに比較して十分に小さい。従って、上記の光学素子9及び撮像素子6は、光学素子9の分割素子9Aを透過する第1の照明光が4画素群を構成する4つの画素に同じ強度で入射し、光学素子9の分割素子9Bを透過する第2の照明光が4画素群を構成する4つの画素を同じ強度で入射するように、構成される。The range of the four pixel groups on the light receiving surface 20 of the image sensor 6 is sufficiently small compared to the size of the objective lens 7. Therefore, the optical element 9 and the image sensor 6 are configured so that the first illumination light passing through the splitting element 9A of the optical element 9 is incident on the four pixels constituting the four pixel groups with the same intensity, and the second illumination light passing through the splitting element 9B of the optical element 9 is incident on the four pixels constituting the four pixel groups with the same intensity.

続いて、図6及び図7を参照して、瞳孔検出装置1に含まれる制御装置4の構成について説明する。Next, with reference to Figures 6 and 7, the configuration of the control device 4 included in the pupil detection device 1 will be explained.

制御装置4は、撮像素子6及び光源3A,3Bの制御と、観察対象者の眼画像データを処理して瞳孔及び角膜反射の検出を実行するコンピュータであり得る。制御装置4は、据置型又は携帯型のパーソナルコンピュータ(PC)により構築されてもよいし、ワークステーションにより構築されてもよいし、他の種類のコンピュータにより構築されてもよい。あるいは、制御装置4は複数台の任意の種類のコンピュータを組み合わせて構築されてもよい。複数台のコンピュータを用いる場合には、これらのコンピュータはインターネットやイントラネットなどの通信ネットワークを介して接続される。The control device 4 may be a computer that controls the image sensor 6 and the light sources 3A, 3B, and processes the eye image data of the subject to be observed to detect the pupil and corneal reflex. The control device 4 may be constructed by a stationary or portable personal computer (PC), a workstation, or other types of computers. Alternatively, the control device 4 may be constructed by combining multiple computers of any type. When multiple computers are used, these computers are connected via a communication network such as the Internet or an intranet.

図6に示されるように、制御装置4は、CPU(プロセッサ)101と、主記憶部102と、補助記憶部103と、通信制御部104と、入力装置105と、出力装置106とを備える。CPU101は、オペレーティングシステムやアプリケーション・プログラムなどを実行する。主記憶部102は、ROM及びRAMで構成される。補助記憶部103は、ハードディスクやフラッシュメモリなどで構成される。通信制御部104は、ネットワークカードあるいは無線通信モジュールで構成される。入力装置105は、キーボードやマウスなどを含む。出力装置106は、ディスプレイやプリンタなどを含む。 As shown in FIG. 6, the control device 4 comprises a CPU (processor) 101, a main memory unit 102, an auxiliary memory unit 103, a communication control unit 104, an input device 105, and an output device 106. The CPU 101 executes an operating system, application programs, etc. The main memory unit 102 is composed of ROM and RAM. The auxiliary memory unit 103 is composed of a hard disk, flash memory, etc. The communication control unit 104 is composed of a network card or a wireless communication module. The input device 105 includes a keyboard, a mouse, etc. The output device 106 includes a display, a printer, etc.

後述する制御装置4の各機能要素は、CPU101又は主記憶部102の上に所定のソフトウェアを読み込ませ、CPU101の制御の下で通信制御部104、入力装置105、出力装置106などを動作させ、主記憶部102又は補助記憶部103におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。処理に必要なデータやデータベースは主記憶部102又は補助記憶部103内に格納される。Each functional element of the control device 4, which will be described later, is realized by loading predetermined software onto the CPU 101 or main memory unit 102, operating the communication control unit 104, input device 105, output device 106, etc. under the control of the CPU 101, and reading and writing data in the main memory unit 102 or auxiliary memory unit 103. Data and databases required for processing are stored in the main memory unit 102 or auxiliary memory unit 103.

図7に示されるように、制御装置4は機能的構成要素として、撮像素子駆動ユニット11と、点灯制御ユニット12と、検出ユニット13とを有する。撮像素子駆動ユニット11は、撮像素子6の撮影タイミングを制御する機能要素である。具体的には、撮像素子6を所定のフレームレート及び所定の露光時間で繰り返し撮像し、連続的に観察対象者の眼球Aの像を表す眼画像データを取得するように制御する。点灯制御ユニット12は、撮像素子6の撮影に合わせて、光源3A,3Bを同時に点灯させるように点灯タイミングを制御するとともに、光源3A,3Bの発光量を制御する機能要素である。このとき、点灯制御ユニット12は、観察対象者の頭部に動きがある場合に瞳孔あるいは角膜反射の検出位置の精度向上のためには、光源3A,3Bを同じ期間に点灯させることが好ましい。検出ユニット13は、撮像素子6から出力された眼画像データを利用して、当該眼画像データにおける瞳孔及び角膜反射を検出する機能要素である。検出された瞳孔及び角膜反射に関する情報の出力先は何ら限定されない。例えば、制御装置4は、結果を画像、図形、又はテキストでモニタに表示してもよいし、メモリやデータベースなどの記憶装置に格納してもよいし、通信ネットワーク経由で他のコンピュータシステムに送信してもよい。 As shown in FIG. 7, the control device 4 has an image sensor driving unit 11, a lighting control unit 12, and a detection unit 13 as functional components. The image sensor driving unit 11 is a functional element that controls the timing of shooting the image sensor 6. Specifically, the image sensor 6 is repeatedly imaged at a predetermined frame rate and a predetermined exposure time, and is controlled to continuously acquire eye image data representing an image of the eyeball A of the observation subject. The lighting control unit 12 is a functional element that controls the lighting timing so that the light sources 3A and 3B are simultaneously turned on in accordance with the shooting of the image sensor 6, and controls the amount of light emitted by the light sources 3A and 3B. At this time, in order to improve the accuracy of the detection position of the pupil or corneal reflex when the head of the observation subject moves, it is preferable that the lighting control unit 12 turns on the light sources 3A and 3B for the same period. The detection unit 13 is a functional element that uses the eye image data output from the image sensor 6 to detect the pupil and corneal reflex in the eye image data. There is no limitation on the output destination of the information on the detected pupil and corneal reflex. For example, the control device 4 may display the results as images, graphics, or text on a monitor, store them in a storage device such as a memory or database, or transmit them to another computer system via a communications network.

