JP2012239661A - Heart rate/respiration rate detection apparatus, method and program - Google Patents

Heart rate/respiration rate detection apparatus, method and program Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heart rate/respiration rate detection apparatus that accurately detects the heart rate and respiration rate from image data including a face.SOLUTION: In the heart rate/respiration rate detection apparatus 1, an optical wavelength component obtaining part 11 obtains RGB components in the image data 2, and a face recognition processing part 12 extracts a face region from the image data 2. An RGB average calculation part 13 calculates an average of the RGB components in the face region, and an independent component analysis part 14 separates components of three independent signals from the average of the RGB components. An independent signal sorting part 15 determines spectrum distribution for each independent signal of the sampled face region, pairs the spectrum distributions of independent signals with high similarity, based on the similarity of waveform of the spectrum distribution, and partitions the spectrum distributions. A heart rate/respiration rate detection part 16 traces the peak frequency of each partitioned spectrum distribution, and estimates the heart rate based on the frequency value of the peak frequency whose positions of appearance converge on a frequency value axis after the lapse of a predetermined time.

Description

本発明は,人体に非接触で心拍数や呼吸数を検出する技術に関する。   The present invention relates to a technique for detecting a heart rate and a respiration rate without contact with a human body.

カメラで撮影した顔画像などから非接触で心拍数を検出する方式が知られている。例えば,首や顔などをカメラで撮影し,設定した領域の画像濃度を連続して算出し,その濃度の時間応答波形をFFT(高速フーリエ変換)処理で求めたスペクトルの極大値を呼吸数や心拍数とする方法が知られている。また,顔画像の領域内のRGBの各平均値を算出して独立成分分析(ICA)で処理した後に,1つの成分波形(第2成分波形)の周波数分析で得たピーク周波数から心拍数を推定する方法が知られている。   A method of detecting a heart rate in a non-contact manner from a face image taken with a camera is known. For example, the neck or face is photographed with a camera, the image density of the set area is calculated continuously, the time response waveform of the density is calculated by the FFT (Fast Fourier Transform) processing, and the maximum value of the spectrum is calculated as the respiratory rate or A method for setting the heart rate is known. In addition, after calculating each average value of RGB in the face image area and processing by independent component analysis (ICA), the heart rate is calculated from the peak frequency obtained by frequency analysis of one component waveform (second component waveform). An estimation method is known.

特開2005−218507号公報JP-A-2005-218507

M.Z.Poh,D.J.McDuff, and R.W.Picard,“Non−contact, Automated Cardiac Pulse Measurements Using Video Imaging and Blind Source Separation”, Opt Express, vol.18, pp.10762−10774, 2010年5月7日M.M. Z. Poh, D .; J. et al. McDuff, and R.M. W. Picard, “Non-contact, Automated Cardiac Pulse Measurements Using Video Imaging and Blind Source Separation”, Opt Express, vol. 18, pp. 10762-10774, May 7, 2010

しかし,従来技術では,以下のような課題があることが知られている。   However, it is known that the conventional technology has the following problems.

(1)カラー画像のRGBの時間応答波形を用いて周波数成分分析をした場合に,心拍信号を示す周波数成分が検出されない場合があった。   (1) When the frequency component analysis is performed using the RGB time response waveform of the color image, the frequency component indicating the heartbeat signal may not be detected.

(2)RGB波形に独立成分分析を適用すると,算出されたどの成分に心拍信号が含まれているかが不明であった。   (2) When independent component analysis is applied to an RGB waveform, it is unclear which calculated component contains a heartbeat signal.

(3)周波数分析で求めたスペクトル分布において,どのピーク周波数が心拍信号に起因するかを自動的に特定することができなかった。   (3) In the spectrum distribution obtained by frequency analysis, it was not possible to automatically identify which peak frequency was caused by the heartbeat signal.

上記の課題に鑑み,本発明は,人体に非接触で心拍・呼吸数の検出を図り,特に,画像データから抽出した時系列信号のスペクトル分布の中から,心拍信号または呼吸信号に起因するピーク周波数を特定して,心拍数や呼吸数を精度よく自動的に検出する装置を実現することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention is intended to detect the heart rate / respiration rate without contact with the human body, and in particular, from the spectral distribution of the time series signal extracted from the image data, the peak caused by the heart rate signal or the respiration signal. The purpose is to realize a device that automatically detects heart rate and respiration rate accurately by specifying the frequency.

本発明の一態様として開示する装置は,画像データから心拍数または呼吸数を検出する装置であって,1)検出対象者が撮像された画像データから複数の光波長成分の時系列データを取得する光波長成分取得部と,2)前記光波長成分の時系列データをもとに各光波長成分の平均値を算出する平均値算出部と,3)前記算出した平均値に独立成分分析を適用して複数の独立信号を求める独立成分分析部と,4)前記求めた複数の独立信号を,各独立信号の特徴が一貫して保持されるように並べ替えて区分化する独立信号ソート部と,5)前記区分化された独立信号のスペクトル分布に含まれる複数のピーク周波数の中から,一定の時間経過後に周波数値の変動が一定の範囲内に収まるピーク周波数を含む独立信号を特定して,心拍信号または呼吸信号に起因するピーク周波数を含む独立信号とする心拍数・呼吸数検出部とを備える。   An apparatus disclosed as one embodiment of the present invention is an apparatus that detects a heart rate or a respiration rate from image data, and 1) obtains time-series data of a plurality of light wavelength components from image data obtained by imaging a detection target person. An optical wavelength component acquisition unit that performs 2) an average value calculation unit that calculates an average value of each optical wavelength component based on time-series data of the optical wavelength component, and 3) an independent component analysis is performed on the calculated average value. An independent component analyzing unit that obtains a plurality of independent signals by application, and 4) an independent signal sorting unit that rearranges and classifies the obtained plurality of independent signals so that the characteristics of each independent signal are consistently maintained. And 5) identifying an independent signal including a peak frequency at which a fluctuation of a frequency value falls within a certain range after a certain period of time from among a plurality of peak frequencies included in the spectrum distribution of the segmented independent signal. Heart rate signal or And a heart rate, respiratory rate detection unit for an independent signal including the peak frequency due to No. 吸信.

開示される装置によれば,人間の顔などを撮像した画像データの光波長成分の時間応答波形から心拍信号や呼吸信号に起因するピーク周波数を特定し,心拍数や呼吸数を精度よく自動的に検出することができる。   According to the disclosed apparatus, the peak frequency caused by the heartbeat signal and the respiratory signal is identified from the time response waveform of the optical wavelength component of the image data obtained by imaging a human face and the heart rate and the respiratory rate are automatically and accurately detected. Can be detected.

本発明の一態様として開示する心拍数・呼吸数検出装置の一実施例における構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example in one Example of the heart rate and respiration rate detection apparatus disclosed as 1 aspect of this invention. 一実施例において顔認識処理で抽出される顔領域例を示す図である。It is a figure which shows the example of a face area | region extracted by face recognition processing in one Example. 一実施例において顔領域のRGB平均値に独立成分分析を適用する例を示す図である。It is a figure which shows the example which applies an independent component analysis to the RGB average value of a face area | region in one Example. 一実施例において連続してサンプリングした際の第n−1番目サンプリング時の光波長成分もとづく独立成分分析の結果(独立信号)とそのスペクトル分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the result (independent signal) of the independent component analysis based on the optical wavelength component at the time of the (n-1) th sampling at the time of sampling continuously in one Example, and its spectrum distribution. 一実施例において連続してサンプリングした際の第n番目サンプリング時の光波長成分もとづく独立成分分析の結果(独立信号)とそのスペクトル分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the result (independent signal) of the independent component analysis based on the optical wavelength component at the time of the nth sampling at the time of sampling continuously in one Example, and its spectrum distribution. 一実施例における重なり率の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept of the overlapping rate in one Example. 一実施例における独立信号のスペクトル分布の区分化の例を示す図である。It is a figure which shows the example of segmentation of the spectrum distribution of the independent signal in one Example. 一実施例における粒子フィルタによる心拍信号の周波数の検出処理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the detection process of the frequency of the heart rate signal by the particle filter in one Example. 一実施例における尤度初期値関数による粒子フィルタの粒子配置の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept of the particle | grain arrangement | positioning of the particle filter by the likelihood initial value function in one Example. 一実施例における心拍数・呼吸数検出装置の心拍数推定処理の処理フロー図である。It is a processing flowchart of the heart rate estimation process of the heart rate / respiration rate detecting device in one embodiment. 一実施例における心拍数・呼吸数検出装置の尤度初期値関数設定処理の処理フロー図である。It is a processing flowchart of the likelihood initial value function setting process of the heart rate / respiration rate detecting device in one embodiment.

