KR102018853B1 - Device and method for heart rate measuring based on cntactless sensing - Google Patents
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Abstract
본 발명은 심박수 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비접촉식 센싱을 기반으로 취득한 영상 데이터에서 혈관 주변의 픽셀 정보를 주파수 도메인 영역에서 분석하고, 이를 통해 심박수를 측정하는 심박수 측정 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 별도의 측정 센서 부착 없이 적어도 하나의 카메라를 이용하여 취득한 영상에서 주기적인 혈류량에 따라 발생하는 미세한 색 변화를 감지하고, 감지한 데이터를 주파수 도메인 영역에서 분석하여 심박수를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 환경에 따라 카메라를 추가하여 취득한 데이터와 기존 카메라를 통해 취득한 데이터를 주파수 도메인 영역에서 통합하고, 통합된 주파수를 이용하여 심박수 측정 정확도를 향상시킬 수 있다.The present invention relates to an apparatus and method for measuring heart rate, and more particularly, to an apparatus and method for measuring heart rate by analyzing pixel information around a blood vessel in a frequency domain region from image data acquired based on contactless sensing. It is about. According to the present invention, the heart rate can be accurately measured by detecting minute color changes occurring according to periodic blood flow in an image acquired using at least one camera without attaching a separate measuring sensor, and analyzing the detected data in a frequency domain region. .
In addition, according to the present invention, data acquired by adding a camera and data acquired through an existing camera may be integrated in a frequency domain region, and heart rate measurement accuracy may be improved by using the integrated frequency.
Description
본 발명은 심박수 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비접촉식 센싱을 기반으로 취득한 영상 데이터에서 혈관 주변의 픽셀 정보를 주파수 도메인 영역에서 분석하고, 이를 통해 심박수를 측정하는 심박수 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for measuring heart rate, and more particularly, to an apparatus and method for measuring heart rate by analyzing pixel information around a blood vessel in a frequency domain region from image data acquired based on contactless sensing. It is about.
일반적으로 심박수 측정 데이터는 심리치료, 면담, 거짓말 탐지 등 다양한 분야에서 이용되고 있다. 종래에는 심박수 측정 데이터를 취득하기 위해서 신체 일부에 측정 센서를 착용하거나 또는 부착하므로 사용자의 심리 변화 및 불편함이 야기된다.In general, heart rate measurement data is used in various fields such as psychotherapy, interviews, and lie detection. Conventionally, since a measurement sensor is worn or attached to a part of the body in order to acquire heart rate measurement data, psychological changes and inconveniences of a user are caused.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제 10-1352479 호(2014.01.10등록)에 개시되어 있다.Background art of the present invention is disclosed in Republic of Korea Patent Publication No. 10-1352479 (registered on January 10, 2014).
본 발명은 다수의 비접촉식 센싱을 이용하여 취득한 영상에서 혈관 주변의 픽셀 정보를 주파수 도메인 영역에서 분석하여 보다 정확하게 심박수를 측정하는 심박수 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.The present invention provides a heart rate measuring apparatus and method for more accurately measuring heart rate by analyzing pixel information around blood vessels in a frequency domain region in images acquired using a plurality of non-contact sensing.
본 발명의 일 측면에 따르면, 심박수 측정 장치가 제공된다.According to one aspect of the invention, a heart rate measuring apparatus is provided.
본 발명의 일 실시 예에 따른 심박수 측정 장치는 대상체로부터 일정 거리가 떨어진 위치에서 단일 카메라 또는 환경에 따라 기준 카메라와 상이한 종류의 카메라를 추가하여 얼굴 영상을 획득하는 영상 획득부, 획득한 얼굴 영상에서 피부 영역을 검출하고, 검출한 피부 영역에서 피부색 정보를 검출하여 심박수 측정에 필요한 신호를 추출하는 데이터 추출부, RGB 데이터에서 검출한 피부색 정보를 Cb-Cr 평면에서 방사형으로 증폭시키거나, 열영상 데이터에서 검출한 피부색 정보를 비트 시프트(bit-shift) 연산을 통해 증폭시키는 피부색 증폭부, 하나 이상의 카메라를 이용하여 영상을 획득한 경우에, 각 영상에서 추출한 피부 영역의 신호를 영상 획득 환경에 따라 가중치를 적용하여 하나의 신호로 합성하는 데이터 합성부 및 증폭된 신호들의 합을 푸리에(Fourier) 변환하여 심박수에 해당하는 주파수 대역을 검출하고, 해당 대역에서 가장 강한 신호의 분당 심박수를 측정하는 심박수 측정부를 포함할 수 있다.An apparatus for measuring heart rate according to an embodiment of the present invention includes an image acquisition unit for acquiring a face image by adding a camera different from a reference camera according to a single camera or an environment at a predetermined distance from an object, A data extractor which detects a skin region, detects skin color information in the detected skin region, and extracts a signal necessary for measuring heart rate, and amplifies the skin color information detected in RGB data in a Cb-Cr plane radially or by thermal image data. Skin amplification unit for amplifying the skin color information detected by using a bit-shift operation, when the image is obtained by using at least one camera, the signal of the skin region extracted from each image is weighted according to the image acquisition environment Solve the sum of the data synthesizer and the amplified signals synthesized into a single signal by applying (Fourier) may include conversion to detect a frequency band corresponding to the heart rate, and the strongest heart rate per minute to measure the heart rate of the signal in the band parts.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 심박수 측정 방법 및 이를 실행하는 컴퓨터 프로그램이 제공된다.According to another aspect of the present invention, a heart rate measuring method and a computer program for executing the same is provided.