検出ユニット13は、機能的構成要素として、画像取得部14と、画像計算部16と、差分画像生成部17と、瞳孔検出部18と、角膜反射検出部19、とを有する。画像取得部14は、撮像素子6から所定のフレームレートで連続的に撮影(取得)される眼画像データを取得する。画像計算部16は、各撮像タイミングの眼画像データを基に、明瞳孔画像の各画素の輝度値(光強度)を計算し、それらの輝度値を組み合わせることにより明瞳孔画像を取得する。また、画像計算部16は、各撮像タイミングの眼画像データを基に、暗瞳孔画像の各画素の輝度値(光強度)を計算し、それらの輝度値を組み合わせることにより暗瞳孔画像を取得する。差分画像生成部17は、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像を比較した比較画像の一種としての差分画像を生成する。具体的には、差分画像生成部17は、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の対応する画素間の輝度の差分を計算することにより、両画像を比較した差分画像を生成する。瞳孔検出部18は、差分画像を利用して瞳孔像の位置を算出する機能要素である。角膜反射検出部19は、明瞳孔画像あるいは暗瞳孔画像を利用して角膜反射像の位置を算出する機能要素である。瞳孔検出部18及び角膜反射検出部19により行われる処理の一例は、次の通りである。まず、瞳孔検出部18は、差分画像を瞳孔用閾値を基準に2値化し、孤立点除去、モルフォロジー処理によるノイズ除去、ラベリングを行う。そして、瞳孔検出部18は、最も瞳孔らしい形状を有する画素群を、瞳孔として検出する。このとき、瞳孔がまぶたやまつ毛で隠れた場合にも、まぶたやまつ毛と瞳孔との境界を偽の瞳孔輪郭として排除し、真の瞳孔輪郭のみを楕円フィッティングして、真の瞳孔輪郭の差分画像上の位置を検出し、楕円フィッティングで求まる楕円の式から瞳孔像の中心位置を算出する。また、角膜反射検出部19は、明瞳孔画像の瞳孔の近傍から瞳孔輝度よりも高い角膜反射用閾値で2値化し、角膜反射像の中心を、輝度を考慮した重心として求める。瞳孔輝度は、楕円フィッティングした結果得られる楕円の面積ではなく、2値化して得られた瞳孔を構成する画素の輝度平均で与えられる。角膜反射検出部19は、角膜反射像の位置を、暗瞳孔画像を対象にして算出してもよい。The detection unit 13 has, as functional components, an image acquisition unit 14, an image calculation unit 16, a difference image generation unit 17, a pupil detection unit 18, and a corneal reflection detection unit 19. The image acquisition unit 14 acquires eye image data that is continuously captured (acquired) at a predetermined frame rate from the image sensor 6. The image calculation unit 16 calculates the luminance value (light intensity) of each pixel of the bright pupil image based on the eye image data at each imaging timing, and acquires the bright pupil image by combining these luminance values. The image calculation unit 16 also calculates the luminance value (light intensity) of each pixel of the dark pupil image based on the eye image data at each imaging timing, and acquires the dark pupil image by combining these luminance values. The difference image generation unit 17 generates a difference image as a kind of comparison image comparing the bright pupil image and the dark pupil image. Specifically, the difference image generation unit 17 generates a difference image comparing both images by calculating the difference in luminance between corresponding pixels of the bright pupil image and the dark pupil image. The pupil detection unit 18 is a functional element that calculates the position of the pupil image using the difference image. The corneal reflection detection unit 19 is a functional element that calculates the position of the corneal reflection image using the bright pupil image or the dark pupil image. An example of the processing performed by the pupil detection unit 18 and the corneal reflection detection unit 19 is as follows. First, the pupil detection unit 18 binarizes the difference image based on a pupil threshold, removes isolated points, removes noise by morphological processing, and performs labeling. Then, the pupil detection unit 18 detects the pixel group having the shape most similar to a pupil as the pupil. At this time, even if the pupil is hidden by the eyelids or eyelashes, the boundary between the eyelids or eyelashes and the pupil is excluded as a false pupil contour, and only the true pupil contour is fitted to an ellipse to detect the position of the true pupil contour on the difference image, and the center position of the pupil image is calculated from the equation of the ellipse obtained by the ellipse fitting. The corneal reflection detection unit 19 also binarizes the bright pupil image near the pupil with a corneal reflection threshold value higher than the pupil luminance, and determines the center of the corneal reflection image as the center of gravity taking the luminance into consideration. The pupil luminance is given by the average luminance of the pixels constituting the pupil obtained by binarization, rather than the area of the ellipse obtained as a result of ellipse fitting. The corneal reflection detection unit 19 may calculate the position of the corneal reflection image using the dark pupil image as the target.

次に、画像計算部16の機能構成について詳細に説明する。 Next, the functional configuration of the image calculation unit 16 will be explained in detail.

画像計算部16による明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の取得の原理は次のとおりである。眼画像データの取得時に第1の分割素子9A及び第2の分割素子9Bを透過した光は、それぞれ、互いに隣り合う4つの画素21で構成される4画素群に同一の光強度で入射する。入射するそれぞれの光の光強度を、I(λa1),I(λa2)とすると、4画素群のうち、偏光子22A,22B,22C,22Dが取り付けられた画素21によって検出されるそれぞれの光強度O(i=1~4)は、下記式で表わされる。

Figure 0007638541000001

上記式中、偏光子22A,22B,22C,22Dの透過する光の偏光方向の角度をそれぞれ、θsiで表わし、第1の分割素子9A及び第2の分割素子9Bを透過する光の偏光方向の角度をそれぞれθa1、θa2と表している。 The principle of acquisition of bright pupil images and dark pupil images by the image calculation unit 16 is as follows: When acquiring eye image data, light transmitted through the first and second dividing elements 9A and 9B is incident with the same light intensity on four pixel groups each consisting of four adjacent pixels 21. If the light intensities of the incident light are I(λ a1 ) and I(λ a2 ), the light intensities O i ( i =1 to 4) detected by the pixels 21 to which the polarizers 22A, 22B, 22C, and 22D are attached among the four pixel groups are expressed by the following formula:
Figure 0007638541000001

In the above formula, the angle of the polarization direction of the light transmitted through the polarizers 22A, 22B, 22C, and 22D is represented as θ si , and the angle of the polarization direction of the light transmitted through the first dividing element 9A and the second dividing element 9B is represented as θ a1 and θ a2 , respectively.

上記式は、行列式で表現することにより、下記式;

Figure 0007638541000002

Figure 0007638541000003

に変形される。このような関係から、第1の分割素子9A及び第2の分割素子9Bのそれぞれを透過した第1及び第2の中心波長の光の光強度I(λa1),I(λa2)は、2行4列の擬似逆行列[Mijを用いて、下記式;
Figure 0007638541000004

によって計算される。 The above formula can be expressed as a determinant to obtain the following formula:
Figure 0007638541000002

Figure 0007638541000003

From this relationship, the light intensities I(λ a1 ) and I(λ a2 ) of the light having the first and second central wavelengths transmitted through the first and second dividing elements 9A and 9B, respectively, are expressed by the following equations using a 2 -row, 4-column pseudo-inverse matrix [M ij ] + :
Figure 0007638541000004

It is calculated by:

上記のような計算式を利用して、画像計算部16は、眼画像データの中から各4画素群の輝度値[O]を読み取り、輝度値[O]と、予め設定された擬似逆行列[Mijを用いて、4画素群に入射する第1の中心波長の光に対応する輝度値I(λa1)と、4画素群に入射する第2の中心波長の光に対応する輝度値I(λa2)とを計算する。そして、画像計算部16は、受光面20上の各4画素群を対象に計算した輝度値I(λa1)を組み合わせて二次元画像データを生成することにより明瞳孔画像を取得し、各4画素群を対象に計算した輝度値I(λa2)を組み合わせて二次元画像データを生成することにより暗瞳孔画像を取得する。 Using the above formula, the image calculation unit 16 reads the luminance value [ Oi ] of each of the four pixel groups from the eye image data, and calculates the luminance value I( λa1 ) corresponding to the light of the first central wavelength incident on the four pixel groups and the luminance value I( λa2 ) corresponding to the light of the second central wavelength incident on the four pixel groups using the luminance value [ Oi ] and a preset pseudo-inverse matrix [Mij ] +. The image calculation unit 16 then combines the luminance values I( λa1 ) calculated for each of the four pixel groups on the light receiving surface 20 to generate two-dimensional image data to obtain a bright pupil image, and combines the luminance values I( λa2 ) calculated for each of the four pixel groups to generate two-dimensional image data to obtain a dark pupil image.

第1実施形態の瞳孔検出装置1の作用効果について説明する。 The action and effect of the pupil detection device 1 of the first embodiment will be explained.

