JP4140399B2 - 視線方向検出装置および視線方向検出方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、検出対象となる目の視線方向を検出する視線方向検出装置および視線方向検出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車を運転する運転者などの視線方向を非接触で検出する技術として、従来、たとえば特開平7−167618号公報に開示された技術がある。この技術は、赤外線カメラと運転者の距離を計測し、赤外線カメラとの距離関係が既知の視線計測用カメラで運転者の眼球を撮影する。視線計測用カメラで撮影された眼球の角膜反射像、瞳孔中心等の位置から視線方向を算出するものである。
【0003】
【特許文献1】
特開平7−167618号公報(4頁右欄、図1)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献1に開示された技術では、視線計測用カメラで撮影された眼球の角膜反射像や瞳孔中心等から視線方向を求めるにすぎないものである。このため、正確な視線方向を求めているとは言い難いものであった。
【0005】
そこで、本発明の課題は、視線方向を正確に検出することができる視線方向検出装置および視線方向検出方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明に係る視線方向検出装置は、検出対象となる目の視線方向を検出する視線方向検出装置において、目をそれぞれ撮像する第1撮像手段および第2撮像手段を備えるステレオカメラと、第1撮像手段および第2撮像手段で撮像された第1画像および第2画像中から、それぞれ黒目のエッジを検出するエッジ検出手段と、第1画像における黒目のエッジ部分における任意の特定点を決定する特定点決定手段と、第1画像中の特定点を通るエピポーラ直線を求め、エピポーラ直線と第2画像中におけるエッジ画像との交点に基づいて、第1画像中の特定点に対応する第2画像中の対応点を求める対応点決定手段と、第1画像中の特定点および第2画像中の対応点に基づいて、目における黒目のエッジが位置する境界平面を求める平面算出手段と、目の中心位置を求め、求められた目の中心位置および平面検出手段で検出された境界平面の法線ベクトルに基づいて、目の視線方向を求める視線方向検出手段と、を備えるものである。
【0007】
また、上記課題を解決した本発明に係る視線方向検出方法は、検出対象となる目の視線を検出する視線方向検出方法において、第1撮像手段および第2撮像手段によって、それぞれ検出対象となる目を撮像する工程と、第1撮像手段で撮像された第1画像および第2撮像手段で撮像された第2画像中から、それぞれ黒目のエッジを検出する工程と、第1画像中における黒目のエッジ部分における任意の特定点を決定する工程と、第1画像中の特定点を通るエピポーラ直線を求め、エピポーラ直線と第2画像中におけるエッジ画像との交点に基づいて、第1画像中の特定点に対応する第2画像中の対応点を求める工程と、第1画像中の特定点および第2画像中の対応点に基づいて、検出対象となる目における黒目のエッジが位置する境界平面を求める工程と、検出対象となる目の中心位置を求める工程と、境界平面の法線ベクトルを求める工程と、目の中心位置および境界平面の法線ベクトルに基づいて、目の視線方向を求めることを特徴とする。
【0008】
本発明に係る視線方向検出装置および視線方向検出方法においては、視線方向を求めるにあたり、黒目と白目の境目部分である黒目のエッジを検出し、黒目のエッジが位置する境界平面を算出し、黒目の中心を通る境界平面の法線方向を視線方向として求めている。このように、黒目の中心部分と黒目のエッジが位置する境界平面の法線を利用して、視線方向を求めているので、検出対象に非接触で正確な視線方向を検出することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。
【0010】