以下,本発明の一態様として開示する心拍数・呼吸数検出装置について説明する。   Hereinafter, a heart rate / respiration rate detection device disclosed as one embodiment of the present invention will be described.

図1は,本発明の一態様として開示する心拍数・呼吸数検出装置の一実施例における構成例を示す図である。   FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example in an embodiment of a heart rate / respiration rate detection device disclosed as one aspect of the present invention.

心拍数・呼吸数検出装置1は,対象者の顔を含む画像データ2の光波長成分の各成分の時系列データを用いて,信号源である心拍信号または呼吸信号を特定して,対象者の心拍数または呼吸数を自動的に検出する。そのため,心拍数・呼吸数検出装置1は,光波長成分取得部11,顔認識処理部12,RGB平均値算出部13,独立成分分析(ICA)部14,独立信号ソート部15,心拍数・呼吸数検出部16,尤度初期値関数記憶部17,尤度関数設定部18を備える。   The heart rate / respiration rate detection device 1 identifies a heartbeat signal or a respiration signal as a signal source by using time-series data of each light wavelength component of the image data 2 including the face of the subject, and the subject Automatically detect heart rate or respiration rate. Therefore, the heart rate / respiration rate detection apparatus 1 includes an optical wavelength component acquisition unit 11, a face recognition processing unit 12, an RGB average value calculation unit 13, an independent component analysis (ICA) unit 14, an independent signal sorting unit 15, a heart rate / A respiration rate detection unit 16, a likelihood initial value function storage unit 17, and a likelihood function setting unit 18 are provided.

光波長成分取得部11は,カメラなどで検出対象者が撮影された画像データ2を入力し,画像データ2の複数の光波長成分の時系列データを取得する手段である。   The light wavelength component acquisition unit 11 is a means for inputting image data 2 taken by a person to be detected with a camera or the like and acquiring time series data of a plurality of light wavelength components of the image data 2.

光波長成分取得部11は,ビデオカメラなどから出力される画像データ2を入力する。なお,画像データ2を入力するデバイスはカメラ以外でもよく,また,画像データ2は,ビデオ,DVDなどのメデイアやハードディスク上に格納されている動画ファイルから切り出した画像データであってもよい。   The optical wavelength component acquisition unit 11 receives image data 2 output from a video camera or the like. The device for inputting the image data 2 may be other than the camera, and the image data 2 may be image data cut out from media such as video or DVD or a moving image file stored on the hard disk.

画像データ2は,例えば,横320画素×縦240画素の矩形で与えられる。1つの画素は,明るさの階調値(輝度)で与えられ,例えば,整数i,jで示される座標(i,j)の画素の輝度(I)の階調値は,8bitのディジタル値I(i,j)などで与えられる。画像データ2がカラー画像である場合には,1つの画素は,赤成分(R),緑成分(G),青成分(B)の階調値で与えられ,例えば,整数i,jで示される座標(i,j)の画素の赤成分(R),緑成分(G),青成分(B)の階調値は,それぞれ,ディジタル値R(i,j),G(i,j),B(i,j)などで与えられる。   The image data 2 is given, for example, as a rectangle of 320 horizontal pixels × 240 vertical pixels. One pixel is given by a brightness gradation value (luminance). For example, the gradation value (I) of a pixel at coordinates (i, j) indicated by integers i and j is an 8-bit digital value. I (i, j) or the like. When the image data 2 is a color image, one pixel is given by gradation values of a red component (R), a green component (G), and a blue component (B), and is represented by integers i and j, for example. The gradation values of the red component (R), green component (G), and blue component (B) of the pixel at the coordinate (i, j) are digital values R (i, j) and G (i, j), respectively. , B (i, j), etc.

なお,画像データ2の階調値は,RGBの組み合わせ,またはRGB値を変換して求まる他の表色系(HSV表色系,YUV表色系など)を使用してもよい。   Note that the gradation value of the image data 2 may be a combination of RGB or another color system (HSV color system, YUV color system, etc.) obtained by converting RGB values.

顔認識処理部12は,光波長成分取得部11によって取得された画像データ2に含まれている人の顔の位置や大きさを検出して,顔を含む顔領域を抽出する手段である。   The face recognition processing unit 12 is a unit that detects the position and size of a human face included in the image data 2 acquired by the light wavelength component acquisition unit 11 and extracts a face region including the face.

顔認識処理部12は,既知の顔認識処理を実行するものであり,特に1つの顔認識処理に限定されない。既知の顔認識処理では,一般的に,画像データ中に含まれる顔の位置と大きさを検出し,検出した顔の領域を矩形で抽出する。   The face recognition processing unit 12 executes a known face recognition process and is not particularly limited to one face recognition process. In known face recognition processing, generally, the position and size of a face included in image data are detected, and the detected face area is extracted as a rectangle.

図2は,顔認識処理で抽出される顔領域例を示す図である。   FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a face area extracted by the face recognition process.

画像データ2から顔領域として抽出される矩形は,例えば,図2に示すように,4個の頂点座標で表現される。例えば,顔領域は,{(i,j),(i,j),(i,j),(i,j)}と表される。 A rectangle extracted as a face area from the image data 2 is expressed by, for example, four vertex coordinates as shown in FIG. For example, the face area is represented as {(i 1 , j 1 ), (i 1 , j 2 ), (i 2 , j 1 ), (i 2 , j 2 )}.

RGB平均値算出部13は,画像データから検出された顔領域の赤成分(R),緑成分(G),青成分(B)の各色成分について平均値を算出する手段である。
RGB平均値算出部13は,例えば以下の式(1)〜(3)を用いて平均値を算出する。
The RGB average value calculation unit 13 is a means for calculating an average value for each color component of the red component (R), green component (G), and blue component (B) of the face area detected from the image data.
The RGB average value calculation unit 13 calculates the average value using, for example, the following formulas (1) to (3).

式(1)〜(3)において,Aは顔領域であり,Nは顔領域中の画素数を表し,Aのとる値は,i≦i<i,j≦j<jであり,Nのとる値は,(i−i)×(j−j)である。 In Expressions (1) to (3), A is a face area, N represents the number of pixels in the face area, and the values of A are i 1 ≦ i <i 2 and j 1 ≦ j <j 2 . Yes, the value of N is (i 2 −i 1 ) × (j 2 −j 1 ).

独立成分分析部14は,RGB平均値算出部13によって得られたRGB平均値の時間応答波形に独立成分分析(ICA)を適用して独立信号を求める手段である。   The independent component analysis unit 14 is a means for obtaining an independent signal by applying independent component analysis (ICA) to the time response waveform of the RGB average value obtained by the RGB average value calculation unit 13.

独立成分分析部14が実行する独立成分分析は,多変量解析の一手法であって,情報源となる信号が独立であると仮定し,複数の観測値の信号から,信号源を独立な成分に分離して抽出する計算手法である。独立成分分析の中で,例えばブラインド信号分離法では,次のように定式化される。   The independent component analysis performed by the independent component analysis unit 14 is a method of multivariate analysis, and it is assumed that the signal serving as the information source is independent, and the signal source is separated from the signals of a plurality of observation values. It is a calculation method that separates and extracts. In the independent component analysis, for example, in the blind signal separation method, it is formulated as follows.

時刻tにおけるn個の信号源s(t)=[s(t),s(t),…,s(t)]は,未知とする。また,観測値x(t)が,m×nの未知の混合行列Aを用いて,信号源s(t)から生成されるものとする。すなわち,
x(t)=[x(t),x(t),…,x(t)]
x(t)=As(t)
とする。時刻t=1,2,…において,観測値の系列x(1),x(2),…が観測された場合に,信号源の系列s(1),s(2),…を推定する。
N signal sources at time t s (t) = [s 1 (t), s 2 (t),..., S n (t)] T is unknown. It is also assumed that the observed value x (t) is generated from the signal source s (t) using the m × n unknown mixing matrix A. That is,
x (t) = [x 1 (t), x 2 (t),..., x m (t)] T
x (t) = As (t)
And When the observed value series x (1), x (2),... Are observed at time t = 1, 2,..., The signal source series s (1), s (2),. .