본 발명의 일 실시 예에 따른 필적 인식 방법 및 이를 실행하는 컴퓨터 프로그램은 대상체로부터 일정 거리가 떨어진 위치에서 RGB 카메라를 기준으로 열영상 카메라의 좌표 캘리브레이션을 수행하는 단계, 캘리브레이션 된 RGB 카메라 및 열영상 카메라를 이용하여 사용자의 얼굴 영역을 포함하는 RGB 데이터 및 열영상 데이터 취득하는 단계, 상기 RGB 데이터를 HSI 또는 YCbCr 색 공간으로 분리한 후 Cb-Cr 평면에서 중심 부근에 군집된 영역을 RGB 데이터의 피부 영역으로 검출하는 단계, 상기 RGB 데이터의 피부 영역을 이용하여 상기 열영상 데이터의 피부 영역 지정하는 단계, 상기 RGB 데이터 및 상기 열영상 데이터의 피부 영역에서 해당하는 픽셀값으로 피부색 정보 검출하는 단계, 상기 RGB 데이터의 피부색 정보를 Cb-Cr 평면에서 방사형으로 증폭시키는 단계, 상기 열영상 데이터의 피부색 정보를 비트시프트 연산을 통해 증폭시키는 단계, 상기 RGB 데이터 및 상기 열영상 데이터 각각에서 증폭된 피부색 정보에 밴드패스 필터링(band-pass filtering)을 수행하여 주파수 대역의 신호를 추출하는 단계, 필터링된 신호들에 가중치를 적용하여 하나의 신호로 합성하는 단계, 합성한 신호를 푸리에 변환하여 심박수에 해당하는 주파수 대역을 검출하는 단계 및 상기 검출한 주파수 대역에서 가장 강한 신호의 분당 심박수를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.A handwriting recognition method and a computer program for executing the same according to an embodiment of the present invention may include performing coordinate calibration of a thermal imaging camera based on an RGB camera at a distance away from an object, a calibrated RGB camera and a thermal imaging camera. Acquiring RGB data and thermal image data including a face region of a user using the same; separating the RGB data into an HSI or YCbCr color space, and then clustering an area clustered near a center in a Cb-Cr plane into a skin region of RGB data. Detecting skin information using the skin region of the RGB data; detecting skin color information with corresponding pixel values in the RGB data and the skin region of the thermal image data; Amplifying the skin color information of the data radially in the Cb-Cr plane, Amplifying the skin color information of the thermal image data through a bit shift operation, and performing band-pass filtering on the skin color information amplified from each of the RGB data and the thermal image data to extract a signal of a frequency band Synthesizing the filtered signals into a single signal by weighting the filtered signals; Fourier transforming the synthesized signals to detect a frequency band corresponding to a heart rate; and heart rate per minute of the strongest signal in the detected frequency band. It may include the step of measuring.
본 발명은 별도의 측정 센서 부착 없이 적어도 하나의 카메라를 이용하여 취득한 영상에서 주기적인 혈류량에 따라 발생하는 미세한 색 변화를 감지하고, 감지한 데이터를 주파수 도메인 영역에서 분석하여 심박수를 정확하게 측정할 수 있다. According to the present invention, the heart rate can be accurately measured by detecting minute color changes occurring according to periodic blood flow in an image acquired using at least one camera without attaching a separate measuring sensor, and analyzing the detected data in a frequency domain region. .
또한, 환경에 따라 카메라를 추가하여 취득한 데이터와 기존 카메라를 통해 취득한 데이터를 주파수 도메인 영역에서 통합하고, 통합된 주파수를 이용하여 심박수 측정 정확도를 향상시킬 수 있다.In addition, according to the environment, data acquired by adding a camera and data acquired through an existing camera may be integrated in the frequency domain region, and the integrated frequency may be used to improve heart rate measurement accuracy.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 심박수 측정 장치를 설명하기 위한 도면들.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 심박수 측정 장치가 RGB 카메라 및 열영상 카메라를 이용하여 심박수를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 심박수 측정 장치가 RGB 카메라와 열영상 카메라를 캘리브레이션하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 심박수 측정 장치가 RGB 데이터에서 피부색 정보를 검출하는 방법을 예시한 도면들.
도 8는 본 발명의 일 실시 예에 따른 심박수 측정 장치가 열영상 데이터에서 피부색 정보를 검출하는 방법을 예시한 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 심박수 측정 장치가 열영상 데이터의 피부색 정보를 심박수 신호로 변환하는 예를 나타내는 도면.