図1は、本発明の実施形態に係る視線方向検出装置のブロック構成図である。図1に示すように、本実施形態に係る視線方向検出装置Dは、たとえば自動車の運転席に設けられ、運転者の視線を検出するために用いられる。この視線方向検出装置Dは、ステレオカメラ1および画像処理装置2を有している。ステレオカメラ1は、第1撮像手段である第1撮像装置11および第2撮像手段である第2撮像装置12を備えている。第1撮像装置11および第2撮像装置12には、同期装置13が接続されており、それぞれ同期した状態で同一の対象物を撮像するようになっている。これらの第1撮像装置11および第2撮像装置12は、内部パラメータおよび相対的な位置関係は既知であり、同期装置13で同期が取られた状態で検出対象となる目を含む顔画像を撮像することができる。
【0011】
また、画像処理装置2は、第1エッジ画像作成部21、第2エッジ画像作成部22、三次元座標算出部23、および視線方向推定部24を有している。第1エッジ画像作成部21は、ステレオカメラ1における第1撮像装置11に接続されている。第1撮像装置11は、撮像した画像(第1画像)を第1エッジ画像作成部21に出力している。第1エッジ画像作成部21では、出力された第1画像における黒目と白目の境目部分である黒目のエッジ部分を、たとえば微分処理して第1エッジ画像を作成する。また第2エッジ画像作成部22は、ステレオカメラ1における第2撮像装置12に接続されている。第2撮像装置12は、撮像した画像(第2画像)を第2エッジ画像作成部22に出力している。第2エッジ画像作成部22では、出力された第2画像における黒目のエッジ部分を、たとえば微分処理して第2エッジ画像を作成する。これらの第1エッジ画像作成部21および第2エッジ画像作成部22によって、本発明のエッジ検出手段が構成されている。
【0012】
第1エッジ画像作成部21および第2エッジ画像作成部22は、いずれも三次元座標算出部23に接続されている。第1エッジ画像作成部21は、作成した第1エッジ画像を三次元座標算出部23に出力し、第2エッジ画像作成部22は、作成した第2エッジ画像を三次元座標算出部23に出力する。三次元座標算出部23では、第1エッジ画像作成部21から出力された第1エッジ画像および第2エッジ画像作成部22から出力された第2エッジ画像に基づいて、黒目のエッジ部分の三次元座標を算出する。この三次元座標算出部23が、本発明の特徴点決定手段、対応点決定手段、および平面算出手段として機能している。
【0013】
三次元座標算出部23は、本発明の視線方向検出手段である視線方向推定部24に接続されている。三次元座標算出部23は、算出した黒目のエッジ部分の三次元座標を視線方向推定部24に出力する。視線方向推定部24では、出力されたエッジ部分の三次元座標に基づいて、視線方向を算出する。また、この視線方向推定部24では、黒目の中心位置を算出しており、視線方向推定部24は黒目中心位置算出手段としても機能している。さらに、視線方向推定部24は、画像処理装置2の外部に設けられた図示しないモニタなどの出力手段に接続されている。視線方向推定部で推定された視線方向は、この出力手段に出力される。
【0014】
以上の構成を有する本実施形態に係る視線方向検出装置による視線方向検出方法について説明する。図2は、本実施形態に係る視線方向検出方法を示すフローチャートである。図2に示すように、視線方向の検出が開始されると、ステレオカメラ1による顔画像の撮像が行われる(S1)。顔画像の撮像は、あらかじめキャリブレーションされ、内部パラメータおよび相対的な位置関係が既知であるステレオカメラ1における第1撮像装置11および第2撮像装置12のそれぞれで同一の顔画像を撮像することによって行われる。第1撮像装置11および第2撮像装置12は、それぞれ同期装置13に接続されており、両撮像装置11,12の撮像タイミングの同期が取られている。
【0015】
顔画像を撮像したら、第1撮像装置11で撮像した画像が第1撮像装置11から第1エッジ画像作成部21に出力され、第2撮像装置12で撮像した画像が第2エッジ画像作成部22に出力される。第1エッジ画像作成部21および第2エッジ画像作成部22では、それぞれ出力された画像を微分処理して、第1エッジ画像および第2エッジ画像を生成する(S2)。両エッジ画像作成部21,22では、エッジ画像から、顔における目の部分を検出する。目の部分を検出する際には、両撮像装置11,12で撮像した第1画像、第2画像にそれぞれ次の処理を行う。
