KR20190060243A - Respiratory measurement system using thermovision camera - Google Patents

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KR20190060243A
KR20190060243A KR1020170158263A KR20170158263A KR20190060243A KR 20190060243 A KR20190060243 A KR 20190060243A KR 1020170158263 A KR1020170158263 A KR 1020170158263A KR 20170158263 A KR20170158263 A KR 20170158263A KR 20190060243 A KR20190060243 A KR 20190060243A
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신증수
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유선국
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Abstract

The present invention relates to a respiration measurement system using a thermal imaging camera, which photographs the front of a face by using a thermal imaging camera (infrared camera), detects features for each frame which is a pixel having a temperature change within an area of interest by using a Kanade-Lucas-Tomasi feature tracker (KLT point tracker) in a photographed image, obtains a temperature variation for the detected features for each frame, obtains a sum of temperature variation of each feature in a frame as a sum of temperature change amounts for each frame, integrates a sum of temperature change amounts of all frames according to time to obtain the same as respiration-related data, detects respiration signals by applying continuous wavelet transformation to the respiration-related data, and detects peaks and valleys from the respiration signals to calculate respiration volume and respiration rate. The respiration measurement system of the present invention can be used for an inspection which can replace a pulmonary function test for patients who cannot perform the pulmonary function test, and also can be used for monitoring respiration of patients undergoing a treatment under sedation. In addition, if capacity of respiratory muscle is reduced and respiration rehabilitation is required, the respiration measurement system can quantitatively measure respiration, can be used as a screening tool for diagnosis of respiratory diseases, and can be used for analyzing and monitoring a respiration pattern of a driver.

Description

열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템{Respiratory measurement system using thermovision camera}[0001] The present invention relates to a respiratory measurement system using a thermographic camera,

본 발명은 열화상 카메라(적외선 카메라)를 이용하여 얼굴 전면을 촬영하며, 촬영된 영상에서 KLT 특징 추적기(KLT point tracker, Kanade-Lucas-Tomasi Feature Tracker)를 이용하여, 관심영역내에서 온도변화를 가지는 화소인 프레임별 특징들을 검출하고, 검출된 프레임별 특징에 대한 온도변이를 구하고, 프레임내의 각 특징들의 온도변이의 합을 프레임별 온도변화량의 합으로 구하고, 모든 프레임의 온도변화량의 합을 시간에 따라 적분하여 호흡관련 데이터로서 구하고, 호흡관련 데이터에 연속 웨이블렛 변환을 적용하여 호흡신호를 검출하고, 호흡신호에서 피크(Peak)와 밸리(Valley)를 검출하여 호흡량 및 호흡수를 계산하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method for detecting a temperature change in a region of interest using a KLT point tracker (Kanade-Lucas-Tomasi Feature Tracker) in a photographed image by photographing an entire face of the face using a thermal imaging camera (infrared camera) The sum of the temperature variations of the respective features in the frame is obtained as the sum of the temperature variation amounts of the respective frames and the sum of the temperature variation amounts of all the frames is set as the time To calculate respiration-related data by integrating the respiration-related data, detecting a respiration signal by applying a continuous wavelet transform to the respiration-related data, and detecting peaks and valleys in the respiration signal, To a respiration measuring system using an image camera.

폐는 산소를 섭취하고 체내에서 생긴 탄산가스를 배출하는 역할을 한다. 호흡기 질환의 진단을 위해서는 여러 영상검사(CT, MRI, PET, perfusion scan)와, 혈액 검사(동맥혈 가스 검사, 종양지표검사, 일반 혈액검사)등을 시행할 수 있다. 그러나 폐의 기능적인 평가를 위해서는 폐기능 검사만이 현재 유일하게 폐의 기능적인 측면을 객관화한 지표로 평가하는 도구로써 재현성이 검증되어 있다. The lungs take in oxygen and release carbon dioxide from the body. For the diagnosis of respiratory diseases, several imaging tests (CT, MRI, PET, perfusion scan) and blood tests (arterial blood gas test, tumor marker, general blood test) can be performed. However, for the functional evaluation of the lungs, only pulmonary function testing is currently the only tool to evaluate the functional aspect of the lung as an objective indicator.

그 중 폐활량검사는 환자가 최대한 숨을 들이마신 후 내쉴 수 있는 공기량을 측정하는 검사법으로서, 폐기능검사가 어떤 한 질병을 특정하여 진단해주는 것은 아니지만 질환에 따른 고유한 특징적인 양상을 보이므로 질환을 조기에 진단하거나, 임상적 진행을 단계별로 평가하는데 도움을 준다. 또한 측정치의 변화로 질환의 경중의 변화를 반영하여 여러 폐질환에서 임상적 상황들에 대한 해법을 제시 해 주고 치료 전후의 효과 판정이나 치료의 가역성 여부를 판단하는데 도움을 줄 수 있다. 대표적인 예로, 폐기능 검사는 천식이나 만성폐쇄성폐질환(chronic obstructive pulmonary disease, COPD) 같은 호흡기질병의 진단에 도움을 주며, 이외에도 호흡기계의 건강상태를 점검하여 이상 유무를 판정하는 방법으로도 활용된다. 여기서 측정하는 주요 지표로는 노력호기 중에 배출되는 유량을 측정하는 노력폐활량(forced vital capacity, FVC)과 FVC 측정 과정 중 처음 1초간에 배출되는 유량을 측정한 1초 노력호기량(forced expiratory volume in one second, FEV1)이 있다. 또한 기관지 확장제 흡입 후 측정치의 변동을 관찰하는 기관지 확장제 검사가 있다.Among them, the spirometry test is a test to measure the amount of air that can be released after the patient breathes as much as possible. Although the pulmonary function test does not diagnose a specific disease, it shows a characteristic characteristic of the disease. It helps to diagnose early, or to evaluate the progress of the clinical stage. In addition, changes in the measured values reflect changes in the severity of the disease, suggesting solutions to clinical situations in various lung diseases, and can help determine the effectiveness of treatment before and after treatment, and the reversibility of treatment. For example, pulmonary function tests may aid in the diagnosis of respiratory diseases such as asthma or chronic obstructive pulmonary disease (COPD), and may also be used as a means of assessing the health of the respiratory system . The main parameters measured here are forced vital capacity (FVC), which measures the flow discharged during effort expiration, and forced expiratory volume in one, which measures the flow discharged during the first 1 second of the FVC measurement procedure. second, FEV1). There is also a bronchodilator test to observe changes in the measured value after inhalation of the bronchodilator.

일반적으로, 폐활량 측정기는 기계에 연결된 관의 끝에 있는 마우스피스를 입에 대고 숨을 들이쉬거나 내쉬도록 이루어져 있다. Generally, a spirometer consists of breathing or exhaling a mouthpiece at the end of a tube connected to the machine.

건강인들도 최근에 폐활량 측정기에 대한 관심이 급증하고 있으며, 이미 시판되어 있는 제품들은 기존의 폐기능 검사기를 휴대 가능하게 만든 것으로 기본 작동 원리는 동일하다. 마우스 피스를 물고 노력폐활량을 측정하고, 반복훈련을 통해 호흡능력을 향상시키려는 목적으로 사용한다. Healthy people have recently been increasing their interest in spirometry, and products already on the market have made the existing lung function tests portable, and the basic working principle is the same. It is used for the purpose of measuring breathing capacity and improving respiration ability through repeated training by wearing mouthpiece.

그러나, 이러한 폐활량 측정기는 사용상의 제한점이 있다. 예를 들면, 환자의 호흡기매개 전염력을 지닌 병을 진단받은 경우, 마우스피스를 입에 물 수 없는 경우, 협조가 불가능하거나 의식저하인 경우는 폐기능 검사를 진행할 수 없다. 또한 일반적으로 앉아있는 상태에서 검사가 진행되므로, 앉을 수 없는 환자의 경우는 검사가 어려울 수 있다. However, such a spirometer has a limitation in use. For example, if a patient is diagnosed with a respiratory-tract infectious disease, a mouthpiece can not be eaten, and co-ordination is impaired or unconscious, lung function tests can not be conducted. In addition, since the examination is usually performed while sitting, it may be difficult to perform a test for a patient who can not sit.

따라서, 비침습적, 무구속적으로, 호흡량을 측정할 수 있는, 호흡량 측정 시스템이 요망된다. Thus, a non-invasive, non-limiting, tidal volume measurement system capable of measuring volume is desired.

일반적으로, 흡기 시 외부의 차가운 공기는 비강(nasal cavity, nostril, 콧구멍, 코안)의 온도를 대류, 전도, 방사의 형식으로 전달 받아, 비강의 온도를 떨어트린다. In general, cold air outside the nasal cavity absorbs the temperature of the nasal cavities (nostril, nostril, and nasal cavity) in the form of convection, conduction, and radiation, thereby lowering the temperature of the nasal cavity.

선행기술로, 국내 등록특허 제10-1242755호는 비접촉식으로 인큐베이터에 있는 신생아의 생체신호를 측정하여 모니터링하는 시스템에 관한 것으로서, 특히 열화상 카메라에 의해 신생아의 얼굴에서 ROI (Region Of Interest)를 설정하여 신생아의 호흡을 측정하고, 열바디 추출을 통해 신생아의 체온을 측정함으로써, 신생아의 건강상태에 대한 원격 모니터링이 가능하도록 구현된 열화상 카메라를 이용한 신생아 모니터링 시스템에 관한 것이다. 국내 등록특허 10-1242755호는, 열화상에서, 얼굴 영역을 관심영역으로 하여, 코구멍을 추출하여, 코밑의 열화상에서, 코밑 온도의 변화를 통해 신생아의 호흡수를 검출한다. 그러나 코밑 온도 변화로 단순히 호흡수를 추정하는 것으로는 정확한 호흡수를 구할 수 없다. 코밑이라고 하더라도 위치에 따라 열화상에 따른 온도는 다를 것이며, 피검자가 움직일 경우 얼굴이 화면을 벗어나거나, 가려짐이 있을 수 있어, 정확히 코밑의 위치를 찾는 것이 쉽지 않으며, 또한 잉큐베이터 내기 아닌 일반 병실에서는, 다른 요인에 의한 잡음 등이 있을 수 있어, 단순히 체온을 호흡신호로써 사용하여서는 정확한 호흡 값을 구할 수 없다.Korean Patent No. 10-1242755 discloses a system for measuring and monitoring vital signs of a newborn baby in an incubator in a noncontact manner. In particular, ROI (Region Of Interest) is set in the face of a newborn baby by a thermal imaging camera To a neonatal monitoring system using a thermal imaging camera that is capable of remote monitoring of the health condition of a newborn by measuring the respiration of the neonate and measuring the temperature of the neonate through thermal body extraction. In Korean Patent No. 10-1242755, the nasal cavity is extracted with the face region as a region of interest in the deteriorated state, and the respiratory rate of the newborn baby is detected through a change in the subcutaneous temperature and in the deteriorated state of the nasal cavity. However, accurate respiratory rate can not be obtained by simply estimating the number of breaths due to changes in submergence temperature. Even if it is a subcontract, depending on the position, the temperature depending on the thermal image will be different. When the subject moves, the face may be out of the screen or may be blocked. It is not easy to find the position of the subconsumer correctly. , There may be noise due to other factors, and an accurate breathing value can not be obtained by simply using the body temperature as a breathing signal.