すなわち,独立成分分析では,信号源の独立性を仮定し,混合行列の推定値A'を用いて,分離信号yを求める。推定分離信号y'は,以下の式(4)で与えられる。   That is, in the independent component analysis, the independence of the signal source is assumed, and the separation signal y is obtained using the estimated value A ′ of the mixing matrix. The estimated separation signal y ′ is given by the following equation (4).

式(4)において,行列A'を正しく推定できれば,A'−1Aは単位行列となるため,信号源sと一致する。 In Equation (4), if the matrix A ′ can be correctly estimated, A ′ −1 A becomes a unit matrix and therefore coincides with the signal source s.

図3は,画像データから抽出された顔領域のRGB平均値に独立成分分析を適用する例を示す図である。   FIG. 3 is a diagram illustrating an example in which the independent component analysis is applied to the RGB average values of the face area extracted from the image data.

図3(A)に示すR,G,Bの各データは,画像データから検出された顔領域の3つの光波長成分,すなわちR成分,G成分,B成分それぞれの平均値の時系列データを示す。   Each of R, G, and B data shown in FIG. 3 (A) includes time series data of average values of three light wavelength components of the face area detected from the image data, that is, R component, G component, and B component. Show.

図3(B)は,図3(A)に示す3つの成分(R成分,G成分,B成分)の平均値の時系列データを観測値として独立成分分析を適用した場合に得られる3個の独立信号の例である。図3(B)に示すICA1,ICA2,ICA3の各データは,図3(A)に示す光波長成分の時系列データに対応する,独立信号の第1成分,第2成分,第3成分の時系列データである。なお,図3(B)に示す例では,独立信号の第3成分(ICA3)に心拍信号が分離されているとする。   FIG. 3B shows three pieces obtained when independent component analysis is applied using time series data of average values of three components (R component, G component, and B component) shown in FIG. This is an example of the independent signal. Each data of ICA1, ICA2, and ICA3 shown in FIG. 3 (B) includes the first component, the second component, and the third component of the independent signal corresponding to the time-series data of the optical wavelength components shown in FIG. 3 (A). Time series data. In the example shown in FIG. 3B, it is assumed that the heartbeat signal is separated into the third component (ICA3) of the independent signal.

独立信号ソート部15は,検出対象である心拍信号または呼吸信号が,常に同一の独立信号に含まれるように,独立成分分析で分離された独立信号をその特徴の一貫性が保たれるよう並べ替えて区分化する手段である。   The independent signal sorting unit 15 arranges the independent signals separated by the independent component analysis so that their features are consistent so that the heartbeat signal or respiratory signal to be detected is always included in the same independent signal. It is a means of segmentation instead.

独立信号分析では,分離された独立信号の出現する順番が不定となる性質がある。すなわち,心拍信号を最も多く含むと推定される独立信号が,独立成分分析により分離された複数の成分(第1成分〜第3成分)のいずれであるかを特定することができない。そこで,独立信号ソート部15は,独立成分分析で得られた独立信号の各成分(第1成分〜第3成分)をスペクトル分析してスペクトル分布を求め,各成分のスペクトル分布間の波形類似度をもとに,特定の信号(心拍信号)が含まれる独立信号の成分が常に同じグループに属するように,分離された独立信号のスペクトル分布を並び替える処理を行う。   Independent signal analysis has the property that the order in which the separated independent signals appear is indefinite. That is, it cannot be specified which of the plurality of components (first to third components) separated by the independent component analysis is the independent signal estimated to contain the most heartbeat signal. Therefore, the independent signal sorting unit 15 performs spectrum analysis on each component (first component to third component) of the independent signal obtained by the independent component analysis to obtain a spectral distribution, and the waveform similarity between the spectral distributions of the respective components. Based on the above, a process of rearranging the spectrum distribution of the separated independent signals is performed so that the components of the independent signals including a specific signal (heartbeat signal) always belong to the same group.

図4および図5は,連続してサンプリングした際の第n−1番目および第n番目のサンプリング時の光波長成分にもとづく独立成分分析の結果(独立信号)とそのスペクトル分布の例を示す図である。   FIG. 4 and FIG. 5 are diagrams showing examples of independent component analysis results (independent signals) based on optical wavelength components at the (n−1) th and nth sampling times when sampling is performed continuously and their spectral distributions. It is.

図4(A)に示すデータは,第n−1番目(現サンプリングの1つ前のサンプリング)の光波長成分に対する独立成分分析の適用により分離された独立信号ICA1n−1,ICA2n−1,ICA3n−1である。図4(B)に示すデータは,独立信号ICA1n−1,ICA2n−1,ICA3n−1それぞれのスペクトル分布SD−ICA1n−1,SD−ICA2n−1,SD−ICA3n−1である。図5(A)に示すデータは,同じく,第n番目(現サンプリング)の光波長成分に対する独立成分分析の適用により分離された独立信号例ICA1,ICA2,ICA3である。図5(B)に示すデータは,独立信号ICA1,ICA2,ICA3それぞれのスペクトル分布SD−ICA1,SD−ICA2,SD−ICA3である。 The data shown in FIG. 4A includes independent signals ICA1 n-1 and ICA2 n-1 separated by application of independent component analysis to the (n-1) th (sampling preceding the current sampling) optical wavelength component. , ICA3 n-1 . Figure 4 the data shown in (B) is independent signal ICA1 n-1, ICA2 n- 1, ICA3 n-1 of each spectral distribution SD-ICA1 n-1, SD -ICA2 n-1, SD-ICA3 n-1 It is. Similarly, the data shown in FIG. 5A are independent signal examples ICA1 n , ICA2 n , and ICA3 n separated by applying independent component analysis to the nth (current sampling) optical wavelength component. The data shown in FIG. 5B are spectral distributions SD-ICA1 n , SD-ICA2 n , and SD-ICA3 n of the independent signals ICA1 n , ICA2 n , and ICA3 n, respectively.

独立信号ソート部15は,連続してサンプリングされた独立信号を取り出して,現サンプリング時とその1つ前のサンプリング時の独立信号のスペクトル分布を求め,求めたスペクトル分布同士の波形類似度を求める。   The independent signal sorting unit 15 extracts consecutively sampled independent signals, obtains the spectral distribution of the independent signal at the current sampling and the previous sampling, and obtains the waveform similarity between the obtained spectral distributions. .

波形類似度は,以下に示す式(5)により重なり率Rpqをもとに算出される。 The waveform similarity is calculated based on the overlapping rate R pq by the following equation (5).

式(5)において,
Sp(n−1)は,第n−1番目サンプリング時の第p成分のスペクトル分布,
Sq(n)は,第n番目サンプリング時の第q成分のスペクトル分布,
max()は,カッコ()内の大きい値を出力する関数,
min()は,カッコ()内の小さい値を出力する関数
を表す。
In equation (5),
Sp (n−1) is the spectral distribution of the pth component at the (n−1) th sampling,
Sq (n) is the spectral distribution of the q-th component at the n-th sampling,
max () is a function that outputs a large value in parentheses (),
min () represents a function that outputs a small value in parentheses ().

図6は,上記の重なり率の概念を示す図である。   FIG. 6 is a diagram showing the concept of the above overlapping rate.

重なり率Rpqは,図6に示すように,2つの波形が重なった部分の面積で与えられ,形状が類似していると,その値が1に近くなる。 As shown in FIG. 6, the overlap rate R pq is given by the area of the portion where the two waveforms overlap. If the shapes are similar, the value is close to 1.

独立信号ソート部15は,第n−1番目サンプリングで得た各成分のスペクトル分布の波形と第n番目サンプリングで得た各成分のスペクトル分布の波形との重なり率Rpqを算出し,重なり率Rpqの値が高いスペクトル分布同士をペアリングして,n番目サンプリング時のスペクトル分布を並び替える。 The independent signal sorting unit 15 calculates an overlapping rate R pq between the spectral distribution waveform of each component obtained by the (n−1) th sampling and the spectral distribution waveform of each component obtained by the nth sampling, and the overlapping rate. The spectral distributions having a high R pq value are paired, and the spectral distributions at the n-th sampling are rearranged.