【0016】
まず、図3(a)に示す画像G中における白色に近い色の領域だけを抽出するように、画像を白で二値化してエッジ処理を施し、図3(b)に示すように白目を抽出した白色エッジ画像WGを生成する。この白色エッジ画像WGに対して、白色部分をわずかに膨張させる膨張処理を施し、図3(c)に示す白色膨張エッジ画像WEGを生成する。このような白での二値化処理を行う一方、図3(d)に示すように、黒色に近い色の領域だけを抽出するように、画像を黒で二値化してエッジ処理を施し、図3(d)に示すように黒目を抽出した黒色エッジ画像BGを生成する。この黒色エッジ画像BGに対して、白色部分を膨張させる膨張処理を施し、図3(e)に示す黒色膨張エッジ画像BEGを生成する。そして、それぞれ膨張処理を施して得られた白色膨張エッジ画像WEGおよび黒色膨張エッジ画像BEG間で、同じ座標同士の画素でAND演算を行う。その結果、図3(f)に示すように、有意となった画素が輪郭エッジとなるエッジ画像EGが生成される。
【0017】
このようにして第1画像および第2画像について第1エッジ画像および第2エッジ画像を形成したら、対応点探索による黒目輪郭上の点の三次元座標を算出する(S3)。黒目輪郭上の点の三次元座標を算出するにあたり、まず第1エッジ画像と第2エッジ画像との対応付けを行う。その対応付けのため、図4(a)に示す第1エッジ画像EG1中の黒目輪郭エッジE1における任意の特定点Mの座標を指定し、図4(b)に示すように、特定点Mに対応する対応点を通るエピポーラ直線Pを第2エッジ画像EG2上に引くことができる。このエピポーラ直線Pは、下記(1)式によって表すことができる。
【0018】
【数1】
上記(1)式における各数値のうち、座標n2(第2画像上の特定点Mの結像座標1)T以外の行列や座標等は既知である。したがって、(1)式は、座標n2を拘束する式であり、しかも座標n2を直線上に拘束することになる。一方、第1エッジ画像EG1上でも第2エッジ画像EG2上でも黒目輪郭エッジE2上の点は輪郭上の点として存在するので、両エッジ画像EG1,EG2上でそれぞれ黒目輪郭エッジE1,E2上の点となる。よって、ステップS2で作成したエッジ画像がある座標と、(1)式で求められるエピポーラ直線との交点が第1画像エッジで指定した点に対応する可能性のある第2エッジ画像EG2上の交点M1,M2となる。
【0019】
ここで、黒目輪郭のエッジは円形(またはだ円形)をなしているので、第2エッジ画像EG2上における黒目輪郭エッジE2の座標とエピポーラ直線との交点は1点あるいは2点となる。交点が1点であれば、一意的に対応点が求められるが、2点の場合には、そのいずれかを対応点として選択する必要がある。図4(b)に示すように、第2エッジ画像EG2におけるエピポーラ直線Pと黒目輪郭エッジE2の交点M1,M2の2点が対応点の候補となる場合には、第1エッジ画像における特定点の近傍の特徴と第2エッジ画像における候補となる点の特徴とを、たとえばエッジ処理前の近傍画素の特徴を比較することによって、どちらの点が対応点となるかを決定することができる。
【0020】
図5(a)は、第1エッジ画像EG1で特定点の近傍において指定した領域に対応する領域R11が設定された第1画像G1の濃淡画像を示す模式図、(b)は、第2エッジ画像EG2で対応点の候補となる交点M1,M2のそれぞれの近傍において指定した領域に対応する領域R21,R22が設定された第2画像G2の濃淡画像を示す模式図である。
【0021】
