CN112716469A - 一种基于指尖视频的实时心率提取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于指尖视频的实时心率提取方法及装置，涉及生物特征测量技术领域。该方法包括：获取指尖视频并根据指尖视频得到原始信号；对原始信号进行预处理；对预处理后的原始信号进行特征提取，以得到多个特征点；根据多个特征点确定心率值。可以获取用户的指尖视频，并根据指尖视频得到原始信号，然后再对原始信号进行预处理及特种提取处理等，以准确的确定出用户的心率值。由于在获取指尖视频时需要用户将手指贴近摄像头，因此获取到的指尖视频中的光线相对稳定，且在对用户的指尖进行视频采集过程中，用户的指尖不易晃动，因此可以有效的减少指尖视频中的运动噪声。

Description

一种基于指尖视频的实时心率提取方法及装置

技术领域

本发明涉及生物特征测量技术领域，具体而言，涉及一种基于指尖视频的实时心率提取方法及装置。

背景技术

随着经济社会的发展，人民的生活水平提高，生活节奏的加快，关注自身的健康问题的人越来越少，而城镇化伴随着人口老龄化问题日益严重，心脑血管疾病的发病率也在逐年增长，成为城乡居民的“头号杀手”。因此，心血管疾病的预防和有效诊断就显得尤为重要。

根据光电容积脉搏波描记原理，心脏的搏动引起血管内血液容量的脉动性变化，从而引起皮肤表面颜色发生不易被人眼观察到的细微变化。通过这种现象近些年发展出了基于图像的光电容积描记技术，该方法以朗伯-比尔定律对光吸收的定量描述理论为基础，使用普通摄像头非接触拍摄人的面部获取彩色视频，对其中的皮肤颜色变化进行放大并从中提取出血液容积脉搏波，从而计算出心率。由于该方法实现非接触式测量，避免了直接皮肤接触对被测者造成不适，很好地弥补了传统测量方式的不足。但是基于人脸识别的心率提取对计算机性能要求较高，计算结果容易受到光照变化，人脸运动以及人脸识别算法的影响，实验数据会具有较大波动，严重影响数据的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于指尖视频的实时心率提取方法及装置，用以改善现有技术中心率提取不准确的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种基于指尖视频的实时心率提取方法，方法包括：获取指尖视频并根据指尖视频得到原始信号；对原始信号进行预处理；对预处理后的原始信号进行特征提取，以得到多个特征点；根据多个特征点确定心率值。

上述实现过程中，可以获取用户的指尖视频，并根据指尖视频得到原始信号，然后再对原始信号进行预处理及特种提取处理等，以准确的确定出用户的心率值。由于在获取指尖视频时需要用户将手指贴近摄像头，因此获取到的指尖视频中的光线相对稳定，且在对用户的指尖进行视频采集过程中，用户的指尖不易晃动，因此可以有效的减少指尖视频中的运动噪声。

在本发明的一些实施例中，获取指尖视频并根据指尖视频得到原始信号的步骤之前，方法包括：读取指尖视频，并确定指尖视频中每一帧的平均像素值；采用滑动窗口方式利用有预设存储空间的一维数组按顺序存储平均像素值；在一维数组中存满平均像素值后，根据每次窗口滑动一维数组中存储的所有的平均像素值确定原始信号。

在本发明的一些实施例中，对原始信号进行预处理的步骤包括：对原始信号进行离散傅里叶变换；利用带通滤波器对离散傅里叶变换后的原始信号进行滤波。

在本发明的一些实施例中，对预处理后的原始信号进行特征提取，以得到多个特征点的步骤包括：对预处理后的原始信号进行峰值检测；将不同的峰值进行分离，以得到多个峰值；多个峰值为多个特征点。

在本发明的一些实施例中，根据多个特征点确定心率值的步骤包括：获取每个峰值的时间以及多个峰值中相邻峰值之间的距离；根据多个峰值获取的所有相邻峰值之间的距离计算平均值；根据平均值及时间计算心率值。由于已经知道每个峰值的时间，因此可以计算峰值之间的距离，然后取其平均值并转换为每分钟的值，就可以得到最终的心率值。

第二方面，本申请实施例提供一种基于指尖视频的实时心率提取装置，装置包括：原始信号获取模块，用于获取指尖视频并根据指尖视频得到原始信号；预处理模块，用于对原始信号进行预处理；特征提取模块，用于对预处理后的原始信号进行特征提取，以得到多个特征点；心率值确定模块，用于根据多个特征点确定心率值。