上述した実施形態の瞳孔検出装置1においては、光源3Aによって第1の中心波長の光で照らされた観察対象者の瞳孔からの光が、光学素子9の第1の分割素子9Aを透過して所定角度の直線偏光に変換された後、撮像素子6の4種類の偏光子22A,22B,22C,22Dが取り付けられた隣り合う4画素によって、その輝度値が検出される。同時に、光源3Bによって第2の中心波長の光で照らされた観察対象者の瞳孔からの光が、光学素子9の第2の分割素子9Bを透過して上記所定角度と異なる角度の直線偏光に変換された後、撮像素子6の4種類の偏光子22A,22B,22C,22Dが取り付けられた隣り合う4画素によって、その輝度値が検出される。ここで、第1の中心波長の光で照らされた瞳孔の像は、第2の中心波長の光で照らされた瞳孔の像よりも比較的明るい。そして、制御装置4によって、撮像素子6によって検出された隣り合う4画素の輝度値から第1の中心波長の光に対応する輝度値が計算され、その輝度値を組み合わせることで明瞳孔画像が取得され、撮像素子6によって検出された隣り合う画素の輝度値から第2の中心波長の光に対応する輝度値が計算され、その輝度値を組み合わせることで暗瞳孔画像が取得され、明瞳孔画像と暗瞳孔画像を基に瞳孔像の位置が算出される。これにより、明瞳孔画像と暗瞳孔画像の取得タイミングに差が生じないので、観察対象者の状態に関わらず(例えば、観察対象者において眼球回転が生じても)瞳孔像の検出精度を容易に高めることができる。In the pupil detection device 1 of the above-mentioned embodiment, the light from the pupil of the subject illuminated by the light source 3A with the light of the first central wavelength is transmitted through the first division element 9A of the optical element 9 and converted into linearly polarized light at a predetermined angle, and then its luminance value is detected by four adjacent pixels to which the four types of polarizers 22A, 22B, 22C, and 22D of the image sensor 6 are attached. At the same time, the light from the pupil of the subject illuminated by the light source 3B with the light of the second central wavelength is transmitted through the second division element 9B of the optical element 9 and converted into linearly polarized light at an angle different from the predetermined angle, and then its luminance value is detected by four adjacent pixels to which the four types of polarizers 22A, 22B, 22C, and 22D of the image sensor 6 are attached. Here, the image of the pupil illuminated with the light of the first central wavelength is relatively brighter than the image of the pupil illuminated with the light of the second central wavelength. Then, control device 4 calculates a luminance value corresponding to the light of the first central wavelength from the luminance values of four adjacent pixels detected by image sensor 6 and combines the luminance values to obtain a bright pupil image, calculates a luminance value corresponding to the light of the second central wavelength from the luminance values of adjacent pixels detected by image sensor 6 and combines the luminance values to obtain a dark pupil image, and calculates the position of the pupil image based on the bright pupil image and the dark pupil image. This causes no difference in the timing at which the bright pupil image and the dark pupil image are obtained, making it possible to easily improve the detection accuracy of the pupil image regardless of the state of the subject being observed (for example, even if the subject being observed rotates their eyeball).

特に、本実施形態では、第1の分割素子9Aの透過する光の偏光方向と、第2の分割素子9Bの透過する光の偏光方向とは、略直交している。この場合、撮像素子6の各画素に入射する第1の中心波長の光と第2の中心波長の光との間の偏光方向が明確に分かれているので、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の輝度計算の精度が向上し、結果としての瞳孔像の位置の検出精度も向上する。In particular, in this embodiment, the polarization direction of the light passing through the first splitting element 9A is approximately orthogonal to the polarization direction of the light passing through the second splitting element 9B. In this case, the polarization directions of the light of the first central wavelength and the light of the second central wavelength incident on each pixel of the image sensor 6 are clearly separated, improving the accuracy of the luminance calculation of the bright pupil image and the dark pupil image, and as a result, improving the accuracy of detecting the position of the pupil image.

また、撮像素子6は、互いに異なる4種類の角度の直線偏光の光を透過する偏光子22A,22B,22C,22Dが、隣り合う4つの画素毎に取り付けられており、制御装置4は、眼画像データのうちの隣り合う4つの画素の輝度値を基に、第1及び第2の中心波長のそれぞれの光に対応する輝度値を計算している。この場合、受光面20上において、第1及び第2の中心波長の光の様々な偏光方向成分を検出する複数の画素の配置バランスの均一化を図ることができる。これにより、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の像の均一化を図ることができ、検出する瞳孔像の位置の精度を安定化することができる。In addition, the image sensor 6 has polarizers 22A, 22B, 22C, and 22D attached to every four adjacent pixels, which transmit linearly polarized light at four different angles, and the control device 4 calculates the luminance values corresponding to the light of the first and second central wavelengths based on the luminance values of the four adjacent pixels in the eye image data. In this case, it is possible to equalize the balance of the arrangement of multiple pixels on the light receiving surface 20 that detect various polarization direction components of the light of the first and second central wavelengths. This makes it possible to equalize the images of the bright pupil image and the dark pupil image, and stabilize the accuracy of the position of the detected pupil image.

また、光源3Aのカメラ2の開口部8中心からの距離が、光源3Bの開口部8中心からの距離よりも小さくされている。このような構造により、第1の中心波長の光で照らされた瞳孔の像と、第2の中心波長の光で照らされた瞳孔の像との間の輝度差をより大きくすることができる。その結果、比較画像を用いた瞳孔像位置の検出精度をさらに向上させることができる。 In addition, the distance of light source 3A from the center of aperture 8 of camera 2 is made smaller than the distance of light source 3B from the center of aperture 8. This structure makes it possible to increase the luminance difference between the image of the pupil illuminated with light of the first central wavelength and the image of the pupil illuminated with light of the second central wavelength. As a result, the detection accuracy of the pupil image position using the comparison image can be further improved.

また、光学素子9は、第1の分割素子9A及び第2の分割素子9Bが開口部8を中心に点対称あるいは線対称となるように構成され、光源3A及び光源3Bは、開口部8を中心に点対称あるいは線対称となるように構成されている。こうすれば、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像中において瞳孔像及びその周辺部の輝度のムラを防ぐことができ、比較画像において瞳孔像のみを目立たせることができ、比較画像を用いた瞳孔像位置の検出精度を向上させることができる。 The optical element 9 is configured so that the first dividing element 9A and the second dividing element 9B are point-symmetric or line-symmetric about the opening 8, and the light source 3A and the light source 3B are configured so that they are point-symmetric or line-symmetric about the opening 8. This makes it possible to prevent uneven brightness of the pupil image and its surroundings in the bright pupil image and the dark pupil image, makes it possible to make only the pupil image stand out in the comparison image, and improves the accuracy of detecting the pupil image position using the comparison image.

特に、光学素子9が図3に示すような構造を有する場合には、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像中において瞳孔像及びその周辺部の輝度の上下方向のムラを防ぐことができ、比較画像を用いた瞳孔像位置の検出精度を向上させることができる。
また、光学素子9が図4に示すような構造を有する場合には、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像中において瞳孔像及びその周辺部の輝度の二次元方向のムラを防ぐことができ、比較画像を用いた瞳孔像位置の検出精度を一層向上させることができる。
In particular, when optical element 9 has a structure as shown in FIG. 3, it is possible to prevent unevenness in the brightness of the pupil image and its peripheral areas in the bright pupil image and dark pupil image in the vertical direction, and to improve the accuracy of detecting the pupil image position using the comparison image.
Furthermore, when optical element 9 has a structure as shown in FIG. 4, it is possible to prevent two-dimensional unevenness in the luminance of the pupil image and its peripheral areas in the bright pupil image and the dark pupil image, and further improve the accuracy of detecting the pupil image position using the comparison image.

