KR20150059631A

KR20150059631A - 심박수 측정 방법 및 이를 위한 장치

Info

Publication number: KR20150059631A
Application number: KR1020140163817A
Authority: KR
Inventors: 토시히로 키타지마; 에드와르도 무라카미; 최상언
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2015-06-01
Also published as: US20150148687A1; US10383532B2; JP2015100432A; KR102322028B1; JP6349075B2

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따라 전자 기기에서 심박수를 측정하는 방법에 있어서, 상기 전자 기기가 피험자의 얼굴 이미지를 획득하는 단계; 상기 획득된 얼굴 이미지 내에서 대상 영역을 결정하는 단계; 상기 결정된 대상 영역 내의 색상 정보를 분석하는 단계; 및 상기 분석된 색상 정보에 기초하여, 상기 피험자의 심박수를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 색상 정보를 분석하는 단계는, 상기 대상 영역 내의 제1 색상 성분 및 제2 색상 성분의 차분 연산에 기초하여 분석하는 것을 특징으로 한다.

Description

심박수 측정 방법 및 이를 위한 장치{Method and apparatus for measuring of Heart rate}

본 발명은 심박수 측정 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 비접촉식으로 얼굴 이미지를 분석하여 심박수를 측정하는 방법에 관한 것이다.

광학 이미지 센서로 획득된 이미지를 분석하여 피험자(subject)의 심박수(heart rate)를 측정하는 방법은 연구되고 있다. 예를 들어, 얼굴 영역 이미지 내의 적색(Red), 녹색(Green) 및 청색(Blue)의 평균값을 산출하여, 독립 성분 분석(Independent component analysis; ICA)에 의해서 처리하여 1개의 성분 파형의 주파수 분석으로 획득된 피크 주파수로부터 심박수를 측정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 비접촉식으로 얼굴 이미지를 분석하여 심박수를 측정하는 방법을 제공하고자 한다.

바람직하게는, 상기 대상 영역은 상기 피험자의 얼굴 기관에 기초하여 결정될 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 피험자의 얼굴 기관은 상기 피험자의 얼굴에 위치하는 눈, 코 및 입을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기의 제1 색상 성분 및 제2 색상 성분은 RGB 표색계의 원색에 해당되는 녹색(G) 및 적색(R)일 수 있다.

바람직하게는, 상기 피험자의 심박수를 결정하는 단계는, 상기 차분 신호를 주파수 영역의 주파수 신호로 변환하는 단계; 및 상기 변환된 주파수 신호의 피크값(peak)에 대응되는 주파수를 상기 피험자의 심박수로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 전자 기기가 획득한 이미지 영역에서 상기 피험자의 얼굴을 인식하는 단계를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 결정된 상기 피험자의 심박수가 상기 전자 기기에 기 설정된 범위에 해당되지 않는 경우, 상기 얼굴 이미지를 재획득하도록 요구하는 정보를 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 피험자의 얼굴이 포함된 이미지를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 심박수를 측정하는 전자 기기에 있어서, 획득된 이미지에서 얼굴 영역을 인식하는 얼굴 인식부; 상기 인식된 얼굴 영역에서 얼굴 기관을 검출하는 얼굴 기관 검출부; 상기 검출된 얼굴 기관에 기초하여, 대상 영역을 설정하는 대상 영역 설정부; 및 상기 설정된 대상 영역 내의 제1 색상 성분 및 제2 색상 성분의 차분 연산에 기초하여 노이즈 성분을 저감하는 노이즈 저감부; 상기 노이즈 성분이 저감된 색상 성분에 기초하여 상기 피험자의 심박수를 결정하는 심박수 검출부를 포함할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박수 측정 시스템을 도시한다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 이미지 센서에서 획득된 프레임을 도시한다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임 내의 피험자의 얼굴 영역을 도시한다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 피험자의 얼굴 기관을 도시한다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 피험자의 얼굴의 일부 대상 영역을 도시한다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 대상 영역의 화소군의 녹색(G) 성분의 평균값을 시계열 데이터로 나타낸 그래프이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 대상 영역의 화소군의 적색(R) 성분의 평균값을 시계열 데이터로 나타낸 그래프이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 시계열 데이터로부터 시계열 데이터를 차분한 신호를 시계열 데이터로서 나타낸 그래프이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 시계열 데이터를 주파수 영역에서 나타낸 주파수 스펙트럼을 도시한다.
도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따른 대상 영역의 화소군의 녹색(G) 성분의 평균값을 시계열 데이터로 나타낸 그래프이다.
도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 시계열 데이터에 대하여 이동 평균 연산을 통해 획득한 결과를 시계열 데이터로 나타낸 그래프이다.
도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 시계열 데이터로부터 시계열 데이터를 차분한 신호를 시계열 데이터로서 나타낸 그래프이다.
도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 시계열 데이터를 주파수 영역에서 나타낸 주파수 스펙트럼을 도시한다.
도 14 는 본 발명의 일 실시예에 따른 디바이스의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 15 는 본 발명의 일 실시예에 따른 노이즈 저감기의 동작 과정을 나타내는 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.

먼저 본 발명의 설명의 명확성을 위하여 기재되는 용어에 대하여 간략하게 설명한다.

"피험자"는, 심박수 측정의 대상이 되는 인간이 될 수 있다. 심박수를 측정하는 심박수 측정 장치의 사용자가 이에 해당될 수 있다. 하지만, 본 발명의 피험자를 인간으로 제한할 것이 아니며, 측정가능한 심장을 가진 생명체로 넓게 해석함이 바람직하다.

