(57)【要約】      （修正有）【課題】生体活動の計測条件が周囲の環境の影響を受けにくい、呼吸に起因する生体活動の計測システムを提供する。【解決手段】計測システムは、光源２０と、動画像を生成する撮像装置１０と、動画像を利用して被験体の生体活動を計測する画像処理回路と備える。被験体の呼吸に伴う体動の発生位置に反射マーカ４０が配置され、光源２０から、被験体に向けて光が放射されたときにおいて、撮像装置１０は、反射マーカ４０で反射された光を受けて、動画像を生成し、画像処理回路は、撮像装置１０から動画像を受け取り、複数のフレーム画像の輝度値の変化に基づいて被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する。反射マーカ４０は、平坦な支持面４１ａを有するベース４１と、各々が同一の傾斜方向を向いて支持面４１ａに対して所定の傾斜角度で傾斜し、支持面４１ａで支持された複数の反射材４２と、を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を放射する光源と、
前記光を受けて動画像を生成する撮像装置と、
前記動画像を利用して被験体の生体活動を計測する画像処理回路と
を備える計測システムであって、
前記被験体の呼吸に伴う体動の発生位置に反射マーカが配置され、前記光源から、前記被験体に向けて前記光が放射されたときにおいて、
前記撮像装置は、前記反射マーカで反射された前記光を複数の時刻において受けて、時系列の複数のフレーム画像から構成される前記動画像を生成し、
前記画像処理回路は、前記撮像装置から前記動画像を受け取り、前記複数のフレーム画像の輝度値の変化に基づいて前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測し、
前記反射マーカは、支持面を有するベースと、各々が前記支持面に対して傾斜し、前記支持面で支持された複数の反射材と、を有する、計測システム。
【請求項２】
前記反射マーカは再帰性反射マーカであり、前記複数の反射材は複数の再帰性反射材である、請求項１に記載の計測システム。
【請求項３】
前記反射マーカが前記被験体の呼吸に伴う体動の発生位置に配置されたときにおいて、
前記複数の反射材の各々の傾斜角度は前記光源に近い側から遠ざかるにつれて大きくなる、請求項１または２に記載の計測システム。
【請求項４】
前記反射マーカの側面は、前記複数の反射材に対応した複数の鋸歯を含む鋸歯状の構造を含み、前記複数の鋸歯の各々の高さは等しく、
前記反射マーカが前記被験体の呼吸に伴う体動の発生位置に配置されたときにおいて、鋸歯のピッチは、前記光源に近い側から遠ざかるにつれて小さくなる、請求項３に記載の計測システム。
【請求項５】
前記複数の反射材の各々は、曲面形状の反射面を有している、請求項４に記載の計測システム。
【請求項６】
前記曲面形状は、隣接する２つの反射材の曲面上の任意の点における法線に対する前記光の入射角度が全て等しくなる放物線によって規定される凹面鏡の形状に等しく、
前記複数の反射材の配列方向に平行な第１の方向に直交し、各反射材が延伸する第２の方向および前記第１の方向の両方に直交する第３の方向と、前記第１の方向と、にそれぞれ平行な面で切断した、前記各反射材の曲面の断面において、前記各反射材の前記撮像装置側の第１の端に位置する曲面上の点を点Ｒとし、前記各反射材の前記撮像装置とは反対側の第２の端に位置する曲面上の点を点Ｓとし、前記凹面鏡の焦点距離をｆとし、物点を点Ｃとし、像点を点Ｃ’とすると、線分ＲＳの垂直二等分線は、線分ＣＣ’の中点で前記線分ＣＣ’と直交し、かつ、前記凹面鏡の焦点は前記線分ＲＳの垂直二等分線上に位置し、かつ、前記線分ＲＳと前記線分ＣＣ’との距離が２ｆの長さである、請求項５に記載の計測システム。
【請求項７】
前記反射マーカは、所定のマーカ形状を有した開口を含むカバーをさらに有し、
平面視において、前記複数の反射材の形状は、前記所定のマーカ形状に一致する、請求項１から６のいずれかに記載の計測システム。
【請求項８】
前記光源は、赤外光線を放射する赤外線光源であり、
前記撮像装置は、可視光領域の波長を遮る光学フィルタを含む、請求項１から７のいずれかに記載の計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被験者の映像から被験者の呼吸数等の、呼吸に起因する生体活動を計測するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
カメラで被験者を撮影し、その動画像から体動や血流などの生体反応による輝度値の変化を検出し、被験者の呼吸数、心拍数等の生体活動を計測する技術が知られている（たとえば特許文献１および２）。被験者が写る画像領域は、観測者が予め指定したり、輪郭抽出技術を用いたりすることによって特定される。
【０００３】
特許文献１の呼吸モニタリング装置は、被験者を撮影した画像を局所領域に分割し、それぞれの局所領域の明度情報を解析する。そして、三種類のしきい値を用いて、被験者の胸部周辺の動きを観測しているのか、寝返りなどの非呼吸体動を観測しているかを判定する。
【０００４】
特許文献２の心拍数計測装置は、赤外線光源を搭載したカメラで被験者の顔面を撮影し、フレームごとの顔画像から、眉間の特定領域を抽出してその平均輝度を補正する。心拍数計測装置は、補正された平均輝度の時系列から補正輝度の時間的変化の波形を得て、この波形を心拍数に対応する周波数帯でフィルタリングすることで、被験者の心拍数を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２７６４４３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１３０９９６号公報
【特許文献３】特開２００７−７２５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の呼吸モニタリング装置においては、非呼吸体動の判定に必要な適切なしきい値は、撮影環境に応じて大きく変動する。たとえば観測場所の明るさの変化、室内光源の位置、外部からの入射光の有無、被撮影者以外の人や物の移動により、設定すべきしきい値が大きく変動し得る。常に適切なしきい値を求める方法がないため、しきい値が不適切な場合は、呼吸などの生体情報を求めるための領域を算出することができない。
【０００７】
特許文献２の心拍数計測装置は、被験者の顔面を撮像範囲に捉えて撮影する必要がある。特許文献１と同様、照度の変化、人の動き、外部光の入射など撮影環境が変化すると、生体活動以外の原因で、被験者が写る画像領域の輝度値が大きく変化する。このような外乱ノイズが発生すると、生体反応に起因した体動個所を特定できず、生体情報が正確に抽出できないことがある。
【０００８】
さらに、被験者の顔面がカメラから離れると被験者の生体情報を取得する精度が落ちるため、比較的近距離から被験者の顔面を撮像し続けなければならない。その結果、被験者に圧迫感を与えてしまい、計測対象となる生体活動への影響が懸念される。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、生体活動の計測条件が周囲の環境の影響を受けにくい、呼吸に起因する生体活動の計測システム（以下、「計測システム」と表記する。）を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態による計測システムは、光を放射する光源と、前記光を受けて動画像を生成する撮像装置と、前記動画像を利用して被験体の生体活動を計測する画像処理回路とを備える計測システムであって、前記被験体の呼吸に伴う体動の発生位置に反射マーカが配置され、前記光源から、前記被験体に向けて前記光が放射されたときにおいて、前記撮像装置は、前記反射マーカで反射された前記光を複数の時刻において受けて、時系列の複数のフレーム画像から構成される前記動画像を生成し、前記画像処理回路は、前記撮像装置から前記動画像を受け取り、前記複数のフレーム画像の輝度値の変化に基づいて前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測し、前記反射マーカは、支持面を有するベースと、各々が前記支持面に対して傾斜し、前記支持面で支持された複数の反射材と、を有する。
【００１１】
ある実施形態において、前記反射マーカは再帰性反射マーカであり、前記複数の反射材は複数の再帰性反射材であってもよい。
【００１２】
ある実施形態において、前記反射マーカが前記被験体の呼吸に伴う体動の発生位置に配置されたときにおいて、前記複数の反射材の各々の傾斜角度は前記光源に近い側から遠ざかるにつれて大きくなってもよい。
【００１３】