またさらに、制御装置4は、明瞳孔画像あるいは暗瞳孔画像を基に光源3Aあるいは光源3Bの点灯によって生じた観察対象者の角膜反射像の位置を算出している。かかる構成によれば、角膜反射像の位置を安定して検出することができる。Furthermore, the control device 4 calculates the position of the corneal reflection of the subject caused by the illumination of the light source 3A or the light source 3B based on the bright pupil image or the dark pupil image. With this configuration, the position of the corneal reflection can be stably detected.

本実施形態における照明装置3及び光学素子9の構成の利点について説明する。 The advantages of the configuration of the lighting device 3 and the optical element 9 in this embodiment are explained.

差分画像等の比較画像を基にした瞳孔検出においては、明瞳孔画像と暗瞳孔画像との間で瞳孔像における輝度差が大きいほうが瞳孔の検出精度が高まる。また、光学系(カメラ2と照明装置3)に対して瞳孔位置が変化せず、かつ、光学系に対する視線方向も変化せず、さらには、照明装置3の光量、カメラ2の感度等が変化しなければ(「瞳孔検出条件」と呼ぶ)、瞳孔が大きいほど、明瞳孔画像における瞳孔も暗瞳孔画像における瞳孔も輝度が高くなる。図8は、瞳孔面積Aと明瞳孔画像における瞳孔輝度L及び暗瞳孔画像における瞳孔輝度Lとの関係を示すグラフであり、図9は、瞳孔面積Aと差分画像における瞳孔輝度Lとの関係を示すグラフである。このように、理想的には、次の関係式が成立する。
=k・A,
=k・A,
=k・A=(k-k)・A
上記関係式中、k、k、kは、それぞれ比例定数であり、上記「瞳孔検出条件」が成立する場合には一定値である。この関係式からも分かるように、瞳孔が大きいときは明瞳孔画像の瞳孔輝度が高くなり、差分画像においても瞳孔輝度が高くなる。よって、瞳孔部以外の輝度がゼロに近くなっているので、差分画像から瞳孔を検出するのが容易となる。一方で、瞳孔が小さいときには瞳孔に入射する光も瞳孔面積に応じて減るため、瞳孔の輝度が低くなる。その結果、瞳孔が小さいとき(例えば、直径2.5mm程度)には、より強い光を顔に照射する必要がある。光源の光量を挙げるためには、光源に供給する電流を増やしたり、光源の数を増やす必要があり、消費電力あるいはコストが増加する。また、明瞳孔画像における瞳孔輝度を高くするためには、カメラの開口部にできるだけ近い位置に光源を配置する必要があるが、その場合は物理的に光源を配置するスペースがないといった問題が生ずる可能性がある。
In pupil detection based on a comparison image such as a difference image, the greater the luminance difference in the pupil image between the bright pupil image and the dark pupil image, the higher the accuracy of pupil detection. In addition, if the pupil position does not change relative to the optical system (camera 2 and illumination device 3), the line of sight direction relative to the optical system does not change, and further, the light amount of the illumination device 3 and the sensitivity of the camera 2 do not change (referred to as "pupil detection conditions"), the larger the pupil, the higher the luminance of the pupil in the bright pupil image and the pupil in the dark pupil image. Figure 8 is a graph showing the relationship between pupil area A and pupil luminance L B in the bright pupil image and pupil luminance L D in the dark pupil image, and Figure 9 is a graph showing the relationship between pupil area A and pupil luminance L S in the difference image. Thus, ideally, the following relational expression holds.
L B = k B · A,
L D = k D · A,
L S =k S・A=(k B -k D )・A
In the above relational expression, k B , k D , and k S are proportional constants, and are constant when the above "pupil detection condition" is satisfied. As can be seen from this relational expression, when the pupil is large, the pupil luminance of the bright pupil image is high, and the pupil luminance is also high in the difference image. Therefore, since the luminance of the area other than the pupil is close to zero, it is easy to detect the pupil from the difference image. On the other hand, when the pupil is small, the light incident on the pupil is also reduced according to the pupil area, so the pupil luminance is low. As a result, when the pupil is small (for example, about 2.5 mm in diameter), it is necessary to irradiate the face with stronger light. In order to increase the light amount of the light source, it is necessary to increase the current supplied to the light source or increase the number of light sources, which increases power consumption or cost. In addition, in order to increase the pupil luminance in the bright pupil image, it is necessary to place the light source as close as possible to the opening of the camera, but in that case, there is a possibility that a problem such as a lack of physical space to place the light source may occur.

図10には、カメラの開口部中心から光源までの距離(観察対象者の眼部と光源及び開口部中心と結ぶ直線の角度差)と、瞳孔輝度との関係を示すグラフであり、グラフGは瞳孔が大きい場合の関係、グラフGは瞳孔が小さい場合の関係を示す。このように、瞳孔輝度は、開口部と光源との距離が大きい値から小さくなるに従って急激に上昇する。上述したように、明瞳孔画像の瞳孔輝度と暗瞳孔画像の瞳孔輝度の差を大きくするためには、光源3Aは開口部にできるだけ近づけて配置し、光源3Bは開口部から離して配置することが好ましい。このとき、瞳孔が大きいときは明瞳孔画像と暗瞳孔画像とで輝度差が大きくなりやすいので問題は生じにくい。問題になりやすいのは、瞳孔が極端に小さくなったときである。このようなときでも、より確実に差分画像から瞳孔を検出しやすくするためには、明瞳孔画像の瞳孔輝度を高くすることが望ましい。なぜならば、瞳孔が小さい場合には、グラフGに示すように、光源3Bを開口部から少し離せば十分に瞳孔輝度は低くなり(距離D)、必要以上に離してもほとんど瞳孔輝度は低くならない。それに対して、光源3Aを開口部に近づければ(例えば、距離Dから距離Dに)、明瞳孔画像の瞳孔輝度は急激に高くなり、差分画像からの瞳孔検出の精度が高くなる。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the distance from the center of the aperture of the camera to the light source (the difference in angle between the straight line connecting the eye of the observation subject to the light source and the center of the aperture) and the pupil luminance, where graphs G B show the relationship when the pupil is large, and graphs G S show the relationship when the pupil is small. Thus, the pupil luminance increases rapidly as the distance between the aperture and the light source decreases from a large value. As described above, in order to increase the difference between the pupil luminance of the bright pupil image and the pupil luminance of the dark pupil image, it is preferable to place the light source 3A as close as possible to the aperture and place the light source 3B away from the aperture. In this case, when the pupil is large, the difference in luminance between the bright pupil image and the dark pupil image is likely to be large, so problems are unlikely to occur. Problems are likely to occur when the pupil becomes extremely small. Even in such a case, it is desirable to increase the pupil luminance of the bright pupil image in order to more reliably detect the pupil from the difference image. This is because, when the pupil is small, as shown in graph G S , moving light source 3B a short distance from the opening sufficiently reduces the pupil luminance (distance D A ), and moving it further than necessary barely reduces the pupil luminance at all. In contrast, moving light source 3A closer to the opening (for example, from distance D B to distance D C ) causes the pupil luminance of the bright pupil image to increase rapidly, and the accuracy of pupil detection from the difference image increases.