다른 선행기술로, 국내 공개특허 제10-2014-0057867호의 열화상을 이용한 스트레스 지수 측정 시스템이 있으며, 열 영상의 얼굴 영역에서 코밑을 관심 영역으로 설정하고, 코밑 온도 변화를 통해 호흡량을 검출하며, 일정시간(예를 들어, 5초 또는 10초) 동안 온도 변화량이 0인 부분의 횟수를 카운트하여 이 값을 시간으로 나누어 초당 호흡수를 계산하고, 상기 계산 값에 60을 곱하여 분당 호흡수로 변환한다. 국내 공개특허 제10-2014-0057867호의 경우도, 코밑 온도 변화를 호흡량의 변화로서 검출하고 이를 통해 단순히 호흡수를 추정하는 것으로는 정확한 호흡수를 구할 수 없다. 코밑이라고 하더라도 위치에 따라 열화상에 따른 온도는 다를 것이며, 또한, 피검자가 움직일 경우 피검자가 움직일 경우 얼굴이 화면을 벗어나거나, 가려짐이 있을 수 있어, 정확히 코밑의 위치를 찾는 것이 쉽지 않으며, 또한, 다른 요인에 의한 잡음 등이 있을 수 있어, 단순히 체온을 호흡신호로써 사용하여서는 정확한 호흡 값을 구할 수 없다.Another prior art is disclosed in Korean Patent No. 10-2014-0057867, which is a system for measuring stress index using a thermal image. In the face region of a thermal image, a submucosa is set as a region of interest, The number of times the temperature change amount is zero for a predetermined time (for example, 5 seconds or 10 seconds) is counted, and this value is divided by time to calculate the number of respirations per second. The calculated value is multiplied by 60, do. Also in the case of Korean Patent Laid-Open No. 10-2014-0057867, accurate breathing can not be obtained by simply detecting the change in the submucous temperature as a change in the breathing volume and simply estimating the breathing rate. Even if it is a nose, the temperature according to the thermal image will be different depending on the position. Also, if the subject moves, the face may be out of the screen or blocked when the subject moves, so that it is not easy to find the position of the nose correctly , Noise due to other factors, etc., and therefore, accurate respiration values can not be obtained by simply using the body temperature as a respiration signal.

일반적으로, 열화상 카메라를 이용할 경우, 피검자의 코밑의 열영상을 정확하게 측정하는 것이 중요한데, 피검자는 움직이기 때문에 얼굴이 화면을 벗어나거나, 가려짐이 발생할 수 있어, 열영상을 측정할 수 없는 경우가 있으며, 또한 외부 환경에 의한 노이즈가 들어갈 가능성이 있다. In general, when using an infrared camera, it is important to accurately measure the thermal image of the subject's nose. Since the subject moves, the face may be out of the screen or may be occluded. If the thermal image can not be measured There is a possibility that noise due to the external environment may enter.

따라서 본 발명은, 비침습적, 무구속적이며, 얼굴이 화면을 벗어나거나, 가려짐이 발생하더라도 호흡량 및 호흡수를 측정할 수 있으며, 노이즈를 제거하여, 보다 높은 정확도로, 호흡량을 측정할 수 있는, 호흡량 측정 시스템을 제안한다.Accordingly, the present invention is a noninvasive, non-binding, non-invasive, non-limiting method capable of measuring respiratory volume and respiratory rate even when a face is out of the screen or occluded, and can remove noise, , A tidal volume measurement system.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 열화상 카메라(적외선 카메라)를 이용하여 얼굴 전면을 촬영하며, 촬영된 영상에서 KLT 특징 추적기를 이용하여, 관심영역내에서 온도변화를 가지는 화소인 프레임별 특징들을 검출하고, 검출된 프레임별 특징에 대한 온도변이를 구하고, 프레임내의 각 특징들의 온도변이의 합을 프레임별 온도변화량의 합으로 구하고, 모든 프레임의 온도변화량의 합을 시간에 따라 적분하여 호흡관련 데이터로서 구하고, 호흡관련 데이터에 연속 웨이블렛 변환을 적용하여 호흡신호를 검출하고, 호흡신호에서 피크(Peak)와 밸리(Valley)를 검출하여 호흡량 및 호흡수를 계산하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for photographing an entire face of a face using a thermal imaging camera (infrared camera), using a KLT feature tracker in the captured image, The sum of the temperature variations of the respective features in the frame is obtained as the sum of the temperature variation amounts of the respective frames, and the sum of the temperature variation amounts of all the frames is integrated over time, And breathing signals are detected by applying continuous wavelet transform to the breathing data, and breathing and respiration are calculated by detecting peaks and valleys in the breathing signal. System.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는,열화상 카메라를 이용하여 코구멍 부분을 중심으로 얼굴 전면을 촬영하며, 촬영된 영상에서 KLT 특징 추적기를 이용하여, 호흡관련 영역을 추적하되, 두 눈과 코의 3 트랙킹 포인트(tracking point)를 이용하여 서로의 위치를 유추하도록 이루어져, 피검자의 움직임에 따라, 얼굴이 화면을 벗어나거나, 가려짐에도 지속적으로 트랙킹하여, 호흡량 및 호흡수를 검출할 수 있는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of tracking a breathing related area using a KLT feature tracker in a captured image by photographing an entire face around a nose hole using a thermal camera, The tracking points of the nose of the nose are used to infer the positions of the nose and the nose of the nose so that the respiration rate and the respiration rate can be detected by tracking the face even if the face is out of the screen or blocked. , And a respiration measurement system using an infrared camera.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, KLT 특징 추적기를 이용하여 검출된 프레임별 특징들을 검출한 후, 각 프레임을, 3D-DBSCAN을 이용하여 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 각 프레임의 관심영역의 특징들의 온도변이를 검출하기 위해서, 각 프레임의 영상의 관심영역의 특징에서, 연이은 전 프레임의 영상의 관심영역의 해당 특징을 차감하여, 각 프레임의 관심영역의 특징의 온도변이로서 검출하고, 검출된 특징별 온도변이의 절대치가, 기설정된 온도변이 기준치보다 큰 경우의 각 특징별 온도 변이를 프레임별로 합산하여, 프레임별 온도 변화량으로써 구하는 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method and apparatus for detecting a feature of each frame detected using a KLT feature tracker, removing noise using each frame using a 3D-DBSCAN, In order to detect the temperature variation of the characteristics of the region, the characteristic of the interest region of the image of each frame is subtracted from the characteristic of the region of interest of the image of the succeeding previous frame in the characteristic of the image of each frame and detected as the temperature variation of the characteristic of the region of interest And calculating a temperature change amount for each frame by summing the temperature variation of each feature when the absolute value of the detected temperature variation is larger than a predetermined temperature variation reference value to obtain a frame temperature change amount.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 방법은, 열화상카메라로부터 수신하여 각 화소가 온도를 나타내는, 얼굴의 열영상의 프레임에서, 연산처리부는, 코와 2개의 눈을 트랙킹포인트로 하여, KLT 특징 추적기를 이용하여, 코 부분의 관심영역을 검출하는, 호흡관련 영역 추적단계; 호흡관련 영역 추적단계 후, 연산처리부는, 열화상카메라로부터 수신한 얼굴의 열영상에서, 각 프레임의 관심영역의 영상을, 연이은 전 프레임의 관심영역의 영상을 차감한 차영상을 구하되, 상기 차영상의 각 화소의 값을, 온도변이의 값으로하며, 프레임별로 온도변이 값을 합산하여 프레임별 온도변화량의 합으로서 메모리부에 순차적으로 저장하고, 기 설정된 시간동안에 저장된 모든 프레임의 프레임별 온도변화량의 합을 메모리부로부터 읽어들여 시간에 따라 적분하여 호흡관련 데이터로 하고, 호흡관련 데이터에 연속 웨이블렛 변환을 적용하여 호흡신호를 검출하는, 호흡신호 추출단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problem, in a breathing measurement method using a thermal imaging camera of the present invention, in a frame of a thermal image of a face received from a thermal imaging camera and each pixel representing temperature, Using the KLT feature tracker as a tracking point to detect a region of interest of the nose portion; After the respiration-related area tracking step, the arithmetic processing unit obtains a difference image obtained by subtracting the image of the ROI of the previous frame from the image of the ROI of each frame in the thermal image of the face received from the thermal imaging camera, The value of each pixel of the difference image is set as the value of the temperature variation, the temperature variation values for each frame are added up, and are sequentially stored in the memory as the sum of the temperature variation for each frame. And a respiration signal extracting step of extracting a sum of the change amounts from the memory unit, integrating the sum with time to make breathing-related data, and applying a continuous wavelet transform to breathing-related data to detect a breathing signal.

상기 호흡신호 추출단계 후, 연산처리부는, 상기 호흡신호에서 피크와 밸리를 검출하고 검출된 피크와 밸리를 이용하여 호흡수 및 호흡량을 검출하는, 호흡수 및 호흡량 검출단계;를 더 포함한다.After the breathing signal extraction step, the operation processing unit further includes a respiration rate and respiration rate detection step of detecting peaks and valleys in the respiration signal and detecting respiration rate and respiration rate using the detected peak and valley.

호흡관련 영역 추적단계는, 연산처리부가, 열화상카메라로부터 수신된 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임 내에서, 최소온도값과 최대온도값을 구하고, 각 프레임의 각 화소의 온도가, 최소온도 값과 최대온도 값 사이를 256 등분한 값을 갖도록 정규화를 행하는, 정규화 단계; 정규화 단계에서 정규화된 각 프레임의 코를, 기 설정된 초기 코 각도와 같도록 연산처리부가 보정을 행하는, 각도 보정단계; 연산처리부는 각도 보정단계에서 각도가 보정된, 각 프레임에서 코와 2개의 눈의 트랙킹 포인트를 이용하여, 관심영역의 후보를 설정하고, 상기 관심영역의 후보에서의 특징점을 추출하고, 추출된 특징점과, 연이은 전 프레임에서 상기 특징점과 대응된 특징점과의 이동 거리를 행렬(Transform Matrix)로 나타내고, 추출된 행렬에 따라, 현재 프레임의 영상을 보정하고, 보정된 현재 프레임에서 관심영역을 구하는, 1차 특징 추출 단계;를 포함한다.In the breathing-related area tracking step, the calculation processing unit calculates a minimum temperature value and a maximum temperature value in each frame of the subject's face thermal image received from the thermal imaging camera, and determines whether the temperature of each pixel of each frame is smaller than the minimum temperature value A normalization step of performing normalization so as to have a value obtained by dividing the maximum temperature value by 256; An arithmetic processing step of the arithmetic processing part performing correction so that the nose of each frame normalized in the normalizing step is equal to a predetermined initial nose angle; The arithmetic processing unit sets the candidate of the ROI using the nose and the two eye tracking points in each frame whose angles are corrected in the angle correction step, extracts the minutiae from the candidates of the ROI, A moving distance between the minutiae and the minutiae corresponding to the previous frame is represented by a matrix (Transform Matrix), the image of the current frame is corrected according to the extracted matrix, and the region of interest is corrected by 1 And a car feature extraction step.

또한, 호흡관련 영역 추적단계는, 연산처리부가, 1차 특징 추출 단계에서 구한 각 프레임의 관심영역 내의 온도를 평균하여 '프레임별의 관심영역 평균온도'로서 연산처리부가 구하고, 각 프레임의 관심영역 내의 온도들의 표준편차를 '프레임별의 관심영역 온도 편차'로서 구하는, 1차 평균온도 및 편차 연산단계; 연산처리부는, 평균온도 및 편차 연산단계에서 구한 관심영역 편차를, 기설정된 편차 기준치와 비교하여, 상기 관심영역 편차가 편차 기준치보다 큰지를 판단하며, 만약 관심영역 편차가 편차 기준치보다 크다면, 특해당 관심영역 내의 특징들을 제거하고, 트랙킹 포인트 재검출 단계로 가는, 1차 편차 기준치 초과여부 판단단계; 연산처리부는, 1차 편차 기준치 초과여부 판단단계 후, 관심영역 내에서 구하여진 특징점의 수를 기 설정된 특징수 기준치와 비교하여, 특징점의 수가 특징수 기준치보다 작다면, 해당 관심영역 내의 특징들을 제거하고, 트랙킹 포인트 재검출 단계로 가는, 특징수 기준치 미만여부 판단단계; 연산처리부는, 1차 편차 기준치 초과여부 판단단계에서 관심영역 편차가 편차 기준치보다 크다면, 또는 특징수 기준치 미만여부 판단단계에서 특징점의 수가 특징수 기준치보다 작다면, 코의 트랙킹 포인트들을 잘못 구한 것으로, 현재의 프레임에 연이은 전의 프레임의 2개의 눈 트랙킹포인트의 각각의 위치로부터, 현재의 프레임의 2개의 눈 트랙킹포인트의 각각의 위치까지 움직인 거리인, 트랙킹 포인트 이동거리를 구하고, 2개의 트랙킹 포인트 이동거리의 평균인, 트랙킹 포인트 이동거리 평균을 구하고, 전의 프레임의 코의 트랙킹 포인트와, 트랙킹 포인트 이동거리 평균을 이용하여 수정된 코의 트랙킹 포인트를 구하는, 트랙킹 포인트 재검출 단계;를 더 포함한다.In the respiration-related area tracking step, the arithmetic processing unit averages the temperatures in the ROIs of the respective frames obtained in the first-ROI extraction step to obtain an arithmetic processing unit as 'ROIs of interest per frame' A first average temperature and a deviation calculating step of obtaining a standard deviation of temperatures within a frame as a 'region-of-interest temperature difference of interest'; The calculation processing unit compares the deviation of the region of interest calculated in the average temperature and deviation calculation step with a predetermined deviation reference value to determine whether the difference region of interest is greater than the deviation reference value. If the difference region of interest is larger than the deviation reference value, Determining whether a first deviation reference value is exceeded, removing features in the region of interest and going to a tracking point re-detection step; The arithmetic processing unit compares the number of feature points found in the ROI with the predetermined number of feature reference values after the step of determining whether the first deviation reference value is exceeded and if the number of feature points is smaller than the feature number reference value, Determining whether a characteristic number is less than a reference value, to go to a tracking point re-detection step; If the number of feature points is smaller than the feature number reference value in the step of determining whether or not the region of interest difference is larger than the deviation reference value or whether the feature region is smaller than the reference value in the step of determining whether the first deviation reference value is exceeded, , A tracking point movement distance which is a distance moved from each position of the two eye tracking points of the previous frame following the current frame to each position of the two eye tracking points of the current frame is obtained, And a tracking point re-detecting step of obtaining a tracking point moving distance average, which is an average of the moving distance, and obtaining a tracking point of the corrected nose using the tracking point of the nose of the previous frame and the moving average of the tracking point .