"얼굴 기관"은, 얼굴에 위치한 신체 기관들을 의미한다. 눈, 코, 입, 귀 등과 같은 신체 기관뿐만 아니라, 눈썹, 머리카락 등과 같은 신체의 일부를 포함하는 개념으로 해석함이 바람직하다.

얼굴의 움직임은, 동영상을 구성하는 각각의 프레임에 대한 얼굴의 위치의 변화, 얼굴의 방향의 변화 및 얼굴의 표정의 변화 등을 포함한다. 얼굴의 움직임에 의한 휘도값의 변화는 체동(體動) 노이즈라 불릴 수 있다.

RGB 표색계는, 적색(R) 성분, 녹색(G) 성분 및 청색(B) 성분에 의해서 표현되는 색공간(color space)이다. 본 개시에서 「R성분」, 「G성분」, 및 「B성분」이라고 기재된 경우, 각각 RGB 표색계의 원색인 적색 성분, 녹색 성분, 및 청색 성분을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.

HSV 표색계는, 색상, 채도 및 명도에 의해서 표현되는 색공간(color space)이다. 또한 YUV 표색계는, 휘도 신호 Y 및 2 개의 색 차이 신호에 의해서 표현되는 색공간(color space)이다.

"평균"이라는 용어는, 가중치를 곱하고 평균을 취하는 가중(이중) 평균과 그러한 가중치를 요하지 않는 단순 평균을 포함한다.

프로세서는, 일반적으로는 CPU(중앙처리장치)이지만, 반드시 이것에만 한정되지는 않고 다양한 실시 형태에 의한 프로그램을 실행할 수 있는 임의의 하드웨어를 포함하는 개념이다. 또한, 하드웨어는 복수의 프로세서를 포함하는 개념일 수 있다.

다양한 실시 형태에 의한 프로그램을 기억하는 메모리(memory)는, 단일의 메모리뿐만 아니라 복수의 메모리를 포함하는 개념일 수 있다.

본 개시에서, 「또는」이라고 하는 말은, 배타적인 논리합을 포함한다. 예를 들어, 「P 또는 Q」는 「P」, 「Q」 및 「P 및 Q」를 포함한다.

이하 도 1 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 심박수 측정 장치(심박수 측정 시스템)에서 심박수를 측정하는 방법에 대해 자세히 설명한다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박수 측정 시스템을 도시한다.

심박수 측정 시스템(100)은 텔레비전, 휴대전화 등과 같은 전자 기기의 일부가 될 수 있으며, 이미지(동영상을 포함하는 개념이다)를 수신 및 처리할 수 있는 기기를 의미한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 심박수 측정 시스템(100)은 비디오 카메라(102)로부터 피험자의 얼굴이 포함되는 동영상 데이터를 수신할 수 있다. 이때의 비디오 카메라(102)는 심박수 측정 시스템(100)에 포함될 수 있으며, 심박수 측정 시스템(100)과 별도의 모듈일 수도 있다. 예를 들어, 비디오 카메라(102)는 텔레비전 케이스 내에 내장될 수 있으며, 또는 휴대전화 케이스 내에 내장될 수도 있다.

비디오 카메라(102)는 일반적으로 CMOS(Complementary metal-oxide semiconductor; 상보형 금속 산화막반도체) 이미지 센서에 의해서 동영상을 촬상하여 출력할 수 있다. 비디오 카메라(102)는 CCD(Charge Coupled Device; 전하결합소자) 등과 같은 다른 종류의 이미지 센서를 이용한 것일 수 있다. 촬상된 동영상은 시계열적으로 배열된 이미지 프레임들에 의해서 표현될 수 있다.

비디오 카메라(102)가 출력하는 동영상의 해상도(resolution)는 예를 들어, 풀 하이비전(Full-HD) 상당(1920*1080 화소)이며, 프레임율(frame rate)는 30 frame/sec이다. 그러나 해상도는 이에 한정되는 것이 아니며, 보다 저해상도(예를 들어, 640*480 화소)일 수 있으며, 보다 고해상도일수도 있다. 프레임율 또한 30 frame/sec에 한정되는 것이 아니며, 다른 임의의 적절한 프레임율일 수 있음에 유의한다.

심박수 측정 시스템(100)은 피험자의 얼굴의 동영상에 기초하여 피험자의 심박수를 측정하여 표시장치(114)에 출력할 수 있다. 표시장치(114)는 예를 들어, 텔레비전의 액정 디스플레이 일 수 있으며, 휴대전화의 액정 디스플레이일 수도 있다. 표시장치(114)는 심박수를 표시하기 위한 LED(발광 다이오드)를 이용한 표시기일 수 있다.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 이미지 센서에서 획득된 프레임을 도시한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 얼굴 인식부(104)는 비디오 신호(120)를 비디오 카메라(102)로부터 수신할 수 있다. 비디오 신호(102)는 전형적으로 디지털 비디오 신호이며, RGB 표색계의 삼원색으로 동영상을 표현할 수 있다. 그러나 비디오 신호(120)는 이에 한정되지 않으며, HSV 표색계 또는 YUV 표색계의 삼원색으로 동영상을 표현할 수 있다. 비디오 신호(120)는 후술되는 노이즈 저감부(110)로 이용되는 색에 대응되는 화소 데이터를 포함하지 않을 경우, 신호 변환기는 노이즈 저감부10)로 이용되는 색에 대응되는 화소 데이터를 가지도록 비디오 신호(120)를 변환할 수 있다. 그러나 신호 변환기는 비디오 카메라(102) 및 얼굴 인식부(104) 사이에 위치할 수 있으며, 또는 얼굴 인식부(104) 내에 포함될 수도 있다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 프레임(210)은 비디오 카메라(102)에 의해서 촬영된 풀 하이비젼 동영상으로 가로 1920 화소, 세로 1080 화소일 수 있다. 그러나 반드시 상기의 해상도에 한정되는 것은 아니며, 비디오 카메라(102)가 촬상하는 동영상 프레임의 해상도는 후술하는 대상 영역을 획득할 수 있는 정도의 해상도로 넓게 해석함이 바람직하다.