一方で、瞳孔が大きいときには、グラフGに示すように、光源3Bが開口部からかなり離れるまでは瞳孔は明るくなる傾向がある。明瞳孔画像の瞳孔輝度は暗瞳孔画像のそれよりもはるかに高いので、輝度値が飽和レベルに達していない限りは、明瞳孔画像と暗瞳孔画像との間で輝度差があるので瞳孔検出に問題は生じない。なんらかの理由、例えば、消費電力削減の理由で、光源の光量を抑制したい場合には、瞳孔が大きいときと小さいときとで瞳孔輝度を一定に保つために光源3A,3Bの光量を下げることもできる。それにより、グラフGとグラフGにおいて、瞳孔の大きい場合の輝度レベルが瞳孔の小さい場合の輝度レベルに近づくこととなる。 On the other hand, when the pupil is large, as shown in graph G B , the pupil tends to be bright until the light source 3B is quite far from the aperture. Since the pupil luminance of the bright pupil image is much higher than that of the dark pupil image, there is a luminance difference between the bright and dark pupil images, so long as the luminance value does not reach a saturation level, there is no problem with pupil detection. If it is necessary to reduce the amount of light from the light source for some reason, such as to reduce power consumption, it is also possible to reduce the amount of light from the light sources 3A and 3B in order to keep the pupil luminance constant when the pupil is large and when it is small. As a result, in graphs G B and G S , the luminance level when the pupil is large approaches the luminance level when the pupil is small.

以上の知見を踏まえて、本実施形態では、図2及び図3に示すような照明装置3及び光学素子9の構成が採用されている。このような構成の採用により、光源3Aをできるだけ開口部8に近づけて配置することができ、観察対象者からの瞳孔像のうち、第1の中心波長の光成分も第2の中心波長の光成分もバランスよく開口部8内の撮像素子6に導くことができる。 Based on the above findings, this embodiment employs a configuration of the illumination device 3 and optical element 9 as shown in Figures 2 and 3. By employing such a configuration, it is possible to position the light source 3A as close as possible to the opening 8, and it is possible to guide the light components of the first and second central wavelengths of the pupil image from the subject to the imaging element 6 in the opening 8 in a well-balanced manner.

また、本実施形態では、図2及び図4に示すような照明装置3及び光学素子9の構成を採用した場合には、観察対象者からの瞳孔像のうち、第1の中心波長の光成分も第2の中心波長の光成分も二次元方向においてバランスよく開口部8内の撮像素子6に導くことができる。また、この構成により、光源3Aを開口部8に近づけて配置することができる。分割素子9Aはリング状の形状を有しているため、分割素子9Aの任意の一点を基準にすると一部の光源3Aは距離が遠くなってしまうが、その一点に近い光源3Aが1つでもあれば瞳孔を明るくする効果が非常に高いので、光源3A全体としては瞳孔を明るくする効果を十分に有する。また、光源3Bを開口部8内の分割素子9Bに対して十分に離すことができており、暗瞳孔画像の瞳孔輝度を十分に低くすることができる。 In addition, in this embodiment, when the configuration of the illumination device 3 and the optical element 9 shown in Figures 2 and 4 is adopted, the light components of the first and second central wavelengths of the pupil image from the subject of observation can be guided to the image sensor 6 in the opening 8 in a well-balanced manner in the two-dimensional direction. In addition, this configuration allows the light source 3A to be arranged close to the opening 8. Since the splitting element 9A has a ring-shaped shape, if an arbitrary point on the splitting element 9A is used as a reference, some of the light sources 3A will be far away, but if there is even one light source 3A close to that point, the effect of brightening the pupil is very high, so the light sources 3A as a whole have a sufficient effect of brightening the pupil. In addition, the light source 3B can be sufficiently separated from the splitting element 9B in the opening 8, and the pupil luminance of the dark pupil image can be sufficiently low.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。上記実施形態の構成は様々変更されうる。The present invention is not limited to the above-described embodiment. The configuration of the above embodiment may be modified in various ways.

上述した実施形態では、差分画像生成部17が、明瞳孔画像と暗瞳孔画像とを比較した比較画像として差分画像を生成していたが、特開2008-246004号公報に記載されたように、比較画像として除算画像を用いるようにしてもよい。さらには、比較画像として、他の演算により明瞳孔画像と暗瞳孔画像とを比較した画像が生成されてもよい。In the above-described embodiment, the difference image generating unit 17 generates a difference image as a comparison image by comparing the bright pupil image and the dark pupil image, but as described in JP 2008-246004 A, a division image may be used as the comparison image. Furthermore, an image may be generated as the comparison image by comparing the bright pupil image and the dark pupil image by other calculations.

また、上述した実施形態では、制御装置4が、瞳孔検出部18によって差分画像を基に検出された瞳孔像の位置と、角膜反射検出部19によって暗瞳孔画像及び明瞳孔画像のそれぞれを対象に検出された角膜反射像の位置とを基に、観察対象者の視線方向及び注視点を検出してもよい。視線方向および注視点の算出手法は、本発明者らによって開発された手法(国際公開WO2012/020760号公報参照)を採用することができる。本実施形態の制御装置4で検出された瞳孔像の位置を用いることで、観察対象者の視線方向および注視点を安定して検出することができる。In the above-described embodiment, the control device 4 may detect the gaze direction and gaze point of the subject of observation based on the position of the pupil image detected by the pupil detection unit 18 based on the difference image and the position of the corneal reflection image detected by the corneal reflection detection unit 19 for each of the dark pupil image and the bright pupil image. The method for calculating the gaze direction and gaze point may employ a method developed by the present inventors (see International Publication WO2012/020760). By using the position of the pupil image detected by the control device 4 of this embodiment, the gaze direction and gaze point of the subject of observation can be stably detected.

また、上述した実施形態にかかる照明装置3における各光源の構成、及び光学素子9の構成は、様々変更してもよい。 In addition, the configuration of each light source in the lighting device 3 in the above-mentioned embodiment and the configuration of the optical element 9 may be modified in various ways.

図11には、光源3A,3B及び分割素子9A,9Bの配置の変形例を示している。この例においては、光源3A,3B及び分割素子9A,9Bは、開口部8の開口面に沿ってその中心を上下に貫く中心軸(線)の両側に配置されるように、より具体的には、中心軸を基準にして線対称となるように配置されている。分割素子9Aは、開口部8の中心を上下に貫く中心軸の両側に設けられた、開口部8の縁の形状に対応した2つの分割形状である弓形の形状を左右に有する。なお、分割素子9Aは、2つ以上(例えば、4つ)の分割形状を有していてもよい。また、分割素子9Bは、その弓形の形状に挟まれて開口部8の中心に配置されている。光源3Aは、開口部8の近傍の分割素子9Aの外側に左右に分離して配置され、光源3Bは、光源3Aの外側に左右に分離して配置されている。この構成によっても、左右に対称な構成を有するので、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像において顔領域で輝度差が小さく保たれ、照明装置3の上下方向のサイズを小さくしたい場合に有効な構成である。 Figure 11 shows a modified example of the arrangement of the light sources 3A, 3B and the splitting elements 9A, 9B. In this example, the light sources 3A, 3B and the splitting elements 9A, 9B are arranged on both sides of the central axis (line) that passes through the center of the opening 8 from top to bottom along the opening surface of the opening 8, more specifically, arranged so as to be linearly symmetrical with respect to the central axis. The splitting element 9A has two divided shapes, which are arched shapes on the left and right, corresponding to the shape of the edge of the opening 8, provided on both sides of the central axis that passes through the center of the opening 8 from top to bottom. The splitting element 9A may have two or more divided shapes (for example, four). The splitting element 9B is arranged at the center of the opening 8, sandwiched between the arched shapes. The light source 3A is arranged outside the splitting element 9A near the opening 8, separated left and right, and the light source 3B is arranged outside the light source 3A, separated left and right. This configuration also has a left-right symmetrical configuration, so the luminance difference in the face region in the bright pupil image and the dark pupil image is kept small, and this is an effective configuration when it is desired to reduce the vertical size of the illumination device 3.