ある実施形態において、前記反射マーカの側面は、前記複数の反射材に対応した複数の鋸歯を含む鋸歯状の構造を含み、前記複数の鋸歯の各々の高さは等しく、前記反射マーカが前記被験体の呼吸に伴う体動の発生位置に配置されたときにおいて、鋸歯のピッチは、前記光源に近い側から遠ざかるにつれて小さくなってもよい。
【００１４】
ある実施形態において、前記複数の反射材の各々は、曲面形状の反射面を有していてもよい。
【００１５】
ある実施形態において、前記曲面形状は、隣接する２つの反射材の曲面上の任意の点における法線に対する前記光の入射角度が全て等しくなる放物線によって規定される凹面鏡の形状に等しくてもよく、前記複数の反射材の配列方向に平行な第１の方向に直交し、各反射材が延伸する第２の方向および前記第１の方向の両方に直交する第３の方向と、前記第１の方向と、にそれぞれ平行な面で切断した、前記各反射材の曲面の断面において、前記各反射材の前記撮像装置側の第１の端に位置する曲面上の点を点Ｒとし、前記各反射材の前記撮像装置とは反対側の第２の端に位置する曲面上の点を点Ｓとし、前記凹面鏡の焦点距離をｆとし、物点を点Ｃとし、像点を点Ｃ’とすると、線分ＲＳの垂直二等分線は、線分ＣＣ’の中点で前記線分ＣＣ’と直交し、かつ、前記凹面鏡の焦点は前記線分ＲＳの垂直二等分線上に位置し、かつ、前記線分ＲＳと前記線分ＣＣ’との距離が２ｆの長さであってもよい。
【００１６】
ある実施形態において、前記反射マーカは、所定のマーカ形状を有した開口を含むカバーをさらに有し、平面視において、前記複数の反射材の形状は、前記所定のマーカ形状に一致してもよい。
【００１７】
ある実施形態において、前記所定のマーカ形状は、三角形、ひし形または矩形であってもよい。
【００１８】
ある実施形態において、前記画像処理回路は、各フレーム画像を複数の部分領域に分割し、前記複数の部分領域の輝度値の変化に基づいて前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測してもよい。
【００１９】
ある実施形態において、前記光源は、赤外光線を放射する赤外線光源であり、前記撮像装置は、可視光領域の波長を遮る光学フィルタを含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、傾斜した複数の反射材を含む反射マーカを用いることにより、生体活動の計測条件が周囲の環境の影響を受けにくい、呼吸に起因する生体活動の計測システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】再帰性反射材に入射する光の入射角度と反射率との関係を説明するための模式図である。
【図２】実施の形態１による計測システム１００の構成を示す図である。
【図３】実施の形態１による再帰性反射マーカ４０の斜視図である。
【図４】実施の形態１による再帰性反射マーカ４０の上面図である。
【図５】実施の形態１による、カバー４３を備えた再帰性反射マーカ４０の分解斜視図である。
【図６】実施の形態１による、カバー４３を備えた再帰性反射マーカ４０の平面図である。
【図７】カバー４３の開口４４によってひし形に形成された再帰性反射材４２に光源１０からの赤外光２０ａを照射している状態を示す模式図である。
【図８】再帰性反射マーカ４０を装着した被験者１を撮影したフレーム画像１０２を示す図である。
【図９】再帰性反射マーカ４０を装着しない被験者を撮影したフレーム画像１０６を示す図である。
【図１０】複数のフレーム画像の輝度値の変化に基づいて測定された、高輝度領域１０４の振動を示すグラフである。
【図１１】再帰性反射マーカを設けずに暗い撮影環境下で撮影された複数のフレーム画像の輝度値の変化を示すグラフである。
【図１２】計測システム１００の、主として情報処理装置３０のハードウェア構成図である。
【図１３】実施の形態１による計測システム１００で行われる処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図１４】高輝度領域の輝度変化を監視するための、フレーム画像における部分領域Ｑの設定例を示す模式図である。
【図１５】可視光領域の波長を遮る光学フィルタ１１を装着したカメラ１０を示す模式図である。
【図１６】実施の形態１によるカバー４４を含む再帰性反射マーカ４０を用いた場合のフレーム画像中の反射パターン領域の輝度分布を示す模式図である。
【図１７】実施の形態２による再帰性反射マーカ４０Ａの斜視図である。
【図１８】カメラ１０（または光源２０）と２つの再帰性反射材４２との位置関係を示す模式図である。
【図１９】実施の形態２によるカバー４４を含む再帰性反射マーカ４０Ａを用いた場合のフレーム画像中の反射パターン領域の輝度分布を示す模式図である。
【図２０】実施の形態３による再帰性反射マーカ４０Ｂの斜視図である。
【図２１】隣接した２つの再帰性反射材４２の間の境界近傍に入射した光線の様子を示す模式図である。
【図２２】凹面鏡、凹面鏡の焦点、物点および像点を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
生体活動の計測条件が周囲の環境の影響を受けにくい計測システムが望まれている。例えば、再帰性反射材を用いて、被験者の呼吸に起因する生体活動を計測することが提案されている。具体的に説明すると、被験者の呼吸に伴う体動の発生位置、例えば胸部に、平坦な再帰性反射材がマーカとして配置され、赤外線光源から赤外光がマーカに向けて放射される。カメラがマーカを含む動画像を撮像し、画像処理回路が、取得された動画像を構成する複数のフレーム画像の輝度値の変化に基づいて被験者の呼吸に起因する生体活動を計測することができる。再帰性反射材をマーカとして用いることにより、マーカ領域の輝度を向上させてＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）を確保することができる。このような計測システムおよび計測方法は、例えば本出願人による未公開の特許出願である特願２０１４−１４５４７６号に開示されている。この開示内容の全てを参考のために本願明細書に援用する。なお、本明細書では、被験者は人であるとして説明するが、人以外の動物（犬や猫などのペット動物、豚やマウスなどの実験動物）であってもよい。観測対象としての動物（人を含む。）を総称して「被験体」と呼ぶことがある。
【００２３】
本願発明者の検討によると、再帰性反射材の反射率は、再帰性反射材に対する光の入射角度に強く依存する。再帰性反射材に対する光の入射角度が大きくなると反射率は著しく低下し得る。その結果、撮影画像においてマーカ領域の一部分の輝度が低下して、マーカ領域に輝度ムラが生じる可能性がある。
【００２４】
光源から再帰性反射材に光が入射する入射角度は被験者と光源との位置関係などに依存して変化し得る。図１（ａ）は、光の入射角度αが比較的小さい場合における、再帰性反射材で反射された反射光を模式的に示し、図１（ｂ）は、光の入射角度αが比較的大きい場合における、再帰性反射材で反射された反射光を模式的に示し、図１（ｃ）は、設置面（例えば胸部）に対して傾斜させて配置した単一のマーカを模式的に示している。図示するように、光の入射角度は法線ｎに対してなす角度である。再帰性反射材の領域で光源により近い部分では、図１（ａ）に示すように、再帰性反射材に対する光の入射角度αは相対的に小さく、その結果、光の反射率は高くなり、その領域では輝度を確保することができる。一方、再帰性反射材の領域で光源から遠ざかる領域では、図１（ｂ）に示すように、再帰性反射材に対する光の入射角度αは徐々に大きくなる。例えば、光源の設置位置が低い場合には、光の入射角度αは一層大きくなると考えられる。その結果、光の反射率も徐々に低下し、その領域では輝度を確保することが困難となる。マーカの輝度が十分でない場合、後述するマーカ検出に影響が及ぶ可能性がある。
【００２５】
特許文献３が、複数の傾斜面を含む再帰性反射材と、光源およびラインセンサが一体となって構成された２つのセンサユニットとを備えた座標入力装置を開示している。複数の傾斜面の傾斜角度は、光源からの光の入射角度を考慮して決定される。特許文献３によれば、道路標識等の用途で市販されている再帰性反射材の中で、再帰反射効率が比較的高いとされ、かつ、最も広角な特性を有する再帰性反射材でも、光の入射角度が３０°〜４５°以上では再帰反射効率が急激に低下するとされている。
【００２６】
このような課題を解決するために、例えば図１（ｃ）に示すように、マーカ自体を傾斜させて配置することにより、再帰性反射材に対する光の入射角度を相対的に小さくして輝度を確保することが考えられる。しかしながら、このような構成によると、マーカの高さが高くなることにより、マーカの取扱いが不便になるばかりでなく、マーカと被験者とは密着せず、それらの接触面積が小さくなることによって、マーカは生体活動に起因して発生する体動を拾うことができない恐れがある。このことは、呼吸に起因する生体活動を正確に計測できないことに繋がる。