비디오 신호(120)에 의해 표시되는 동영상 중 1 매의 프레임(210)은 피험자의 얼굴(212), 피험자의 몸(214) 및 피험자 이외의 사물(전경, 배경 216) 등을 포함할 수 있다. 얼굴 인식부(104)는 프레임(210) 중에서 피험자의 얼굴(212)을 식별할 수 있다.

도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임 내의 피험자의 얼굴 영역을 도시한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 얼굴 인식부(104)는 비디오 신호(120)가 나타내는 동영상의 각각의 프레임에 대하여 피험자의 얼굴(310)을 인식할 수 있다. 얼굴 인식 방법으로 기존에 존재하는 임의의 적절한 얼굴 인식 방법이 이용될 수 있다. 얼굴 인식부(104)가 프레임 내에 얼굴이 존재한다고 판단할 경우, 그 얼굴이 피험자의 얼굴(310)이라고 결정할 수 있으며, 얼굴(310)에 대응되는 얼굴 영역(320)을 결정할 수 있다.

도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 피험자의 얼굴 기관을 도시한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 얼굴 기관 검출부(106)는 얼굴 영역(320)을 나타내는 신호를 얼굴 인식부(104)로부터 수신하여, 얼굴 영역(320) 내에 위치하는 피험자의 얼굴 기관을 검출할 수 있다. 예를 들어, 얼굴 기관은 눈(410), 코(412) 및 입(414)이지만, 이것들로 한정되는 것은 아니며, 얼굴에 위치하는 다양한 신체 일부들을 포함하는 것으로 넓게 해석함이 바람직하다. 얼굴 기관 검출부(106)는 눈(410), 코(412) 및 입(415)의 위치를 나타내는 데이터를 대상 영역 설정부(108)로 출력할 수 있다.

도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 피험자의 얼굴의 일부 대상 영역을 도시한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 대상 영역 설정부(108)는 피험자의 눈(410), 코(412) 및 입(414)의 위치를 나타내는 데이터를 얼굴 기관 검출부(106)로부터 수신할 수 있다. 대상 영역 설정부(108)는 피험자의 얼굴 기관의 위치에 근거하고, 심박수 측정에 이용되는 대상 영역(510)을 프레임(210)으로부터 설정할 수 있다. 대상 영역 설정부(108)는 눈(410) 및 입(414)에 기초하여 설정될 수 있으며, 또는 코(412)에 근거하여 대상 영역(510)을 설정하여도 무관하다. 대상 영역(510)은 예를 들어, 가로 100화소 및 세로 100화소의 영역일 수 있으나, 구체적인 값에 한정되지 않음에 유의한다.

대상 영역(510)은 얼굴 중에서 표정에 의한 움직임이 비교적 적은 영역이므로 심박수의 측정에 적합하다. 추가적으로, 대상 영역(510)은 피험자의 얼굴(310)의 중앙에 위치하므로 피험자의 얼굴(310)이 프레임(210) 내에서 움직이더라도 심박수 측정에 주는 영향을 줄이는 유리한 효과가 있다. 본 개시의 일 실시예에 따르면 대상 영역(510)은 눈(410)의 하단 경계의 수평 직선, 입(414)의 상단 경계의 수평 직선 및 눈(410)의 눈초리를 통과하는 연직 직선으로 둘러싸인 장방형 영역일 수 있다.

대상 영역 설정부(108)는 대상 영역(510) 내의 화소값 데이터를 노이즈 저감부(110)로 출력한다. 대상 영역 설정부(108)가 프레임(210)에 대한 대상 영역(510)의 위치를 나타내는 데이터를 노이즈 저감부(110)로 출력하는 것으로 갈음할 수 있다. 노이즈 저감부(110)는 후술되는 휘도치의 평균을 취해서 비디오 신호(120)의 화소 데이터가 저장된 비디오 메모리에 접속할 수 있다.

노이즈 저감부(110)는 대상 영역(510)의 화소값 데이터를 대상 영역 설정부(108)로부터 수신하여 심박 성분 이외에 노이즈 성분이 저감된 신호(810)을 출력할 수 있다. 보다 상세하게는, 노이즈 저감부(110)는 대상 영역(510)의 화소권의 휘도값의 평균을 나타내는 휘도 신호와 노이즈 성분의 신호와의 차분(differential)을 수행하여 차분 신호로서 출력할 수 있다.

피험자의 심장의 박동에 의해서 심박 성분의 화소값은 변할 수 있다. 화소값 변화의 노이즈 성분은 피험자의 얼굴이 움직임에 따라서 또는 피험자의 얼굴을 비추는 빛과 같은 환경의 강도 변화에 의해서 발생할 수 있다. 노이즈 성분은 대상 영역(510)의 화소군의 휘도값을 변화시키므로 심박 성분의 검출에 방해가 될 수 있다. 따라서, 노이즈 성분은 제거하거나, 제거가 어려운 경우에 저감하는 것이 바람직하다. 일반적으로 노이즈 성분은 심박 성분보다 낮은 주파수 성분으로 구성되나 반드시 낮은 주파수일 필요는 없으며, 심박 성분보다 더 높거나 같을 수 있다.