또한, 호흡관련 영역 추적단계는, 연산처리부가, 트랙킹 포인트 재검출 단계에서 구하여진 수정된 코의 트랙킹 포인트와, 2개의 눈의 트랙킹 포인트를 이용하여, 관심영역을 구하고, 특징을 추출하는, 2차 특징 추출 단계; 연산처리부가, 2차 특징 추출 단계에서 구한 각 프레임의 관심영역 내의 온도를 평균하여 '프레임별의 관심영역 평균온도'로서 연산처리부가 구하고, 각 프레임의 관심영역 내의 온도들의 표준편차를 '프레임별의 관심영역 온도 편차'로서 구하는, 2차 평균온도 및 편차 연산단계; 연산처리부가, 2차 평균온도 및 편차 연산단계에서 구한 관심영역 온도 편차를 편차 기준치와 비교하여, 상기 관심영역 온도 편차가 편차 기준치보다 큰지를 판단하며, 만약 상기 관심영역 온도 편차가 편차 기준치보다 크다면, 추적(트랙킹)을 종료하는, 2차 편차 기준치 초과여부 판단단계; 연산처리부가, 종료 스위치가 눌러짐에 따라 종료 플레그가 세트되거나, 또는, 현재 프레임이, 초기에 설정된 소정 시간간격의 마지막 프레임에 해당한다면, 추적을 종료하며, 그렇지 않다면, 다음 프레임의 얼굴 열영상의 프레임을 수신하고, 정규화 단계로 가는, 추적 종료여부 판단단계;를 더 포함한다.The respiration-related area tracking step is a step of tracking the respiratory-related area. In the respiration-related area tracking step, the calculation processing part obtains the region of interest using the tracking point of the modified nose and the tracking points of the two eyes obtained in the tracking point- Car feature extraction step; The arithmetic processing unit averages the temperatures in the interest region of each frame obtained in the second feature extraction step to obtain the arithmetic processing unit as the 'average region of interest per frame', and calculates the standard deviation of the temperatures in the interest region of each frame as' A second average temperature and a deviation calculating step of calculating a second average temperature and a deviation of a region of interest; The arithmetic processing unit compares the temperature difference of the region of interest calculated in the secondary average temperature and deviation calculating step with the deviation reference value to determine whether the temperature of the region of interest is greater than the deviation reference value and if the temperature of the region of interest is greater than the deviation reference value Determining whether a secondary deviation reference value is exceeded to end tracking (tracking); The arithmetic processing unit ends the tracing if the end flag is set as the end switch is pressed or if the current frame corresponds to the last frame of the initially set predetermined time interval and if not, And a normalization step of determining whether or not to end the tracking.

호흡신호 추출단계는, 연산처리부가, 열화상카메라로부터 수신한 얼굴의 열영상에서, 각 프레임의 관심영역의 영상을, 연이은 전 프레임의 관심영역의 영상을 차감한 차영상을 구하되, 상기 차영상의 각 화소의 값을, 온도변이의 값으로 하는, 프레임별 온도변이 검출단계; 연산처리부가, 프레임별 온도변이 검출단계를 거친 차영상의 각 프레임의 관심영역에서, 3D-DBSCAN을 이용하여, 노이즈 포인트를 제거하는, 노이즈 제거단계; 연산처리부가, 노이즈 제거단계를 거친 차영상의 각 프레임에서 온도변이의 값의 절대치가, 기설정된 온도변이 기준치와 비교하여 작거나 같은 경우의, 온도변이의 값은 제거하는, 온도변이 기준치 비교단계; 연산처리부가, 온도변이 기준치 비교단계 후, 차 영상의 각 프레임 내의 각 온도 변이를 합산하여, 프레임별 온도 변화량으로써 구하여, 프레임 순서에 따라 저장하는, 온도 변화량 연산단계;를 포함한다.The breathing signal extracting step includes a calculation processing step of obtaining a difference image obtained by subtracting the image of the ROI of the previous frame of the image of the ROI of each frame from the thermal image of the face received from the thermal camera, A frame-by-frame temperature variation detecting step of setting a value of each pixel of the image as a value of a temperature variation; A noise removing step of removing a noise point using a 3D-DBSCAN in a region of interest of each frame of the difference image through the frame-by-frame temperature shift detection step; And the arithmetic processing unit removes the value of the temperature variation when the absolute value of the temperature variation value in each frame of the difference image through the noise elimination step is smaller than or equal to a preset reference value of the temperature variation, ; And the arithmetic processing unit includes a temperature change amount calculating step of summing the respective temperature variations within each frame of the difference image after the temperature variation reference value comparing step to obtain the temperature variation amount per frame and storing the obtained temperature variation amount in accordance with the frame order.

또한, 호흡신호 추출단계는, 연산처리부가 온도 변화량 연산단계에서 구한 프레임별 온도 변화량 합들을 메모리부로부터 순차적으로 읽어들이고, 프레임별 온도 변화량들을 시간에 따라(t 축으로) 적분하여, 적분 결과를 호흡 데이터(raw data)로 하는, 호흡 데이터 검출단계; 연산처리부가, 호흡 데이터 검출단계에서 검출된 호흡 데이터(raw data)를, 평활화(smoothing) 및 디트랜드(detrend)를 행하는, 평활화 및 디트랜드 단계; 연산처리부가, 평활화와 디트랜드가 행하여진 호흡 데이터들을 연속 웨이블렛 변환(CWT)을 행하여, 주파수별로 주파수 스케일들로 나타내는, 연속 웨이블렛 변환단계; 연산처리부가, 연속 웨이블렛 변환을 행한 결과에서, 주파수별로 주파수 스케일의 합을 구하고, 구하여진 주파수별 주파수 스케일의 합 중에서, 주파수별 주파수 스케일의 합이 가장 큰 주파수를, 호흡 주파수로 하며, 호흡 주파수의 각 주파수 스케일을 호흡 신호로서 메모리부에 저장하는, 호흡 주파수 검출단계;를 더 포함한다.In the breathing signal extracting step, the sum of the temperature change amounts for each frame obtained in the calculating step of the temperature change processing section is sequentially read from the memory section, the temperature change amounts for each frame are integrated over time (on the t axis) A step of detecting breathing data as raw data; A smoothing and dedisting step of smoothing and detrending the raw data detected in the breathing data detection step; A continuous wavelet transform step of performing a continuous wavelet transform (CWT) on the breathing data subjected to the smoothing and detouring, and by frequency scales according to frequency; The arithmetic processing unit obtains the sum of the frequency scales for each frequency on the basis of the result of performing the continuous wavelet transform and sets the frequency having the largest sum of the frequency scales on the frequency among the sum of the obtained frequency scales as the respiration frequency, And a respiratory frequency detecting step of storing each frequency scale of the respiration signal in the memory unit as a respiration signal.

호흡수 및 호흡량 검출단계는, 연산처리부가, 호흡신호 추출단계에서 구하여진 호흡신호를 1차 미분하여 변곡점을 구하고, 변곡점을 이용하여 피크(peak)와 밸리(valley)를 검출하는, 피크 및 밸리 검출단계;연산처리부가, 피크 및 밸리 검출단계에서 검출된 피크(peak)와 밸리(valley)들에서, 소정 시간간격 동안에, 피크와 밸리가 순차적으로 연이어서 나타나는 피크와 밸리의 쌍의 개수를, 호흡수로서 검출하는, 호흡수 검출단계;를 포함한다,The breathing and breathing amount detecting step is a step of detecting a peak and a valley by using an inflection point to obtain an inflection point by first differentiating a breathing signal obtained in the breathing signal extracting step, Detecting a number of pairs of peaks and valleys appearing sequentially in succession in peaks and valleys in a predetermined time interval in peaks and valleys detected in the peak and valley detection step; And a breathing detection step of detecting as breathing water,

호흡수 및 호흡량 검출단계는, 연산처리부가, 피크와 밸리가 순차적으로 연이어서 나타나는 피크와 밸리의 쌍의 진폭을, 피크와 밸리의 쌍이 포함되는 호흡주기의 호흡량으로 검출하거나, 또는, 피크와 밸리가 순차적으로 연이어서 나타나는 피크와 밸리의 쌍으로 호흡주기를 검출하고, 각 호흡주기의 호흡신호를, 연이은 전 호흡주기의 호흡신호에서 차감하여 각 호흡주기별 변화량을 구하고, 각 호흡주기별 변화량을 시간에 따라 합산하여 호흡량으로서 구하는, 호흡량 검출단계;를 더 포함할 수 있다.In the breathing water and respiratory volume detecting step, the arithmetic processing unit detects the amplitude of a pair of peaks and valleys in which peaks and valleys are successively consecutively consecutively detected as the respiration amount of the breathing cycle including the pair of peaks and valleys, The respiratory cycle of each respiratory cycle is subtracted from the respiratory signal of the previous respiratory cycle to obtain the amount of change per respiratory cycle and the amount of change per respiratory cycle And a tidal volume detecting step of summing the tidal volume with respect to time to obtain the tidal volume as a breath volume.

각 호흡주기별 변화량을 시간에 따라 합산시, 각 호흡주기의 시작점을 기준으로 합산한다.When the changes in the respiratory cycles are summed over time, they are added based on the starting point of each respiratory cycle.

또한, 본 발명은, 본 발명의 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 방법에 대한 컴퓨터 프로그램 소스를 저장한 기록매체를 특징으로 한다.The present invention further provides a recording medium storing a computer program source for a breath measurement method using the thermal imaging camera of the present invention.

또한, 본 발명은, 열화상 카메라, 상기 열화상 카메라로부터 수신된 얼굴 전면의 열영상을 분석하여 호흡신호를 검출하는 연산처리부를 포함하는 영상분석부를 포함하는 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템에 있어서, 연산처리부는, 열화상카메라로부터 수신하여 각 화소가 온도를 나타내는, 얼굴의 열영상의 프레임에서, 연산처리부는, 코와 2개의 눈을 트랙킹포인트로 하여, KLT 특징 추적기를 이용하여, 코 부분의 관심영역을 검출하고, 열화상카메라로부터 수신한 얼굴의 열영상에서, 각 프레임의 관심영역의 영상을, 연이은 전 프레임의 관심영역의 영상을 차감한 차영상을 구하되, 상기 차영상의 각 화소의 값을, 온도변이의 값으로 하며, 프레임별로 온도변이 값을 합산하여 프레임별 온도변화량의 합으로서 메모리부에 순차적으로 저장하고, 기 설정된 시간동안에 저장된 모든 프레임의 프레임별 온도변화량의 합을 메모리부로부터 읽어들여 시간에 따라 적분하여 호흡 데이터로 하고, 상기 호흡 데이터에 연속 웨이블렛 변환을 적용하여 호흡신호를 검출하는 것을 특징으로 한다.The present invention also provides a respiration measurement system using a thermal imaging camera, including a thermal imaging camera, and an image analysis unit including an arithmetic processing unit for analyzing a thermal image of the entire face received from the thermal imaging camera and detecting a breathing signal , The arithmetic processing unit uses the nose and the two eyes as the tracking points in the frame of the thermal image of the face received from the thermal imaging camera and each pixel indicates the temperature, and uses the KLT feature tracker, A difference image obtained by subtracting an image of a region of interest of a previous frame and an image of a region of interest of each frame in a thermal image of a face received from a thermal imaging camera; The value of the pixel is taken as the value of the temperature variation, and the temperature variation values for each frame are added up and stored sequentially in the memory as the sum of the temperature variation for each frame , The sum of the temperature variation of each frame of every frame stored for a predetermined time is read from the memory unit and is integrated according to time as breathing data and a breathing signal is detected by applying a continuous wavelet transform to the breathing data .