図12には、光源3A,3B及び分割素子9A,9Bの配置の他の変形例を示している。分割素子9A,9Bの構成は、図3の構成と同一とされ、光源3Aは分割素子9A側(左側)の開口部8の近傍にのみ配置され、光源3Bも開口部8の左側に分離して配置される。このような構成においては、分割素子9A側の開口部8と光源3Aとの距離が近くされ、分割素子9A側の開口部8から遠い光源3Aは存在しないため、明瞳孔画像における瞳孔輝度が高く保たれる。さらに、光源3Bを、分割素子9B側の開口部8からの距離をある程度保ちつつ、光源3Aとの距離及び開口部8の中心からの距離を小さくすることができる。その結果、光学系全体のサイズを小さくすることができる。仮に、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像において顔又は瞳孔内の輝度傾斜が生じたとしても、光源3Aと光源3Bの位置が近いため、輝度傾斜の傾向が両画像で大きく異なることは無いため、差分画像において瞳孔以外の部分が目立ちにくく、瞳孔の検出精度を保つことができる。 Figure 12 shows another modified example of the arrangement of the light sources 3A, 3B and the splitting elements 9A, 9B. The configuration of the splitting elements 9A, 9B is the same as that of Figure 3, and the light source 3A is arranged only near the opening 8 on the splitting element 9A side (left side), and the light source 3B is also arranged separately on the left side of the opening 8. In this configuration, the distance between the opening 8 on the splitting element 9A side and the light source 3A is close, and there is no light source 3A far from the opening 8 on the splitting element 9A side, so the pupil luminance in the bright pupil image is kept high. Furthermore, the distance between the light source 3B and the light source 3A and the center of the opening 8 can be reduced while maintaining a certain distance from the opening 8 on the splitting element 9B side. As a result, the size of the entire optical system can be reduced. Even if a luminance gradient occurs in the face or within the pupil in the bright pupil image and the dark pupil image, the positions of the light source 3A and the light source 3B are close, so the tendency of the luminance gradient does not differ greatly between the two images, so parts other than the pupil are less noticeable in the difference image, and the detection accuracy of the pupil can be maintained.

ここで、上述した実施形態、及び図11に示す形態においては、点対称及び線対称の構成には限定されず、開口部8の中心あるいは中心軸を基準にした点対称あるいは線対称な配置及び形状からずれた配置及び形状とされてもよい。例えば、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の輝度を調整するために、点対称あるいは線対称な配置及び形状から調整された配置及び形状とされてもよい。11, the present invention is not limited to point-symmetric and line-symmetric configurations, and may have an arrangement and shape that deviates from point-symmetric or line-symmetric arrangement and shape with respect to the center or central axis of the opening 8. For example, the arrangement and shape may be adjusted from point-symmetric or line-symmetric arrangement and shape in order to adjust the luminance of the bright pupil image and the dark pupil image.

また、光学素子9は、任意の形状で複数に分割された複数の分割部によって構成されてもよい。例えば、四角形状の複数の分割部によって構成されてもよい。このような構成では、分割素子9A,9Bは、それぞれ、複数の分割部に適宜(例えば、交互に)割り当てられる。 The optical element 9 may also be configured with a plurality of division sections divided into a plurality of parts of any shape. For example, it may be configured with a plurality of rectangular division sections. In such a configuration, the division elements 9A and 9B are each assigned appropriately (for example, alternately) to the plurality of division sections.

また、光学素子9は、対物レンズ7の内側(撮像素子6側)に配置されている必要はなく、対物レンズ7の外側(観察対象者側)に配置されていてもよい。あるいは、カメラ2に備えられるカメラレンズが複数枚の光学レンズを含んで構成される場合には、光学素子9は、その複数の光学レンズのいずれか2枚の間で配置されていてもよく、カメラレンズ全体の前後(観察対象者側もしくは撮像素子6側)に配置されていてもよい。In addition, the optical element 9 does not need to be disposed inside the objective lens 7 (on the imaging element 6 side), but may be disposed outside the objective lens 7 (on the side of the subject of observation). Alternatively, if the camera lens provided in the camera 2 is configured to include multiple optical lenses, the optical element 9 may be disposed between any two of the multiple optical lenses, or may be disposed in front of or behind the entire camera lens (on the side of the subject of observation or on the imaging element 6 side).

また、特許第4528980号公報に記載されたように、光源3A,3Bをカメラ2の開口部8の内側に配置してもよい。また、光源3Aを開口部8の内側に配置し、光源3Bを開口部8の外側に配置してもよい。As described in Japanese Patent No. 4,528,980, the light sources 3A and 3B may be disposed inside the opening 8 of the camera 2. Alternatively, the light source 3A may be disposed inside the opening 8, and the light source 3B may be disposed outside the opening 8.

また、上記実施形態においては、撮像素子6が4画素群毎に4種類の偏光子が設けられた構造を有していたが、少なくとも2種類以上の偏光子が設けられた構造であればいい。例えば、隣り合う2つの画素21毎に2種類の偏光子が設けられていてもよいし、隣り合う3つの画素21毎に3種類の偏光子が設けられていてもよい。このような変形例においても、制御装置4が、隣り合う2つの画素、あるいは、隣り合う3つの画素の画素値を基に、第1の中心波長の光成分の輝度値と第2の中心波長の光成分の輝度値を計算することができる。 In the above embodiment, the image sensor 6 has a structure in which four types of polarizers are provided for every four pixel groups, but it is sufficient that the image sensor 6 has a structure in which at least two types of polarizers are provided. For example, two types of polarizers may be provided for every two adjacent pixels 21, or three types of polarizers may be provided for every three adjacent pixels 21. Even in such a modified example, the control device 4 can calculate the luminance value of the light component of the first central wavelength and the luminance value of the light component of the second central wavelength based on the pixel values of two adjacent pixels or three adjacent pixels.

また、上記実施形態においては、制御装置4が、隣り合う4つの画素の画素値を基に、第1の中心波長の光成分の輝度値と第2の中心波長の光成分の輝度値を計算していたが、隣り合う4つの画素の中の少なくとも2つの画素(2つの画素、あるいは3つの画素)の画素値を基に、第1の中心波長の光成分の輝度値と第2の中心波長の光成分の輝度値を計算することもできる。In addition, in the above embodiment, the control device 4 calculates the luminance value of the light component of the first central wavelength and the luminance value of the light component of the second central wavelength based on the pixel values of four adjacent pixels, but it is also possible to calculate the luminance value of the light component of the first central wavelength and the luminance value of the light component of the second central wavelength based on the pixel values of at least two pixels (two pixels, or three pixels) among the four adjacent pixels.

ここで、上記実施形態では、第1の偏光子の透過する光の偏光方向と、第2の偏光子の透過する光の偏光方向とは、略直交する、こととしてもよい。この場合、イメージセンサの各画素に入射する第1の中心波長の光と第2の中心波長の光との間の偏光方向が明確に分かれているので、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の輝度計算の精度が向上し、結果としての瞳孔像の位置の検出精度も向上する。Here, in the above embodiment, the polarization direction of the light passing through the first polarizer and the polarization direction of the light passing through the second polarizer may be approximately orthogonal. In this case, the polarization directions of the light of the first central wavelength and the light of the second central wavelength incident on each pixel of the image sensor are clearly separated, improving the accuracy of the luminance calculation of the bright pupil image and the dark pupil image, and as a result, improving the accuracy of the detection of the position of the pupil image.