【００２７】
本願発明者は、上記の知見に基づいて、新規な構造を備えた反射マーカを見出し、本発明に至った。本明細書では、再帰性反射マーカを計測用マーカとして主に利用する計測システムを例に実施の形態１から３を説明する。ただし、後述するように、所定の条件下では、計測用マーカは、必ずしも再帰性反射マーカでなくてもよい。
【００２８】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態による計測システムを説明する。以下の説明において、同一または類似する構成要素については同一の参照符号を付している。なお、本発明の実施の形態による計測システムは、以下で例示するものに限られない。例えば、一の実施の形態と、他の実施の形態とを組み合わせることも可能である。
【００２９】
（実施の形態１）
図２は、本実施の形態による計測システム１００の構成を示す。計測システム１００は、カメラ１０と、光源２０と、情報処理装置３０と、再帰性反射マーカ４０とを含む。計測システム１００は、被験者１の生体活動を観察するために利用される。本実施の形態では、生体活動は被験者１の呼吸であるとし、計測システム１００は所定時間内の呼吸数を計測する。図２には被験者１が示されているが、被験者１は計測システム１００に含まれない。
【００３０】
カメラ１０は、イメージセンサおよびレンズ光学系を含む、いわゆる撮像装置であり、被験者１を撮影して動画像を生成する。カメラ１０は、有線または無線で動画像のデータを情報処理装置３０に送る。
【００３１】
光源２０は光２０ａを放射する光源である。光は可視光であってもよく、不可視光（たとえば赤外光）であってもよい。本実施の形態では、赤外光を例に挙げて説明する。以下では、光２０ａを「赤外光２０ａ」と記述する。
【００３２】
情報処理装置３０は、カメラ１０が撮影した動画像のデータを受け取り、動画像を構成する複数のフレーム画像間の画像の変化を利用して被験者１の呼吸数を計測する。情報処理装置３０の動作の詳細は後述する。
【００３３】
図３は、再帰性反射マーカ４０の斜視図である。図４は、再帰性反射マーカ４０の上面図である。図５は、カバー４３を備えた再帰性反射マーカ４０の分解斜視図である。図６は、カバー４３を備えた再帰性反射マーカ４０の平面図である。図７は、カバー４３の開口４４によってひし形に形成された再帰性反射材４２に光源２０からの赤外光２０ａを照射している状態を示す。
【００３４】
再帰性反射マーカ４０は、平坦な支持面４１ａを有するベース４１と、各々が同一の傾斜方向（図３のＹ方向）を向いて支持面４１ａに対して所定の傾斜角度で傾斜し、支持面４１ａによって支持された複数の再帰性反射材４２と、を有する。なお、支持面４１ａは、再帰性反射マーカ４０が被験者１に配置されたとき、被験者１に接触する面である。本実施の形態では、再帰性反射材４２の傾斜角度は、全て等しくなるように設定されている。ただし、傾斜角度は、それぞれの再帰性反射材４２に入射する光の入射角度が最適になるように独立して設定され得る。また、再帰性反射材４２の使用枚数は、カメラ１０が配置される位置や被験者１の大きさなどを考慮し、製品仕様などによって適宜決定され得る。
【００３５】
再帰性反射材４２の形状は、図示するように典型的には略矩形であり得るが、例えば円形や楕円形であってもよい。図３のＺ方向から見た再帰性反射マーカ４０の側面は、複数の再帰性反射材４２に対応した複数の鋸歯を含む鋸歯状の構造を含んでいる。本実施の形態では、製造のし易さなどを考慮して、再帰性反射材４２の高さｈ、つまり鋸歯の高さｈ（支持面４１ａから鋸歯の頂点までの距離）を全て等しくしている。ただし、再帰性反射材４２の高さｈは、全て等しくなくても構わない。
【００３６】
再帰性反射材４２は、入射してきた光を、その入射方向に向けて反射する光学特性を有する反射材である。つまり、再帰性反射材４２に入射する光の入射角度と、再帰性反射材４２によって反射された光の出射角度とは等しい。ただしこの性質は理想的であり、実際には一部の入射方向とは異なる方向に反射され得る。本実施の形態では、光源２０の光軸とカメラ１０の光軸とを近接して配置させている。これにより、光源２０から放射された赤外光２０ａは再帰性反射材４２に反射され、その多くが赤外光２０ｂとしてカメラ１０に入射する。よって、カメラ１０は十分な光量で被験者１を撮影することができる。再帰性反射材４２として、例えばガラスビーズを塗布した布を用いることができる。
【００３７】
傾斜した複数の再帰性反射材４２を含む再帰性反射マーカ４０を用いることにより、カメラ１０から離れて配置された再帰性反射材４２に入射する光の入射角度をも小さくすることが可能となり、その再帰性反射材４２の領域の輝度の低下は抑制され得る。また、図示するような、再帰性反射材４２の鋸歯状の構造、つまり段差の構造を採用することで、図１（ｃ）に示したような単純にマーカ自体を傾斜させる場合と比べて、再帰性反射マーカ４０の高さを抑制することができる。その結果、再帰性反射マーカ４０の取扱いが不便になることも解消され、かつ、再帰性反射マーカ４０を被験者１に密着させることが可能になる。
【００３８】
図４に示すように、複数の再帰性反射材４２を傾斜させて配置すると、複数の再帰性反射材４２の輪郭が鋸歯状に乱れてしまう。その輪郭が、再帰性反射マーカ４０のマーカ形状となり、後述するパターン認識におけるパターンとして認識される。そのため、その乱れに起因して、フレーム画像において再帰性反射マーカ４０の位置が、パターン認識を用いて正確に特定されなくなるおそれがある。特に、パターンのエッジ情報を用いた検出手法を考慮すると、その影響を極力排除することが好ましい。以下で説明するように、本願発明者は、輪郭の乱れによる影響を考慮して、再帰性反射マーカ４０に改良を施した。
【００３９】
図５に示すように再帰性反射マーカ４０は、開口４４を有するカバー４３をさらに有していていることが好ましい。開口４４の形状は例えばひし形であり得るが、三角形や矩形であっても構わない。開口４４の形状がそのまま、マーカ形状になる。換言すると、開口４４の形状は、再帰性反射マーカ４０に特定の反射パターンを与える。複数の再帰性反射材４２を覆うようにカバー４３を設けることにより、図６に示すように、複数の再帰性反射材４２の輪郭は鋸歯状に乱れることはなく、その輪郭を開口４４の形状にすることができる。図示する例では、ひし形の形状を有する開口４４を含むカバー４３を利用することにより、反射パターンの形状をひし形とすることができる。
【００４０】
図７に示すように、カバー４３を備えた再帰性反射マーカ４０を用いることで、情報処理装置３０はマーカ形状を的確に捉えることができる。その結果、フレーム画像において再帰性反射マーカ４０の位置は正確に特定される。なお、フレーム画像において、隣接する２つの再帰性反射材４２の間には、段差の影響により影（輝度が低い部分）が生じる可能性がある。ただし、再帰性反射材４２の輝度が高いので、イメージセンサに投影される影の幅を抑えることで、影を目立たなくすることができる。
【００４１】
なお、図２に示すように、再帰性反射材４２を用いることにより、再帰性反射材４２に入射した外乱光２１ａは、反射光２１ｂとしてその入射方向に反射される。反射光２１ｂは実質的にカメラ１０に入射しないため、カメラ１０によって撮影される動画像は外乱光の影響を受けにくくなる。
【００４２】
計測システム１００の全体の動作を概説すると以下のとおりである。
【００４３】
まず、観測者または被験者１が、被験者１の呼吸に伴う体動の発生位置に、特定の反射パターンの形状を有する再帰性反射マーカ４０を配置する。光源２０が赤外光で被験者１を照射すると、カメラ１０は再帰性反射マーカ４０で反射された赤外光を受けて、被験者１の動画像を撮影する。
【００４４】
例えば図８は、再帰性反射マーカ４０を装着した被験者１を撮影したフレーム画像１０２を示す。画像中央部の高輝度領域（白い領域）１０４が、再帰性反射マーカ４０からの反射光が検出された領域である。なお、所定のマーカ形状を有した再帰性反射マーカ４０を用いた場合、その形状に対応した形状の高輝度領域が画像中に視認される。参考として、図９は、再帰性反射マーカ４０を装着しない被験者を撮影したフレーム画像１０６を示す。再帰性反射マーカ４０が存在しない場合には撮影されたフレーム画像内の輝度変化は非常に小さいと言える。図８および図９には、複数の縦線および横線が示されているが、これは画像処理のために仮想的に設けられた境界線である。本明細書では、境界線によって区画される画像の領域を、画像の「部分領域」と呼ぶ。図８には、部分領域Ｐが例示されている。なお、部分領域Ｐの境界線は理解の便宜のため強調して表示されている。
【００４５】