연산처리부는, 검출된 호흡신호에서 피크와 밸리를 검출하고 검출된 피크와 밸리를 이용하여 호흡수 및 호흡량을 검출한다. The arithmetic processing unit detects peaks and valleys in the detected respiration signal, and detects respiration and respiration using the detected peak and valley.

연산처리부는, KLT 특징 추적기를 이용하여 관심영역을 구하기 위하여, 열화상 카메라로부터 수신된 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임의 각 화소의 온도들이, 8 bit값을 갖도록 정규화를 행하고, 정규화된 온도의 값을 가진 각 프레임의 영상의 코의 각도가, 기 설정된 코 각도와 같도록, 각 프레임의 영상을 보정하고, 보정된 프레임의 영상에서 KLT 특징 추적 알고리즘을 적용하여 관심영역을 구하고, 상기 관심영역내의 특징점을 검출하며, 보정된 프레임의 관심영역에 대응되는 원 영상인, 열화상 카메라로부터 수신된 얼굴 열영상의 프레임에서도 관심영역이 구하여진다.In order to obtain the region of interest using the KLT feature tracker, the operation processing unit performs normalization so that the temperatures of the respective pixels of each frame of the subject face thermal image received from the thermal imaging camera have 8 bit values, and the normalized temperature value The image of each frame is corrected so that the angle of the nose of the image of each frame having the predetermined angle is equal to the predetermined angle of the nose and the KLT feature tracking algorithm is applied to the image of the corrected frame to obtain the region of interest, The feature point is detected and the region of interest is also found in the frame of the face image received from the thermal camera, which is the original image corresponding to the region of interest of the corrected frame.

연산처리부는, 호흡 데이터를, 평활화(smoothing) 및 디트랜드(detrend)를 행하고, 평활화와 디트랜드가 행하여진 호흡 데이터들을 연속 웨이블렛 변환(CWT)을 행하고, 연속 웨이블렛 변환을 행한 결과에서, 주파수별로 주파수 스케일의 합을 구하고, 구하여진 주파수별 주파수 스케일의 합 중에서, 주파수별 주파수 스케일의 합이 가장 큰 주파수를, 호흡 주파수로 하며, 호흡 주파수의 각 주파수 스케일을 호흡 신호로서 메모리부에 저장한다.The arithmetic processing unit performs smoothing and detrending of respiration data, performs continuous wavelet transform (CWT) on breathing data subjected to smoothing and detouring, and performs continuous wavelet transform on the basis of frequency The sum of the frequency scales is obtained. The frequency having the largest sum of the frequency scales according to the frequency among the sum of the obtained frequency scales is stored as a breathing frequency, and each frequency scale of the breathing frequency is stored in the memory as a breathing signal.

연산처리부는, 호흡신호를 1차 미분하여 변곡점을 구하고, 변곡점을 이용하여 피크(peak)와 밸리(valley)를 검출하고, 검출된 피크(peak)와 밸리(valley)들에서, 소정 시간간격 동안에, 피크와 밸리가 순차적으로 연이어서 나타나는 피크와 밸리의 쌍의 개수를, 호흡수로서 검출한다.The arithmetic processing unit performs a first differentiation of the respiratory signal to obtain an inflection point, uses the inflection point to detect peaks and valleys, and detects, in the detected peaks and valleys, , The number of pairs of peaks and valleys in which the peaks and the valleys sequentially appear successively are detected as respiration numbers.

연산처리부는, 피크와 밸리가 순차적으로 연이어서 나타나는 피크와 밸리의 쌍으로 호흡주기를 검출하고, 각 호흡주기의 호흡신호를, 연이은 전 호흡주기의 호흡신호에서 차감하여 각 호흡주기별 변화량을 구하거나, 또는 피크와 밸리가 순차적으로 연이어서 나타나는 피크와 밸리의 쌍의 진폭을, 피크와 밸리의 쌍이 포함되는 호흡주기의 호흡량으로 검출한다.The arithmetic processing unit detects a respiratory cycle in pairs of peaks and valleys in which peaks and valleys appear in succession, and subtracts a respiration signal of each respiratory cycle from a respiration signal of successive respiratory cycles to calculate a change amount per respiratory cycle Or the amplitude of a pair of peaks and valleys in which peaks and valleys appear in series are detected as the respiratory volume of the respiratory cycle including the pair of peaks and valleys.

본 발명의 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템은 열화상 카메라(적외선 카메라)를 이용하여 얼굴 전면을 촬영하며, 촬영된 영상에서 KLT 특징 추적기를 이용하여, 관심영역내에서 온도변화를 가지는 화소인 프레임별 특징들을 검출하고, 검출된 프레임별 특징에 대한 온도변이를 구하고, 프레임내의 각 특징들의 온도변이의 합을 프레임별 온도변화량으로 구하고, 모든 프레임의 온도변화량을 시간에 따라 적분하여 호흡관련 데이터로서 구하고, 호흡관련 데이터에 연속 웨이블렛 변환을 적용하여 호흡신호를 검출하고, 호흡신호에서 피크(Peak)와 밸리(Valley)를 검출하여 호흡량 및 호흡수를 계산하여, 보다 간단하면서 보다 정확한 호흡량 및 호흡수를 검출할 수 있다.The breathing measurement system using the thermal imaging camera of the present invention photographs the entire face of the face using a thermal imaging camera (infrared camera), and uses the KLT feature tracker in the captured image to generate a breathing image The temperature variations of the detected features are obtained, the sum of the temperature variations of the respective features in the frame is obtained as the temperature variation per frame, the temperature variation of all the frames is integrated over time, And the respiration-related data is applied to the continuous wavelet transform to detect the respiration signal, and the peak and the valley in the respiration signal are detected to calculate the respiratory volume and respiratory rate, Can be detected.

또한, 본 발명은, 열화상 카메라를 이용하여 코구멍(nostril) 부분을 중심으로 얼굴 전면을 촬영하며, 촬영된 영상에서 KLT 특징 추적기를 이용하여, 호흡관련 영역을 추적하되, 두 눈과 코의 3 트랙킹 포인트(tracking point)를 이용하여 서로의 위치를 유추하도록 이루어져, 얼굴이 화면을 벗어나거나, 가려짐에도 지속적으로 트랙킹하여, 호흡량 및 호흡수를 검출할 수 있다.The present invention also provides a method of tracking a respiratory-related area using a KLT feature tracker in a captured image, photographing an entire face around a nostril using a thermal camera, 3 tracking points are used to infer the positions of each other, and even when the face is out of the screen or covered, tracking can be continuously performed to detect the amount of respiration and the number of breaths.

또한, 본 발명은, 트랙킹을 통해 추출된 부분에서 3D-DBSCAN을 이용하여, 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 부분에서 데이터(raw data)를 추출하고, 추출된 데이터에서, CWT를 이용하여 주파수 도메인에서 호흡과 관련된 부분만을 추출하여 호흡영역으로 하여, 보다 정확하게 호흡량 및 호흡수를 검출할 수 있다.In the present invention, noise is removed by using 3D-DBSCAN in the portion extracted through tracking, raw data is extracted from the noise-removed portion, and frequency data is extracted from the extracted data using a CWT The respiration region can be extracted more accurately by extracting only the portion related to respiration in the domain.

본 발명의 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템은 비침습적인 방법으로 환자의 호흡패턴, 일회 호흡용적, 노력 폐활량, 약물 전후 치료의 효과 비교, 호흡재활치료를 가능하게 할 수 있다. The respiration measurement system using the thermal imaging camera of the present invention can enable the patient's respiratory pattern, one-time breathing volume, effort spirometry, comparison of effect of post-drug treatment and respiratory rehabilitation treatment by non-invasive method.

사용 가능성 있는 영역으로 첫째, 폐기능 검사를 시행 할 수 없는 환자들에게 폐기능 검사를 대체할 수 있는 검사로 사용 가능하다. 마우스피스를 물 수 없는 기관지 절개 환자, 앉아 있을 수 없는 환자, 메르스 등의 호흡기 매개 전염병으로 치료중인 환자 등 기존에 방법으로는 폐기능 검사가 불가능 했던 환자들에게 비접촉 비침습적, 상대적으로 저렴한 비용으로 폐기능 검사를 대신 할 수 있다. First, it can be used as a surrogate for pulmonary function tests in patients who can not perform pulmonary function tests. Non-contact, non-invasive, relatively inexpensive, non-invasive, non-invasive, non-invasive treatment for patients who were unable to undergo pulmonary function testing, such as patients with bronchial incisions that can not tolerate mouthpieces, May replace pulmonary function tests.

둘째, 진정하 시술을 받는 환자들에게 호흡 모니터링을 위한 목적으로 사용 가능하다. 위장관 내시경 시술, 30분 이상 영상을 얻어야 하는 MRI 등의 이미지 검사 등 최근 의료분야에서는 환자의 편안함과 시술의 용이함을 목적으로 모니터링 하 진정제를 투약하는 빈도가 증가하고 있다. 과진정으로 인한 호흡저하를 모니터링하기 위해 말초 동맥 산소 포화도를 측정하고 있으나, 정확도와 신속도가 떨어져서 모니터링의 한계가 있다. 본 발명으로 비침습적으로 실시간 호흡을 모니터링할 수 있어 환자 안전 측면에서 도움이 될 수 있다. Second, it can be used for respiratory monitoring for patients under sedation. In gastrointestinal endoscopy, image examinations such as MRI, which requires imaging for more than 30 minutes, the frequency of administering sedation is increasing in the medical field in recent years, for the purpose of patient comfort and ease of procedure. And arterial oxygen saturation in order to monitor respiratory depression due to sedation, but there are limitations in monitoring because of its accuracy and rapidity. The present invention can non-invasively monitor real-time breathing, which can be helpful in terms of patient safety.

셋째, 의료분야에서 호흡근의 능력이 감소되어 호흡재활치료가 필요한 경우, 정량적으로 호흡을 측정하는 것이 도움이 될 수 있다. 특히 본 발명을 재활 운동 장비, 모바일 기기에 접목하여, 호흡재활 치료 시 biofeedback을 통해 운동의 효과를 증진시키는데 사용할 수 있으며, 장소의 제약이 없어, 재택 치료 모니터링 시스템에도 활용 가능성이 있다. Third, when respiratory rehabilitation is needed in the medical field due to decreased ability of the respiratory muscles, quantitative measurement of respiration may be helpful. In particular, the present invention can be applied to a rehabilitation exercise device and a mobile device to enhance the effect of exercise through biofeedback during respiratory rehabilitation therapy.

넷째, 호흡기 질환의 진단의 스크리닝 도구로서 활용 가능성이 있다. 현재 국민 건강 보험 건강검진 항목에는 진찰, 상담, 흉부방사선촬영 외에는 호흡기 질환을 스크리닝 할 수 있는 검사가 없다. 본 기술의 알고리듬을 분석하여 질병 진단 전 단계에서 환자를 스크리닝 하는데 사용할 수 있다. Fourth, there is a possibility to use it as a screening tool for diagnosis of respiratory diseases. Currently, there are no tests that can screen for respiratory diseases except for consultation, counseling, and chest X-ray. The algorithm of this technique can be analyzed and used to screen patients at the pre-diagnosis stage.

또한, 본 발명의 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템은 의료 환경 외에도 일반인을 대상으로 하는 헬쓰 디바이스 개발에도 활용 가능하다. 최근 대형 인명 사고로 이어진 광역버스 졸음 운전 사고 이후, 졸음운전 방지 장치가 다시 세간의 주목을 받고 있다. 본 발명을 이용하면, 운전자의 호흡 패턴을 분석하고 모니터링 목적으로서 활용 또한 가능하다. In addition, the respiration measurement system using the thermal imaging camera of the present invention can be utilized for the development of a health device for a general public in addition to a medical environment. After a recent bus accident that caused a large-scale casualty, the drowsiness driving device is receiving attention again. With the present invention, it is also possible to analyze the respiratory pattern of the driver and utilize it as a monitoring purpose.