도 10 내지 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 심박수 측정 장치가 RGB 데이터에서 추출한 심박 신호와 열영상 심박 신호를 이용하여 심박수를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면들.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 심박수 측정 장치가 다수의 카메라를 이용하여 심박수를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면.1 to 3 are views for explaining a heart rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a method of measuring the heart rate using an RGB camera and a thermal imaging camera in the heart rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining a method of calibrating an RGB camera and a thermal imaging camera by a heart rate measuring apparatus according to an exemplary embodiment.
6 and 7 illustrate a method in which a heart rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention detects skin color information from RGB data.
8 is a diagram illustrating a method of detecting skin color information from thermal image data by a heart rate measuring apparatus according to an exemplary embodiment.
9 is a diagram illustrating an example in which the heart rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention converts skin color information of thermal image data into a heart rate signal.
10 to 11 are diagrams for describing a method of measuring a heart rate using a heart rate signal and a thermal image heart rate signal extracted from RGB data by a heart rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
12 is a diagram for describing a method of measuring a heart rate by using a plurality of cameras in a heart rate measuring apparatus according to an exemplary embodiment;
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related known technology may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and in the following description with reference to the accompanying drawings, the same or corresponding components are given the same reference numerals and redundant description thereof will be omitted. Shall be.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 심박수 측정 장치를 설명하기 위한 도면들이다.1 to 3 are views for explaining a heart rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 심박수 측정 장치(100)는 열영상 카메라(11), RGB 카메라(12) 및 적외선 카메라(13) 등과 같이 하나 이상의 카메라를 이용하여 대상자의 얼굴 영상을 획득하고, 각각의 카메라를 통해 획득한 얼굴 영상에서 피부색 정보를 추출할 수 있다. 심박수 측정 장치(100)는 추출한 하나 이상의 피부색 정보를 주파수 도메인 영역에서 합성하여 분석함으로써 심박수를 정확하게 측정할 수 있다. Referring to FIG. 1, the heart
도 2를 참조하면, 심박수 측정 장치(100)는 영상 획득부(110), 데이터 추출부(120), 데이터 필터링부(130), 데이터 합성부(140) 및 심박수 측정부(150)를 포함한다.2, the heart
영상 획득부(110)는 대상체로부터 일정 거리가 떨어진 위치에서 단일 카메라 또는 환경에 따라 기준 카메라와 상이한 종류의 카메라를 추가하여 얼굴 영상을 획득한다. 이때, 영상 획득부(110)는 카메라의 수에 따라 캘리브레이션 수행을 진행한 후 대상체의 얼굴 영상을 획득한다. 예를 들면, 영상 획득부(110)는 단일 카메라를 사용할 경우에는 캘리브레이션 과정을 생략하고, 하나 이상의 카메라를 사용할 경우에는 하나의 카메라를 기준으로 다른 카메라들의 좌표를 아핀(AFFINE)변환함으로써 캘리브레이션(calibration)을 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 영상 획득부(110)는 RGB 카메라 및 열영상 카메라를 이용하여 심박수를 측정할 경우에 RGB 카메라를 기준으로 열영상 카메라의 좌표 캘리브레이션을 수행하여 카메라의 위치, 해상도 및 화각을 일치시킬 수 있다. The
데이터 추출부(120)는 획득한 얼굴 영상에서 피부 영역을 검출하고, 검출한 피부 영역에서 피부색 정보를 검출하여 심박수 측정에 필요한 신호를 추출한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 데이터 추출부(120)는 RGB 카메라를 이용하여 획득한 얼굴 영상에서 피부 영역을 검출하고, 검출한 피부 영역의 픽셀 위치를 통해 열영상 카메라를 이용하여 획득한 얼굴 영상에서 피부 영역을 검출할 수 있고, 해당 피부 영역에서 심박수 측정에 필요한 신호를 추출할 수 있다.The