도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 대상 영역의 화소군의 녹색(G) 성분의 평균값을 시계열 데이터로 나타낸 그래프이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 노이즈 저감부(110)은 대상 영역(510)의 화소군의 휘도값으로부터 시계열 데이터(610)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 시계열 데이터(610)는 1/30초의 시간 간격으로 샘플링된 G 성분의 평균값일 수 있다. 이것은 비디오 신호(120)의 프레임율(frame rate)가 30 frame/sec초 임을 전제로 도출할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 개시의 프레임율은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 임의의 적절한 샘플링율을 가질 수 있다. 구간 620에서 피험자의 얼굴(310)이 프레임 상에서 움직임으로 인하여 시계열 데이터(610)도 큰 변화를 가지는 것을 알 수 있다.

도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 대상 영역의 화소군의 적색(R) 성분의 평균값을 시계열 데이터로 나타낸 그래프이다.

노이즈 저감부(110)는 대상 영역(510)의 화소군의 휘도값으로부터 시계열 데이터(710)을 생성할 수 있다. 그래프 600 및 700은 비디오 신호(120)의 같은 시간 구간동안 획득한 시계열 데이터이다. 구간 620과 동일한 구간 720으로 피험자의 얼굴(310)이 프레임 상에서 움직임으로 인하여 시계열 데이터(710)도 큰 변화를 가지는 것을 알 수 있다.

도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 시계열 데이터로부터 시계열 데이터를 차분한 신호를 시계열 데이터로서 나타낸 그래프이다.

노이즈 저감부(110)는 시계열 데이터(710)로부터 시계열 데이터(610)를 뺀 차분 신호를 시계열 데이터(810)로 생성할 수 있다. 노이즈 저감부(110)는 생성된 시계열 데이터(810)를 심박수 검출부(112)로 출력할 수 있다. 구간(820)에서 피험자의 얼굴(310)이 움직였음에도 불구하고, 시계열 데이터(810)는 큰 변화를 나타내지 않는다. 이것은 피험자의 얼굴의 움직임에 의한 노이즈 성분이 “R 성분 - G 성분”의 차분 연산에 의하여 저감되었기 때문이다. 이 차분 연산은 얼굴의 움직임에 의한 노이즈 성분만큼 저감하는 것뿐만 아니라, 피험자의 얼굴을 비추는 빛 등의 환경의 강도 변화에 의한 노이즈 성분도 저감할 수 있다.

이하에서는 RGB 성분 중에서 R 성분 및 G 성분간의 차분에 대하여 설명한다. 피험자의 심장의 박동에 의해서 혈관을 흐르는 산화헤모글로빈의 양이 증가되는 경우에는 피험자의 얼굴로 G 성분이 흡수된다. 따라서 얼굴로 반사된 비디오 신호(120)의 RGB 성분 중에는 G 성분이 심박 성분을 가장 많이 포함한다. 이에 대하여 R 성분은 심박 성분을 G 성분만큼 많게는 포함하지 않으므로 이들 2개의 성분의 차분을 구함으로써 노이즈 성분을 상쇄시킬 수 있다. 추가적으로, 심박수 측정에 있어서 차분 신호의 부호는 무관하기 때문에, 2 성분 간의 차분을 구할 경우에는 차이의 절대값을 이용할 수 있다.

상기의 차분 예에서는 노이즈 성분의 저감 방법으로 R 성분 - G 성분간의 차분 연산을 예로 들었으나, 이에 대하여 B 성분 - G 성분의 차분 연산을 이용하여도 무관하다. B 성분 - G 성분간의 차분 연산도 R 성분 - G 성분간의 차분 연산과 마찬가지로 노이즈 성분을 저감할 수 있는 유리한 효과를 가진다.

도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 시계열 데이터를 주파수 영역에서 나타낸 주파수 스펙트럼을 도시한다.

심박수 검출부(112)는 고속 푸리에 변환(FFT)에 의하여 정규화된 차분 성분(시계열 데이터(810))을 주파수 성분으로 변환할 수 있다. 주파수 대역은 심박수로서 취할 수 있는 범위(920), 범위(920)보다 낮은 주파수 범위(910) 및 범위(920)보다 높은 주파수 범위(930)의 3개의 범위 구간으로 구분할 수 있다. 심박수 검출부(112)는 범위(920) 내에서의 피크값(922)을 검출하여, 피크값(922)에 대응하는 주파수(924)를 심박수로서 표시장치(114)로 출력할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 피크값(922)의 주파수(924)는 0.85 (Hz)에 해당될 수 있다. 이 경우, 심박수(Heart Rate; HR)는 0.85 * 60 = 51 (beat per minute; bpm)이 될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 노이즈 저감부(110)는 노이즈 성분을 R 성분 - G 성분 간의 차분 연산에 의해서 저감할 수 있다.

피크 주파수(924)를 검출하기 위하여 평면상의 좌표 중 y 좌표값이 가장 큰 점을 피크라고 간주할 수 있다. 심박수 검출부(112)는 보다 높은 정도의 피크 주파수를 검출하기 위해서 직선 피팅(fitting) 또는 곡선 피팅을 이용할 수 있다. 상기의 피팅은 (x-1, y), (x, y), (x+1, y)의 평면상의 세 개의 점으로부터 피크값에 대응되는 x 좌표를 구하는 방법이다.

직선 피팅(fitting)의 일례로서 이하의 식에 의한 방법이 이용될 수 있다.

SAD(x+1, y) < SAD(x-1, y)인 경우, 하기의 수학식 1과 같다.

SAD(x+1, y) ≥ SAD(x-1, y)인 경우, 하기의 수학식 2와 같다.

여기서, SAD는 절대 오차의 총합(Sum of Absolute Differences)를 나타내며, xsub는 피크 주파수를 나타낸다.

곡선 피팅의 일례로서 이하의 식에 의한 파라볼라 피팅 방법이 이용될 수 있다. 파라볼라 피팅 방법의 경우 하기의 수식 3과 같다.