또한 매일 일기예보에서 미세먼지지수를 발표하는 환경에 살면서 현대인들은 호흡기 질환 이환과 악화를 염려할 뿐 아니라, 호흡 능력을 향상시키기 위해서 여러 관심을 기울이고 있다. 미밴드등 피트니스 밴드가 헬스시장에서 저변을 확대하고 있어 본 발명의 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템을 연동하면 운동 전 중 후 폐활량을 측정하는데 이용할 수 있다. In daily life weather forecasting, living in an environment that announces the fine dust index, modern people are concerned not only for respiratory diseases but also for improving breathing ability. And a band such as an American band is expanding the bottom in the health market. Therefore, when the respiration measurement system using the thermal imaging camera of the present invention is interlocked, it can be used to measure the post-exercise spirometric capacity.

도 1은 본 발명의 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템의 개념도이다.
도 2는 발명의 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 3은 도 2의 영상분석부(200)에서 열화상 카메라로부터 수신된 열화상 데이터를 이용하여 호흡량을 검출하는 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예의 KLT 특징 추적 알고리즘을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4b는 도 4a의 1차 특징 추출 단계(S150)를 설명하는 흐름도이다.
도 4c는 도 4b에서 특징추출로부터 관심영역을 추출하는 과정을 설명하는 설명도이다.
도 5는 도 3의 호흡신호 추출단계를 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 도 3의 호흡량 계산단계를 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 도 5에서 호흡신호 추출단계에서 특징별 온도변이 검출단계와 온도변이 기준치 비교단계를 실행한 결과의 일예이다.
도 8은 호흡신호 추출단계(S200)의 노이즈 제거단계에서 3D-DBSCAN을 이용하여 노이즈를 제거한 결과의 일예이다.
도 9는 온도 변화량 연산단계의 결과의 일예이다.
도 10은 호흡 데이터 검출단계의 결과의 일예이다.
도 11은 연속 웨이블렛 변환단계의 결과의 일예이다.
도 12는 호흡 주파수 검출단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 피크 및 밸리 검출단계의 결과의 일예이다.
도 14는 열영상 로드 및 각도 보정단계에서 각도를 보정하는 것을 나타낸다.
도 15는 1차 특징 추출 단계에서 특징을 추출한 일예를 나타낸다.
도 16은 본 발명에서 프레임별의 관심영역의 평균온도와 편차를 설명하기 위한 설명도이다.
1 is a conceptual diagram of a respiration measurement system using a thermal imaging camera of the present invention.
2 is a block diagram schematically showing a configuration of a respiration measurement system using a thermal imaging camera of the present invention.
3 is a flowchart schematically illustrating a method of detecting the amount of breath using thermal image data received from a thermal imaging camera in the image analysis unit 200 of FIG.
4A is a flow chart for schematically explaining a KLT feature tracking algorithm of an embodiment of the present invention.
FIG. 4B is a flowchart illustrating the primary feature extraction step (S150) of FIG. 4A.
FIG. 4C is an explanatory diagram illustrating a process of extracting a region of interest from feature extraction in FIG. 4B.
5 is a flowchart schematically illustrating the respiration signal extracting step of FIG.
FIG. 6 is a flowchart for schematically explaining the breathing amount calculation step of FIG. 3;
FIG. 7 is an example of the result of performing the step of detecting the characteristic temperature difference and the step of comparing the temperature variation reference value in the breathing signal extracting step in FIG.
FIG. 8 is an example of a result of removing noise using the 3D-DBSCAN in the noise removing step of the breathing signal extracting step (S200).
9 is an example of a result of the temperature change amount calculating step.
10 is an example of the result of the breathing data detection step.
11 is an example of the result of the continuous wavelet transform step.
12 is a view for explaining the breathing frequency detecting step.
13 is an example of the result of the peak and valley detection step.
14 shows correction of the angle in the thermal image load and angle correction step.
FIG. 15 shows an example in which features are extracted in the primary feature extraction step.
16 is an explanatory diagram for explaining an average temperature and a deviation of a region of interest for each frame in the present invention.

이하, 본 발명의 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a respiration measurement system using a thermal imaging camera according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템의 개념도이고, 도 2는 발명의 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도이다. FIG. 1 is a conceptual diagram of a breathing measurement system using a thermal imaging camera of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram schematically showing a configuration of a breathing measurement system using a thermal imaging camera of the present invention.

열화상 카메라(적외선 카메라)(100)로 피검자(50)의 얼굴을 촬영하여, 디지탈 신호로 변환하여, 영상 분석부(200)로 전송한다. 이때 열화상 카메라(100)가 촬영된 영상을 디지탈신호로 변환하여 영상 분석부(200)로 전송하거나, 또는 열화상 카메라(100)가 촬영된 영상을 A/D 변환장치(미도시)를 통해 디지탈신호로 변환하여 영상 분석부(200)로 전송할 수 있다.(Infrared camera) 100, converts the face of the subject 50 into a digital signal, and transmits the digital signal to the image analysis unit 200. [ At this time, the radiographic camera 100 converts the photographed image into a digital signal and transmits the digital signal to the image analysis unit 200. Alternatively, the photographed image of the thermal imaging camera 100 is transmitted through an A / D converter (not shown) Converted into a digital signal, and transmitted to the image analysis unit 200.

열화상 카메라(100)는 적외선 카메라를 사용할 수 있다. 열화상 카메라(100)는 대상자의 얼굴 전면이 나타나도록 촬영하되, 부득이한 경우 피검자(50)의 두 눈과 코 부분을 촬영한다. 촬영은 초당 10번 (10Hz) 로 데이터를 취득할 수 있으며, 절대 온도로 나타내진 열화상 데이터를 얻게 된다. The thermal imaging camera 100 may use an infrared camera. The thermal imaging camera 100 photographs the face of the examinee so that the entire face of the examinee appears. The photographing can acquire data at 10 times per second (10 Hz), and thermal image data represented by absolute temperature is obtained.

일반적으로 인체의 호흡에 따라 체온이 변하며, 이는 흡기 시 인체를 기준으로 차가운 공기가 이동하면서, 온도(즉, 호흡과 관련된 인체 부분의 온도)를 낮추고, 호기 시 인체 내부에서 데워진 공기가 온도를 상승하게 한다. 따라서 본 발명은 대상의 얼굴 전면을 촬영하되, 실질적으로 공기가 통과하는 비강(nastril) 부분을 중심으로 촬영한다.Generally, the body temperature changes according to the breathing of the human body. This is because the cold air moves on the basis of the human body during intake, lowering the temperature (that is, the temperature of the body part related to breathing) . Accordingly, the present invention takes a photograph of the entire face of a subject, and photographs the nastril portion through which air passes substantially.

또한, 일반적으로, 온도를 가진 물체의 경우에는 항상 적외선을 방출하며, 방출된 적외선은 온도가 높아질수록 파장이 짧아지고, 주파수는 증가하여 더 높은 에너지를 갖는데, 적외선 카메라(IR Camera)는 이러한 적외선을 측정하여 온도로 환산한다.Generally, in the case of an object having a temperature, an infrared ray always emits. As the temperature of the emitted infrared ray increases, the wavelength becomes shorter, the frequency increases, and the energy becomes higher. And the temperature is converted.

적외선 카메라로서 FLIR사의 T420을 사용할 수 있으며, NETD(noise equivalent Temperature difference)이상의 온도 변화량을 가진 부분만을 추출하며, 이는 320x240 의 레졸루션(해상도)과, 0.05의 NETD를 가지며, 최소 focal length 는 50 cm 이므로, 대략 50~60 cm의 거리에서 대상자를 측정할 수 있다. 그러나 이로써 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니며, 피검자(50)의 얼굴에서 열화상을 검출하는 것이라면 어떤 열화상 카메라이라도 상관없다. 일반적으로, NETD는 카메라 스펙마다 다르며, 여기서는 0.05 로 설정하고 있으나 이로써 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. FLIR's T420 can be used as an infrared camera, and only the part with a temperature change over NETD (noise equivalent temperature difference) is extracted. It has a resolution of 320x240, a NETD of 0.05 and a minimum focal length of 50 cm , The subject can be measured at a distance of approximately 50 to 60 cm. However, the present invention is not limited to this, and any thermal imaging camera may be used as long as it detects a thermal image on the face of the subject 50. Generally, NETD differs from camera specification to 0.05, which is set at 0.05, but this is not intended to limit the present invention.

영상 분석부(200)는 열화상 카메라(100)로부터 수신된 영상을 분석하여 호흡신호를 검출하기 위한 수단으로, 일반 컴퓨터 또는 노트북 또는 마이크로프로세서 등으로 이루어질 수 있다. 영상 분석부(200)는 연산처리부(210), 메모리부(220), 출력부(230), 키입력부(250)를 포함한다.The image analysis unit 200 may be a general computer, a notebook computer, a microprocessor, or the like as a means for analyzing an image received from the thermal imaging camera 100 and detecting a respiration signal. The image analysis unit 200 includes an operation processing unit 210, a memory unit 220, an output unit 230, and a key input unit 250.

연산처리부(210)는 열화상 카메라(100)로부터 수신된 영상에서 KLT 특징 추적기(KLT point tracker, Kanade-Lucas-Tomasi Feature Tracker)를 이용하여, 호흡관련 영역을 추적(tracking)하여, 호흡에 영향이 있는 부분만인 관심영역을 추출하고, 추출된 부분, 즉, 관심영역에서 주파수 도메인에서 호흡과 관련된 부분만을 호흡 영역으로 추출하며, 추출된 호흡 영역을 호흡량 계산식에 적용하여 호흡량 파형(Volume Waveform) 계산하고, 파형에서 피크(Peak)와 밸리(Valley)를 찾아 호흡량 및 호흡수를 계산한다. The operation processing unit 210 tracks a respiration-related area using a KLT point tracker (Kanter-Lucas-Tomasi Feature Tracker) on the image received from the thermal imaging camera 100, And extracts only the part related to the respiration in the frequency domain in the extracted part, that is, the interest area, and extracts the volume waveform by applying the extracted respiration area to the calculation of the volume of breath, Calculate the volume and the number of breaths by looking for the peak and valley in the waveform.

다시말해, 연산처리부(210)는 열화상 카메라(100)로부터 수신된 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임의 각 화소, 즉, 절대온도값(이하 설명의 편의상 온도값이라 함)들이, KLT 특징 추적 알고리즘을 적용할 수 있는 8 bit값을 갖도록 정규화를 행하고, 정규화된 온도 값을 가진 각 프레임의 영상의 코의 각도가, 기 설정된 코 각도와 같도록, 각 프레임의 영상을 보정하고, 보정된 영상에서 KLT 특징 추적 알고리즘을 적용하여 관심영역을 구한다. 이에 따라, 보정된 영상에서 관심영역이 구하여지면, 이에 대응되는 원 화상, 즉, 열화상 카메라(100)로부터 수신된 피검자 얼굴 열영상의 프레임에 관심영역이 구하여진다. 즉, KLT 특징 추적 알고리즘을 통해 정규화되고 보정된 영상의 각 프레임별로 관심영역이 하나씩 얻어지게 되며, 이에 대응하여, 정규화되지 않은, 열화상 카메라(100)로부터 수신된 원래의 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임에서도 관심영역이 구하여진다.In other words, the arithmetic processing unit 210 determines whether or not each pixel of each frame of the subject face image received from the thermal imaging camera 100, that is, an absolute temperature value (hereinafter referred to as a temperature value for convenience of explanation) , And corrects the image of each frame so that the angle of the nose of the image of each frame having the normalized temperature value is equal to the preset nose angle, KLT feature tracking algorithm is applied to obtain the region of interest. Accordingly, if the region of interest is found in the corrected image, the region of interest is found in the frame of the original image corresponding thereto, that is, the subject's face image received from the thermal imaging camera 100. That is, one region of interest is obtained for each frame of the normalized and corrected image through the KLT feature tracking algorithm. Corresponding to this, an image of the original subject face thermal image received from the thermal imaging camera 100, which is not normalized, The area of interest is also found in the frame.