도 3을 참조하면, 데이터 추출부(120)는 피부색 검출부(121) 및 피부색 증폭부(122)를 포함한다. Referring to FIG. 3, the
피부색 검출부(121)는 획득한 얼굴 영상이 RGB 데이터일 경우에 RGB 데이터를 HSI 또는 YCbCr 색 공간으로 분리하여 피부 영역을 지정하고, 지정된 피부 영역에 해당하는 픽셀 값으로부터 피부색 정보를 검출한다. 예를 들면, 피부색 검출부(121)는 RGB 데이터를 HSI 색 공간으로 분리하여 0≤H≤50 범위의 색상(HUE)을 검출한다. 또는 RGB 데이터를 YCbCr 색 공간으로 분리한 후 Cb-Cr 평면에서 중심 부근에 군집된 77≤Cb≤127 및 133≤Cr≤173에 해당하는 범위를 피부 영역으로 검출한다. 일반적으로 사람의 피부색은 조명이나 인종에 따라 편차가 있지만, YCbCr 색 공간 안에서 조명성분(Y)을 제외한 Cb-Cr 평면에서 표현할 경우에 평면의 중심 부근에서 가까운 군집을 이루는 특성이 있다. 이러한 특성을 이용하여 피부색 검출부(121)는 획득한 얼굴 영상에서 피부 영역을 검출하고, 해당 영역의 픽셀 값으로부터 피부색 정보를 검출할 수 있다. When the acquired face image is RGB data, the
또한, 피부색 검출부(121)는 획득한 얼굴 영상이 RGB 데이터 및 열영상 데이터 일 경우에 상술한 방법으로 RGB 데이터에서 피부 영역을 지정하고, 지정된 피부 영역의 픽셀 위치를 이용하여 열영상 데이터의 피부 영역을 지정한다. 이때, 피부색 검출부(121)는 열영상 데이터의 피부 영역에 해당하는 픽셀값을 이용하여 평균 온도를 계산하여 피부 영역을 보다 정확하게 지정할 수 있다. 여기서 평균 온도는 -4℃ ~ +4℃ 일수 있다. 피부색 검출부(121)는 열영상 데이터의 피부 영역에서 픽셀 온도값으로 피부색 정보를 검출한다. In addition, when the acquired face image is RGB data and thermal image data, the skin
피부색 증폭부(122)는 RGB 데이터를 HSI 색 공간으로 분리하여 검출한 피부색 정보를 양방향으로 스케일링(scaling) 하거나, YCbCr 색 공간으로 분리하여 검출한 피부색 정보를 Cb-Cr 평면에서 방사형으로 증폭시키고, 열영상 데이터에서 검출한 피부색 정보를 비트 시프트(bit-shift) 연산을 통해 증폭시킨다. The skin
다시 도 2를 참조하면, 데이터 필터링부(130)는 증폭된 피부색 정보에 밴드 패스 필터링(band pass filtering)를 수행하여 노이즈가 제거된 주파수 대역의 신호를 추출할 수 있다. Referring back to FIG. 2, the
데이터 합성부(140)는 하나 이상의 카메라를 이용하여 영상을 획득한 경우에, 각 영상에서 추출한 피부 영역의 신호를 영상 획득 환경에 따라 가중치를 적용하여 하나의 신호로 합성한다. 예를 들면, 영상 획득 환경에서 조명이 고르지 못한 경우는 RGB 데이터를 통한 심박수 추정보다는 적외선 데이터를 이용하였을 때 정확도가 높게 나타난다. 이에, 데이터 합성부(140)는 조명, 거리, 카메라의 성능에 따라 상이한 가중치를 적용하여 각 영상에서 추출한 피부 영역의 신호를 합성할 수 있다. 이때, 피부 영역의 신호는 각각의 카메라에 따라 시간차가 발생함으로 신호 간 상관 계수가 높게 나오도록 위상을 일치시킨다. When the
심박수 측정부(150)는 증폭된 신호들의 합을 푸리에(Fourier) 변환을 수행하여 심박수에 해당하는 주파수 대역을 검출하고, 해당 대역에서 가장 강한 신호의 분당 심박수를 측정한다.The heart
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 RGB 카메라 및 열영상 카메라를 이용하여 심박수를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a diagram for describing a method of measuring a heart rate using an RGB camera and a thermal imaging camera according to an exemplary embodiment.
도 4를 참조하면, 단계 S405에서 심박수 측정 장치(100)는 대상체로부터 일정 거리가 떨어진 위치에서 RGB 카메라를 기준으로 열영상 카메라의 좌표 캘리브레이션을 수행한다. Referring to FIG. 4, in operation S405, the heart
단계 S410에서 심박수 측정 장치(100)는 캘리브레이션 된 RGB 카메라 및 열영상 카메라를 이용하여 사용자의 얼굴 영역을 포함하는 RGB 데이터 및 열영상 데이터 취득한다.In operation S410, the heart
단계 S415에서 심박수 측정 장치(100)는 RGB 데이터를 HSI 또는 YCbCr 색 공간으로 분리한 후 피부 영역을 지정하고, 지정된 피부 영역에 해당하는 픽셀 값으로부터 피부색 정보를 검출한다. 여기서 피부 영역은 RGB 데이터를 HSI 색 공간으로 분리하여 0≤H≤50 범위의 색상(HUE)을 검출하거나, RGB 데이터를 YCbCr 색 공간으로 분리한 후 Cb-Cr 평면에서 중심 부근에 군집된 77≤Cb≤127 및 133≤Cr≤173 범위를 검출하여 지정할 수 있다.In operation S415, the heart
단계 S420에서 심박수 측정 장치(100)는 RGB 데이터의 피부 영역을 이용하여 열영상 데이터의 피부 영역 지정한다. 이때, 열영상 데이터의 피부 영역에 해당하는 픽셀값을 이용하여 평균 온도를 계산하여 피부 영역을 보다 정확하게 지정할 수 있다. 여기서 평균 온도는 -4℃ ~ +4℃ 일수 있다.In operation S420, the heart
단계 S425에서 심박수 측정 장치(100)는 RGB 데이터 및 열영상 데이터의 피부 영역에서 해당하는 픽셀값으로 피부색 정보 검출한다. In operation S425, the heart
단계 S430에서 심박수 측정 장치는 RGB 데이터의 피부색 정보를 Cb-Cr 평면에서 방사형으로 증폭시킨다. In operation S430, the heart rate measuring apparatus amplifies the skin color information of the RGB data radially in the Cb-Cr plane.