図5(a)に示す第1画像G1の濃淡画像における領域R11内の各画素の局所的な特徴量、たとえば輝度パターンを検出する一方、図5(b)に示す第2画像G2の濃淡画像における領域R21,R22内のそれぞれの局所的な輝度パターンを検出する。領域R11と領域R21との輝度パターンおよび領域R11と領域R22との輝度パターンを比較する。図5(b)に示すように、領域R11と領域R22とでは、その輝度パターンは大きく変わるのが通常であり、しかも対応点の近傍に相当する領域は、第1画像G1における領域R11と近似しているはずである。このことから、領域R11と領域R21との輝度パターンおよび領域R11と領域R22との輝度パターンを比較した結果、第2画像G2における領域R21,R22のうち、その輝度パターンが第1画像G1における領域R11の輝度パターンと類似する方を選べばよい。図5に示す例では、領域R22の方が領域R21よりも領域R1に輝度パターンが類似している。したがって、領域R22における対応点M2を第1エッジ画像EG1における任意の特定点Mに対応する点として選択することができる。
【0022】
こうして、第1エッジ画像EG1における特定点Mに対応する第2エッジ画像EG2における交点M2を対応点として決定することによって、第1画像と第2画像との対応付けが済んだら、下記(2)式および(3)式を満たす三次元座標(X,Y,Z)Tを算出する。
【0023】
【数2】
この(2)式および(3)式を満たす座標を求めることにより、黒目輪郭の三次元座標が算出される。
【0024】
こうして、黒目輪郭の三次元座標を算出したら、視線方向の推定を行う(S4)。人の視線は、黒目輪郭の中心をとおり、黒目輪郭上の点が存在している平面の法線方向になる。ステップS3では、黒目輪郭の三次元座標を算出したが、黒目輪郭(黒目のエッジ)は本発明の境界平面である平面上の点として存在している。したがって、黒目輪郭が存在する平面に直交し、かつ黒目部分の中心を通る線の方向を視線として推定することができる。
【0025】
一般的に、平面の方程式は、下記(4)式で表され、平面上の任意の3点が定まれたこの平面を決定することができる。
【0026】
a・x+b・y+c・z=d・・・(4)
また、黒目輪郭は円形(またはだ円形)を形成しているので、その中心は、下記(5)式に示すように、黒目輪郭上の点として計算した2点間の最大の点となる組の中心として算出できる。
【0027】
【数3】
したがって、(4)式および(5)式の結果に基づいて、視線方向を下記(6)式で表すことができる。
【0028】
【数4】
こうして、視線方向を推定することによって、視線方向の検出を行うことができる。
【0029】
このように、本実施形態に係る視線方向検出方法においては、まず、黒目のエッジ部分が存在する平面を求め、この境界の法線であり、かつ黒目の中心を通る直線方向を視線方向として検出している。このため、検出対象となる目に非接触で人の視線方向を確実に検出することができるので、より正確な視線方向の検出を実現することができる。
【0030】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態において、白色で二値化した白色エッジ画像と黒色で二値化した黒色エッジ画像との座標同士をAND演算する前に、白色エッジ画像および黒色エッジ画像におけるそれぞれ白色部分を膨張させる処理を施しているが、その一方のみを白色膨張させて、AND演算する態様とすることもできる。
【0031】
また、白色エッジ画像と黒色エッジ画像とを用いてエッジ画像を生成しているが、その一方のみ、たとえば白色エッジ画像のみを用いた態様とすることもできる。この態様では、膨張前の白色エッジ画像と膨張した白色膨張エッジ画像をAND演算処理することにより、エッジ画像を生成することができる。
【0032】
あるいは、上記実施形態では、黒目の中心を求める際に、黒目輪郭上の点として計算した2点間の最大の点となる組の中心を黒目の中心としているが、たとえば黒目の形状をだ円に置き換えて、演算処理を施してだ円の中心を求めて、そのだ円の中心を黒目の中心とすることもできる。
【0033】
他方、上記実施形態では、視線方向検出装置を自動車に設ける例について説明したが、入力装置として使用することにより、パソコンや家電製品などをはじめあらゆる装置の指令デバイスとしても用いることができる。