연산처리부(210)는 열화상 카메라(100)로부터 수신된 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임의 관심영역 들을 메모리부(220)에 저장하고, 메모리부(220)에 저장된 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임의 관심영역을, 연이은 전 프레임의 관심영역을 차감하여 각 프레임의 관심영역의 차영상을 구하고, 구하여진 각 프레임의 관심영역의 차영상에서 3D-DBSCAN을 적용하여 노이즈를 제거한다. 노이즈가 제거된 각 프레임의 관심영역의 차영상의 픽셀값, 즉 온도변이값이, 기설정된 온도변이 기준치와 비교하여 작거나 같은 경우에는 제거하고, 온도변이 기준치보다 큰 경우만을 각 프레임의 관심영역의 온도변이 값(즉, 온도변이 데이터)으로 저장하고, 각 프레임의 관심영역별로, 온도 변이 값(온도변이 데이터)를 합산하여, 이를 프레임별 온도 변화량으로써 구하고, 프레임별 온도 변화량을 메모리부(220)에 순차적으로 저장한다. The arithmetic processing unit 210 stores the regions of interest of each frame of the subject face image received from the thermal imaging camera 100 in the memory unit 220 and stores the area of interest of each frame of the subject face image stored in the memory unit 220 By subtracting the region of interest from the region of interest in successive consecutive frames, the difference image of the region of interest of each frame is obtained, and noise is removed by applying 3D-DBSCAN to the difference image of the region of interest of each frame. When the pixel value of the difference image of the interest region of each frame from which the noise is removed, that is, the temperature variation value is smaller than or equal to the predetermined temperature variation reference value, only the case where the difference value is larger than the temperature variation reference value, The temperature variation value (temperature variation data) is obtained for each frame of interest in each frame and is obtained as a temperature variation amount for each frame, and the frame-by-frame temperature variation amount is stored in the memory section 220).

연산처리부(210)는 저장된 프레임별 온도 변화량들을 메모리부(220)로부터 시간순서에 따라 읽어들이고 프레임별 온도 변화량들을 시간에 따라(즉, t 축으로) 적분하여, 호흡 데이터(raw data)를 구한다. The arithmetic processing unit 210 reads the stored temperature-dependent amounts of each frame from the memory unit 220 in time order, integrates the temperature-dependent amounts of the respective frames with time (i.e., t-axis), and obtains raw data .

연산처리부(210)는 검출된 호흡 데이터(raw data)를 평활화(smoothing)를 행한 후, 디트랜드(detrend)를 행하고, 평활화 및 디트랜드가 행하여진 호흡 데이터들을 연속 웨이블렛 변환(Continuous Wavelet Transform, CWT)을 행하여, 주파수별 스케일(강도, 크기)들로 나타내고, 연속 웨이블렛 변환을 행한 결과에서, 주파수별 스케일의 합(주파수별 강도 합)을 구한다. 구하여진 주파수별 스케일 합이 가장 큰 주파수(즉, 최대인 주파수)를, 호흡 주파수(보다 상세히는, 호흡에 가장 관련있는 주파수)로 하며, 호흡 주파수의 각 스케일들을 호흡 신호로서 메모리부(220)에 저장한다. 여기서, 호흡 주파수의 각 스케일들을 호흡 신호를 시간에 따라 그래프를 나타내면 이는 호흡파형이 된다. 따라서, 이 호흡파형은 시간 도메인의 파형(데이터)가 된다.The arithmetic processing unit 210 performs smoothing on the detected raw data and then performs detrend and applies the smoothed and detented breath data to a Continuous Wavelet Transform (Intensity and size), and the sum of the scales according to frequency (intensity sum of frequencies) is obtained from the result of continuous wavelet transform. (More specifically, the frequency most related to breathing), and the scales of the breathing frequency are stored in the memory unit 220 as respiration signals, . Here, when the respiration signal of each scale of the respiratory frequency is plotted according to time, it becomes a respiratory waveform. Therefore, this breathing waveform becomes a waveform (data) in the time domain.

연산처리부(210)는 호흡신호를 1차 미분하여 변곡점을 구하고, 이로부터 피크(peak)와 밸리(valley)를 검출하고, 검출된 피크(peak)와 밸리(valley)들에서, 소정 시간간격 동안(1초당, 또는 1분당 또는 30초당)에, 연이은 피크와 밸리의 쌍의 개수, 즉, 피크에서 밸리로 바뀌는 회수를, 호흡수(respiration rate, RR)로서 검출한다.The arithmetic processing unit 210 firstly differentiates the respiration signal to obtain an inflection point, detects peaks and valleys from the inflection points, and detects the peak and valley in the detected peaks and valleys for a predetermined time interval The number of successive peaks and valley pairs, that is, the number of times of changing from peak to valley, is detected as a respiration rate (RR) in a predetermined time (per second, per minute or every 30 seconds)

호흡량은 2가지 방법으로 구할 수 있다.Tidal volume can be obtained in two ways.

첫번째 방법은, 호흡신호에서, 연이은 피크와 밸리의 쌍의 진폭, 즉, 피크에서 밸리로 바뀌는 신호의 진폭 크기를, 그 주기의 호흡량으로 검출한다.The first method detects the amplitude of a pair of successive peaks and valleys in the respiration signal, that is, the amplitude magnitude of the signal that changes from peak to valley, by the amount of respiration of that period.

두번째 방법에서는, 호흡파형에서 한 피크에서 연이은 다음 피크까지를 한 호흡 주기로 하며, 각 호흡주기의 호흡신호를, 연이은 전 호흡주기의 호흡신호에서 차감하여 각 호흡주기별 변화량을 구하고, 각 호흡주기별 변화량을 합산하여 호흡량을 구한다. 경우에 따라서 호흡주기는 하나의 피크와 밸리의 쌍에서, 연이은 전의 피크와 밸리의 쌍까지의 시간 간격일수 있다.In the second method, the respiratory signal of each respiratory cycle is subtracted from the respiratory signal of the succeeding respiratory cycle, and the amount of change of each respiratory cycle is obtained by taking each respiratory cycle from one peak to the next peak in the respiratory waveform, The amount of change is summed to obtain the volume. In some cases, the respiratory cycle can be a time interval from one peak and valley pair to the previous peak and valley pair.

즉, 호흡주기별 변화량은, 현재의 호흡주기의 호흡신호(각 샘플)를, 연이은 전 호흡주기에서 대응되는 각 호흡신호(각 샘플)에서 차감하여 호흡 변화량을 구한다. 예를들어 현 호흡주기의 첫번째 호흡신호(샘플)에서, 연이은 전 호흡주기의 첫번째 호흡신호(샘플)을 차감하여 현 호흡주기의 첫번째 호흡 변화량을 구하며, 이렇게 각 호흡주기의 시작 샘플로부터 마지막 샘플까지 적용하여 각 주기의 호흡 변화량을 구한다. 이렇게 구하여진 각 주기의 호흡 변화량을 시간대별로 합산하여 호흡량을 구한다. 여기서, 각 주기의 호흡 변화량을 시간대별로 합산한다는 것은, 각 주기의 첫번째 호흡 변화량 신호를 합산하여 첫번째 호흡량 신호로 하고, 각 주기의 두번째 호흡 변화량 신호를 합산하여 두번째 호흡량 신호로 하며, 이렇게 하여 각 주기의 호흡 변화량 신호를 합산하여 호흡량을 구한다. That is, the amount of change per breathing cycle is obtained by subtracting the respiration signal (each sample) of the current breathing cycle from each respiration signal (each sample) corresponding to the previous breathing cycle in succession to obtain the breathing change amount. For example, in the first breathing signal (sample) of the current breathing cycle, the first breathing signal (sample) of the previous breathing cycle is subtracted to obtain the first breathing change of the breathing cycle, To obtain the respiratory variation of each cycle. The respiration rate of each cycle is calculated by summing up the respiratory change amount in each time period. Here, the sum of the respiration change amounts of the respective periods is calculated by adding the first respiration change amount signals of the respective cycles to the first respiration amount signal, and adding the second respiration change amount signals of each cycle to the second respiration amount signal, And the respiration amount is calculated by summing the respiration change amount signals.

메모리부(220))는 연산처리부(210)로부터 수신된 호흡량 및 호흡수를 저장한다.The memory unit 220 stores the respiration amount and the respiration amount received from the arithmetic processing unit 210.

출력부(230)는 연산처리부(210)로부터 수신된 호흡량 및 호흡수를 출력한다.The output unit 230 outputs the respiration amount and the respiration amount received from the operation processing unit 210.

키입력부(250)는 그래픽 유저 인터페이스를 포함할 수 있으며, 이를 통해 초기 트랙킹 포인트 설정을 행할 수 있으며, 시작/정지 스위치 등을 포함하고 있다.The key input unit 250 may include a graphical user interface to set an initial tracking point, and includes a start / stop switch and the like.

도 3은 도 2의 영상분석부(200)에서 열화상 카메라로부터 수신된 열화상 데이터를 이용하여 호흡량을 검출하는 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.3 is a flowchart schematically illustrating a method of detecting the amount of breath using thermal image data received from a thermal imaging camera in the image analysis unit 200 of FIG.

열영상 수신단계(S10)로, 영상분석부(200)의 연산처리부(210)는 열영상 카메라(100)로 부터 피검자의 얼굴 열영상(열화상)(Thermal Face Image)을 수신하여 메모리부(220)에 임시저장한다. 열영상 수신단계(S10)에서는 각 프레임당 열영상을 수신하되, 한번에 한프레임씩의 열영상을 수신하거나, 아니면 기설정된 시간동안의 프레임들의 열영상을 수신할 수 있다. 예를들어, 얼굴 전면의 320x240 Absolute Temperature matrix를 초당 10 frames 씩 얻을 수 있다. 이렇게 열영상 카메라(100)로 부터 얻은 데이터를, 온도 데이터 또는 온도 도메인 데이터라 할 수 있다. 이렇게 표시 함으로써, KLT 특징 추적기 알고리즘을 적용하기 위해 정규화된 데이터와 구별할 수 있다.In the thermal image reception step S10, the operation processing unit 210 of the image analysis unit 200 receives the thermal face image (thermal image) of the subject from the thermal imaging camera 100, 220). In the thermal image receiving step (S10), a column image may be received for each frame, a column image may be received one frame at a time, or a column image of frames may be received for a predetermined time. For example, you can get a 320x240 Absolute Temperature matrix across the face at 10 frames per second. The data obtained from the thermal imaging camera 100 in this way can be referred to as temperature data or temperature domain data. By marking this way, we can distinguish it from the normalized data to apply the KLT feature tracker algorithm.

호흡관련 영역 추적단계(S100)로, 열영상 수신단계(S10)에서 수신된 피검자 얼굴 열영상(즉, 열화상 카메라(100)로부터 수신된 피검자 얼굴 열영상)의 각 프레임의 각 화소, 즉, 온도값(절대온도값)들이 8 bit값을 갖도록 정규화를 행하고, 정규화된 온도 값을 가진 각 프레임의 영상의 코의 각도가, 기 설정된 코 각도와 같도록, 각 프레임의 영상을 보정하고, 보정된 각 프레임의 영상에서 KLT 특징 추적기, 즉, KLT 특징 추적 알고리즘(KLT point tracking 알고리즘)을 이용하되, 얼굴 열영상의 각 프레임에서 2개의 눈과 코를 3개의 트랙킹 포인트(tracking point)하여. 호흡관련 영역, 즉, 코(nose) 부분 또는 코 밑 부분 만을 관심영역(Region Of Interest, ROI)으로 추출하며, 이때, 추적(tracking)을 위해 특징을 추출한다. 여기서 특징은 특정 연산방법(예로 최소 고유치 방법 등)에 의해 검출된 특징으로서, KLT 특징 추적 알고리즘에서 KLT 특징이라고도 불리는 것으로, 이는 널리 공지되어 있으므로 자세한 설명은 생략한다. 검출된 KLT 특징은 주로 얼굴에서의 경계선 부분, 모서리(코너) 부분 등(예를들어 얼굴영상에서 코주변의 경계선 또는 모서리 등)을 검출한다. 3개의 트랙킹 포인트인 피검자(50)의 2개의 눈과 코의 위치를 트랙킹(추적)하여 찾아내되, 3개의 트랙킹 포인트를 이용하여 서로의 위치를 추정하며, 3개의 트랙킹 포인트로부터 또는 코로부터 소정 위치에 위치된 관심영역(ROI)을 검출하고, 상기 관심영역 내 특징들을 추출하여 추적한다.In the respiration-related area tracking step S100, each pixel of each frame of the subject's face thermal image (i.e., the subject's face thermal image received from the thermal camera 100) received in the thermal image receiving step S10, The image of each frame is corrected so that the temperature value (absolute temperature value) has an 8-bit value and the angle of the nose of the image of each frame having the normalized temperature value is equal to the preset nose angle, The KLT feature tracking algorithm (KLT point tracking algorithm) is used for each frame image, and two tracking points are used for two eyes and noses in each frame of the face image. The respiration-related region, that is, the nose portion or the nose portion, is extracted as a region of interest (ROI), and features are extracted for tracking. Here, the feature is a feature detected by a specific calculation method (e. G., A minimum eigenvalue method and the like), also called a KLT feature in the KLT feature tracking algorithm, which is well known and therefore will not be described in detail. The detected KLT feature mainly detects a boundary part, a corner part (e.g., a border around the nose or a corner in the face image) of the face, and the like. (Tracking) the positions of the two eyes and nose of the subject 50 as three tracking points, estimates the position of each of the three eyes using the three tracking points, (ROI) located in the region of interest, and extracts and tracks features within the region of interest.