피크값을 구하기 위해서는 상기 수학식 1 내지 수학식 3과 같이, 직선 피팅 또는 곡선 피팅을 이용하면 피크 주파수 결정시의 분해가능을 개선할 수 있는 유리한 효과가 있다.

상기의 차분 연산의 대체 방법으로, 노이즈 저감부(110)는 이동 평균(moving average)과의 차분 연산에 의해서도 노이즈 성분을 저감할 수 있다. 이하에서는, 이동 평균에 의하여 노이즈를 저감하는 방법을 설명한다.

도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따른 대상 영역의 화소군의 녹색(G) 성분의 평균값을 시계열 데이터로 나타낸 그래프이다.

노이즈 저감부(110)는 대상 영역(510)의 화소군의 휘도값으로부터 시계열 데이터(1010)를 생성할 수 있다.

도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 시계열 데이터에 대하여 이동 평균 연산을 통해 획득한 결과를 시계열 데이터로 나타낸 그래프이다.

노이즈 저감부(110)는 시계열 데이터(1010)로부터 시계열 데이터(1110)를 생성할 수 있다. 시계열 데이터(1010)에 대하여 연속하는 5개의 샘플링(sampling) 점을 이용하여 이동 평균을 구하고, 20회 반복 실시함으로써 시계열 데이터(1110)를 획득할 수 있다.

도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 시계열 데이터로부터 시계열 데이터를 차분한 신호를 시계열 데이터로서 나타낸 그래프이다.

노이즈 저감부(110)는 시계열 데이터(1010)로부터 시계열 데이터(1110)를 뺀 차분 신호를 시계열 데이터(1210)로서 출력할 수 있다. 이 시계열 데이터(1210)는 시계열 데이터 810에 대응되는 데이터이다.

도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 시계열 데이터를 주파수 영역에서 나타낸 주파수 스펙트럼을 도시한다.

이동 평균을 이용하는 경우에도 심박수 검출부(112)는 상기 도 9에서 설명한 바와 같이 동작할 수 있다. 즉, 고속 푸리에 변환(FFT)에 의하여 정규화된 차분 성분(시계열 데이터(1210))을 주파수 성분으로 변환할 수 있다. 주파수 대역은 심박수로서 취할 수 있는 범위(1320), 범위(1320)보다 낮은 주파수 범위(1310) 및 범위(1320)보다 높은 주파수 범위(1330)의 3 개의 범위로 구분할 수 있다. 심박수 검출부 (112)는 범위(13200 내에서의 피크값(1322)을 검출하여 피크값(1322)에서의 주파수(1324)를 심박수로서 표시장치(114)로 출력할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 시계열 데이터 및 이동 평균이 취해진 시계열 데이터 간의 차분 연산을 실시하여 피험자의 얼굴에 조사되는 빛의 주파수 성분이 변화되어도 그 영향을 적게 받을 수 있는 효과를 가질 수 있다.

도 14 는 본 발명의 일 실시예에 따른 디바이스의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 텔레비전, 휴대전화 등과 같은 전자 기기 또는 전자 기기의 일부를 나타낸 것일 수 있다. 심박수 측정 시스템(100)은 프로그램 실행부(1400)를 포함할 수 있다. 심박수 측정 시스템(100)에는 비디오 카메라(102) 및 표시장치(114) 등이 결합될 수 있다. 비디오 카메라(102) 및 표시장치(114)는 심박수 측정 시스템(100)의 내부에 위치할 수도 있다.

프로그램 실행부(1400)는 CPU(1402), ROM(1404), RAM(1406), 신호 처리부(1408) 및 화상 처리부(1410)에 의해서 구성될 수 있다. 프로그램 실행부(1400)는 본 개시에서 설명하는 다양한 동작을 CPU(1402)에 의해서 실행하고, 각각의 동작에 대응하는 구성을 실현한다. 프로그램 실행부(1400)는 도 1에 도시된 각 구성들을 실현할 수 있다. 프로그램 실행부(1400)는 프로그램을 실행하는데 필요한 다양한 다른 구성을 가질 수 있다. 또는 반대로, 상기 구성 중 일부 구성을 생략할 수도 있다.

CPU(1402)는 심박수 측정 시스템(100)의 각 구성요소와 버스(1420)를 연결하여 접속되어 제어 신호 및 데이터를 교환함에 있어서 그 전체의 동작을 제어할 수 있다. CPU(1402)는 RAM(1406)에 저장된 프로그램을 구성하는 요소군을 실행함으로써 의도한 동작을 실현할 수 있다. CPU(1402)는 도 1에 표시되는 구성을 실현할 수 있다.

CPU(1402)는 레지스터에 대하여 ALU(Arithmetic Logic Unit)을 이용하여 가감 곱셈 및 나눗셈 등의 산술 연산 또는 논리합, 논리/논리부정 등의 논리 연산, 비트화, 비트/비트반전, 비트 시프트, 비트 회전 등의 비트 연산 등을 실시할 수 있다. CPU(1402)는 멀티미디어 처리를 위한 가감승제 등의 포화 연산 및 삼각함수 등 벡터 연산을 고속으로 실시할 수 있도록 구성될 수 있다. CPU(1402)는 연산을 고속으로 실시하기 위하여 코프로세서(coprocessor)를 갖출 수 있다.

ROM(1404)는 전원 투입 직후에 실행되는 IPL(initial program loader)를 저장할 수 있다. CPU(1402)는 IPL을 실행함으로써 ROM(1404)에 저장된 프로그램을 읽을 수 있다. CPU(1402)는 읽은 프로그램을 RAM(1406)에 저장시킴으로써 프로그램의 실행에 필요한 처리를 실시할 수 있다. ROM(1404)는 심박수 측정 시스템(100)의 제어에 필요한 운영 시스템(operating system; OS)의 프로그램 및 각종 데이터를 저장할 수 있다.