【0034】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、視線方向を正確に検出することができる視線方向検出装置および視線方向検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る視線方向検出装置のブロック構成図である。
【図2】本実施形態に係る視線方向検出方法を示すフローチャートである。
【図3】(a)は撮像手段で撮像した目の模式図、(b)は(a)の画像を白色で二値化してエッジ処理した白色エッジ画像の模式図、(c)は(b)の白色部分を膨張させた膨張処理を施した白色膨張エッジ画像の模式図、(d)は(a)の画像を黒色で二値化してエッジ処理した黒色エッジ画像の模式図、(e)は(d)の白色部分を膨張させた膨張処理を施した黒色膨張エッジ画像の模式図、(f)は(c)の画像と(e)の画像をAND演算して得られたエッジ画像の模式図である。
【図4】(a)は第1画像中における任意の特定点を説明するための模式図、(b)は第2画像における第1画像中の特定点に対応する対応点を説明するための模式図である。
【図5】(a)は第1エッジ画像で特定点の近傍において指定した領域に対応する領域が設定された第1画像の濃淡画像を示す模式図、(b)は第2エッジ画像で対応点の候補となる交点のそれぞれの近傍において指定した領域に対応する領域が設定された第2画像の濃淡画像を示す模式図である。
【符号の説明】
1…ステレオカメラ、2…画像処理装置、11…第1撮像装置、12…第2撮像装置、13…同期装置、21…第1エッジ画像作成部、22…第2エッジ画像作成部、23…三次元座標算出部、24…視線方向推定部、D…視線方向検出装置、G…画像、WG…白色エッジ画像、WEG…白色膨張エッジ画像、BG…黒色エッジ画像、BEG…黒色膨張エッジ画像、G1…第1画像、G2…第2画像、E1,E2…黒目輪郭エッジ、EG…エッジ画像、EG1…第1エッジ画像、EG2…第2エッジ画像、M…特定点、M1…交点、M2…対応点(交点)、P…エピポーラ直線。
Claims (2)
- 検出対象となる目の視線方向を検出する視線方向検出装置において、
前記目をそれぞれ撮像する第1撮像手段および第2撮像手段を備えるステレオカメラと、
前記第1撮像手段および前記第2撮像手段で撮像された第1画像および第2画像中から、それぞれ黒目のエッジを検出するエッジ検出手段と、
前記第1画像における黒目のエッジ部分における任意の特定点を決定する特定点決定手段と、
前記第1画像中の特定点を通るエピポーラ直線を求め、前記エピポーラ直線と前記第2画像中におけるエッジ画像との交点に基づいて、前記第1画像中の特定点に対応する前記第2画像中の対応点を求める対応点決定手段と、
前記第1画像中の特定点および前記第2画像中の対応点に基づいて、前記目における黒目のエッジが位置する境界平面を求める平面算出手段と、
前記黒目の中心位置および前記平面検出手段で検出された境界平面の法線ベクトルに基づいて、前記目の視線方向を求める視線方向検出手段と、
を備えることを特徴とする視線方向検出装置。 - 検出対象となる目の視線を検出する視線方向検出方法において、
第1撮像手段および第2撮像手段によって、それぞれ前記検出対象となる目を撮像する工程と、
前記第1撮像手段で撮像された第1画像および前記第2撮像手段で撮像された第2画像中から、それぞれ黒目のエッジを検出する工程と、
前記第1画像中における黒目のエッジ部分における任意の特定点を決定する工程と、
前記第1画像中の特定点を通るエピポーラ直線を求め、前記エピポーラ直線と前記第2画像中におけるエッジ画像との交点に基づいて、前記第1画像中の特定点に対応する前記第2画像中の対応点を求める工程と、
前記第1画像中の特定点および前記第2画像中の対応点に基づいて、前記検出対象となる目における黒目のエッジが位置する境界平面を求める工程と、
前記検出対象となる目の中心位置を求める工程と、
前記境界平面の法線ベクトルを求める工程と、
前記目の中心位置および前記境界平面の法線ベクトルに基づいて、前記目の視線方向を求めることを特徴とする視線方向検出方法。
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