단계 S435에서 심박수 측정 장치(100)는 열영상 데이터의 피부색 정보를 비트시프트 연산을 통해 증폭시킨다.In operation S435, the heart
단계 S440에서 심박수 측정 장치(100)는 RGB 데이터 및 열영상 데이터 각각에서 증폭된 피부색 정보에 밴드패스 필터링(band-pass filtering)을 수행하여 주파수 대역의 신호를 추출한다.In operation S440, the heart
단계 S445에서 심박수 측정 장치(100)는 필터링된 신호들에 가중치를 적용하여 하나의 신호로 합성한다. In operation S445, the heart
단계 S450에서 심박수 측정 장치(100)는 합성한 신호를 푸리에 변환하여 심박수에 해당하는 주파수 대역을 검출한다.In operation S450, the heart
단계 S450에서 심박수 측정 장치(100)는 검출한 주파수 대역에서 가장 강한 신호의 분당 심박수를 측정한다.In operation S450, the heart
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 심박수 측정 장치가 RGB 카메라와 열영상 카메라를 캘리브레이션하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.5 is a diagram for describing a method of calibrating an RGB camera and a thermal image camera by a heart rate measuring apparatus according to an exemplary embodiment.
도 5를 참조하면, 심박수 측정 장치(100)는 RGB 카메라에 의해 획득한 영상에서 510 내지 540과 같이 4개의 좌표점을 설정하고, 이를 아핀(AFFINE) 변환을 통하여 열영상 카메라에 의해 획득한 영상에서 550 내지 580과 같이 좌표점을 설정함으로써, RGB 카메라와 열영상 카메라의 해상도 및 화각을 일치시킬 수 있다.Referring to FIG. 5, the heart
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 심박수 측정 장치가 RGB 데이터에서 피부색 정보를 검출하는 방법을 예시한 도면들이다.6 and 7 illustrate a method of detecting skin color information from RGB data by a heart rate measuring apparatus according to an exemplary embodiment.
도 6을 참조하면, 심박수 측정 장치(100)는 도 6의 (A)와 같이 얼굴 영역을 포함하는 RGB 데이터를 취득할 수 있다. Referring to FIG. 6, the heart
도 7을 참조하면, 심박수 측정 장치(100)는 취득한 RGB 데이터를 도 7의 (A)와 같이 YCbCr 색 공간으로 분리한 후 Cb-Cr 평면에서 중심 부근에 군집된 영역을 검출할 수 있다. 심박수 측정 장치(100)는 Cb-Cr 평면에서 검출한 영역을 방사형으로 증폭시킬 수 있다.Referring to FIG. 7, the heart
다시 도 6을 참조하면, 심박수 측정 장치(100)는 Cb-Cr 평면에서 검출한 영역에 해당하는 색상과 일치하는 픽셀값을 RGB 데이터에서 검출하여, 도 6의 (B)와 같이 피부 영역을 검출할 수 있다. 검출한 피부 영역은 열영상 데이터에서 불필요한 영역을 제외하고 피부 영역을 보다 빠르게 검출하기 위한 용도로 사용된다.Referring back to FIG. 6, the heart
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 심박수 측정 장치가 열영상 데이터에서 피부색 정보를 검출하는 방법을 예시한 도면이다.8 is a diagram illustrating a method of detecting skin color information from thermal image data by a heart rate measuring apparatus according to an exemplary embodiment.
도 8을 참조하면, 심박수 측정 장치(100)는 도 8의 (A)와 같이 열영상 데이터를 취득하고, 취득한 열영상 데이터에서 RGB 데이터 내 피부 영역과 동일한 픽셀 위치를 피부 영역을 지정하여 해당 피부 영역의 픽셀 온도값으로 피부색 정보를 검출한다. 심박수 측정 장치(100)는 검출한 피부색 정보를 비트 시프트(bit-shift) 연산을 통해 증폭시킴으로써 도 8의 (B)와 같은 열영상 데이터를 취득할 수 있다. 이때, 심박수 측정 장치(100)는 증폭된 피부색 정보를 중심으로 피부색에 근접한 온도에 해당하는 데이터만 취득한다. 피부색은 주변 환경에 따라 차이가 존재하기 때문에 고정된 온도 범위가 아닌 얼굴영역의 평균 온도를 계산하여 범위를 지정할 수 있다. 여기서 평균 온도는 -4 내지 +4 일 수 있다. Referring to FIG. 8, the heart
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따라 열영상 데이터의 피부색 정보를 심박수 신호로 변환하는 예를 나타내는 도면이다. 9 is a diagram illustrating an example of converting skin color information of thermal image data into a heart rate signal according to an exemplary embodiment.
도 9를 참조하면, 심박수 측정 장치(100)는 도 9의 (A)와 같이 실시간으로 피부색 정보 검출하고, 검출한 피부색 정보에 밴드 패스 필터링을 수행하여 도 9의 (B)와 같이 노이즈가 제거된 심박 신호를 얻을 수 있다.Referring to FIG. 9, the heart
도 10 내지 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따라 RGB 심박 신호와 열영상 심박 신호를 이용하여 심박수를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.10 to 11 are diagrams for describing a method of measuring a heart rate using an RGB heartbeat signal and a thermal image heartbeat signal according to an exemplary embodiment.