RAM(1406)은 데이터 또는 프로그램을 일시적으로 저장할 수 있다. RAM(1406)은 ROM(1404) 및 기록매체(1442) 등으로부터 읽은 프로그램, 프로그램에 부수하는 데이터, 통신에 관련된 데이터 등을 저장할 수 있다. CPU(1402)는 RAM(1406)에 변수 영역을 마련하여 변수 영역에 격납된 값에 대하여 직접 연산을 실시할 수 있다. CPU(1402)는 RAM(1406)에 저장된 값을 우선 레지스터에 격납한 후에 레지스터에 대하여 연산을 실시하여 연산 결과를 메모리에 전송할 수 있다.

인터페이스(1430)는 컨트롤러(1432)에 의해서 검출된 사용자의 조작과 관련된 데이터를 버스(1420)에 연결하여 CPU(1402) 등으로 전송할 수 있다. 신호 처리부(1408) 및 화상 처리부(1410)는 버스(1420)를 통해 CPU(1402)와 접속될 수 있다. CPU(1402)는 프로그램으로부터의 명령을 해석하여 각종의 데이터 처리 및 제어를 실시할 수 있다. 예를 들어, CPU(1402)는 신호 처리부(1408)에 대하여 화상 데이터를 처리하도록 명령할 수 있다. 이에 대하여 신호 처리부(1408)는 화상 신호로부터 대상 영역의 화소를 분리할 수 있고, 대상 영역의 화소값의 평균을 계산하는 등 다양한 계산이나 화상 및 음성 데이터의 생성을 실시할 수 있다.

기록매체(1442)는 컴퓨터에서 읽기 가능한 기록 매체를 의미한다. 본 개시에 의한 프로그램 및 프로그램에 부수하는 데이터를 저장할 수 있다. 드라이브(1440)는 CPU(1402)의 제어에 의하여 기록매체(1442)로부터 프로그램 및 부수하는 데이터를 읽을 수 있다. CPU(1402)는 읽은 프로그램 및 데이터를 버스(1420)에 연결하여 RAM(1406)으로 전송하여 일시적으로 저장시킬 수 있다.

화상 출력부(1460)는 측정된 심박수를 표시장치(114) 상에 표시하는 화상 처리 등을 실행할 수 있다.

음성 출력부(1470)는 디지털 아날로그 변환기(Digital Analog Conveter; DAC)를 포함할 수 있다. 음성 출력부(1470)는 측정된 심박수에 대응되는 음성을 출력할 수 있다. 예를 들어, 표시장치(114)는 액정 디스플레이일 수 있다.

프로그램 실행부(1400)는 상술의 구성요소뿐만 아니라 다른 하드웨어 또는 소프트웨어 요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로그램 실행부(1400)는 단일의 CPU(1402)가 아닌 복수의 CPU를 이용하는 것에 의해서 병렬 처리를 실시하여 계산 속도를 빠르게 할 수 있다. 반대로, 프로그램 실행부(1400)는 상술의 구성요소의 일부를 포함하지 않을 수 있다. 화상 출력부(1460)는 디지털 아날로그 변환기, 프레임 메모리를 포함할 수 있다. 프레임 메모리는 화상 처리부(1410)에 의해서 처리된 화상 데이터를 기억할 수 있다.

네트워크 인터페이스(Network Interface, 1450)는 네트워크(1452)를 통하여 외부 장치(1456)으로 통신하는 데에 이용될 수 있다. 예를 들어, 피험자의 심박수를 나타내는 데이터는 외부 장치(1456)에 전송될 수 있다. 이에 의하여 피험자의 심박수를 피험자 자신에 의한 심박 측정을 바로 원격지에 있는 의료 관계자에게 전송하는 것이 가능하다. 반대로, 심박수 측정 시스템(100)은 네트워크(1452)에 접속하지 않고, 심박 측정을 실시하는 프로그램을 실행하여 피험자 자신이 자신의 심박수를 표시장치(114)에 의해서 인지할 수도 있다.

본 개시에 의한 프로그램은 ROM(1404)로부터 RAM(1406)으로 로드될 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 개시에 의한 프로그램의 전부 또는 일부가 네트워크(1452)에 연결되어 원격지에 있는 컴퓨터로부터 로드될 수도 있다. 본 개시에 의한 프로그램에 관련되어 이용되는 데이터의 전부 도는 일부도 네트워크에 연결되어 원격지에 있는 컴퓨터(또는 서버)로부터 로드될 수 있다.

도 15 는 본 발명의 일 실시예에 따른 노이즈 저감부의 동작 과정을 나타내는 순서도이다.

도 15에 도시된 바와 같이, 순서도(1500)로 도시되는 프로그램은 ROM(1404) 또는 기록매체(1442)로부터 RAM(1406) 상에 로드되어 일시적으로 저장될 수 있다. 이후 프로그램은 CPU(1402)에 의해서 실행되고 심박수를 나타내는 데이터가 버스(1420)에 접속되어 출력될 수 있다. 출력된 데이터는 표시장치(114)상에 표시되어 사용자인 피험자에게 인식될 수 있다.

앞서 도 6 내지 도 9에서 설명한 내용은 R 성분 - G 성분 간의 차분 연산을 실행하는 프로그램에 관한 것이지만 반드시 이에 한정되지 않고 다양한 실시 형태를 가질 수 있다. 도 10 내지 도 13에서 설명한 G 성분과 이동 평균에 의한 G 성분과의 차분 연산 또한 가능하기 때문이다.