図7は,独立信号のスペクトル分布の区分化の例を示す図である。   FIG. 7 is a diagram illustrating an example of segmentation of the spectrum distribution of independent signals.

図7(A)は,第n−1番目サンプリングで得た各成分のスペクトル分布SD−ICA1n−1,SD−ICA2n−1,SD−ICA3n−1の出力例を示す図であり,図7(B)は,第n番目サンプリングで得た各成分のスペクトル分布SD−ICA1,SD−ICA2,SD−ICA3の出力例を示す図である。 FIG. 7A is a diagram showing an output example of the spectral distributions SD-ICA1 n-1 , SD-ICA2 n-1 , SD-ICA3 n-1 of each component obtained by the (n-1) th sampling, FIG. 7B is a diagram illustrating an output example of the spectral distributions SD-ICA1 n , SD-ICA2 n , SD-ICA3 n of each component obtained by the n-th sampling.

図7(A)および(B)に示すように,ある独立信号が,第n−1番目サンプリングによる光波長成分の独立成分分析では第3成分(ICA3n−1)に表れ,第n番目サンプリングによる光波長成分の独立成分分析では第2成分(ICA2)に表れる場合がある。したがって,心拍信号が,第n−1番目サンプリングでは第3成分(ICA3n−1)に分離され,第n番目サンプリングでは第2成分(ICA2)として分離されているため,特定の独立信号(ここでは,心拍信号)を扱いたい場合に,何番目に出力された独立信号に着目すればよいかを自動的に決めることができなかった。 As shown in FIGS. 7A and 7B, a certain independent signal appears in the third component (ICA3 n−1 ) in the independent component analysis of the optical wavelength component by the ( n−1 ) th sampling, and the nth sampling. In the independent component analysis of the light wavelength component by, there may be cases where it appears in the second component (ICA2 n ). Therefore, since the heartbeat signal is separated into the third component (ICA3 n-1 ) in the ( n-1 ) th sampling and separated as the second component (ICA2 n ) in the nth sampling, a specific independent signal ( Here, when it is desired to handle the heart rate signal), it has not been possible to automatically determine what number the independent signal output should be focused on.

独立信号ソート部15は,各独立信号のスペクトル分布を求め,求めたスペクトル分布の波形類似度を算出して,よく類似する同士を対応づけることによって独立成分分析の結果を並べ替え,波形として表れる独立信号の特徴が一貫して保持されるように,スペクトル分布を区分けする。   The independent signal sorting unit 15 obtains the spectrum distribution of each independent signal, calculates the waveform similarity of the obtained spectrum distribution, and rearranges the results of the independent component analysis by associating the similar ones with each other, and appears as a waveform. The spectral distribution is divided so that the characteristics of the independent signals are maintained consistently.

独立信号ソート部15は,例えば,第n−1番目サンプリングで得た成分ICA1n−1のスペクトル分布SD−ICA1n−1と,第n番目サンプリングで得た各成分のスペクトル分布SD−ICA1,SD−ICA2,SD−ICA3それぞれとの重なり率Rpqを計算して,最も高い値となるスペクトル分布を特定する。ここで,スペクトル分布SD−ICA1n−1について,SD−ICA3との重なり率Rpqが最も高い値であったとする。独立信号ソート部15は,スペクトル分布SD−ICA1n−1とSD−ICA3とをペアリングする。独立信号ソート部15は,同様に,SD−ICA2n−1,SD−ICA3n−1についても重なり率Rpqが高い第n番目サンプリング時のスペクトル分布を特定して,ペアリングする。 Independent signal sorting unit 15, for example, the spectral distribution SD-ICA1 n-1 component ICA1 n-1 obtained in the (n-1) -th sampling, spectral distribution SD-ICA1 n of each component obtained by the n-th sampling calculates the overlap ratio R pq the SD-ICA2 n, SD-ICA3 n respectively, identifying the spectral distribution as the highest value. Here, it is assumed that the overlap rate R pq with the SD-ICA3 n is the highest value for the spectral distribution SD-ICA1 n-1 . The independent signal sorting unit 15 pairs the spectrum distributions SD-ICA1 n-1 and SD-ICA3 n . Similarly, the independent signal sorting unit 15 also identifies and pairs the spectral distribution at the n-th sampling time when the overlap rate R pq is high for SD-ICA2 n-1 and SD-ICA3 n-1 .

さらに,独立信号ソート部15は,ペアリングをもとに第n番目サンプリング時のスペクトル分布の順序を並べ替える。これにより,図7(C)に示すように,第n番目サンプリングで得た成分のスペクトル分布の並びが,SD−ICA3,SD−ICA1,SD−ICA2の順に並び替えられる。 Further, the independent signal sorting unit 15 rearranges the order of the spectrum distribution at the n-th sampling based on the pairing. As a result, as shown in FIG. 7C, the arrangement of the spectral distributions of the components obtained by the nth sampling is rearranged in the order of SD-ICA3 n , SD-ICA1 n , SD-ICA2 n .

よって,図7(C)に示すように,特定の独立信号(心拍信号)について,第n−1番目サンプリング時の第3成分(ICA3n−1),第n番目サンプリング時の第2成分(ICA2)を特定することができる。 Therefore, as shown in FIG. 7C, for a specific independent signal (heartbeat signal), the third component (ICA3 n-1 ) at the ( n-1 ) th sampling and the second component (ICA3 n-1 ) at the nth sampling ( ICA2 n ) can be identified.

心拍数・呼吸数検出部16は,独立信号のスペクトル分布から,心拍または呼吸に起因するピーク周波数を特定して,心拍数または呼吸数を検出する手段である。   The heart rate / respiration rate detection unit 16 is a means for detecting the heart rate or respiration rate by specifying the peak frequency resulting from the heart rate or respiration from the spectrum distribution of the independent signal.

画像データ2から抽出した顔領域から独立信号の成分を求める処理を一定時間繰り返して独立信号のスペクトル分布を求めていくと,心拍信号のピーク周波数は,ピーク値の大きさや周波数値に変動はあるものの,周波数軸上のほぼ同一位置に出現する。一方,ノイズに起因するピーク周波数は,時間経過と共にランダムに出現と消滅とを繰り返す。   When the processing for obtaining the independent signal component from the face region extracted from the image data 2 is repeated for a certain period of time to obtain the spectral distribution of the independent signal, the peak frequency of the heartbeat signal varies in magnitude and frequency value. However, it appears at almost the same position on the frequency axis. On the other hand, the peak frequency caused by noise repeatedly appears and disappears with time.

そこで,心拍数・呼吸数検出部16は,時間経過に伴うスペクトル分布のピーク周波数の遷移を粒子フィルタによって追跡し,適当な時間範囲の間に出現する尤度の最も高いピーク周波数を心拍信号であると推定する。   Therefore, the heart rate / respiration rate detection unit 16 tracks the transition of the peak frequency of the spectrum distribution with the passage of time by the particle filter, and the peak frequency having the highest likelihood of appearing in an appropriate time range is detected by the heartbeat signal. Presume that there is.

粒子フィルタは,粒子の分布を尤度(=適応度)に応じて変更することによって,パラメータを推定する手法の1つである。一例として,最適解を求めるためにモンテカルロ法を用いる。粒子フィルタのアルゴリズムは,粒子の配置,移動予測,重み付け,状態推定からなる。粒子の配置では,粒子を所定の範囲に配置し,粒子の移動予測では,粒子を状態方程式にもとづいて移動させる。重み付けでは,現在の観測と粒子の状態をもとに,粒子の尤度(適用度)を計算して,重み付けを行う。すなわち,重み付けは,確率的な尤度の最大化であり,粒子の分布は確率密度を示す。 状態推定では,粒子の分布をもとに現在の状態を推定する。   The particle filter is one of the methods for estimating the parameters by changing the particle distribution according to the likelihood (= fitness). As an example, the Monte Carlo method is used to obtain an optimal solution. The particle filter algorithm consists of particle placement, movement prediction, weighting, and state estimation. In the particle arrangement, the particles are arranged in a predetermined range, and in the particle movement prediction, the particles are moved based on the equation of state. In weighting, weighting is performed by calculating the likelihood (applicability) of particles based on the current observation and particle state. That is, weighting is the stochastic likelihood maximization and particle distribution indicates the probability density. In state estimation, the current state is estimated based on the particle distribution.