KLT 특징 추적 알고리즘을 적용하기에 앞서, 호흡관련 영역 추적단계(S100)의 초기에, 열영상 수신단계(S10)로부터 들어오는 연속된 얼굴 열영상의 프레임 중 첫 번째 얼굴 열영상 프레임에서 코의 위치가 기설정된 소정 위치에 맞추어 지도록 열영상을 위치시킨다. 또한, 첫 번째 얼굴 열영상 프레임에서 코와 두 눈의 위치를 지정하고, 또한, 관심영역(Region Of Interest, ROI)으로 사용할 크기와, 상기 얼굴 열영상의 기울어진 얼굴의 각도(또는 코의 각도)를 설정하며, 기타 KLT 특징 추적 알고리즘의 파라미터들을 얼굴 열영상에 맞게 설정한다. 이에 따라, 메모리부(220)에, 코와 두 눈의 좌표, 코의 각도(얼굴의 각도), 관심영역 크기 등이 저장된다. 상기 파라미터들은 요구하는 정밀도와 환자의 움직임 정도에 따라 변경될 수 있다. Prior to applying the KLT feature tracking algorithm, at the beginning of the respiration-related area tracking step (S100), the position of the nose in the first face image frame of the consecutive face image sequence incoming from the thermal image receiving step (S10) The thermal image is positioned so as to be aligned with a predetermined position. In addition, the position of the nose and the eyes in the first face image frame is designated, and the size to be used as a region of interest (ROI) and the angle of the oblique face of the face image ), And sets the parameters of the other KLT feature tracking algorithm to the face image. Accordingly, the coordinates of the nose and two eyes, the angle of the nose (angle of the face), the size of the region of interest, and the like are stored in the memory unit 220. The parameters can be changed according to the accuracy required and the degree of patient motion.

그 후, 열영상 수신단계(S10)에서 수신된 각 프레임의 영상을 8 bit값을 갖도록 정규화를 행하고, 정규화된 온도 값을 가진 각 프레임의 영상의 코의 각도가, 기 설정된 코 각도와 같도록, 각 프레임의 영상을 보정하고, 보정된 각 프레임의 영상에 KLT 특징 추적 알고리즘을 적용하여 관심영역(ROI)을 얻는다. 즉, 코 부분의 온도 변화 중 실질적으로, 호흡에 영향이 있는 부분을 관심영역으로 하여 추출하게 된다.Then, the image of each frame received in the thermal image receiving step (S10) is normalized so as to have an 8-bit value, and the angle of the nose of the image of each frame having the normalized temperature value is made equal to the predetermined nose angle , The image of each frame is corrected, and the ROI is obtained by applying a KLT feature tracking algorithm to each image of the corrected frame. That is, a part of the temperature change of the nose portion which substantially affects the respiration is extracted as the region of interest.

피검자(50)는 호흡 및 기타의 이유로 움직임을 갖게 될 수 있으며, 만약 피검자(50)의 움직임에 따라 얼굴이 카메라의 화면을 벗어나거나, 또는 가려짐에 의해, 얼굴 열영상에서 3개의 트랙킹 포인트 중 일부만 남아 있을 경우, 상기 얼굴 열영상에 남아 있는 트랙킹 포인트를 이용하여, 상기 얼굴 열영상에 없는 트랙킹 포인트의 위치를 추정한다. 즉, 이는, KLT 특징 추적 알고리즘을 이용하여, 각 눈의 중심을 포인트로 하며, 코 끝의 중심을 포인트로 하여, 3개의 포인트를 각기 추적하며, 3개의 위치좌표의 특성을 이용하여, 어느 하나가 추적 불가능할 때, 추적 불가능한 포인트의 위치, 즉, 좌표를 유추하여 지속적으로 추적할 수 있다.The subject 50 may have motion for breathing and other reasons and if the face of the examinee 50 moves out of the camera screen or is obscured by the movement of the subject 50, If only a part remains, the position of the tracking point which is not in the face image is estimated by using the tracking point remaining in the face image. That is, the KLT feature tracking algorithm is used to track each of the three points with the center of each eye as a point, the center of the nose as a point, and the characteristics of three position coordinates, Can not be traced, the position of the non-traceable point, that is, the coordinates, can be inferred and continuously tracked.

호흡관련 영역 추적단계(S100)는 관심영역을 검출하기 위한 단계로서, 이렇게 하여, KLT 특징 추적 알고리즘을 통해 정규화되고 보정된 프레임의 영상에서 관심영역이 구하여지게 되며, 이에 따라, 원 영상인, 열영상 수신단계(S10)에서 수신된 피검자 얼굴 열영상의 프레임에 대해서도 관심영역이 구하여진다.The breathing-related region tracking step S100 is a step for detecting a region of interest, thereby obtaining a region of interest in the image of the normalized and corrected frame through the KLT feature tracking algorithm, A region of interest is also obtained for the frame of the subject's face thermal image received in the image receiving step (S10).

본 발명에서는, 설명의 편의상, 호흡관련 영역 추적단계(S100)에서 정규화된 영상(이미지)을, 이미지 도메인의 영상(데이터)라 하고, 열영상 수신단계(S10)에서 수신된, 즉, 열영상 카메라(100)로 부터 수신된 영상(이미지)을, 온도 도메인의 영상(데이터)라 한다.In the present invention, for convenience of explanation, the image (image) normalized in the breathing-related area tracking step S100 is referred to as an image domain of the image domain, and the image received in the thermal image receiving step S10, The image (image) received from the camera 100 is referred to as an image (data) in the temperature domain.

호흡신호 추출단계(S200)로, 호흡관련 영역 추적단계(S100)에서 검출된 얼굴 열영상의 각 프레임의 관심영역(ROI)에서 프레임별 온도변화량을 구하고, 프레임별 온도변화량을 이용하여 호흡신호를 호흡신호를 추출하는 단계이다. 이는 열화상 카메라(100)로부터 수신된 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임의 관심영역을, 연이은 전 프레임의 관심영역으로 차감하여 각 프레임의 관심영역의 차영상을 구하고, 구하여진 각 프레임의 관심영역의 차영상에서 3D-DBSCAN을 적용하여 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 각 프레임의 관심영역의 차영상의 픽셀값, 즉 온도변이값이, 기설정된 온도변이 기준치와 비교하여 작거나 같은 경우에는 제거하고, 온도변이 기준치보다 큰 경우만을 각 프레임의 관심영역의 온도변이 값(즉, 온도변이 데이터)으로 저장하고, 각 프레임의 관심영역별로, 온도 변이 값(온도변이 데이터)를 합산하여, 이를 프레임별 온도 변화량으로써 구하고, 구하여진 프레임별 온도 변화량들을 시간에 따라(즉, t 축으로) 적분하여, 호흡 데이터(raw data)를 구한다. 검출된 호흡 데이터(raw data)를 평활화(smoothing)를 행한 후, 디트랜드(detrend)를 행하고, 평활화 및 디트랜드가 행하여진 호흡 데이터들을 연속 웨이블렛 변환(Continuous Wavelet Transform, CWT)을 행하여, 주파수별 스케일(강도, 크기)들로 나타내고, 연속 웨이블렛 변환을 행한 결과에서, 주파수별 스케일의 합(주파수별 강도 합)을 구한다. 구하여진 주파수별 스케일 합이 가장 큰 주파수(즉, 최대인 주파수)를, 호흡 주파수(보다 상세히는, 호흡에 가장 관련있는 주파수)로 하며, 호흡 주파수의 각 스케일들을 호흡 신호로서 메모리부(220)에 저장한다. In the breathing signal extraction step (S200), the temperature change amount per frame is obtained from the ROI of each frame of the face image detected in the respiration-related area tracking step (S100), and the respiration signal is calculated using the frame- And extracting the respiration signal. This subtracts the region of interest of each frame of the subject's face thermal image received from the thermal imaging camera 100 with the region of interest of the previous frame successively to obtain a difference image of the region of interest of each frame, The 3D-DBSCAN is applied to the difference image to remove the noise. When the pixel value of the difference image of the interest region of each frame from which the noise is removed, that is, the temperature variation value is smaller than or equal to the preset reference value, (Temperature shift data) of each frame, stores the temperature shift value (temperature shift data) of interest in each frame, and adds the temperature shift value (temperature shift data) for each frame of interest in each frame, And the temperature changes per frame obtained are integrated over time (that is, on the t axis) to obtain the raw data. After the detected raw data is smoothed, detrend is performed, and breathing data subjected to smoothing and detouring are subjected to continuous wavelet transform (CWT) (Intensity, size), and the sum of the scales on a frequency basis (intensity sum by frequency) is obtained from the result of continuous wavelet transformation. (More specifically, the frequency most related to breathing), and the scales of the breathing frequency are stored in the memory unit 220 as respiration signals, .

호흡량 계산단계(S300)로, 호흡량 파형(Volume Waveform)에서 피크(Peak)와 밸리(Valley)를 검출하고, 검출된 피크(peak)와 밸리(valley)들에서, 소정 시간간격 동안(1초당, 또는 1분당 또는 30초당)에, 연이은 피크와 밸리의 쌍의 개수, 즉, 피크에서 밸리로 바뀌는 회수를, 호흡수(respiration rate, RR)로서 검출하고, 또한 호흡량을 구한다. 호흡량은 상술한 바와 같이, 2가지 방법으로 구할 수 있으나, 여기서는 두번째 방법에 의해 구하는 것으로 한다. 즉, 호흡파형에서 한 피크에서 연이은 다음 피크까지를 한 호흡 주기로 하며, 각 호흡주기의 호흡신호를, 연이은 전 호흡주기의 호흡신호에서 차감하여 각 호흡주기별 변화량을 구하고, 각 호흡주기별 변화량을 합산하여 호흡량을 구한다.In the volume calculation step S300, a peak and a valley are detected in a volume waveform, and in the detected peaks and valleys, for a predetermined time interval (per second, Or per minute or 30 seconds), the number of successive peaks and valley pairs, i.e., the number of times the peak to valley is changed, is detected as the respiration rate (RR) and the volume is also determined. The amount of respiration can be obtained by two methods as described above, but here, it is determined by the second method. In other words, the respiratory signal of one respiratory cycle is subtracted from the respiratory signal of the next respiratory cycle, and the amount of change of each respiratory cycle is obtained. The sum of the breaths is obtained.

도 4a는 본 발명의 일실시예의 KLT 특징 추적 알고리즘을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이고, 도 4b는 도 4a의 1차 특징 추출 단계(S150)를 설명하는 흐름도이고, 도 4c는 도 4b에서 특징추출로부터 관심영역을 추출하는 과정을 설명하는 설명도이다.FIG. 4A is a flowchart for schematically explaining a KLT feature tracking algorithm of an embodiment of the present invention, FIG. 4B is a flowchart for explaining a first feature extraction step (S150) of FIG. 4A, FIG. And extracting the region of interest from the extracted region.

KLT 특징 추적 알고리즘은 연산처리부(210)에서 실행되며, 호흡관련 영역 추적단계(S100)에 포함된다.The KLT feature tracking algorithm is executed in the arithmetic processing unit 210 and included in the respiratory-related area tracking step S100.