情報処理装置３０は、図８に示されるような、動画像を構成する時系列の各複数のフレーム画像を解析して、複数のフレーム画像の輝度値の変化に基づいて被験者１の体動を検出する。より具体的に説明すると、情報処理装置３０は、図８に示す高輝度領域１０４を複数のフレーム画像にわたって検出する。平静時の被験者１の体動は呼吸に起因して発生するため、高輝度領域１０４の位置が呼吸の周期に合わせて変化（振動）する。情報処理装置３０は、高輝度領域１０４の振動の１周期を１呼吸周期として、所定期間にわたって呼吸周期の数をカウントすることにより、その期間における被験者１の呼吸数（ｂｐｍ）を計測することができる。呼吸数（ｂｐｍ）は６０／呼吸周期（ｓ）で表される。
【００４６】
本明細書においては、主として呼吸数を計測する例を説明する。しかしながら、呼吸数は被験者の呼吸に起因する生体活動の一例であり、被験者の呼吸に起因する他の生体活動を計測してもよい。本明細書では、被験者の呼吸動作を計測し、呼吸による体動から呼吸に起因する波形（呼吸波形に相当する波形）を導出する。典型的には、その波形を利用して評価可能な他の生体活動、たとえば、呼吸の深さ、乱れ、無呼吸期間、無呼吸期間が発生する頻度などの生体活動は、本明細書において、計測対象である生体活動の範疇である。
【００４７】
図１０は、複数のフレーム画像の輝度値の変化に基づいて測定された、高輝度領域１０４の振動を示す。再帰性反射マーカ４０を用いて観測される波形は暗い撮影環境下でも呼吸による体動を精度よく測定することが可能である。つまり、輝度値を利用して体動、すなわち呼吸を測定することが可能である。参考として、図１１は、再帰性反射マーカを設けずに暗い撮影環境下で撮影された複数のフレーム画像の輝度値の変化を示す。再帰性反射マーカが存在しないことにより、画像内の輝度変化はもともと小さく、そのため複数のフレーム画像にわたって輝度値の変化を観測してもノイズの影響が非常に大きい。よって計測する必要がある体動の波形がノイズに埋もれている。なお、図１０と図１１では、縦軸のスケールは数倍程度異なっていることに留意されたい。理解の便宜のため、図１１でのスケールは図１０よりも大きくしている。換言すれば、再帰性反射マーカ４０を用いる方（図１０）が、用いない方（図１１）よりも、信号対雑音比（ＳＮＲ）に優れていることを意味する。
【００４８】
本実施の形態の計測方法によれば、再帰性反射マーカ４０を利用することにより、赤外光の反射光量を十分確保して撮影を行うことができる。その結果、被験者１とカメラ１０とを、たとえば６ｍ程度離して設置することができる。また、計測する部屋を暗くすることができる。これにより、被験者１への圧迫感を軽減しつつ、観測場所の明るさの変化、室内光源の位置、外部からの入射光の有無の影響を受けにくい環境下、つまりノイズの影響が小さい環境下で撮影を行うことが可能になる。よって生体活動をより正確に計測することが可能になる。さらに、上述した側面が鋸歯状の再帰性反射マーカ４０を利用することにより、再帰性反射材４２に入射する光の入射角度を小さくすることが可能となり、再帰性反射材４２の反射率を維持することができる。
【００４９】
図１２は、計測システム１００の、主として情報処理装置３０のハードウェア構成の例を示す。本実施の形態では、情報処理装置３０はカメラ１０、およびディスプレイ３２と接続されている。情報処理装置３０は、カメラ１０から、撮影された動画像のデータを受け取る。またディスプレイ３２は、処理の結果である、被験者１の生体活動である呼吸の数の計測結果を表示する。例えば、高輝度領域が検出されないことにより、カメラ１０の撮影方向が適切でないと判断した場合には、情報処理装置３０はディスプレイ３２に警告を表示してもよい。
【００５０】
情報処理装置３０は、ＣＰＵ３０１と、ＲＯＭ３０２と、ＲＡＭ３０３と、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）３０４と、インタフェース（Ｉ／Ｆ）３０５と、画像処理回路３０６とを有する。ＣＰＵ３０１は情報処理装置３０の動作を制御する。ＲＯＭ３０２は、コンピュータプログラムを格納している。コンピュータプログラムは、たとえば後述するフローチャートによって示される処理をＣＰＵ３０１または画像処理回路３０６に行わせるための命令群である。ＲＡＭ３０３は、ＣＰＵ３０１による実行にあたって、コンピュータプログラムを展開するためのワークメモリである。ＨＤＤ３０４は、カメラ１０から受信した動画像のデータ、または計測された被験者１の呼吸数のデータを格納する記憶装置である。
【００５１】
Ｉ／Ｆ３０５は、情報処理装置３０がカメラ１０から動画像のデータを受け取るためのインタフェースである。情報処理装置３０が有線のネットワーク経由で動画像のデータを受け取る場合には、Ｉ／Ｆ３０５はたとえばイーサネット（登録商標）端子である。情報処理装置３０が無線のネットワーク経由で動画像のデータを受け取る場合には、Ｉ／Ｆ３０５はたとえばＷｉ−Ｆｉ（登録商標）規格に準拠した通信を行う送受信回路である。またはＩ／Ｆ３０５は、有線の映像入力端子であってもよい。
【００５２】
画像処理回路３０６は、動画像のデータを解析する、いわゆるグラフィックスプロセッサである。画像処理回路３０６は、動画像の各フレーム画像の高輝度領域を検出し、高輝度領域の振動に基づいて体動を検出し、体動の振動波形に基づいて呼吸数をカウントする。
【００５３】
本実施の形態ではＣＰＵ３０１とは別に画像処理回路３０６を設けているが、これは一例である。例えば、ＣＰＵ３０１と画像処理回路３０６とを統合した集積回路を用いてもよいし、後述する画像処理回路３０６の処理の一部を、ＣＰＵ３０１が行ってもよい。
【００５４】
図１３は、計測システム１００で行われる処理の手順の一例を示す。
【００５５】
ステップＳ１において、カメラ１０が、再帰性反射マーカ４０が配置された被験者１を撮影する。撮影された動画像は情報処理装置３０に送られる。
【００５６】
ステップＳ２において、情報処理装置３０の画像処理回路３０６は、撮影した動画像を構成する複数のフレーム画像の各々を、複数の部分領域に分割する。部分領域（たとえば図８の部分領域Ｐ）は、たとえば横６４画素、縦６４画素の大きさを有する。なお「分割する」とは、実際の動作として分割する必要はない。たとえば画像を切り出す単位または処理を行う単位として部分領域のサイズを設定する、という動作も、ここで言う「分割する」動作に含まれ得る。
【００５７】
ステップＳ３において、画像処理回路３０６は、各部分領域の輝度値に基づいて、再帰性反射マーカ４０が存在する部分領域、および生体反応による体動箇所を含む部分領域を特定する。より具体的に説明する。再帰性反射マーカ４０が存在する部分領域は、各フレーム画像内で特定され得る。一方、体動箇所を含む部分領域は、複数のフレーム画像にわたって、すなわち複数のフレーム画像間で特定され得る。
【００５８】
再帰性反射マーカ４０が存在する部分領域は以下の処理によって特定される。たとえば、画像処理回路３０６は、再帰性反射マーカ４０が存在する場合に観測される部分領域の輝度値の情報を、予めＲＯＭ３０２に保持している。この情報を輝度値の閾値として利用し、閾値以上の輝度値を有する部分領域を、再帰性反射マーカ４０が存在する部分領域として特定する。
【００５９】
このときの輝度値は、部分領域に含まれる各画素の輝度値の積算値であってもよいし、平均値であってもよい。輝度値の積算値および平均値のいずれを採用するかに応じて、閾値もまた変化し得る。
【００６０】
一方、体動箇所を含む部分領域は以下の処理によって特定される。上述のように、再帰性反射マーカ４０からの反射光が観測される領域は、生体反応（呼吸）による体動により変動する。いま、各フレーム画像に関して、ある共通の座標位置に存在する部分領域Ｑに着目する。図１４（ａ）および（ｂ）は、異なる時刻に撮影された２枚のフレーム画像における部分領域Ｑの例を示す。図１４（ａ）および（ｂ）に示す領域Ｒは、再帰性反射マーカ４０からの反射光が検出されている高輝度領域であるとする。呼吸に伴う体動により、部分領域Ｑが、高輝度領域になったりならなかったりする。
【００６１】
図１４（ｃ）は、このときの部分領域Ｑの輝度値の変化を示す。複数のフレーム画像にわたって時系列的に部分領域Ｑの輝度を観測すると、ある閾値Ｔを超えるフレーム画像群と、超えないフレーム画像群とが交互に存在する。
【００６２】
図１３のステップＳ３において、体動箇所を含む部分領域は、図１４（ｃ）に示す輝度変化を示す座標位置の部分領域Ｑとして特定される。そして、部分領域Ｑに含まれる画素群を一まとまりとして、輝度値の演算（画像処理）が行われる。
【００６３】
ステップＳ４において、画像処理回路３０６は、体動箇所を含む部分領域Ｑの平均輝度値をフレーム画像毎に算出する。
【００６４】
ステップＳ５において、画像処理回路３０６は、算出したフレーム画像毎の平均輝度値を利用して被験者の呼吸数をカウントする。算出した各平均輝度値は、図１０に示す波形として表現される。画像処理回路３０６は、部分領域Ｑの平均輝度値が振動することによって特定される体動の１周期を１呼吸として、所定期間内の呼吸数をカウントする。