도 10을 참조하면, 심박수 측정 장치(100)는 RGB 카메라를 이용하여 추출한 심박 신호와 열영상 카메라를 이용하여 추출한 심박 신호의 상관관계를 계산하여 하나의 신호로 합성한다. 이때, 각각의 카메라를 이용하여 심박에 해당하는 시계열 신호를 계산할 경우 신호간의 시간차이가 발생하기 때문에 도 10의 (A)과 같이 시간차이가 큰 신호간의 상관 관계를 계산한 경우 상관계수가 낮게 계산된다. 이를 해결하기 위해, 기준 카메라 신호를 제외한 나머지 카메라 신호들을 좌우로 이동하면서 상관 계수가 높게 나오도록 수정하여 도 10의 (B)와 같이 두 신호간의 위상을 일치시켜 신호를 합성할 수 있다. Referring to FIG. 10, the heart
도 11을 참조하면, 심박수 측정 장치(100)는 도 11의 (A)두 신호간의 위상이 일치된 합성 신호를 도 11의 (B)와 같이 푸리에(Fourier) 변환을 수행하여, 심박수에 해당하는 60 내지 100hz 범위의 주파수 대역을 검출하고, 해당 대역에서 가장 강한 신호의 발생 횟수를 측정하여 분당 심박수를 측정할 수 있다.Referring to FIG. 11, the heart
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 심박수 측정 장치가 하나 이상의 카메라를 이용하여 심박수를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 12 is a diagram for describing a method of measuring a heart rate by using one or more cameras, according to an embodiment of the present invention.
도 12를 참조하면, 심박수 측정 장치(100)는 RGB 카메라 및 RGB 카메라 외에 다수의 카메라를 이용하여 취득한 데이터에서 피부색 정보를 추출하고, 추출한 복수의 피부색 정보에 밴드 패스 필터를 적용하여 추출한 심박 신호를 합성하고, 이를 푸리에 변환을 수행함으로써 심박수를 측정할 수 있다. Referring to FIG. 12, the heart
본 발명의 실시 예에 따른 심박수 측정 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 또한 상술한 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Heart rate measurement method according to an embodiment of the present invention is implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means may be recorded on a computer readable medium. Computer-readable media may include, alone or in combination with the program instructions, data files, data structures, and the like. The program instructions recorded on the computer readable medium may be those specially designed and constructed for the present invention, or may be known and available to those skilled in the computer software arts. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks, such as floppy disks. Hardware devices specially configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media and ROM, RAM, flash memory and the like. In addition, the above-described medium may be a transmission medium such as an optical or metal wire, a waveguide, or the like including a carrier wave for transmitting a signal specifying a program command, a data structure, and the like. Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been described with reference to the embodiments. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.
100: 심박수 측정 장치
110: 영상 획득부
120: 데이터 추출부
130: 데이터 필터링부
140: 데이터 합성부
150: 심박수 측정부100: heart rate measuring device
110: image acquisition unit
120: data extraction unit
130: data filtering unit
140: data synthesis unit
150: heart rate measurement unit
Claims (10)
상기 심박수 측정장치는,
대상체로부터 일정 거리가 떨어진 위치에서 단일 카메라 또는 환경에 따라 기준 카메라와 상이한 종류의 카메라를 추가하여 얼굴 영상을 획득하는 영상 획득부;
획득한 얼굴 영상에서 피부 영역을 검출하고, 검출한 피부 영역에서 피부색 정보를 검출하여 심박수 측정에 필요한 신호를 추출하는 데이터 추출부;
피부색 정보를 Cb-Cr 평면에서 방사형으로 증폭시키거나, 비트 시프트(bit-shift) 연산을 통해 증폭시키는 데이터 필터링부;
하나 이상의 카메라를 이용하여 영상을 획득한 경우에, 각 영상에서 추출한 피부 영역의 신호를 영상 획득 환경에 따라 가중치를 적용하여 하나의 신호로 합성하는 데이터 합성부; 및
증폭된 신호들의 합을 푸리에(Fourier) 변환하여 심박수에 해당하는 60 내지 100hz 범위의 주파수 대역을 검출하고, 해당 대역에서 가장 강한 신호의 분당 심박수를 측정하는 심박수 측정부;를 포함하되,
단일 카메라를 사용할 경우에는 캘리브레이션 과정을 생략하고, 하나 이상의 카메라를 사용할 경우에 하나의 카메라를 기준으로 다른 카메라들의 좌표를 아핀(AFFINE)변환함으로써 캘리브레이션(calibration)을 수행하여 카메라들 간의 위치, 해상도 및 화각을 일치시키는 심박수 측정 장치.
In the heart rate measuring device,
The heart rate measuring device,
An image acquisition unit for acquiring a face image by adding a camera different from the reference camera according to a single camera or environment at a distance away from the object;
A data extracting unit detecting a skin region in the acquired face image, extracting a signal for measuring heart rate by detecting skin color information in the detected skin region;
A data filtering unit for amplifying the skin color information radially in the Cb-Cr plane or through a bit-shift operation;
A data synthesizer for synthesizing a signal of a skin region extracted from each image into a single signal by applying weights according to an image acquisition environment when an image is acquired using at least one camera; And
Heart rate measurement unit for Fourier (Fourier) conversion of the sum of the amplified signals to detect a frequency band of 60 to 100hz range corresponding to the heart rate, and measures the heart rate per minute of the strongest signal in the band;
If a single camera is used, the calibration process is skipped, and if more than one camera is used, a calibration is performed by affineing the coordinates of other cameras based on one camera to perform the calibration. Heart rate measuring device to match the angle of view.