また、イメージセンサにおいては、互いに異なる4種類の角度の直線偏光の光を透過する偏光子が、隣り合う4つの画素毎に取り付けられており、演算装置は、眼画像における隣り合う4つの画素のうちの少なくとも2つの画素の輝度を基に、第1及び第2の中心波長のそれぞれの光に対応する輝度を計算する、こととしてもよい。この場合、イメージセンサ上において、第1及び第2の中心波長の光の様々な偏光方向成分を検出する複数の画素の配置バランスの均一化を図ることができる。これにより、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像の像の均一化を図ることができ、検出する瞳孔像の位置の精度を安定化することができる。In addition, in the image sensor, a polarizer that transmits linearly polarized light at four different angles may be attached to every four adjacent pixels, and the computing device may calculate the luminance corresponding to each of the light of the first and second central wavelengths based on the luminance of at least two of the four adjacent pixels in the eye image. In this case, it is possible to equalize the arrangement balance of multiple pixels that detect various polarization direction components of light of the first and second central wavelengths on the image sensor. This makes it possible to equalize the images of the bright pupil image and the dark pupil image, and stabilize the accuracy of the position of the detected pupil image.

また、第1の光源は、カメラの開口部中心からの距離が第1の距離の位置に配置され、第2の光源は、開口部中心からの距離が第1の距離よりも大きい第2の距離の位置に配置されている、こととしてもよい。この場合、第1の中心波長の光で照らされた瞳孔の像と、第2の中心波長の光で照らされた瞳孔の像との間の輝度差をより大きくすることができる。その結果、比較画像を用いた瞳孔像位置の検出精度をさらに向上させることができる。 The first light source may be arranged at a first distance from the center of the camera's aperture, and the second light source may be arranged at a second distance from the center of the aperture that is greater than the first distance. In this case, the luminance difference between the image of the pupil illuminated with light of the first central wavelength and the image of the pupil illuminated with light of the second central wavelength can be made larger. As a result, the accuracy of detecting the position of the pupil image using the comparison image can be further improved.

また、第2の分割素子は、第1の分割素子の内側に配置されている、こととしてもよい。こうすれば、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像中において瞳孔像及びその周辺部の輝度のムラを防ぐことができ、比較画像において瞳孔像のみを目立たせることができ、比較画像を用いた瞳孔像位置の検出精度を向上させることができる。The second splitting element may be disposed inside the first splitting element. This prevents uneven brightness of the pupil image and its surroundings in the bright pupil image and the dark pupil image, makes only the pupil image stand out in the comparison image, and improves the accuracy of detecting the pupil image position using the comparison image.

また、第2の分割素子が、開口部の中心に配置された円形形状を有し、第1の分割素子が、第2の分割素子の外側に配置されたリング形状を有する、こととしてもよい。この場合には、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像中において瞳孔像及びその周辺部の輝度のムラを防ぐことができるとともに、瞳孔像における輝度差を際立たせることができる。その結果、比較画像において瞳孔像のみを一層目立たせることができ、比較画像を用いた瞳孔像位置の検出精度を一層向上させることができる。 The second splitting element may have a circular shape located at the center of the opening, and the first splitting element may have a ring shape located outside the second splitting element. In this case, it is possible to prevent unevenness in the brightness of the pupil image and its surroundings in the bright pupil image and the dark pupil image, and to highlight the brightness difference in the pupil image. As a result, it is possible to make only the pupil image stand out more in the comparison image, and to further improve the detection accuracy of the pupil image position using the comparison image.

また、第1の分割素子及び第2の分割素子が光学素子上の線の両側に配置されるように構成され、第1の光源及び第2の光源は、開口部を両側から挟むように配置されて構成されている、こととしてもよい。この場合には、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像中において瞳孔像及びその周辺部の輝度のムラを防ぐことができ、比較画像において瞳孔像のみを目立たせることができ、比較画像を用いた瞳孔像位置の検出精度を向上させることができる。 The first and second splitting elements may be arranged on both sides of a line on the optical element, and the first and second light sources may be arranged to sandwich the opening from both sides. In this case, unevenness in the luminance of the pupil image and its surroundings in the bright pupil image and the dark pupil image can be prevented, only the pupil image can be made to stand out in the comparison image, and the detection accuracy of the pupil image position using the comparison image can be improved.

さらに、第1の分割素子が、光学素子上の線の両側に設けられた所定形状の2つ以上の分割形状を有し、第2の分割素子が、2つ以上の分割形状に挟まれて配置される、こととしてもよい。この場合にも、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像中において瞳孔像及びその周辺部の輝度のムラを防ぐことができるとともに、瞳孔像における輝度差を際立たせることができる。その結果、比較画像において瞳孔像のみを一層目立たせることができ、比較画像を用いた瞳孔像位置の検出精度を一層向上させることができる。 Furthermore, the first dividing element may have two or more dividing shapes of a predetermined shape provided on both sides of a line on the optical element, and the second dividing element may be arranged sandwiched between the two or more dividing shapes. In this case as well, it is possible to prevent unevenness in the brightness of the pupil image and its surroundings in the bright pupil image and the dark pupil image, and to highlight the brightness difference in the pupil image. As a result, it is possible to make only the pupil image stand out more in the comparison image, and to further improve the detection accuracy of the pupil image position using the comparison image.

また、光学素子は、所定形状で複数に分割された複数の分割部を有し、第1の分割素子及び第2の分割素子は、複数の分割部に割り当てられている、こととしてもよい。この場合にも、明瞳孔画像及び暗瞳孔画像中において瞳孔像及びその周辺部の輝度のムラを防ぐことができるとともに、瞳孔像における輝度差を際立たせることができる。その結果、比較画像において瞳孔像のみを一層目立たせることができ、比較画像を用いた瞳孔像位置の検出精度を一層向上させることができる。 The optical element may also have a plurality of division sections that are divided into a plurality of parts in a predetermined shape, and the first division element and the second division element may be assigned to the plurality of division sections. In this case as well, it is possible to prevent unevenness in the luminance of the pupil image and its surroundings in the bright pupil image and the dark pupil image, and to accentuate the luminance difference in the pupil image. As a result, it is possible to make only the pupil image more conspicuous in the comparison image, and to further improve the detection accuracy of the pupil image position using the comparison image.

またさらに、演算装置は、明瞳孔画像あるいは暗瞳孔画像を基に第1の光源あるいは第2の光源の点灯によって生じた対象者の角膜反射像の位置を算出する、こととしてもよい。かかる構成によれば、角膜反射像の位置を安定して検出することができる。Furthermore, the computing device may calculate the position of the subject's corneal reflection image caused by turning on the first light source or the second light source based on the bright pupil image or the dark pupil image. With this configuration, the position of the corneal reflection image can be detected stably.

さらにまた、演算装置は、比較画像を基に算出した瞳孔像の位置と、明瞳孔画像あるいは暗瞳孔画像を基に算出した角膜反射像の位置とを基に、対象者の視線方向を検出する、こととしてもよい。こうすれば、対象者の視線方向を安定して検出することができる。Furthermore, the computing device may detect the subject's gaze direction based on the position of the pupil image calculated based on the comparison image and the position of the corneal reflection image calculated based on the bright pupil image or the dark pupil image. In this way, the subject's gaze direction can be detected stably.

本開示の一側面は、人の画像から瞳孔を検出する瞳孔検出装置を使用用途とし、対象者の状態に関わらず瞳孔の検出精度を容易に高めることができるものである。One aspect of the present disclosure is the use of a pupil detection device that detects pupils from images of a person, and can easily improve the accuracy of pupil detection regardless of the subject's condition.

A…眼球、3A,3B…光源、1…瞳孔検出装置、2…カメラ、3…照明装置、4…制御装置(演算装置)、6…撮像素子(イメージセンサ)、8…開口部、9…光学素子、9A,9B…分割素子、21…画素、22A,22B,22C,22D…偏光子。 A...eyeball, 3A, 3B...light source, 1...pupil detection device, 2...camera, 3...illumination device, 4...control device (computing device), 6...imaging element (image sensor), 8...opening, 9...optical element, 9A, 9B...splitter element, 21...pixel, 22A, 22B, 22C, 22D...polarizer.