在本发明的一些实施例中，装置包括：平均像素值确定模块，用于读取指尖视频，并确定指尖视频中每一帧的平均像素值；数据获取模块，用于采用滑动窗口方式利用有预设存储空间的一维数组按顺序存储平均像素值；原始信号确定模块，用于在一维数组中存满平均像素值后，根据每次窗口滑动一维数组中存储的所有的平均像素值确定原始信号。

在本发明的一些实施例中，预处理模块包括：离散傅里叶变换单元，用于对原始信号进行离散傅里叶变换；滤波单元，用于利用带通滤波器对离散傅里叶变换后的原始信号进行滤波。

在本发明的一些实施例中，特征提取模块包括：峰值检测单元，用于对预处理后的原始信号进行峰值检测；峰值分离单元，用于将不同的峰值进行分离，以得到多个峰值；多个峰值为多个特征点。

在本发明的一些实施例中，心率值确定模块包括：距离获取单元，用于获取每个峰值的时间以及多个峰值中相邻峰值之间的距离；距离平均值计算单元，用于根据多个峰值获取的所有相邻峰值之间的距离计算平均值；心率值计算单元，用于根据平均值及时间计算心率值。

第三方面，本申请实施例提供一种电子设备，其包括存储器，用于存储一个或多个程序；处理器。当一个或多个程序被处理器执行时，实现如上述第一方面中任一项的方法。

第四方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面中任一项的方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于指尖视频的实时心率提取方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于指尖视频的实时心率提取装置的结构框图；

图3为本发明实施例提供的一种电子设备的结构框图。

图标：100-基于指尖视频的实时心率提取装置；110-原始信号获取模块；120-预处理模块；130-特征提取模块；140-心率值确定模块；101-存储器；102-处理器；103-通信接口。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。

请参看图1，图1为本发明实施例提供的一种基于指尖视频的实时心率提取方法的流程图，该基于指尖视频的实时心率提取方法包括：

步骤S110：获取指尖视频并根据指尖视频得到原始信号。

在获取指尖视频时，可以通过手机或笔记本电脑等设备上自带的摄像头，用户将指尖覆盖于摄像头上，并保持相对静止的状态，以使摄像头可以获取到指尖视频，此外，还可以直接从外部存储设备或云端直接获取需要检测心率的指尖视频。

其中，可以获取到一段时间内的指尖视频，以根据该段时间内的指尖视频获取原始信号。此外，摄像头还可以实时获取指尖视频直接处理以获取原始信号。

具体地，用户将手指放在手机或笔记本电脑的摄像头上，使其指部完全覆盖整个摄像头，且保持相对静止状态。该摄像头处于打开且录取视频模式的状态。在采集数据期间，受试者的手可以保持相对静止状态，这样有利于引入更少的运动噪声引入，从而获得质量更好的信号。

步骤S120：对原始信号进行预处理。

对原始信号进行预处理，可以将原始信号中特定波段频率滤除，能够抑制并防止干扰。

在本发明的一些实施例中，对原始信号进行预处理的步骤包括以下过程，首先对原始信号进行离散傅里叶变换，然后利用带通滤波器对离散傅里叶变换后的原始信号进行滤波。

离散傅里叶变换分析方法可以把信号从时间域变换到频率域，进而进一步研究原始信号的频谱结构和变化规律，而带通滤波器可以通过某一频率范围内的频率分量，将其他范围的频率分量衰减到极低水平。从而保证通过该方式对原始信号进行预处理，以保证根据原始信号进行准确的心率提取。

具体地，对原始信号先进行离散傅里叶变换后，可以在1Hz频率附近得到明显峰值即脉搏波频率，但在峰值附近我们会看到有一些毛刺噪声，这时就要对信号进行滤波处理，按照人的正常心率范围50-200bpm，根据f＝HR/60可得到，滤波器的截止频率为0.83-3.33Hz，因此可以选择截止频率为0.83-3.33Hz的带通滤波器对信号进行滤波。可以理解地，此处还可以通过其他方式进行预处理。

步骤S130：对预处理后的原始信号进行特征提取，以得到多个特征点。

步骤S140：根据多个特征点确定心率值。

上述实现过程中，可以获取用户的指尖视频，并根据指尖视频得到原始信号，然后再对原始信号进行预处理及特种提取处理等，以准确的确定出用户的心率值。由于在获取指尖视频时需要用户将手指贴近摄像头，因此获取到的指尖视频中的光线相对稳定，且在对用户的指尖进行视频采集过程中，用户的指尖不易晃动，因此可以有效的减少指尖视频中的运动噪声。