心拍数・呼吸数検出部16は,粒子フィルタによって,顔領域から分離された各独立信号のスペクトル分布からピーク周波数の検出を行い,一定時間経過後にピーク周波数の周波数値軸上での変動が一定の範囲内の位置に収束するような独立信号を含むスペクトル分布(ピーク周波数が一定の周波数値内となるようなスペクトル分布)に対する検出処理のみを続行し,その他の独立信号のスペクトル分布に対する検出処理を停止する。   The heart rate / respiration rate detection unit 16 detects the peak frequency from the spectrum distribution of each independent signal separated from the face region by the particle filter, and the fluctuation of the peak frequency on the frequency value axis is constant after a certain period of time. Only detection processing for spectral distributions including independent signals that converge at positions within the range (spectral distributions where the peak frequency falls within a certain frequency value) continues, and detection processing for spectral distributions of other independent signals To stop.

具体的には,心拍数・呼吸数検出部16は,以下の式(6)により,第n番目(現)サンプリングと一定時間前の第m番目サンプリング時とのピーク周波数差の最大値fDmaxおよび最小値fDminをもとに,その成分のピーク周波数の周波数値が収束している独立信号の成分を決定する。 Specifically, the heart rate / respiration rate detection unit 16 calculates the maximum value f Dmax of the peak frequency difference between the n-th (current) sampling and the m-th sampling before a certain time by the following equation (6). Based on the minimum value f Dmin , the component of the independent signal in which the frequency value of the peak frequency of the component is converged is determined.

Dmax=max(fn−m,fn−m+1,…,f
Dmin=min(fn−m,fn−m+1,…,f
|fDmax−fDmin|<Fth ……式(6)
式(6)において,
max()は,カッコ()内の大きい値を出力する関数,
min()は,カッコ()内の小さい値を出力する関数,
thは,閾値
を表す。
f Dmax = max (f n−m , f n−m + 1 ,..., f n )
f Dmin = min (f n−m , f n−m + 1 ,..., f n )
| F Dmax −f Dmin | <F th ...... Expression (6)
In equation (6),
max () is a function that outputs a large value in parentheses (),
min () is a function that outputs a small value in parentheses (),
F th represents a threshold value.

これにより,心拍数・呼吸数検出部16は,独立成分分析部14によって分離された複数の独立成分の中から,着目する信号(ここでは,心拍信号)が含まれる独立成分を特定することができ,さらに,後述する処理により,特定した独立成分のスペクトル分布から心拍信号を検出して心拍数を推定することが可能となる。   Thereby, the heart rate / respiration rate detection unit 16 can specify an independent component including a signal of interest (here, a heart rate signal) from among a plurality of independent components separated by the independent component analysis unit 14. In addition, the heart rate can be estimated by detecting the heartbeat signal from the spectral distribution of the specified independent component by the processing described later.

図8は,粒子フィルタによる心拍信号の周波数の検出処理を説明するための図である。   FIG. 8 is a diagram for explaining the processing for detecting the frequency of the heartbeat signal by the particle filter.

図8(A)は,第n−1番目サンプリング時に得られた,ある独立成分のスペクトル分布を示す図である。図8(A)に示すスペクトル分布では,心拍数・呼吸数検出部16は,着目区間uにおいてピーク周波数(心拍信号の周波数)を検出して,検出したピーク周波数が心拍信号の周波数であると推定している。   FIG. 8A is a diagram showing a spectrum distribution of a certain independent component obtained at the (n-1) th sampling. In the spectrum distribution shown in FIG. 8A, the heart rate / respiration rate detection unit 16 detects the peak frequency (frequency of the heartbeat signal) in the section of interest u, and the detected peak frequency is the frequency of the heartbeat signal. Estimated.

図8(B)は,粒子フィルタの粒子配置例を示す図である。心拍数・呼吸数検出部16は,図8(A)に示すスペクトル分布においてピーク周波数を検出している場合に,図8(B)の上部に示すように,粒子フィルタの粒子を配置済みであるとする。   FIG. 8B is a diagram illustrating a particle arrangement example of the particle filter. When the peak frequency is detected in the spectrum distribution shown in FIG. 8A, the heart rate / respiration rate detection unit 16 has already arranged the particles of the particle filter as shown in the upper part of FIG. 8B. Suppose there is.

図8(C)は,第n番目サンプリングにおけるスペクトル分布を示す図である。心拍数・呼吸数検出部16は,図8(C)に示す第n番目サンプリングにおけるスペクトル分布から,ピーク周波数(心拍信号の周波数)を検出する。   FIG. 8C shows a spectral distribution in the nth sampling. The heart rate / respiration rate detection unit 16 detects the peak frequency (frequency of the heartbeat signal) from the spectrum distribution in the nth sampling shown in FIG.

心拍数・呼吸数検出部16は,図8(B)の上部に示すように,第n−1番目サンプリングにおけるスペクトル分布のピーク周波数の位置に配置されている粒子フィルタの粒子1個を選択し,同粒子の周波数軸上の位置を中心とする着目区間uを決定する(図8(A)参照)。次に,心拍数・呼吸数検出部16は,図8(B)の下部に示すように,正規乱数に従って粒子の遷移先を決定する。   As shown in the upper part of FIG. 8B, the heart rate / respiration rate detection unit 16 selects one particle of the particle filter arranged at the peak frequency position of the spectrum distribution in the (n-1) th sampling. , And determine a section of interest u centered on the position of the particle on the frequency axis (see FIG. 8A). Next, as shown in the lower part of FIG. 8B, the heart rate / respiration rate detection unit 16 determines a particle transition destination according to a normal random number.

心拍数・呼吸数検出部16は,遷移先の粒子の位置を中心とする切り出し区間vを,第n番目サンプリングのスペクトル分布上で設定する。そして,心拍数・呼吸数検出部16は,図8(A)に示す第n−1番目サンプリングにおけるスペクトル分布でのピーク周波数から定めた着目区間uと,図8(C)に示す第n番目サンプリングにおけるスペクトル分布でのピーク周波数から定めた切り出し区間vとに含まれるスペクトル波形を,図8(D)に示すようにそれぞれ抽出し,抽出した波形同士の類似度を算出する。   The heart rate / respiration rate detection unit 16 sets a cut-out section v centered on the position of the transition destination particle on the spectrum distribution of the nth sampling. Then, the heart rate / respiration rate detection unit 16 includes a section of interest u determined from the peak frequency in the spectral distribution in the (n−1) th sampling shown in FIG. 8 (A) and the nth th shown in FIG. 8 (C). Spectral waveforms included in the segmented section v determined from the peak frequency in the spectral distribution in sampling are extracted as shown in FIG. 8D, and the similarity between the extracted waveforms is calculated.

抽出した波形の類似度の算出方法は,独立信号ソート部15が実行する類似度算出手法と同一の処理を実行する。心拍数・呼吸数検出部16は,求めた類似度を,遷移先の粒子の尤度とする。第a個目の粒子の尤度(a)Ruvは,以下の式(7)で算出される。 The extracted waveform similarity calculation method performs the same processing as the similarity calculation method executed by the independent signal sorting unit 15. The heart rate / respiration rate detection unit 16 uses the obtained similarity as the likelihood of the transition destination particle. The likelihood (a) Ruv of the a-th particle is calculated by the following equation (7).

心拍数・呼吸数検出部16は,全粒子(個数A)について同じ処理を繰り返し,全ての粒子について尤度(a)Ruvを求める。 The heart rate / respiration rate detection unit 16 repeats the same processing for all particles (number A), and obtains the likelihood (a) Ruv for all particles.

そして,心拍数・呼吸数検出部16は,全ての粒子の尤度の総和が1になるように正規化し,各粒子の尤度(a)Ruvを,重み(a)wへ変換する。以下の式(8)により,各粒子の周波数軸上の位置と重みから,重み付き平均Fを求める。 Then, the heart rate / respiration rate detection unit 16 normalizes the sum of the likelihoods of all the particles to be 1, and converts the likelihood (a) Ruv of each particle into a weight (a) w. The weighted average F t is obtained from the position and weight on the frequency axis of each particle by the following equation (8).