상기 심박수 측정장치는,
대상체로부터 일정 거리가 떨어진 위치에서 단일 카메라 또는 환경에 따라 기준 카메라와 상이한 종류의 카메라를 추가하여 얼굴 영상을 획득하는 영상 획득부;
획득한 얼굴 영상에서 피부 영역을 검출하고, 검출한 피부 영역에서 피부색 정보를 검출하여 심박수 측정에 필요한 신호를 추출하는 데이터 추출부;
피부색 정보를 Cb-Cr 평면에서 방사형으로 증폭시키거나, 비트 시프트(bit-shift) 연산을 통해 증폭시키는 데이터 필터링부;
하나 이상의 카메라를 이용하여 영상을 획득한 경우에, 각 영상에서 추출한 피부 영역의 신호를 영상 획득 환경에 따라 가중치를 적용하여 하나의 신호로 합성하는 데이터 합성부; 및
증폭된 신호들의 합을 푸리에(Fourier) 변환하여 심박수에 해당하는 60 내지 100hz 범위의 주파수 대역을 검출하고, 해당 대역에서 가장 강한 신호의 분당 심박수를 측정하는 심박수 측정부;를 포함하되,
상기 데이터 추출부는
획득한 얼굴 영상이 RGB 데이터일 경우에 RGB 데이터를 HSI 또는 YCbCr 색 공간으로 분리하여 피부 영역을 지정하고, 지정된 피부 영역에 해당하는 픽셀 값으로부터 피부색 정보를 검출하는 피부색 검출부; 및
RGB 데이터에서 검출한 피부색 정보를 Cb-Cr 평면에서 방사형으로 증폭시키거나, 열영상 데이터에서 검출한 피부색 정보를 비트 시프트(bit-shift) 연산을 통해 증폭시키는 피부색 증폭부;를 포함하는 심박수 측정 장치.
In the heart rate measuring device,
The heart rate measuring device,
An image acquisition unit for acquiring a face image by adding a camera different from the reference camera according to a single camera or environment at a distance away from the object;
A data extracting unit detecting a skin region in the acquired face image, extracting a signal for measuring heart rate by detecting skin color information in the detected skin region;
A data filtering unit for amplifying the skin color information radially in the Cb-Cr plane or through a bit-shift operation;
A data synthesizer for synthesizing a signal of a skin region extracted from each image into a single signal by applying weights according to an image acquisition environment when an image is acquired using at least one camera; And
Heart rate measurement unit for Fourier (Fourier) conversion of the sum of the amplified signals to detect a frequency band of 60 to 100hz range corresponding to the heart rate, and measures the heart rate per minute of the strongest signal in the band;
The data extraction unit
A skin color detector which separates RGB data into an HSI or YCbCr color space to designate a skin region and detects skin color information from pixel values corresponding to the designated skin region when the acquired face image is RGB data; And
And a skin color amplifying unit for amplifying the skin color information detected from the RGB data in a Cb-Cr plane radially or amplifying the skin color information detected from the thermal image data through a bit-shift operation. .
획득한 얼굴 영상이 RGB 데이터 및 열영상 데이터 일 경우에 RGB 데이터에서 지정된 피부 영역의 픽셀 위치를 이용하여 열영상 데이터의 피부 영역을 지정하는
심박수 측정 장치.
According to claim 3, wherein the skin color detection unit
When the acquired face image is RGB data and thermal image data, the skin region of the thermal image data is designated using the pixel position of the skin region specified in the RGB data.
Heart rate measuring device.
RGB 데이터를 HSI 색 공간으로 분리한 후, 0≤H≤50 범위의 색상(HUE)을 검출하거나, RGB 데이터를 YCbCr 색 공간으로 분리한 후 조명성분(Y)을 제외한 Cb-Cr 평면에서 중심 부근에 군집된 77≤Cb≤127 및 133≤Cr≤173 범위를 피부 영역으로 검출하는 심박수 측정 장치.
According to claim 3, wherein the skin color detection unit
After separating RGB data into HSI color space, detecting color (HUE) in the range 0≤H≤50, or separating RGB data into YCbCr color space and then near the center of the Cb-Cr plane except illumination component (Y) A heart rate measuring apparatus for detecting the areas of 77≤Cb≤127 and 133≤Cr≤173 clustered in the skin region.
열영상 데이터의 피부 영역에 해당하는 픽셀 온도의 평균 온도를 계산하여 피부 영역을 보다 정확하게 지정하되, 상기 평균 온도는 -4℃ ~ +4℃인 심박수 측정 장치.
According to claim 3, wherein the skin color detection unit
A device for designating a skin region more accurately by calculating an average temperature of pixel temperatures corresponding to a skin region of thermal image data, wherein the average temperature is -4 ° C to + 4 ° C.