在本发明的一些实施例中，获取指尖视频并根据指尖视频得到原始信号的步骤之前，可以通过以下步骤获取原始信号。首先，读取指尖视频，并确定指尖视频中每一帧的平均像素值；采用滑动窗口方式利用有预设存储空间的一维数组按顺序存储平均像素值；在一维数组中存满平均像素值后，根据每次窗口滑动一维数组中存储的所有的平均像素值确定原始信号。

在对指尖视频进行处理时，需要对其中的每一帧进行处理，计算出每一帧的平均像素值。然后用一个一维数组按照视频中帧的顺序对平均像素值进行存储，当一维数组中存满平均像素值后，可以开始根据该一维数组中存储的所有的平均像素值确定原始信号。此外，由于指尖视频中包括数量较大的帧，因此得到的平均像素值也较多，而一维数组中所能存储的平均像素值的数量是一定的，此时可以采用滑动窗口的方式将平均像素值存储与一维数组中。

例如，某指尖视频通过帧分析可以得到的平均像素值为200个，而一维数组中可以存储50个平均像素值。开始可以将第一个平均像素值存储于一维数组中，接着将第二个平均像素值直到第五十个平均像素值均存储与一维数组中。在将第五十个平均像素值存储与一维数组中之后，根据此时的一维数组中存储的第一个平均像素值至第五十个平均像素值包括的五十个平均像素值确定原始信号。然后采用滑动窗口方式继续利用一维数组存储平均像素值。此时，可以将一维数组中存储的第一个平均像素值从其中移除，并将第五十一个平均像素值存储与一维数组中，然后再根据此时的一维数组中存储的第二个平均像素值至第五十一个平均像素值包括的五十个平均像素值确定新的原始信号。

其中，根据上述步骤可以获取多个原始信号，根据多个原始信号可以得到多个心率值，继而可以根据多个心率值可以得到心率曲线。

作为一种实施方式，摄像头在进行指尖视频的采集时，可能出现未将手指覆盖在摄像头上时的情况，此时会获取到没有指尖的其他视频。可以通过以下方式确定摄像头采集到的视频中从什么时候开始为指尖视频。

将摄像头所能拍摄到的视频区域划分为多个模块，模块数量可以根据实际需求划分，然后分别计算每个模块的平均像素值，并在多个平均像素值的方差小于预设阈值时，可以判断摄像头采集到的视频从此时开始为指尖视频。

具体地，可以将视频区域分为4*4共16个模块，然后分别计算每个模块平均像素值，这16个平均像素值的方差小于预设阈值这则将此后获取的视频确定为指尖视频。

在本发明的一些实施例中，对预处理后的原始信号进行特征提取，以得到多个特征点的步骤包括：对预处理后的原始信号进行峰值检测；将不同的峰值进行分离，以得到多个峰值；多个峰值为多个特征点。

我们对滤波后的信号进行峰值检测，首先将不同的峰彼此分离。还可以绘制一个移动平均线，在原始信号位于该移动平均线上方的位置标记为感兴趣区域(egion ofinterest，ROI)，并最终在每个ROI中找到最高点。因为峰值的幅度会随时间变化，特别是当传感器稍微移动时。较小的次要峰的振幅也可以独立于R峰的振幅而变化，有时具有几乎相同的振幅，因此恶意通过绘制移动平均线的方式以减少误差。

在本发明的一些实施例中，根据多个特征点确定心率值的步骤包括：获取每个峰值的时间以及多个峰值中相邻峰值之间的距离；根据多个峰值获取的所有相邻峰值之间的距离计算平均值；根据平均值及时间计算心率值。

由于已经知道每个峰值的时间，因此可以计算峰值之间的距离，然后取其平均值并转换为每分钟的值，就可以得到最终的心率值。

基于同样的发明构思，本发明还提出一种基于指尖视频的实时心率提取装置100，请参看图2，图2为本发明实施例提供的一种基于指尖视频的实时心率提取装置100的结构框图。该基于指尖视频的实时心率提取装置100包括：