【００６５】
以上の処理により、計測システム１００において、高い精度で呼吸数の情報を取得することができる。傾斜した複数の再帰性反射材４２を含む再帰性反射マーカ４０から反射された赤外光の光量は、光源２０から再帰性反射材４２までの距離に依存せずに十分大きいので、カメラ１０が撮影した動画像を用いると、画像内の再帰性反射マーカ４０から呼吸による体動を含む部分領域を特定することは容易である。
【００６６】
上述したとおり、再帰性反射マーカ４０がカバー４３を含んでいる場合、再帰性反射マーカ４０は特定の反射パターン（例えば、ひし形）を有したマーカとして機能する。反射パターンは、図８に示すように、フレーム画像において高輝度領域として確認される。画像処理回路３０６は、カメラ１０から動画像を受け取り、例えば公知のパターン認識手法を用いて、各フレーム画像における再帰性反射マーカ４０の座標位置を特定してもよい。その座標位置は、例えば図６に示される反射パターン（ひし形）の各頂点や重心の座標を意味する。例えば、パターンマッチング処理によって、フレーム画像中の反射パターンを特定することができる。画像処理回路３０６は、予め、特定の反射パターンを有する再帰性反射マーカ４０が用いられること、およびその反射パターンの特徴を示す情報（例えば、テンプレート）を、たとえばＲＯＭ３０２に保持している。画像処理回路３０６は、その反射パターンの特徴を利用して各フレーム画像にパターンマッチング処理を行い、再帰性反射マーカ４０の座標位置を特定することができる。反射パターンを利用してより確実かつより簡易に高輝度領域を検出することができる。
【００６７】
反射パターンはエッジ情報を含んでいるので、そのエッジ情報を積極的に利用して、フレーム画像における再帰性反射マーカ４０の座標位置を特定することもできる。具体的に説明すると、画像処理回路３０６は、コーナ検出法およびエッジ検出法を用いて再帰性反射マーカ４０の座標位置を特定してもよい。このような特定方法は、本出願人による未公開の特許出願である特願２０１５−１０２７２６号に記載されている。これらの開示内容の全てを参考のために本明細書に援用する。
【００６８】
画像処理回路３０６は、上述した、パターンマッチング処理およびエッジ情報を利用した処理によって特定された再帰性反射マーカ４０の座標位置に基づいて部分領域（図８を参照）を指定することができる。部分領域は、体動に伴う輝度値の変化を監視するための領域であり、体動箇所を含むように設定され得る。画像処理回路３０６は各フレーム画像を２つ以上に分割する。このとき、画像処理回路３０６は反射パターンを跨ぐ位置に境界線を設定する。さらに、境界線は、体動方向とは異なる方向に設定される。たとえばフレーム画像内で体動が上下方向に認められるとする。このとき画像処理回路３０６は、たとえば水平方向に境界線を設定して各フレーム画像を２つ以上に分割し、部分領域を設定する。
【００６９】
部分領域の設定の一例を具体的に説明する。画像処理回路３０６は反射パターンに対応した高反射領域のエッジを含む部分領域を特定する。その部分領域のサイズは、上述したように例えば横６４画素、縦６４画素であり得る。例えば画像処理回路３０６は、コーナ検出の結果から反射パターンのエッジ情報を得ることができる。そして、画像処理回路３０６は、反射パターンのエッジを含む領域を部分領域として指定する。換言すると、画像処理回路３０６は、そのエッジを跨ぐように部分領域を設定する。ここで言うエッジとは、変動方向に関して対向する複数のエッジが存在する場合にはその一方のエッジを指す。
【００７０】
画像処理回路３０６は部分領域を特定した後、部分領域の平均輝度値をフレーム画像毎に算出する。換言すると、画像処理回路３０６は、フレーム画像毎の輝度値に基づいて呼吸波形を生成する。画像処理回路３０６は、算出したフレーム画像毎の平均輝度値（呼吸波形）を利用して被験者の呼吸数をカウントすればよい。
【００７１】
〔カメラ１０の変形例〕
図１５は、可視光領域の波長を遮る光学フィルタ１１を装着したカメラ１０を示す。この光学フィルタ１１は、一般に赤外フィルタとも呼ばれる。
【００７２】
カメラ１０は光学フィルタ１１をさらに備えていてもよい。光学フィルタ１１は、光源２０から放射され、再帰性反射マーカ４０において反射された赤外光は透過するが、可視光は遮断する。光学フィルタ１１を設けることにより、赤外光以外の光、より具体的には可視光、がカメラ１０に入射することを防ぎ、それにより、撮影された動画像の輝度値の変化への影響を低減できる。可視光に起因する各フレーム画像の輝度値の変動を抑制できるため、可視光のみに起因し、生体反応に起因しない外乱ノイズの発生を低減できる。
【００７３】
本願発明者は、可視光領域の波長を遮る光学フィルタ１１を設けることは非常に有用であると考えている。その理由は、実際の撮影時には、完全な暗室環境を実現することが困難な場合が多いからである。たとえば病院で生体活動計測システム１００を動作させる場合には、夜間であったとしても常夜灯、避難誘導灯などが院内に点灯する。そのような撮影環境では光学フィルタ１１によって可視光を遮断することが好適である。
【００７４】
さらに、図１５に示す光学フィルタ１１として、可視光のみならず不要な赤外光をも遮断する光学フィルタを設けてもよい。換言すれば、光学フィルタ１１として、光源２０が放射する赤外光を通過させるバンドパスフィルタを設けてもよい。
【００７５】
まず、光源２０として急峻な波長特性を有するＬＥＤ光源を採用する。波長は、たとえば８５０ｎｍまたは９４０ｎｍ、およびそれらの近傍である。「急峻な波長特性」とは、ここでは放射される赤外光の波長の変動が小さいことを意味する。
【００７６】
光源２０に対応させて、光学フィルタ１１として、光源２０から放射される赤外光を通過させるバンドパス特性を有する光学フィルタをカメラ１０に設ける。たとえば、光源２０から放射される赤外光の波長が８５０ｎｍの場合には、８５０ｎｍの波長の赤外光を透過させる光学フィルタ１１を設ける。
【００７７】
光源２０の波長と、光学フィルタ１１の通過帯域とを一致させることにより、カメラ１０は、光源２０から放射される赤外光の波長と同じ波長の光のみに感度を持つことになる。可視光のみならず、不要な赤外光をも遮断できるため、撮影された動画像は外乱光の影響を受けない。なお、再帰性反射マーカ４０を利用しているため、光源２０から放射され、再帰性反射材４０で反射された赤外光の光量は大きい。よって、反射光の捉え易さは先に説明した態様と同じである。
【００７８】
本願発明者は、光学フィルタ１１を有したカメラ１０と、白色光源および赤外線光源と、を用いて、再帰性反射材の反射性能を計測した。再帰性反射材の反射性能（単位：ｃｄ／ｌｘ／ｍ2）の計測結果を下記の表１に示す。
【００７９】
【表１】
2017121383.tif 000003
【００８０】
再帰性反射材に入射する光の入射角度が大きくなると、再帰性反射材の反射性能が低下することが分かる。入射角度が５°から３０°に変わると、反射性能は半分以下になることが分かる。反射性能の低下は、撮影時の輝度の低下に繋がる。本実施の形態による再帰性反射マーカ４０を用いることにより、撮影時の輝度の低下を抑止することができる。
【００８１】
（実施の形態２）
図１６は、実施の形態１によるカバー４４を含む再帰性反射マーカ４０を用いた場合のフレーム画像中の反射パターン領域の輝度分布を模式的に示している。
【００８２】
実施の形態１では、再帰性反射材４２の傾斜角度は全て等しい。その場合、カメラ１０の設置位置が非常に低いと、図１６に示すように、再帰性反射マーカ４０に入射する光の入射角度は全体的に大きく、再帰性反射材４２（つまり、反射パターン）の領域のうち、カメラ１０からより離れた領域では、入射角度は一層大きくなることが想定される。実施の形態１による再帰性反射マーカ４０は、反射パターンの高輝度領域において均一な輝度を確保するという点で、使用される計測システムによっては若干不十分であるかもしれない。
【００８３】
本実施の形態による再帰性反射材４２においては、カメラ１０から遠ざかるにつれて段階的にまたは徐々に傾斜角度が大きくなるように複数の再帰性反射材４２を配置するように工夫している。以下、本実施の形態による再帰性反射マーカ４０Ａの構造を中心に説明する。
【００８４】