단계 1510에서, 프로그램은 트리거링에 의해서 동작을 시작할 수 있다. 예를 들어, 피험자 자신이 심박수 측정 시스템(100)의 스위치 등과 같은 컨트롤러(1432)를 조작하는 것에 의해서 프로그램이 동작할 수 있다.

단계 1512에서, 대상 영역(510)의 화소값 데이터 중 G 성분의 평균값을 구할 수 있다. 예를 들어, 대상 영역(510)이 세로 100 화소 및 가로 100 화소의 영역인 경우, 합계로 10000 화소의 G 성분의 평균값을 구할 수 있다. 대상 영역(510)은 비디오 신호(120)의 각각의 프레임에 대하여 설정되어 있으므로, G 성분의 평균치인 시계열 데이터(610)도 시간에 따라 변경되는 변수에 해당될 수 있다.

단계 1514에서, 대상 영역(510)의 화소값 데이터 중 R 성분의 평균값을 구할 수 있다. 예를 들어, 대상 영역(510)이 세로 100 화소 및 가로 100 화소의 영역인 경우, 합계로 10000 화소의 R 성분의 평균값을 구할 수 있다. 대상 영역(510)은 비디오 신호(120)의 각각의 프레임에 대하여 설정되어 있으므로, R 성분의 평균치인 시계열 데이터(610)도 시간에 따라 변경되는 변수에 해당될 수 있다.

단계 1516에서, 시계열 데이터(710)로부터 시계열 데이터(610)를 뺀 차분 신호인 시계열 데이터(810)를 구할 수 있다. 시계열 데이터(610) 및 시계열 데이터(710)는 심박수에 의한 주파수 성분(대략적으로, 1Hz의 간격)을 추출할 수 있는 정도로 긴 시간 구간에 대하여 획득할 수 있다. 시계열 데이터(610) 및 시계열 데이터(710)는 몇 초의 간격의 비디오 신호(120)에 기초할 수 있다.

단계 1518에서, 시계열 데이터(810)를 시간 영역으로부터 주파수 영역으로 변환하여 주파수 스펙트럼(900)을 구할 수 있다. 예를 들어, 이 변환은 고속 푸리에 변환(FFT)에 의해서 수행될 수 있다.

단계 1520에서, 주파수 스펙트럼 중 저역 및 고역에 존재할 수 있는 노이즈 성분을 제외한 중역에 존재하는 심박수에 대응하는 피크값을 검출할 수 있다.

단계 1522에서, 검출된 피크값의 주파수에 근거하여 심박수를 구할 수 있다. 심박수 데이터는 적절한 형태로 변환되어 표시장치(114)로 출력될 수 있다.

단계 1524에서, 심박수 측정 시스템은 프로그램을 종료할 수 있다. 필요에 따라서 프로그램의 제어를 단계 1524에서 단계 1510으로 되돌려서 심박수 측정을 반복 수행할 수 있다. 추가적으로 단계 1522에서 적절 범위의 심박수가 측정되지 않은 경우, 측정 에러의 취지를 사용자에게 알려 프로그램의 제어를 단계 1510으로 되돌려서 처음부터 다시 수행할 수 있다.

순서도(1500)에 표시된 일련의 처리 과정은 반드시 도시되는 순으로 실행될 필요는 없으며, 동시에 실행되거나 파이프라인 처리할 수도 있다. 순서도(1500)에 표시되는 프로그램의 동작 모두가 하드웨어 및 소프트웨어의 편성에 의해서 실행될 필요는 없으며, 하드웨어에 의해서 실행될 수도 있다.

노이즈 저감부(110)가 하드웨어 및 소프트웨어의 편성에 의해서 실행되는 것과 마찬가지로, 심박수 측정 시스템(100)의 다른 요소도 하드웨어 및 소프트웨어의 편성에 의해서 실행될 수 있다. 또한, 심박수 측정 시스템(100)의 다른 요소 동작도 모두가 하드웨어 및 소프트웨어의 편성에 의해서 실행될 필요는 없으며, 하드웨어에 의해서 실행될 수 있다. 예를 들어, 심박수 측정 시스템(100)의 전체 또는 일부는 ASIC(주문형 집적회로)를 이용하여 실행될 수 있다.

본 개시에 의해서 설명되는 심박수 측정 방법의 다른 실시예로서, 단계 1512 및 단계 1514에 대하여 G 성분 및 (R 성분 + B 성분)/2 를 각각 구하여, 단계 1516에서 차분 연산을 수행할 수도 있다. R 성분 및 B 성분의 평균을 취함으로써 피험자의 움직임에 의한 노이즈 성분뿐만 아니라, 빛과 같은 환경에 의한 노이즈 성분도 쉽게 저감될 수 있다.

본 개시에 의해서 설명되는 심박수 측정 방법의 다른 실시예로서, 단계 1512 및 단계 1514에 대하여 RGB 표색계, HSV 표색계 또는 YUV 표색계의 원색 중 2개의 성분을 각각 구하여 단계 1516에서 차분 연산을 수행할 수도 있다.

본 개시에 의해서 설명되는 심박수 측정 방법의 다른 실시예로서, 단계 1512 및 단계 1514에 대하여 근적외선 영역의 빛을 피험자에게 조사하여 반사광의 성분 및 성분에 이동평균을 실시하여 얻을 수 있는 성분을 각각 구하여 단계 1516에서 차분 연산을 수행할 수도 있다. 이로 인하여 빛과 같은 환경의 영향을 적게 받는 유리한 효과가 있다. 다른 방법으로, 원적외선 영역의 빛 또는 RGB 표색계의 원색인 청색의 빛을 피험자에게 조사할 수 있다.