式(8)において,
(a)wは,第a個目の粒子の重み,
(a)fは,第a個目の粒子の遷移先の周波数(心拍数),
minは,心拍数の下限,
maxは,心拍数の上限
を表す。
In equation (8),
(A) w is the weight of the a-th particle,
(A) f is the frequency (heart rate) of the transition destination of the a-th particle,
f min is the lower limit of the heart rate,
f max represents the upper limit of the heart rate.

心拍数・呼吸数検出部16は,式(8)で求めた重み付平均Fを,第n番目(現)サンプリングにおける心拍信号の周波数の推定値とする。 Heart rate and respiratory rate detection unit 16, the average F t with weights determined by the equation (8), the estimated value of the frequency of the heartbeat signal at the n-th (current) sampling.

最後に,心拍数・呼吸数検出部16は,第n+1番目(次)サンプリング時に使用する粒子フィルタの粒子の配置を決定する。粒子の重みと全粒子数Aを用いて粒子数を,以下の式(9)で与える。   Finally, the heart rate / respiration rate detection unit 16 determines the particle arrangement of the particle filter used at the (n + 1) th (next) sampling. Using the particle weight and the total particle number A, the particle number is given by the following equation (9).

(a)n=N・(a)w …… 式(9)
式(9)において,心拍数・呼吸数検出部16は,粒子の尤度が大きい順に上記の式を用いて粒子数を増加させる。または,心拍数・呼吸数検出部16は,この処理を合計粒子数がA個になるまで繰り返し,もし,得られた粒子の個数がA個以下の場合には,A個になるまで粒子を発生させる。
(A) n = N · (a) w ...... Formula (9)
In equation (9), the heart rate / respiration rate detection unit 16 increases the number of particles using the above equation in descending order of the likelihood of particles. Alternatively, the heart rate / respiration rate detection unit 16 repeats this process until the total number of particles becomes A. If the number of obtained particles is A or less, the particles are detected until the number becomes A. generate.

以上の粒子フィルタの処理によって,第n+1番目(次)サンプリング時には,粒子フィルタの粒子が,現状態のピーク周波数(心拍信号の周波数)付近に多く配置されて存在することになる。したがって,次サンプリングにおいても,粒子フィルタの粒子が多数の粒子が存在する心拍信号周波数付近から遷移するので,心拍数・呼吸数検出部16は,着目している周波数を高精度に追跡することができる。   By the above particle filter processing, at the time of the (n + 1) th (next) sampling, many particles of the particle filter are arranged near the current peak frequency (frequency of the heartbeat signal). Therefore, even in the next sampling, the particle filter particles transition from the vicinity of the heartbeat signal frequency where a large number of particles are present, so that the heart rate / respiration rate detection unit 16 can track the frequency of interest with high accuracy. it can.

尤度初期値関数記憶部17は,心拍数・呼吸数検出部16の粒子フィルタの尤度初期値関数を,検出対象となるユーザまたは画像データの撮像時間帯に対応づけて保持する記憶手段である。本例では,尤度初期値関数記憶部17は,例えば,第1記憶部または第2記憶部であり,尤度初期値関数テーブルとして実施される。   The likelihood initial value function storage unit 17 is a storage unit that holds the likelihood initial value function of the particle filter of the heart rate / respiration rate detection unit 16 in association with the user to be detected or the imaging time zone of the image data. is there. In this example, the likelihood initial value function storage unit 17 is, for example, a first storage unit or a second storage unit, and is implemented as a likelihood initial value function table.

尤度関数設定部18は,検出対象となる画像データに撮像されているユーザまたは撮像時間帯をもとに,尤度初期値関数記憶部17から尤度初期値関数を選択して粒子フィルタに設定する手段である。   The likelihood function setting unit 18 selects a likelihood initial value function from the likelihood initial value function storage unit 17 based on the user or the imaging time zone captured in the image data to be detected and uses it as a particle filter. It is a means for setting.

なお,尤度初期値関数記憶部17により,ユーザ別に尤度初期値関数が設定される場合には,予め,ユーザの識別情報と,その顔領域の特徴情報とが対応づけられて保持されているものとする。   When the likelihood initial value function is set for each user by the likelihood initial value function storage unit 17, the identification information of the user and the feature information of the face area are stored in association with each other in advance. It shall be.

尤度初期値関数記憶部17を備えて,検出対象のユーザまたは撮像時間帯に応じた尤度初期値関数を粒子フィルタに与えることによって,心拍信号のピーク周波数を特定するときの検出精度を向上させることができる。   The likelihood initial value function storage unit 17 is provided, and the detection accuracy when the peak frequency of the heartbeat signal is specified is improved by giving the particle filter a likelihood initial value function corresponding to the user to be detected or the imaging time zone. Can be made.

図9は,尤度初期値関数による粒子フィルタの粒子配置の概念を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing a concept of particle arrangement of the particle filter by the likelihood initial value function.

図9(A)は,尤度初期値関数が特に指定されない場合の粒子フィルタの粒子配置の概念を示す図である。   FIG. 9A is a diagram showing the concept of particle arrangement of the particle filter when the likelihood initial value function is not particularly specified.

心拍数・呼吸数検出部16は,処理開始時には,スペクトル分布においてピーク周波数の出現位置が不明であるため,図9(A)に示すように,粒子フィルタの処理の初期状態として,粒子を周波数軸上に均一に配置する。   Since the position where the peak frequency appears in the spectrum distribution is unknown at the start of processing, the heart rate / respiration rate detection unit 16 uses the particle frequency as the initial state of the particle filter processing as shown in FIG. Distribute uniformly on the axis.

図9(B)は,ユーザ別に尤度初期値関数を設定する場合の尤度初期値関数記憶部17を概念的に示す図である。   FIG. 9B is a diagram conceptually showing the likelihood initial value function storage unit 17 when setting the likelihood initial value function for each user.

尤度初期値関数記憶部17では,ユーザの識別情報と,そのユーザに設定されている尤度関数の初期値とが対応づけて記憶されている。   The likelihood initial value function storage unit 17 stores user identification information and the initial value of the likelihood function set for the user in association with each other.

検出対象のユーザ別に尤度初期値関数が設定されている場合は,顔認識処理部12は,
入力された画像データ2から顔領域を検出し,その顔領域から検出対象となっているユーザ(識別情報)を特定する。そして,尤度関数設定部18は,尤度初期値関数記憶部17から,特定されたユーザの識別情報に対応する尤度初期値関数を選択し,粒子フィルタに与える尤度関数を決定する。
When the likelihood initial value function is set for each user to be detected, the face recognition processing unit 12
A face area is detected from the input image data 2, and a user (identification information) as a detection target is specified from the face area. The likelihood function setting unit 18 selects a likelihood initial value function corresponding to the identified user identification information from the likelihood initial value function storage unit 17 and determines a likelihood function to be given to the particle filter.

図9(C)は,ユーザ別および時間帯別に尤度初期値関数を設定する場合の尤度初期値関数記憶部17を概念的に示す図である。   FIG. 9C is a diagram conceptually illustrating the likelihood initial value function storage unit 17 in the case where the likelihood initial value function is set for each user and for each time period.

図9(C)に示す尤度初期値関数記憶部17では,ユーザの識別情報と時間帯に対応付けて尤度関数の初期値が記憶されている。ここでは,午前,午後,夜間の3時間帯に区分されているが,この例に限らず,より細かい時間帯に区分されていてもよい。   The likelihood initial value function storage unit 17 shown in FIG. 9C stores the initial value of the likelihood function in association with the user identification information and the time zone. Here, it is divided into three time zones of morning, afternoon and night, but is not limited to this example, and may be divided into finer time zones.

検出対象のユーザ別および画像データが撮像された時間帯別に尤度初期値関数が設定されている場合は,顔認識処理部12が,画像データ2から検出した顔領域をもとにユーザ(識別情報)を特定し,尤度関数設定部18が,時間帯を以下のようにして決定する。   When the likelihood initial value function is set for each user to be detected and each time zone when the image data is captured, the face recognition processing unit 12 identifies the user (identification) based on the face area detected from the image data 2. Information) is specified, and the likelihood function setting unit 18 determines the time zone as follows.