原始信号获取模块110，用于获取指尖视频并根据指尖视频得到原始信号；

预处理模块120，用于对原始信号进行预处理；

特征提取模块130，用于对预处理后的原始信号进行特征提取，以得到多个特征点；

心率值确定模块140，用于根据多个特征点确定心率值。

在本发明的一些实施例中，装置包括：

平均像素值确定模块，用于读取指尖视频，并确定指尖视频中每一帧的平均像素值；

数据获取模块，用于采用滑动窗口方式利用有预设存储空间的一维数组按顺序存储平均像素值；

原始信号确定模块，用于在一维数组中存满平均像素值后，根据每次窗口滑动一维数组中存储的所有的平均像素值确定原始信号。

在本发明的一些实施例中，预处理模块120包括：

离散傅里叶变换单元，用于对原始信号进行离散傅里叶变换；

滤波单元，用于利用带通滤波器对离散傅里叶变换后的原始信号进行滤波。

在本发明的一些实施例中，特征提取模块130包括：

峰值检测单元，用于对预处理后的原始信号进行峰值检测；

峰值分离单元，用于将不同的峰值进行分离，以得到多个峰值；多个峰值为多个特征点。

在本发明的一些实施例中，心率值确定模块140包括：

距离获取单元，用于获取每个峰值的时间以及多个峰值中相邻峰值之间的距离；

距离平均值计算单元，用于根据多个峰值获取的所有相邻峰值之间的距离计算平均值；

心率值计算单元，用于根据平均值及时间计算心率值。

请参阅图3，图3为本申请实施例提供的电子设备的一种示意性结构框图。电子设备包括存储器101、处理器102和通信接口103，该存储器101、处理器102和通信接口103相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器101可用于存储软件程序及模块，如本申请实施例所提供的基于指尖视频的实时心率提取装置100对应的程序指令/模块，处理器102通过执行存储在存储器101内的软件程序及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。该通信接口103可用于与其他节点设备进行信令或数据的通信。

其中，存储器101可以是但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。

处理器102可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。该处理器102可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

可以理解，图3所示的结构仅为示意，电子设备还可包括比图3中所示更多或者更少的组件，或者具有与图3所示不同的配置。图3中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

综上，本申请实施例提供的一种基于指尖视频的实时心率提取方法及装置，该方法包括：获取指尖视频并根据指尖视频得到原始信号；对原始信号进行预处理；对预处理后的原始信号进行特征提取，以得到多个特征点；根据多个特征点确定心率值。可以获取用户的指尖视频，并根据指尖视频得到原始信号，然后再对原始信号进行预处理及特种提取处理等，以准确的确定出用户的心率值。由于在获取指尖视频时需要用户将手指贴近摄像头，因此获取到的指尖视频中的光线相对稳定，且在对用户的指尖进行视频采集过程中，用户的指尖不易晃动，因此可以有效的减少指尖视频中的运动噪声。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种基于指尖视频的实时心率提取方法，其特征在于，所述方法包括：

获取指尖视频并根据所述指尖视频得到原始信号；

对所述原始信号进行预处理；

对预处理后的原始信号进行特征提取，以得到多个特征点；

根据所述多个特征点确定心率值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取指尖视频并根据所述指尖视频得到原始信号的步骤之前，所述方法包括：

读取指尖视频，并确定所述指尖视频中每一帧的平均像素值；

采用滑动窗口方式利用有预设存储空间的一维数组按顺序存储平均像素值；

在所述一维数组中存满平均像素值后，根据每次窗口滑动所述一维数组中存储的所有的平均像素值确定原始信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述原始信号进行预处理的步骤包括：

对所述原始信号进行离散傅里叶变换；

利用带通滤波器对离散傅里叶变换后的原始信号进行滤波。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对预处理后的原始信号进行特征提取，以得到多个特征点的步骤包括：

对所述预处理后的原始信号进行峰值检测；

将不同的峰值进行分离，以得到多个峰值；所述多个峰值为所述多个特征点。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述多个特征点确定心率值的步骤包括：

获取每个峰值的时间以及所述多个峰值中相邻峰值之间的距离；

根据多个峰值获取的所有相邻峰值之间的距离计算平均值；

根据所述平均值及所述时间计算心率值。

6.一种基于指尖视频的实时心率提取装置，其特征在于，所述装置包括：

原始信号获取模块，用于获取指尖视频并根据所述指尖视频得到原始信号；

预处理模块，用于对所述原始信号进行预处理；

特征提取模块，用于对预处理后的原始信号进行特征提取，以得到多个特征点；

心率值确定模块，用于根据所述多个特征点确定心率值。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置包括：

平均像素值确定模块，用于读取指尖视频，并确定所述指尖视频中每一帧的平均像素值；

数据获取模块，用于采用滑动窗口方式利用有预设存储空间的一维数组按顺序存储平均像素值；

原始信号确定模块，用于在所述一维数组中存满平均像素值后，根据每次窗口滑动所述一维数组中存储的所有的平均像素值确定原始信号。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预处理模块包括：

离散傅里叶变换单元，用于对所述原始信号进行离散傅里叶变换；

滤波单元，用于利用带通滤波器对离散傅里叶变换后的原始信号进行滤波。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储一个或多个程序；

处理器；

当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。

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