상술한 다양한 실시 형태에 따라서 독립 성분 분석을 비교하여 측정 개시시점에서 노이즈 성분(특히, 얼굴의 움직임에 의한 노이즈 성분)이 존재하더라도 심박수를 정확하게 검출할 수 있는 유리한 효과를 가진다.

당업자가 이해할 수 있는 범위에서, 상술한 다양한 하드웨어 및 소프트웨어의 요소군은 그 일부를 생략할 수 있다. 반대로, 부가적인 요소를 추가 이용할 수도 있다. 하드웨어 및 소프트웨어의 요소군 중 일부의 요소군을 단일 요소로 그룹화하여 실행할 수 있다. 반대로, 하드웨어 및 소프트웨어의 요소군 중 하나의 요소를 복수의 요소군으로서 수행할 수도 있다.

한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예를 들면, CD-ROM, DVD 등)와 같은 저장매체를 포함한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 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 실시예들은 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.

100 : 심박수 측정 시스템
210 : 이미지 프레임

Claims

전자 기기에서 심박수를 측정하는 방법에 있어서,
상기 전자 기기가 피험자의 얼굴 이미지를 획득하는 단계;
상기 획득된 얼굴 이미지 내에서 대상 영역을 결정하는 단계;
상기 결정된 대상 영역 내의 색상 정보를 분석하는 단계; 및
상기 분석된 색상 정보에 기초하여, 상기 피험자의 심박수를 결정하는 단계를 포함하고,
상기 색상 정보를 분석하는 단계는,
상기 대상 영역 내의 제1 색상 성분 및 제2 색상 성분의 차분 연산에 기초하여 분석하는 것을 특징으로 하는, 심박수 측정 방법.
제1항에 있어서,
상기 대상 영역은 상기 피험자의 얼굴 기관에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는, 심박수 측정 방법.
제2항에 있어서,
상기 피험자의 얼굴 기관은 상기 피험자의 얼굴에 위치하는 눈, 코 및 입을 포함하는, 심박수 측정 방법.
제1항에 있어서,
상기의 제1 색상 성분 및 제2 색상 성분은 RGB 표색계의 원색에 해당되는 녹색 및 적색인 것을 특징으로 하는, 심박수 측정 방법.
제1항에 있어서,
상기 피험자의 심박수를 결정하는 단계는,
상기 차분 신호를 주파수 영역의 주파수 신호로 변환하는 단계; 및
상기 변환된 주파수 신호의 피크값(peak)에 대응되는 주파수를 상기 피험자의 심박수로 결정하는 단계를 포함하는, 심박수 측정 방법.
제1항에 있어서,
상기 전자 기기가 획득한 이미지 영역에서 상기 피험자의 얼굴을 인식하는 단계를 더 포함하는, 심박수 측정 방법.
제1항에 있어서,
상기 결정된 상기 피험자의 심박수가 상기 전자 기기에 기 설정된 범위에 해당되지 않는 경우,
상기 얼굴 이미지를 재획득하도록 요구하는 정보를 표시하는 단계를 더 포함하는, 심박수 측정 방법.
제7항에 있어서,
상기 피험자의 얼굴이 포함된 이미지를 획득하는 단계를 더 포함하는, 심박수 측정 방법.
심박수를 측정하는 전자 기기에 있어서,
획득된 이미지에서 얼굴 영역을 인식하는 얼굴 인식부;
상기 인식된 얼굴 영역에서 얼굴 기관을 검출하는, 얼굴 기관 검출부;
상기 검출된 얼굴 기관에 기초하여, 대상 영역을 설정하는 대상 영역 시작부; 및
상기 설정된 대상 영역 내의 제1 색상 성분 및 제2 색상 성분의 차분 연산에 기초하여 노이즈 성분을 저감하는 노이즈 저감부;
상기 노이즈 성분이 저감된 색상 성분에 기초하여 상기 피험자의 심박수를 결정하는 심박수 검출부;
를 포함하는, 심박수 측정 기기.
제9항에 있어서,
상기 피험자의 얼굴 기관은, 상기 피험자의 얼굴에 위치하는 눈, 코 및 입을 포함하는, 심박수 측정 기기.
제9항에 있어서,
상기의 제1 색상 성분 및 제2 색상 성분은 RGB 표색계의 원색에 해당되는 녹색(G) 및 적색(R)인 것을 특징으로 하는, 심박수 측정 기기.
제9항에 있어서,
상기 심박수 검출부는,
상기 차분 신호를 주파수 영역의 주파수 신호로 변환하고, 상기 변환된 주파수 신호의 피크값(peak)에 대응되는 주파수를 상기 피험자의 심박수로 결정하도록 설정되는, 심박수 측정 기기.
제9항에 있어서,
상기 심박수 검출부는, 상기 결정된 상기 피험자의 심박수가 상기 전자 기기에 기 설정된 범위에 해당되지 않는 경우, 상기 얼굴 이미지를 재획득하도록 요구하는 정보를 표시하도록 설정되는, 심박수 측정 기기.
제13항에 있어서,
상기 얼굴 인식부는, 얼굴 이미지 재획득 요구에 대응하는 사용자 입력에 기초하여, 얼굴 영역을 재인식하도록 설정되는, 심박수 측정 기기.
제9항에 있어서,
상기의 차분 연산은 상기 제1 색상 성분 및 상기 제2 색상 성분의 이동 평균 간의 차분 연산인, 심박수 측정 기기.
제9항에 있어서,
상기 제2 색상 성분은 적색(R) 성분 및 청색(B) 성분의 평균값에 해당되는 색상 성분인, 심박수 측정 기기.