Claims (11)

対象者の眼を撮像することにより眼画像を取得するカメラと、
前記カメラの開口部の外側あるいは内側に設けられて前記カメラに対して前記対象者の瞳孔を第1の中心波長の光で照らす第1の光源と、
前記カメラの開口部の外側あるいは内側に設けられて前記カメラに対して前記対象者の瞳孔を第1の中心波長と異なる第2の中心波長で照らす第2の光源と、
前記眼画像を処理する演算装置とを備え、
前記カメラは、
互いに異なる少なくとも2種類の角度の直線偏光の光を透過する偏光子が、隣り合う画素毎に取り付けられたイメージセンサと、
前記第1の中心波長の光を通過させるバンドパスフィルタと所定角度の直線偏光を透過する第1の偏光子とが組み合わされた第1の分割素子と、前記第2の中心波長の光を通過させるバンドパスフィルタと前記所定角度と異なる角度の直線偏光を透過する第2の偏光子とが組み合わされた第2の分割素子とが、前記開口部と前記イメージセンサとの間において前記開口部に沿って分割して設けられた光学素子と、
を有し、
前記演算装置は、
前記眼画像のうちの前記隣り合う画素の輝度を基に、前記第1の中心波長の光に対応する輝度を計算し、計算した前記輝度を組み合わせて前記対象者の瞳孔が比較的明るく写った明瞳孔画像を取得し、
前記眼画像のうちの前記隣り合う画素の輝度を基に、前記第2の中心波長の光に対応する輝度を計算し、計算した前記輝度を組み合わせて前記対象者の瞳孔が比較的暗く写った暗瞳孔画像を取得し、
前記明瞳孔画像と前記暗瞳孔画像とを比較した比較画像を基に前記対象者の瞳孔像の位置を算出する、
瞳孔検出装置。
A camera that captures an image of a subject's eye to obtain an eye image;
a first light source provided outside or inside an opening of the camera and configured to illuminate the pupil of the subject with light of a first central wavelength with respect to the camera;
a second light source provided outside or inside the opening of the camera and illuminating the pupil of the subject with a second central wavelength different from the first central wavelength with respect to the camera;
a computing device for processing the eye image,
The camera includes:
An image sensor in which a polarizer that transmits linearly polarized light having at least two different angles is attached to each of adjacent pixels;
an optical element in which a first dividing element is combined with a bandpass filter that passes light of the first central wavelength and a first polarizer that transmits linearly polarized light at a predetermined angle, and a second dividing element is combined with a bandpass filter that passes light of the second central wavelength and a second polarizer that transmits linearly polarized light at an angle different from the predetermined angle, are provided along the opening between the opening and the image sensor;
having
The computing device includes:
calculating a luminance corresponding to light of the first central wavelength based on the luminance of the adjacent pixels in the eye image, and combining the calculated luminances to obtain a bright pupil image in which the pupil of the subject is relatively bright;
calculating a luminance corresponding to light of the second central wavelength based on the luminance of the adjacent pixels in the eye image, and combining the calculated luminances to obtain a dark pupil image in which the pupil of the subject is relatively dark;
calculating a position of the pupil image of the subject based on a comparison image obtained by comparing the bright pupil image with the dark pupil image;
Pupil detection device.
前記第1の偏光子の透過する光の偏光方向と、前記第2の偏光子の透過する光の偏光方向とは、略直交する、
請求項1記載の瞳孔検出装置。
The polarization direction of light transmitted through the first polarizer and the polarization direction of light transmitted through the second polarizer are substantially perpendicular to each other.
2. The pupil detection device according to claim 1.
前記イメージセンサにおいては、互いに異なる4種類の角度の直線偏光の光を透過する偏光子が、隣り合う4つの画素毎に取り付けられており、
前記演算装置は、
前記眼画像における前記隣り合う4つの画素のうちの少なくとも2つの画素の輝度を基に、前記第1及び第2の中心波長のそれぞれの光に対応する輝度を計算する、
請求項1又は2記載の瞳孔検出装置。
In the image sensor, a polarizer that transmits linearly polarized light having four different angles is attached to every four adjacent pixels,
The computing device includes:
calculating luminances corresponding to the light of the first and second central wavelengths based on luminances of at least two pixels among the four adjacent pixels in the eye image;
3. The pupil detection device according to claim 1 or 2.
前記第1の光源は、前記カメラの開口部中心からの距離が第1の距離の位置に配置され、
前記第2の光源は、前記開口部中心からの距離が第1の距離よりも大きい第2の距離の位置に配置されている、
請求項1~3のいずれか1項に記載の瞳孔検出装置。
the first light source is disposed at a first distance from a center of an aperture of the camera;
The second light source is disposed at a second distance from the center of the opening that is greater than the first distance.
The pupil detection device according to any one of claims 1 to 3.
前記第2の分割素子は、前記第1の分割素子の内側に配置されている、
請求項1~4のいずれか1項に記載の瞳孔検出装置。
The second dividing element is disposed inside the first dividing element.
The pupil detection device according to any one of claims 1 to 4.
前記第2の分割素子が、前記開口部の中心に配置された円形形状を有し、
前記第1の分割素子が、前記第2の分割素子の外側に配置されたリング形状を有する、
請求項5に記載の瞳孔検出装置。
the second dividing element has a circular shape disposed at the center of the opening;
The first divided element has a ring shape disposed outside the second divided element.
6. The pupil detection device according to claim 5.
前記第1の分割素子及び前記第2の分割素子は、前記光学素子上の線の両側に配置されるように構成され、
前記第1の光源及び前記第2の光源は、前記開口部を両側から挟むように配置されて構成されている、
請求項1~4のいずれか1項に記載の瞳孔検出装置。
the first and second dividing elements are configured to be disposed on opposite sides of a line on the optical element;
The first light source and the second light source are arranged to sandwich the opening from both sides.
The pupil detection device according to any one of claims 1 to 4.
前記第1の分割素子が、前記光学素子上の線の両側に設けられた所定形状の2つ以上の分割形状を有し、
前記第2の分割素子が、前記2つ以上の分割形状に挟まれて配置される、
請求項7に記載の瞳孔検出装置。
the first dividing element has two or more dividing shapes of a predetermined shape provided on both sides of a line on the optical element;
The second divided element is disposed between the two or more divided shapes.
8. A pupil detection device according to claim 7.
前記光学素子は、所定形状で複数に分割された複数の分割部を有し、
前記第1の分割素子及び前記第2の分割素子は、前記複数の分割部に割り当てられている、
請求項1~4のいずれか1項に記載の瞳孔検出装置。
The optical element has a plurality of divided portions that are divided into a plurality of portions in a predetermined shape,
The first division element and the second division element are assigned to the plurality of division parts.
The pupil detection device according to any one of claims 1 to 4.
前記演算装置は、前記明瞳孔画像あるいは前記暗瞳孔画像を基に前記第1の光源あるいは第2の光源の点灯によって生じた前記対象者の角膜反射像の位置を算出する、
請求項1~9のいずれか1項に記載の瞳孔検出装置。
The arithmetic device calculates a position of a corneal reflection image of the subject caused by turning on the first light source or the second light source based on the bright pupil image or the dark pupil image.
The pupil detection device according to any one of claims 1 to 9.
前記演算装置は、前記比較画像を基に算出した前記瞳孔像の位置と、前記明瞳孔画像あるいは前記暗瞳孔画像を基に算出した前記角膜反射像の位置とを基に、前記対象者の視線方向を検出する、
請求項10に記載の瞳孔検出装置。
the arithmetic device detects the gaze direction of the subject based on a position of the pupil image calculated based on the comparison image and a position of the corneal reflection image calculated based on the bright pupil image or the dark pupil image.
The pupil detection device according to claim 10.
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