図１７は、本実施の形態による再帰性反射マーカ４０Ａの斜視図である。再帰性反射マーカ４０Ａは、ベース４１と、複数の再帰性反射材４２とを有する。実施の形態１と同様に、再帰性反射マーカ４０Ａは、開口を含むカバー４３をさらに有していても構わない。再帰性反射マーカ４０Ａにおいては、複数の再帰性反射材４２の各々の傾斜角度は、光源２０に近い側から遠ざかるにつれて徐々にまたは段階的に大きくなる。具体的に説明すると、再帰性反射マーカ４０Ａは、実施の形態１と同様に、Ｚ方向から見たとき、鋸歯状の構造を有している。再帰性反射材４２（つまり、鋸歯）の高さｈは全て等しく、かつ、図１７に示すように、光源に最も近い再帰性反射材４２を支持するベース４１のＹ方向における長さをｄとし、残りの再帰性反射材４２を支持するベース４１のＹ方向における長さをそれぞれｃ、ｂおよびａとすると、ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄが満足される。この幾何学的関係により、光源２０に最も近い再帰性反射材４２の傾斜角度が最も小さくなり、光源２０から最も離れた再帰性反射材４２の傾斜角度は最も大きくなる。長さａ、ｂ、ｃおよびｄは、この順番で段階的または徐々に短くなるように設定され得る。換言すると、鋸歯のピッチは、光源２０に近い側から遠ざかるにつれて段階的または徐々に小さくなる。具体的に説明すると、長さａ、ｂ、ｃおよびｄの比が、それぞれの再帰性反射材４２に入射する光の入射角度が略一致するように決定される。
【００８５】
図１８を参照して、２つの再帰性反射材４２を含む再帰性反射マーカ４０を例に、再帰性反射材４２のＹ方向における長さの比を具体的に説明する。
【００８６】
図１８は、カメラ１０（または光源２０）と２つの再帰性反射材４２との位置関係を模式的に示す。図中の点ＯをＸＹＺ座標系の原点とする。カメラ１０の位置を示す点ＣはＸ軸上に位置し、傾斜した再帰性反射材４２の一端はＹ軸上に位置している。Ｌは、再帰性反射マーカ４０のＹ軸方向の長さであり、ｈは再帰性反射材４２のＸ軸方向の長さ、つまり、再帰性反射マーカ４０の高さである。ｘは、Ｘ軸上において再帰性反射マーカ４０の高さｈの半分の位置（ｈ／２）から点Ｃまでの距離であり、点Ｃの座標は、（ｈ／２＋ｘ、０）である。ｙは、Ｙ軸において原点Ｏから再帰性反射マーカ４０の中心点までの距離である。その中心点は、再帰性反射マーカ４０のカメラ１０側の端から長さがＬ／２となる点に相当する。その中心点の座標は、（ｈ／２、ｙ）で表すことができる。
【００８７】
βは、カメラ１０側の再帰性反射材４２のＹ軸方向の長さｂと長さＬ／２との差を指している。従って、長さｂは、Ｌ／２＋βで表すことができ、カメラ１０とは反対側の再帰性反射材４２のＹ軸方向の長さａは、Ｌ／２−βで表すことができる。点Ｐは、カメラ側の再帰性反射材４２の中心点を指し、その座標は、（ｈ／２、ｙ−Ｌ／４）で表すことができる。点Ｑは、カメラ１０とは反対側の再帰性反射材４２の中心点を指し、その座標は、（ｈ／２、ｙ＋Ｌ／４）で表すことができる。
【００８８】
ここで、ｙ＞＞ｘ、かつ、Ｌ＞＞ｈであると仮定し、点Ｐおよび点Ｑへの入射角度が等しくなるβを求める。ここで、上述した「再帰性反射材４２に入射する光の入射角度が略一致する」とは、具体的には「再帰性反射材４２の中心点に入射する光の入射角度が、複数の再帰性反射材４２の間で略一致する」ことを意味する。∠ＱＣＰは式（１）で求めることができる。
∠ＱＣＰ＝ｔａｎ-1（ｙ／（ｘ−Ｌ／４））−ｔａｎ-1（ｙ／（ｘ＋Ｌ／４））    式（１）
【００８９】
∠ＱＣＰは、カメラ１０側の再帰性反射材４２と、カメラ１０とは反対側の再帰性反射材４２との角度差にも相当するので、∠ＱＣＰは、式（２）によっても表すことができる。
∠ＱＣＰ＝ｔａｎ-1（ｈ／（Ｌ／２−β））＋ｔａｎ-1（ｈ／（Ｌ／２＋β））    式（２）
【００９０】
ａｔａｎ（θ）は、θが小さいとき、ａｔａｎ（θ）≒θと近似することがでるので、式（１）および（２）から、式（３）が得られる。
ｙ／（ｘ−Ｌ／４）−ｙ／（ｘ＋Ｌ／４）＝ｈ／（Ｌ／２−β）＋ｈ／（Ｌ／２＋β）    式（３）
【００９１】
式（３）をさらに変形すると、式（４）が得られる。
ｙＬ／（ｘ2−Ｌ2／１６）＝４βｈ／（Ｌ2／４−β2）    式（４）
【００９２】
ｘ2＞＞Ｌ2／１６、かつ、Ｌ2／４＞＞β2が成立するので、式（４）は、式（５）に近似されて、最終的に、式（６）が導出される。
ｙＬ／ｘ2＝４βｈ／（Ｌ2／４）    式（５）
β＝ｙＬ3／１６ｘ2    式（６）
【００９３】
上記では２つの再帰性反射材４２が含まれる例を示したが、βはｎ個の再帰性反射材４２が含まれる場合にも拡張することができて、隣接する２つの再帰性反射材４２のＹ方向の長さの差βnは式（７）によって一般化される。再帰性反射材４２のＹ方向における長さの比をβnを用いて決定することができる。
βn＝ｙＬ3／（２ｎ3ｘ2）    式（７）
【００９４】
本実施の形態による再帰性反射マーカ４０Ａを用いることにより、光源２０から離れて位置した再帰性反射材４２に入射する光の入射角度を小さくすることが可能となり、反射パターン領域の全体において輝度を確保することができる。
【００９５】
（実施の形態３）
図１９は、実施の形態２によるカバー４４を含む再帰性反射マーカ４０Ａを用いた場合のフレーム画像中の反射パターン領域の輝度分布を模式的に示している。
【００９６】
実施の形態２では、再帰性反射材４２の傾斜角度をカメラ１０から遠ざかるにつれて大きくなるように設定することで、反射パターン領域の全体において輝度を確保している。ただし、傾斜角度は、隣接した２つの再帰性反射材４２の間の境界、つまり、段差の位置で変わるので、図示するように、反射パターン領域の一部、つまり、各境界近傍において輝度差が生じ得る。
【００９７】
本実施の形態においてはこれを考慮して、再帰性反射材の形状を工夫している。具体的に説明すると、本実施の形態による再帰性反射材は曲面形状の反射面を有している。曲面によって、段差近傍で発生し得る輝度差を抑制することができる。以下、本実施の形態による再帰性反射マーカ４０Ｂの構造を中心に説明する。
【００９８】
図２０は、本実施の形態による再帰性反射マーカ４０Ｂの斜視図である。図２１は、隣接した２つの再帰性反射材４２の間の境界近傍に入射した光線の様子を模式的に示す。
【００９９】
再帰性反射マーカ４０Ｂは、ベース４１と、複数の再帰性反射材４２とを有する。複数の再帰性反射材４２は、曲面形状の複数の反射面４２Ｓを有している。換言すると、各々が曲面形状の反射面４２Ｓを有している。曲面の形状は、隣接する２つの再帰性反射材の曲面上の任意の点における法線に対する光の入射角度が全て等しくなる放物線によって規定される凹面鏡の形状に等しくなる。実施の形態１と同様に、再帰性反射マーカ４０Ｂは、開口を含むカバー４３をさらに有していても構わない。
【０１００】
図２０のＺ方向から見た再帰性反射マーカ４０Ｂの側面は、複数の反射面４２Ｓに対応した複数の鋸歯を含む鋸歯状の構造を含んでいる。ＸＹ平面に平行な面で切断した再帰性反射マーカ４０の断面はいずれも、側面の形状と同一の鋸歯状の構造を含む。
【０１０１】
このような構成によると、図２１に示すように、隣接した２つの再帰性反射材４２の間の境界近傍において、一方の再帰性反射材４２に入射する光の入射角度α1と、他方の再帰性反射材４２に入射する光の入射角度α2との差を小さくすることができる。その結果、隣接する２つの再帰性反射材４２における反射光の反射角度を略等しくすることができるので、反射マーカ領域の各境界近傍において輝度差を小さくすることができる。
【０１０２】
図２２を参照して、再帰性反射材４２の曲面形状を具体的に説明する。
【０１０３】
図２２は、凹面鏡、凹面鏡の焦点、物点および像点を模式的に示す。ＸＹ平面における反射面４２Ｓの断面形状は、図２２に示す凹面鏡の形状に一致する。点Ｃ（カメラ位置）は物点を示し、点Ｃ’は点Ｃから出た光線が集光されて実像が形成される点（像点）を示し、Ｆは凹面鏡の焦点を示し、ｆは凹面鏡の焦点距離を示している。点Ｒは、再帰性反射材４２のカメラ側の端に対応した凹面鏡上の点に相当し、点Ｓは、再帰性反射材４２のカメラ側と反対側の端に対応した凹面鏡上の点に相当する。また、点Ｔは、線分ＳＲの垂直二等分線と線分ＣＣ’との交点を示している。
【０１０４】
上述した凹面鏡においては、点Ｃからの光線は、凹面鏡によって点Ｃ’に集光される。焦点Ｆは線分ＳＲの垂直二等分線上に位置し、かつ、線分ＳＲの垂直二等分線と線分ＣＣ’とは点Ｔで直交し、かつ、点Ｔが線分ＣＣ’の中点に一致し、かつ、線分ＳＲと線分ＣＣ’との距離が、焦点距離ｆの２倍（２ｆ）に等しくなる。換言すると、線分ＳＲの中点と点Ｔとを結ぶ線分の長さは、２ｆである。
【０１０５】
本実施の形態による再帰性反射材４２の曲面形状は、点Ｔが線分ＣＣ’の中点に一致する放物線によって決定される。この条件下では、点Ｃからの光線の入射角度は凹面鏡上で一定となる。そのため、複数の反射面４２Ｓの任意の点における法線に対する光の入射角度を全て等しくすることができる。
【０１０６】