尤度関数設定部18は,光波長成分取得部11が,画像データ2がカメラなどによってリアルタイムに測定されているものである場合には測定中の時刻をもとに時間帯を決定し,画像データ2がメディアで取得されているものである場合には画像データ2に付加されている撮像時刻をもとに時間帯を決定して,ユーザの識別情報と時間帯とに対応する尤度初期値関数を選択する。   The likelihood function setting unit 18 determines the time zone based on the time during measurement when the optical wavelength component acquisition unit 11 is the one in which the image data 2 is measured in real time by a camera or the like. When the data 2 is acquired by the media, the time zone is determined based on the imaging time added to the image data 2, and the initial likelihood corresponding to the user identification information and the time zone is determined. Select a value function.

図10は,心拍数・呼吸数検出装置1の心拍数推定処理の処理フロー図である。   FIG. 10 is a process flow diagram of the heart rate estimation process of the heart rate / respiration rate detection apparatus 1.

光波長成分取得部11は,カメラなどで撮像された画像データ2を入力する(ステップS1)。次に,顔認識処理部12は,顔認識処理により,入力された画像データ2のサンプリングフレームから顔領域(矩形領域)を検出する(ステップS2)。そして,RGB平均値算出部13は,検出された顔領域内のRGB成分各々の平均値を算出する(ステップS3)。   The optical wavelength component acquisition unit 11 inputs image data 2 captured by a camera or the like (step S1). Next, the face recognition processing unit 12 detects a face area (rectangular area) from the sampling frame of the input image data 2 by face recognition processing (step S2). Then, the RGB average value calculation unit 13 calculates the average value of each of the RGB components in the detected face area (step S3).

独立成分分析部14は,RGB成分の平均値に独立成分分析(ICA)を適用して,3個の独立信号(成分)を算出する(ステップS4)。次に独立信号ソート部15は,独立成分分析で求めた3個の独立信号のスペクトル分布を算出する(ステップS5)。さらに,独立信号ソート部15は,前サンプリング(第n−1番目サンプリング)と現サンプリング(第n番目サンプリング)の3個の独立信号の間で,それぞれのスペクトル分布の類似度を求め,類似度が最も高いもの同士でペアリングし,独立信号のスペクトル分布を区分化する(ステップS6)。   The independent component analysis unit 14 calculates the three independent signals (components) by applying independent component analysis (ICA) to the average value of the RGB components (step S4). Next, the independent signal sorting unit 15 calculates the spectrum distribution of the three independent signals obtained by the independent component analysis (step S5). Further, the independent signal sorting unit 15 obtains the similarity of each spectral distribution between the three independent signals of the pre-sampling (the (n-1) th sampling) and the current sampling (the nth sampling). Are paired together, and the spectrum distribution of the independent signal is segmented (step S6).

心拍数・呼吸数検出部16は,区分化されたスペクトル分布ごとに,粒子フィルタでピーク周波数をトラッキングし(ステップS7),ピーク周波数の周波数値が収束したものを特定する(ステップS8)。さらに,心拍数・呼吸数検出部16は,特定した独立信号のスペクトル分布でのピーク周波数の周波数値をもとに心拍数を推定し,出力する(ステップS9)。   The heart rate / respiration rate detection unit 16 tracks the peak frequency with a particle filter for each segmented spectrum distribution (step S7), and identifies the peak frequency frequency value converged (step S8). Further, the heart rate / respiration rate detection unit 16 estimates and outputs the heart rate based on the frequency value of the peak frequency in the spectrum distribution of the specified independent signal (step S9).

図11は,心拍数・呼吸数検出装置1の尤度初期値関数設定処理の処理フロー図である。   FIG. 11 is a process flow diagram of the likelihood initial value function setting process of the heart rate / respiration rate detection apparatus 1.

顔認識処理部12は,入力された画像データ2のサンプリングフレームから検出した顔領域(矩形領域)をもとに,ユーザID(識別情報)を取得する(ステップS10)。尤度関数設定部18は,尤度初期値関数記憶部17から該当するユーザIDの尤度初期値関数を読み込み(ステップS11),心拍数・呼吸数検出部16の粒子フィルタの初期状態として,読み込んだ尤度初期値関数を設定する(ステップS12)。   The face recognition processing unit 12 acquires a user ID (identification information) based on the face area (rectangular area) detected from the sampling frame of the input image data 2 (step S10). The likelihood function setting unit 18 reads the likelihood initial value function of the corresponding user ID from the likelihood initial value function storage unit 17 (step S11), and as an initial state of the particle filter of the heart rate / respiration rate detection unit 16, The read likelihood initial value function is set (step S12).

以上の実施例として,心拍数・呼吸数検出装置1により心拍数を検出する場合の処理を説明したが,心拍数・呼吸数検出装置1は,心拍数の検出の処理と同様の処理によって呼吸数を検出することも可能である。   In the above-described embodiment, the processing when the heart rate / respiration rate detecting device 1 detects the heart rate has been described. However, the heart rate / respiratory rate detecting device 1 performs respiration by the same processing as the heart rate detection processing. It is also possible to detect the number.

また,心拍数・呼吸数検出装置1は,CPUおよびメモリ等を有するハードウェアとソフトウェアプログラムとを備えるコンピュータ・システム,または,専用ハードウェアによって実現することができる。すなわち,心拍数・呼吸数検出装置1は,演算装置(CPU),一時記憶装置(DRAM,フラッシュメモリ等)および永続性記憶装置(HDD,フラッシュメモリ等)を有し,外部とデータの入出力をするコンピュータによって実施することができる。   The heart rate / respiration rate detection device 1 can be realized by a computer system including hardware having a CPU and a memory and a software program, or dedicated hardware. That is, the heart rate / respiration rate detection device 1 includes a calculation device (CPU), a temporary storage device (DRAM, flash memory, etc.) and a permanent storage device (HDD, flash memory, etc.), and inputs / outputs data to / from the outside. It can be implemented by a computer that performs.

また,心拍数・呼吸数検出装置1は,このコンピュータが実行可能なプログラムによっても実施することができる。この場合に,心拍数・呼吸数検出装置1が有すべき機能の処理内容を記述したプログラムが提供される。提供されたプログラムを上記コンピュータが実行することによって,上記説明した心拍数・呼吸数検出装置1の処理機能がコンピュータ上で実現される。なお,上記コンピュータは,可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り,そのプログラムに従った処理を実行することもできる。さらに,上記プログラムは,コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。   The heart rate / respiration rate detection apparatus 1 can also be implemented by a program executable by the computer. In this case, a program describing the processing contents of the functions that the heart rate / respiration rate detecting device 1 should have is provided. When the computer executes the provided program, the processing function of the heart rate / respiration rate detecting apparatus 1 described above is realized on the computer. The computer can also read a program directly from a portable recording medium and execute processing according to the program. Furthermore, the program can be recorded on a computer-readable recording medium.

以上説明したように,開示する心拍数・呼吸数検出装置1によれば,以下のような効果を奏する。   As described above, according to the disclosed heart rate / respiration rate detection apparatus 1, the following effects are obtained.

(1) 複数の信号および各信号のスペクトル分布の中から,心拍信号や呼吸信号に起因するピーク周波数を特定し,心拍数や呼吸数を精度よく検出することができる。   (1) A peak frequency caused by a heartbeat signal or a respiration signal can be identified from a plurality of signals and a spectrum distribution of each signal, and a heart rate and a respiration rate can be accurately detected.

(2) カラー画像の撮影可能な小型カメラによる画像データ2の取得が可能であり,検出対象者に非接触にデータを取得できるため,装置を安価に構成することができる。   (2) Since the image data 2 can be acquired by a small camera capable of taking a color image and the data can be acquired in a non-contact manner to the detection target person, the apparatus can be configured at low cost.