상기 심박수 측정장치가 대상체로부터 일정 거리가 떨어진 위치에서 RGB 카메라를 기준으로 열영상 카메라의 좌표 캘리브레이션을 수행하는 단계;
상기 심박수 측정장치가 캘리브레이션 된 RGB 카메라 및 열영상 카메라를 이용하여 사용자의 얼굴 영역을 포함하는 RGB 데이터 및 열영상 데이터 취득하는 단계;
상기 심박수 측정장치가 상기 RGB 데이터를 HSI 또는 YCbCr 색 공간으로 분리한 후 Cb-Cr 평면에서 중심 부근에 군집된 영역을 RGB 데이터의 피부 영역으로 검출하는 단계;
상기 심박수 측정장치가 상기 RGB 데이터의 피부 영역을 이용하여 상기 열영상 데이터의 피부 영역 지정하는 단계;
상기 심박수 측정장치가 상기 RGB 데이터 및 상기 열영상 데이터의 피부 영역에 해당하는 픽셀값으로 피부색 정보 검출하는 단계;
상기 심박수 측정장치가 상기 RGB 데이터의 피부색 정보를 Cb-Cr 평면에서 방사형으로 증폭시키는 단계;
상기 심박수 측정장치가 상기 열영상 데이터의 피부색 정보를 비트시프트 연산을 통해 증폭시키는 단계;
상기 심박수 측정장치가 상기 RGB 데이터 및 상기 열영상 데이터 각각에서 증폭된 피부색 정보에 밴드패스 필터링(band-pass filtering)을 수행하여 주파수 대역의 신호를 추출하는 단계;
상기 심박수 측정장치가 필터링된 신호들에 가중치를 적용하여 하나의 신호로 합성하는 단계;
상기 심박수 측정장치가 합성한 신호를 푸리에 변환하여 심박수에 해당하는 60 내지 100hz 범위의 주파수 대역을 검출하는 단계; 및
상기 심박수 측정장치가 상기 검출한 주파수 대역에서 가장 강한 신호의 분당 심박수를 측정하는 단계를 포함하는 심박수 측정 방법.
In the method of measuring the heart rate using a heart rate measuring device,
Performing a coordinate calibration of the thermal imaging camera with respect to the RGB camera at a position away from the object by the heart rate measuring apparatus;
Acquiring, by the heart rate measuring apparatus, RGB data and thermal image data including a face region of a user using a calibrated RGB camera and a thermal image camera;
Separating the RGB data into the HSI or YCbCr color space by the heart rate measuring apparatus and detecting a clustered area near the center of the Cb-Cr plane as a skin region of the RGB data;
Designating, by the apparatus for measuring heart rate, a skin region of the thermal image data using the skin region of the RGB data;
Detecting, by the apparatus for measuring heart rate, skin color information using pixel values corresponding to skin regions of the RGB data and the thermal image data;
Amplifying the skin color information of the RGB data radially in a Cb-Cr plane by the heart rate measuring apparatus;
Amplifying the skin color information of the thermal image data by a bit shift operation by the heart rate measuring apparatus;
Extracting a frequency band signal by performing a band-pass filtering on skin color information amplified from the RGB data and the thermal image data by the heart rate measuring apparatus;
Synthesizing the signal into a single signal by applying weights to the filtered signals;
Detecting a frequency band in a range of 60 to 100 hz corresponding to a heart rate by Fourier transforming the synthesized signal by the heart rate measuring apparatus; And
And measuring the heart rate per minute of the strongest signal in the detected frequency band by the heart rate measuring apparatus.
상기 심박수 측정장치가 RGB 데이터를 HSI 색 공간으로 분리한 후, 0≤H≤50 범위의 색상(HUE)을 검출하거나, RGB 데이터를 YCbCr 색 공간으로 분리한 후 조명성분(Y)을 제외한 Cb-Cr 평면에서 중심 부근에 군집된 77≤Cb≤127 및 133≤Cr≤173 범위를 피부 영역으로 검출하는 심박수 측정 방법.
The method of claim 7, wherein after separating the RGB data into the HSI or YCbCr color space, detecting a clustered area near the center of the Cb-Cr plane as a skin region of the RGB data.
The heart rate measuring device separates RGB data into an HSI color space and then detects a color (HUE) in a range of 0≤H≤50, or separates RGB data into a YCbCr color space and then removes Cb- excluding illumination component (Y). A method of measuring heart rate that detects the range of 77≤Cb≤127 and 133≤Cr≤173 clustered near the center in the Cr plane as the skin region.
상기 심박수 측정장치가 열영상 데이터의 피부 영역에 해당하는 픽셀값을 이용하여 평균 온도를 이용하여 피부 영역을 지정하되, 상기 평균 온도는 -4℃ 내지 +4℃ 범위인 심박수 측정 방법.
The method of claim 7, wherein the step of designating the skin region of the thermal image data using the skin region of the RGB data,
The heart rate measuring apparatus designates a skin region using an average temperature using a pixel value corresponding to a skin region of thermal image data, wherein the average temperature is in a range of -4 ° C to + 4 ° C.
A computer program which executes the method for measuring heart rate according to any one of claims 7 to 9 and recorded in a computer-readable recording medium.
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