実施の形態１から３では、再帰性反射マーカを利用した計測システムを主に説明した。ただし、本発明による他の実施の形態は、支持面に対して傾斜した複数の反射材から構成された反射マーカを利用した計測システムであり得る。反射材の傾斜角度が十分に大きい場合、例えば９０°に近い角度であるような場合、反射材に入射する光の入射角度を十分に小さくすることが可能となる。その場合、再帰性反射材を用いなくても、被験者からの十分な反射光量を確保できる。このように、図１８に示す、反射材の傾斜角度およびカメラと反射マーカとの位置関係によっては、単純な反射マーカを利用することも可能である。
【０１０７】
本明細書は、以下の項目に記載の被験体の呼吸に起因する生体活動の計測システムを開示している。
【０１０８】
〔項目１〕
光を放射する光源と、
前記光を受けて動画像を生成する撮像装置と、
前記動画像を利用して被験体の生体活動を計測する画像処理回路と
を備える計測システムであって、
前記被験体の呼吸に伴う体動の発生位置に反射マーカが配置され、前記光源から、前記被験体に向けて前記光が放射されたときにおいて、
前記撮像装置は、前記反射マーカで反射された前記光を複数の時刻において受けて、時系列の複数のフレーム画像から構成される前記動画像を生成し、
前記画像処理回路は、前記撮像装置から前記動画像を受け取り、前記複数のフレーム画像の輝度値の変化に基づいて前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測し、
前記反射マーカは、支持面を有するベースと、各々が前記支持面に対して傾斜し、前記支持面で支持された複数の反射材と、を有する、計測システム。
【０１０９】
項目１に記載の計測システムによると、生体活動の計測条件が周囲の環境の影響を受けにくい、呼吸に起因する生体活動の計測システムが提供される。
【０１１０】
〔項目２〕
前記反射マーカは再帰性反射マーカであり、前記複数の反射材は複数の再帰性反射材である、項目１に記載の計測システム。
【０１１１】
項目２に記載の計測システムによると、光源と再帰性反射マーカとを組み合わせて使用するため、周囲が暗い場合でも明るい場合でも、かつ被験体と撮像装置との距離を十分離したとしても、呼吸等の生体活動に起因する体動を、複数のフレーム画像の変化から捉えることができる。特に、傾斜した複数の再帰性反射材を含む再帰性反射マーカを用いることにより、複数のフレーム画像中の再帰性反射マーカの領域において輝度を維持することができる。
【０１１２】
〔項目３〕
前記反射マーカが前記被験体の呼吸に伴う体動の発生位置に配置されたときにおいて、
前記複数の反射材の各々の傾斜角度は前記光源に近い側から遠ざかるにつれて大きくなる、項目１または２に記載の計測システム。
【０１１３】
項目３に記載の計測システムによると、光源から離れて位置した反射材に入射する光の入射角度を小さくすることが可能となり、反射パターン領域の全体において輝度を確保することができる。
【０１１４】
〔項目４〕
前記反射マーカの側面は、前記複数の反射材に対応した複数の鋸歯を含む鋸歯状の構造を含み、前記複数の鋸歯の各々の高さは等しく、
前記反射マーカが前記被験体の呼吸に伴う体動の発生位置に配置されたときにおいて、鋸歯のピッチは、前記光源に近い側から遠ざかるにつれて小さくなる、項目３に記載の計測システム。
【０１１５】
項目４に記載の計測システムによると、光源に最も近い反射材の傾斜角度を最も小さくし、光源から最も離れた反射材の傾斜角度を最も大きくすることができる。
【０１１６】
〔項目５〕
前記複数の反射材の各々は、曲面形状の反射面を有している、項目４に記載の計測システム。
【０１１７】
項目５に記載の計測システムによると、隣接する２つの反射材の段差近傍で発生し得る輝度差を抑制することができる。
【０１１８】
〔項目６〕
前記曲面形状は、隣接する２つの反射材の曲面上の任意の点における法線に対する前記光の入射角度が全て等しくなる放物線によって規定される凹面鏡の形状に等しく、
前記複数の反射材の配列方向に平行な第１の方向に直交し、各反射材が延伸する第２の方向および前記第１の方向の両方に直交する第３の方向と、前記第１の方向と、にそれぞれ平行な面で切断した、前記各反射材の曲面の断面において、前記各反射材の前記撮像装置側の第１の端に位置する曲面上の点を点Ｒとし、前記各反射材の前記撮像装置とは反対側の第２の端に位置する曲面上の点を点Ｓとし、前記凹面鏡の焦点距離をｆとし、物点を点Ｃとし、像点を点Ｃ’とすると、線分ＲＳの垂直二等分線は、線分ＣＣ’の中点で前記線分ＣＣ’と直交し、かつ、前記凹面鏡の焦点は前記線分ＲＳの垂直二等分線上に位置し、かつ、前記線分ＲＳと前記線分ＣＣ’との距離が２ｆの長さである、項目５に記載の計測システム。
【０１１９】
項目６に記載の計測システムによると、隣接する２つの反射材の段差近傍で発生し得る輝度差を抑制することができる。
【０１２０】
〔項目７〕
前記反射マーカは、所定のマーカ形状を有した開口を含むカバーをさらに有し、
平面視において、前記複数の反射材の形状は、前記所定のマーカ形状に一致する、項目１から６のいずれかに記載の計測システム。
【０１２１】
項目７に記載の計測システムによると、画像中のマーカ形状を的確に捉えることができる。
【０１２２】
〔項目８〕
前記所定のマーカ形状は、三角形、ひし形または矩形である、項目７に記載の計測システム。
【０１２３】
項目８に記載の計測システムによると、マーカ形状のバリエーションが提供される。
【０１２４】
〔項目９〕
前記画像処理回路は、各フレーム画像を複数の部分領域に分割し、前記複数の部分領域の輝度値の変化に基づいて前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する、項目１から８のいずれかに記載の計測システム。
【０１２５】
項目９に記載の計測システムによると、処理単位として部分領域を利用することで演算処理の効率化が図れる。
【０１２６】
〔項目１０〕
前記光源は、赤外光線を放射する赤外線光源であり、
前記撮像装置は、可視光領域の波長を遮る光学フィルタを含む、項目１から９のいずれかに記載の計測システム。
【０１２７】
項目１０に記載の計測システムによると、可視光のみに起因し、生体反応に起因しない外乱ノイズの発生を低減できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明は、被験体を撮影した動画像を解析して、被験体の生体活動、特に呼吸の数を非接触で計測する計測システムとして利用することができる。
【符号の説明】
【０１２９】
１  被験者
１０  カメラ
２０  光源
３０  情報処理装置
３２  ディスプレイ
４０、４０Ａ、４０Ｂ  再帰性反射マーカ
４１  ベース
４２  再帰性反射材
４２Ｓ  曲面
４３  カバー
４４  開口
１００  計測システム
３０１  ＣＰＵ
３０２  ＲＯＭ
３０３  ＲＡＭ
３０４  ＨＤＤ
３０５  Ｉ／Ｆ
３０６  画像処理回路
【図１】
2017121383.tif 000004
【図２】
2017121383.tif 000005
【図３】
2017121383.tif 000006
【図４】
2017121383.tif 000007
【図５】
2017121383.tif 000008
【図６】
2017121383.tif 000009
【図７】
2017121383.tif 000010
【図８】
2017121383.tif 000011
【図９】
2017121383.tif 000012
【図１０】
2017121383.tif 000013
【図１１】
2017121383.tif 000014
【図１２】
2017121383.tif 000015
【図１３】
2017121383.tif 000016
【図１４】
2017121383.tif 000017
【図１５】
2017121383.tif 000018
【図１６】
2017121383.tif 000019
【図１７】
2017121383.tif 000020
【図１８】
2017121383.tif 000021
【図１９】
2017121383.tif 000022
【図２０】
2017121383.tif 000023
【図２１】
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【図２２】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年4月20日(2017.4.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の実施形態による計測システムは、光を放射する光源と、前記光を受けて動画像を生成する撮像装置と、前記動画像を利用して被験体の生体活動を計測する画像処理回路とを備える計測システムであって、前記被験体の呼吸に伴う体動の発生位置に反射マーカが配置され、前記光源から、前記被験体に向けて前記光が放射されたときにおいて、前記撮像装置は、前記反射マーカで反射された前記光を複数の時刻において受けて、時系列の複数のフレーム画像から構成される前記動画像を生成し、前記画像処理回路は、前記撮像装置から前記動画像を受け取り、前記複数のフレーム画像の輝度値の変化に基づいて前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測し、前記反射マーカは、支持面を有するベースと、各々が前記支持面に対して傾斜し、前記支持面で支持された複数の反射材と、所定のマーカ形状を有した開口を含むカバーをさらに有し、平面視において、前記複数の反射材の形状は、前記所定のマーカ形状に一致する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