1 心拍数・呼吸数検出装置
11 光波長成分取得部
12 顔認識処理部
13 RGB平均値算出部
14 独立成分分析部
15 独立信号ソート部
16 心拍数・呼吸数検出部
17 尤度初期値関数記憶部
18 尤度関数設定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heart rate / respiration rate detection device 11 Optical wavelength component acquisition unit 12 Face recognition processing unit 13 RGB average value calculation unit 14 Independent component analysis unit 15 Independent signal sorting unit 16 Heart rate / respiration rate detection unit 17 Likelihood initial value function storage Part 18 Likelihood function setting part

Claims (9)

画像データから心拍数または呼吸数を検出する装置であって,
検出対象者が撮像された画像データから複数の光波長成分の時系列データを取得する光波長成分取得部と,
前記光波長成分の時系列データをもとに各光波長成分の平均値を算出する平均値算出部と,
前記算出した平均値に独立成分分析を適用して複数の独立信号を求める独立成分分析部と,
前記求めた複数の独立信号を,各独立信号の特徴が一貫して保持されるように並べ替えて区分化する独立信号ソート部と,
前記区分化された独立信号のスペクトル分布に含まれる複数のピーク周波数の中から,一定の時間経過後に周波数値の変動が一定の範囲内に収まるピーク周波数を含む独立信号を特定して,心拍信号または呼吸信号に起因するピーク周波数を含む独立信号とする心拍数・呼吸数検出部とを備える
ことを特徴とする心拍数・呼吸数検出装置。
A device for detecting heart rate or respiratory rate from image data,
An optical wavelength component acquisition unit that acquires time-series data of a plurality of optical wavelength components from image data obtained by imaging a detection target person;
An average value calculation unit for calculating an average value of each light wavelength component based on the time-series data of the light wavelength component;
An independent component analyzer that obtains a plurality of independent signals by applying independent component analysis to the calculated average value;
An independent signal sorting unit that rearranges and classifies the plurality of obtained independent signals so that characteristics of each independent signal are consistently maintained;
From among a plurality of peak frequencies included in the spectrum distribution of the segmented independent signal, an independent signal including a peak frequency at which a fluctuation of a frequency value falls within a certain range after a certain period of time is specified, and a heartbeat signal Or a heart rate / respiration rate detection unit that provides an independent signal including a peak frequency resulting from the respiration signal.
前記心拍数・呼吸数検出部が,前記特定された独立信号のスペクトル分布に含まれるピーク周波数の周波数値をもとに,前記検出対象者の心拍数または呼吸数を推定する
ことを特徴とする請求項1に記載の心拍数・呼吸数検出装置。
The heart rate / respiration rate detecting unit estimates a heart rate or a respiration rate of the detection target person based on a frequency value of a peak frequency included in a spectrum distribution of the specified independent signal. The heart rate / respiration rate detection device according to claim 1.
前記独立信号ソート部が,時系列上前後に取得された前記独立信号のスペクトル分布の波形類似度を求め,波形類似度が高いスペクトル分布をペアリングして,前記求めた複数の独立信号を区分化する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の心拍数・呼吸数検出装置。
The independent signal sorting unit obtains the waveform similarity of the spectrum distribution of the independent signal acquired before and after the time series, and pairs the spectrum distributions having a high waveform similarity to classify the obtained independent signals. The heart rate / respiration rate detection device according to claim 1 or 2, wherein the heart rate / respiration rate detection device is provided.
前記心拍数・呼吸数検出部が,心拍信号または呼吸信号に起因するピーク周波数を特定する際に,スペクトル分布の所定の周波数値の範囲内に含まれる波形を用いる
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の心拍数・呼吸数検出装置。
2. The waveform included in a range of a predetermined frequency value of a spectrum distribution when the heart rate / respiration rate detection unit specifies a peak frequency caused by a heart rate signal or a respiration signal. The heart rate / respiration rate detecting device according to any one of claims 3 to 4.
前記心拍数・呼吸数検出部が,前記区分化された独立信号のスペクトル分布に含まれる複数のピーク周波数の変動を粒子フィルタにより追跡し,前記粒子フィルタにおいて前記スペクトル分布における波形の重なり率を尤度とする
ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の心拍数・呼吸数検出装置。
The heart rate / respiration rate detection unit tracks fluctuations of a plurality of peak frequencies included in the spectral distribution of the segmented independent signal by a particle filter, and estimates a waveform overlap rate in the spectral distribution in the particle filter. The heart rate / respiration rate detection device according to claim 1, wherein the heart rate / respiration rate detection device is a degree.
尤度初期値関数をユーザに対応づけて記憶する第1記憶部を備えて,
前記心拍数・呼吸数検出部が,前記検出対象者に該当するユーザの尤度初期値関数を前記第1記憶部から選択する
ことを特徴とする請求項4または請求項5に記載の心拍数・呼吸数検出装置。
A first storage unit that stores a likelihood initial value function in association with a user;
The heart rate according to claim 4 or 5, wherein the heart rate / respiration rate detection unit selects an initial likelihood function of a user corresponding to the detection target person from the first storage unit.・ Respiratory rate detection device.
尤度初期値関数を前記画像データの撮像時間帯に対応づけて記憶する第2記憶部を備えて,
前記心拍数・呼吸数検出部が,前記画像データの撮像時間帯に対応する尤度初期値関数を前記第2記憶部から選択する
ことを特徴とする請求項4ないし請求項6のいずれか一項に記載の心拍数・呼吸数検出装置。
A second storage unit for storing a likelihood initial value function in association with an imaging time zone of the image data;
The heart rate / respiration rate detection unit selects a likelihood initial value function corresponding to an imaging time zone of the image data from the second storage unit. 7. The heart rate / respiration rate detection device according to the item.
画像データから心拍数または呼吸数を検出する方法であって,
コンピュータが,
検出対象者が撮像された画像データから複数の光波長成分の時系列データを取得し,
前記光波長成分の時系列データをもとに各光波長成分の平均値を算出し,
前記算出した平均値に独立成分分析を適用して複数の独立信号を求め,
前記求めた複数の独立信号を,各独立信号の特徴が一貫して保持されるように並べ替えて区分化し,
前記区分化された独立信号のスペクトル分布に含まれる複数のピーク周波数の中から,一定の時間経過後に周波数値の変動が一定の範囲内に収まるピーク周波数を含む独立信号を特定して,心拍信号または呼吸信号に起因するピーク周波数を含む独立信号とする
ことを特徴とする心拍数・呼吸数検出方法。
A method for detecting heart rate or respiratory rate from image data,
Computer
Obtain time-series data of multiple light wavelength components from the image data of the person to be detected,
Calculate the average value of each light wavelength component based on the time-series data of the light wavelength component,
Applying independent component analysis to the calculated average value to obtain a plurality of independent signals,
The plurality of independent signals obtained are rearranged and partitioned so that the characteristics of each independent signal are consistently maintained,
From among a plurality of peak frequencies included in the spectrum distribution of the segmented independent signal, an independent signal including a peak frequency at which a fluctuation of a frequency value falls within a certain range after a certain period of time is specified, and a heartbeat signal Alternatively, the heart rate / respiration rate detection method is characterized in that an independent signal including a peak frequency resulting from a respiration signal is used.
画像データから心拍数または呼吸数を検出するプログラムであって,
コンピュータに,
検出対象者が撮像された画像データから複数の光波長成分の時系列データを取得し,
前記光波長成分の時系列データをもとに各光波長成分の平均値を算出し,
前記算出した平均値に独立成分分析を適用して複数の独立信号を求め,
前記求めた複数の独立信号を,各独立信号の特徴が一貫して保持されるように並べ替えて区分化し,
前記区分化された独立信号のスペクトル分布に含まれる複数のピーク周波数の中から,一定の時間経過後に周波数値の変動が一定の範囲内に収まるピーク周波数を含む独立信号を特定して,心拍信号または呼吸信号に起因するピーク周波数を含む独立信号とする
処理を実行させるための心拍数・呼吸数検出プログラム。
A program for detecting heart rate or respiratory rate from image data,
Computer
Obtain time-series data of multiple light wavelength components from the image data of the person to be detected,
Calculate the average value of each light wavelength component based on the time-series data of the light wavelength component,
Applying independent component analysis to the calculated average value to obtain a plurality of independent signals,
The plurality of independent signals obtained are rearranged and partitioned so that the characteristics of each independent signal are consistently maintained,
From among a plurality of peak frequencies included in the spectrum distribution of the segmented independent signal, an independent signal including a peak frequency at which a fluctuation of a frequency value falls within a certain range after a certain period of time is specified, and a heartbeat signal Or a heart rate / respiration rate detection program for executing processing to make an independent signal including a peak frequency caused by a respiration signal.
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