ある実施形態において、前記反射面を前記反射マーカの側面に平行な面で切断した第１断面の形状は凹面鏡の第２断面の形状に一致し、前記反射マーカを前記平行な面で切断した第３断面はいずれも、前記反射マーカの側面の形状と同一であることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
ある実施形態において、前記凹面鏡においては、前記凹面鏡の焦点は、前記光源側の前記凹面鏡の前記第２断面における第１端点と前記光源とは反対側の前記凹面鏡の前記第２断面における第２端点とを結ぶ第１線分の垂直二等分線上に位置し、前記垂直二等分線は、前記光源と前記光源から放射された光が前記凹面鏡で集光されて実像が形成される像点とを結ぶ第２線分の中点で直交し、かつ、前記第１線分と前記第２線分の距離は、前記凹面鏡の焦点距離の２倍の距離に等しくなることを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１００
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１００】
図２０のＺ方向から見た再帰性反射マーカ４０Ｂの側面は、複数の反射面４２Ｓに対応した複数の鋸歯を含む鋸歯状の構造を含んでいる。ＸＹ平面に平行な面で切断した再帰性反射マーカ４０Ｂの断面はいずれも、側面の形状と同一の鋸歯状の構造を含む。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０８】
〔項目１〕
光を放射する光源と、
前記光を受けて動画像を生成する撮像装置と、
前記動画像を利用して被験体の生体活動を計測する画像処理回路と
を備える計測システムであって、
前記被験体の呼吸に伴う体動の発生位置に反射マーカが配置され、前記光源から、前記被験体に向けて前記光が放射されたときにおいて、
前記撮像装置は、前記反射マーカで反射された前記光を複数の時刻において受けて、時系列の複数のフレーム画像から構成される前記動画像を生成し、
前記画像処理回路は、前記撮像装置から前記動画像を受け取り、前記複数のフレーム画像の輝度値の変化に基づいて前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測し、
前記反射マーカは、支持面を有するベースと、各々が前記支持面に対して傾斜し、前記支持面で支持された複数の反射材と、所定のマーカ形状を有した開口を含むカバーをさらに有し、
平面視において、前記複数の反射材の形状は、前記所定のマーカ形状に一致する、計測システム。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０９】
項目１に記載の計測システムによると、生体活動の計測条件が周囲の環境の影響を受けにくい、呼吸に起因する生体活動の計測システムが提供される。
また、項目１に記載の計測システムによると、画像中のマーカ形状を的確に捉えることができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１８】
〔項目６〕
前記反射面を前記反射マーカの側面に平行な面で切断した第１断面の形状は凹面鏡の第２断面の形状に一致し、
前記反射マーカを前記平行な面で切断した第３断面はいずれも、前記反射マーカの側面の形状と同一であることを特徴とする、項目５に記載の計測システム。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１９】
項目６に記載の計測システムによると、隣接する２つの反射材の間の境界近傍において、一方の反射材に入射する光の入射角と、他方の反射材に入射する光の入射角との差を小さくすることができる。その結果、隣接する２つの反射材における反射光の反射角度を略等しくすることができるので、反射マーカ領域の段差近傍で発生し得る輝度差を抑制することができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２０】
〔項目７〕
前記凹面鏡においては、前記凹面鏡の焦点は、前記光源側の前記凹面鏡の前記第２断面における第１端点と前記光源とは反対側の前記凹面鏡の前記第２断面における第２端点とを結ぶ第１線分の垂直二等分線上に位置し、前記垂直二等分線は、前記光源と前記光源から放射された光が前記凹面鏡で集光されて実像が形成される像点とを結ぶ第２線分の中点で直交し、かつ、前記第１線分と前記第２線分の距離は、前記凹面鏡の焦点距離の２倍の距離に等しくなることを特徴とする、項目６に記載の計測システム。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２１】
項目７に記載の計測システムによると、第１線分の垂直二等分線が第２線分の中点で直交するため、光源からの光線の入射角度は凹面鏡上で一定となる。そのため、複数の反射面の任意の点における法線に対する光の入射角度を全て等しくすることができる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を放射する光源と、
前記光を受けて動画像を生成する撮像装置と、
前記動画像を利用して被験体の生体活動を計測する画像処理回路と
を備える計測システムであって、
前記被験体の呼吸に伴う体動の発生位置に反射マーカが配置され、前記光源から、前記被験体に向けて前記光が放射されたときにおいて、
前記撮像装置は、前記反射マーカで反射された前記光を複数の時刻において受けて、時系列の複数のフレーム画像から構成される前記動画像を生成し、
前記画像処理回路は、前記撮像装置から前記動画像を受け取り、前記複数のフレーム画像の輝度値の変化に基づいて前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測し、
前記反射マーカは、支持面を有するベースと、各々が前記支持面に対して傾斜し、前記支持面で支持された複数の反射材と、所定のマーカ形状を有した開口を含むカバーをさらに有し、
平面視において、前記複数の反射材の形状は、前記所定のマーカ形状に一致する、計測システム。
【請求項２】
前記反射マーカは再帰性反射マーカであり、前記複数の反射材は複数の再帰性反射材である、請求項１に記載の計測システム。
【請求項３】
前記反射マーカが前記被験体の呼吸に伴う体動の発生位置に配置されたときにおいて、
前記複数の反射材の各々の傾斜角度は前記光源に近い側から遠ざかるにつれて大きくなる、請求項１または２に記載の計測システム。
【請求項４】
前記反射マーカの側面は、前記複数の反射材に対応した複数の鋸歯を含む鋸歯状の構造を含み、前記複数の鋸歯の各々の高さは等しく、
前記反射マーカが前記被験体の呼吸に伴う体動の発生位置に配置されたときにおいて、鋸歯のピッチは、前記光源に近い側から遠ざかるにつれて小さくなる、請求項３に記載の計測システム。
【請求項５】
前記複数の反射材の各々は、曲面形状の反射面を有している、請求項４に記載の計測システム。
【請求項６】
前記反射面を前記反射マーカの側面に平行な面で切断した第１断面の形状は凹面鏡の第２断面の形状に一致し、
前記反射マーカを前記平行な面で切断した第３断面はいずれも、前記反射マーカの側面の形状と同一であることを特徴とする、請求項５に記載の計測システム。
【請求項７】
前記凹面鏡においては、前記凹面鏡の焦点は、前記光源側の前記凹面鏡の前記第２断面における第１端点と前記光源とは反対側の前記凹面鏡の前記第２断面における第２端点とを結ぶ第１線分の垂直二等分線上に位置し、前記垂直二等分線は、前記光源と前記光源から放射された光が前記凹面鏡で集光されて実像が形成される像点とを結ぶ第２線分の中点で直交し、かつ、前記第１線分と前記第２線分の距離は、前記凹面鏡の焦点距離の２倍の距離に等しくなることを特徴とする、請求項６に記載の計測システム。
【請求項８】
前記光源は、赤外光線を放射する赤外線光源であり、
前記撮像装置は、可視光領域の波長を遮る光学フィルタを含む、請求項１から７のいずれかに記載の計測システム。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２２】
2017121383.tif 000026