초기화단계(S105), 연산처리부(210)는 메모리부(220)로부터 편차 기준치, 특징수 기준치 등을 읽어들인다.In the initializing step (S105), the arithmetic processing unit 210 reads the deviation reference value, feature number reference value, and the like from the memory unit 220.

초기 트랙킹 포인트 설정단계(S110)로, 열영상 수신단계(S10)에서 수신된 피검자 얼굴 열영상의 첫 프레임에서 코의 위치와 2개의 눈의 위치를 키입력부(250)를 통해 사용자가 지정하며, 연산처리부(210)는 키입력부(250)로부터 코의 위치와 2개의 눈의 위치, 즉, 코의 좌표와 2개의 눈의 좌표를 수신하여, 초기 트랙킹 포인트로서 메모리부(220)에 저장한다. 여기서 피검자의 2개의 눈을 제1눈과 제2눈이라 할 수 있다. 이때 관심영역 크기, 위치 등도 설정될 수 있다.In the initial tracking point setting step S110, the user designates the position of the nose and the positions of the two eyes in the first frame of the subject's face image received in the thermal image receiving step (S10) through the key input unit 250, The operation processing unit 210 receives the position of the nose and the positions of the two eyes, that is, the coordinates of the nose and the coordinates of the two eyes, from the key input unit 250, and stores them in the memory unit 220 as an initial tracking point. Here, the two eyes of the examinee can be called the first eye and the second eye. At this time, the area of interest, the position, and the like can also be set.

초기 코 각도 설정단계(S115)로, 열영상 수신단계(S10)에서 수신된 피검자 얼굴 열영상의 첫 프레임에서 코의 각도를 사용자가 지정하며, 연산처리부(210)는 키입력부(250)로부터 코의 각도를 수신하여, 초기 코의 각도로서 메모리부(220)에 저장한다. In the initial co angle setting step S115, the user specifies the angle of the nose in the first frame of the subject face image received in the thermal image receiving step S10, and the arithmetic processing unit 210 receives the nose from the key input unit 250, And stores it in the memory unit 220 as the angle of the initial nose.

열영상 로드 단계(S120)로, 열영상 수신단계(S10)에서 수신되어 메모리부(220)에 임시저장된 피검자 얼굴 열영상을 프레임단위로 읽어들인다. In the thermal image loading step (S120), the subject face image received in the thermal image receiving step (S10) and temporarily stored in the memory unit (220) is read frame by frame.

정규화 단계(S130)로, 열영상 로드 단계(S120)에서 수신된 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임의 각 화소, 즉, 절대온도 데이터에서, 최소온도(min) 값과 최대온도(max) 값 사이를 256 등분한 값(8 bit)으로 이미지화시키는 정규화를 행한다.In the normalization step (S130), in each pixel of each frame of the subject face thermal image received in the thermal image load step (S120), that is, in the absolute temperature data, the difference between the minimum temperature (min) value and the maximum temperature Normalization is performed to image the image into 256 divided values (8 bits).

여기서, 정규화 방법은 얼굴 열영상의 각 프레임마다 중간온도(median), 최대온도(max)의 값을 구한다. 그리고, 얼굴 열영상의 각 프레임의 최대온도와 중간온도의 차(difference), 즉, 최대온도(max)에서 중간온도(median)를 뺀 값을 구한다. 다시말해 difference = max - median 을 구한다. 그 다음, 얼굴 열영상의 각 프레임의 최소온도(min)의 값을 구하되, 최소온도(min)는, 중간온도(median)에서, 최대온도와 중간온도의 차(difference)를 뺀 값으로 한다. 즉, min = median - difference 를 구한다. 이때 최소온도(min) 값과 최대온도(max) 값 사이를 온도범위(range) 라고 한다. 온도범위(range), 즉, 최소온도(min) 값과 최대온도(max) 값 사이를 256 등분한 값으로, 얼굴 열영상의 각 프레임의 각 화소들을 환산하여, 저장한다. 예를들어, 중간온도(median) 값이 36.1 도이고, 최대온도(max) 값이 38.1 도 일 때, 그 차(difference) 값은 2도이고, 최소온도(min) 값은 34.1 도이다. 34.1 ~ 38.1 도를 256 등분한 값으로 환산하여 8bit 이미지 영상을 만든다.Here, the normalization method obtains the median temperature and the maximum temperature max for each frame of the face image. Then, a difference between the maximum temperature and the intermediate temperature of each frame of the face image is calculated, that is, the maximum temperature max minus the median. In other words, find difference = max - median. Next, the minimum temperature (min) of each frame of the face image is obtained, and the minimum temperature (min) is a value obtained by subtracting the difference between the maximum temperature and the intermediate temperature at the median . That is, min = median - difference is obtained. The range between the minimum temperature (min) and the maximum temperature (max) is called the range. Each pixel of each frame of the face thermal image is converted into a value divided into 256 ranges between the temperature range, i.e., the minimum temperature (min) value and the maximum temperature (max) value. For example, when the median value is 36.1 degrees and the maximum temperature value is 38.1 degrees, the difference value is 2 degrees and the minimum temperature value is 34.1 degrees. 34.1 to 38.1 degrees are divided into 256 equal parts to produce an 8-bit image.

각도 보정단계(S135)로, 정규화 단계(S130)에서 정규화된 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임의 코를, 초기 코 각도 설정단계(S115)에서 설정된 초기 코 각도와 같도록 보정을 행하되, 즉, 초기 코 각도와 첫 프레임후 수신된 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임의 코를 비교하여, 코가 비뚤어 졌는 지를 판단하고, 비뚤어졌다고 판단되면, 얼굴 열영상 프레임의 코가, 초기 코 각도와 같은 각도를 같도록, 얼굴 열영상 프레임을 보정한다. In the angle correcting step S135, the nose of each frame of the subject's face image normalized in the normalizing step S130 is corrected to be equal to the initial nose angle set in the initial nose angle setting step S115, that is, If the nose of the face image frame is judged to be skewed, the angle of the nose of the face image frame is the same as the angle of the initial nose angle, And corrects the face image frame.

즉, 각도 보정단계(S135)는, 열영상 수신단계(S10)로부터 읽어들여지고 정규화 단계(S130)에서 정규화가 행하여진, 연속된 얼굴 열영상의 프레임들을, 초기 코 각도에 의해, 첫 번째 얼굴 열영상 프레임에서 코의 위치가 기설정된 소정 위치에 맞추어 지도록 열영상을 위치시킨다. That is, the angle correcting step S135 is a step of correcting the frames of the continuous face image, which are read from the thermal image receiving step S10 and normalized in the normalizing step S130, The thermal image is positioned so that the position of the nose in the image frame is adjusted to a predetermined position.

1차 특징 추출 단계(S150)로, 정규화 단계(S130)에서 정규화되고 각도 보정단계(S135)에서 각도가 보정된, 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임에서 추적(Tracking)에 사용될 제1눈과 제2눈과 코의 트랙킹 포인트를 추출하고, 이 3개의 트랙킹 포인트를 이용하여(또는 코의 트랙킹 포인트를 이용하여), 관심영역(코 부분 또는 비강이 있는 부분, 또는 코 밑 부분)의 후보(도 4c의 파랑색 사각형 부분)를 설정하고, 상기 관심영역의 후보에서의 특징점(feature)(도 4c의 초록색의 "+" 부분)을 추출하고(S153), 연이은 전 프레임에서 상기 특징점과 대응되는 특징점(의 좌표)을 찾고(S154), 추출된 특징점(의 좌표)과, 연이은 전 프레임에서 상기 특징점과 대응된 특징점(의 좌표)과의 이동 거리(이동정도)를 행렬(Transform Matrix)로 나타내고(S155), 추출된 행렬에 따라, 현재 프레임의 영상(즉, 각도 보정단계(S135)에서 출력된 피검자 얼굴 열영상)을 휘도록(warp하도록) 보정하고(S156), 관심영역(ROI)(도 4c의 빨강색 사각형 부분)을 구한다. In the first feature extraction step S150, the first eye and the second eye to be used for tracking in each frame of the subject's face thermal image, which is normalized in the normalization step S130 and the angle is corrected in the angle correction step S135, The eye and nose tracking points are extracted and candidates of the region of interest (the nose portion or the nasal cavity or the nose portion) using the three tracking points (or using the tracking points of the nose) 4C) (S153), and a feature point (a blue square portion of a blue color) of the region of interest The coordinates of the extracted feature points and the movement distance of the feature points corresponding to the feature points in the previous frame are represented by a matrix (Transform Matrix) (S155) ), The image of the current frame ( (The subject's face thermal image output from the angle correction step S135) (warp) (S156), and obtains the ROI (red square portion in FIG.

본 발명에서, 추적(tracking)은 기본적으로 얼굴 열영상 중에 코 부위를 추적하며, 경우에 따라서 환자의 움직임에 의해서 코를 추적하기 어려운 상황이 있는 데, 이때 코의 위치를 추정(estimation) 하기 위하여 양 두 눈의 위치도 같이 추적한다. 즉, 코의 위치를 파악할 수 없을 때 두 눈의 정보를 이용하여 코의 위치를 추정(estimation) 하게 된다. In the present invention, tracking is basically tracking the nose portion in the facial image, and in some cases, it is difficult to track the nose by the movement of the patient. In order to estimate the position of the nose, The position of both eyes is also tracked. That is, when the position of the nose can not be grasped, the position of the nose is estimated using the information of the two eyes.

코를 추적하기 어려운 상황이란, KLT 가 스스로 관심영역을 지정하지 못하거나, 원하는 부분을 지정하지 못하였을 때를 말하며, 이러한 경우는, 첫번째로, 코가 화면밖으로 나갔을 때 ( Tracking 지점 범위 밖으로 나감), 두번째로, 얼굴 위에 손 및 다른 물체가 지나갔을 때 ( 코의 Feature를 찾을 수 없음, 및 코의 평균 온도 및 편차 같은 온도 대역의 변화), 세번째로, 전면의 각도가 바뀌어 위치를 확인할 수 없을 때 ( 코의 Feature를 찾을 수 없음) 등이다. 이러한 경우에 예측방법으로써, 두 눈의 위치는 변화하는 것이 아니므로, 두눈의 이동 궤적의 평균으로 코의 위치를 추측한다.A situation where it is difficult to track the nose is when the KLT can not designate the area of interest itself or specify a desired area. In this case, first, when the nose is out of the screen (out of the range of the tracking point) , Secondly, when hand and other objects pass over the face (no feature of the nose is found, and the temperature range of the nose changes, such as the average temperature and the deviation of the nose). Third, when the angle of the front face changes, (No feature found in the nose). In this case, as the prediction method, since the positions of the two eyes are not changed, the position of the nose is estimated as an average of the movement trajectories of the two eyes.

본 발명에서 트랙킹 포인트인, 피검자의 2개의 눈(즉, 제1눈과 제2눈)과 코의 각각에 대해 개별 추적(Tracking)을 진행하고 이에 따라 관심영역이 설정되게 된다.In the present invention, tracking tracking is performed for each of the two eyes (i.e., the first eye and the second eye) and the nose of the subject, which are tracking points, and the ROI is set accordingly.

KLT는 이미지 도메인에서 관심영역을 설정하고, 관심영역 내부에서 이미지의 특징점을 추출한다. 특징점의 정보를 가지고 다음 프레임에서 특징점들이 어떻게 변화하였는지를 계산하여 Transform matrix를 구하게 된다. 이를 이용하여, 같은 관심영역을 포함하는 여러장의 slice 들을 얻을 수 있다. 여기서, 특징 추출은 기본적으로 최소 고유치(mininum eigen feature, minimum eigenvalue) 알고리즘(방법)을 사용하거나, 다른 여러 가지 특징 추출(feature extraction) 방법이 사용될 수 있다. KLT sets the region of interest in the image domain and extracts the feature points of the image within the region of interest. The Transform matrix is obtained by calculating how the feature points change in the next frame with the feature point information. Using this, we can obtain several slices containing the same region of interest. Here, feature extraction can be basically performed using a mininum eigen feature (minimum eigenvalue) algorithm (method), or various other feature extraction methods can be used.

1차 평균온도 및 편차 연산단계(S155)로, 1차 특징 추출 단계(S150)에서 구한 각 프레임의 관심영역 내의 온도를 평균하여 '프레임별의 관심영역 평균온도'로서 구하고, 현재 프레임까지의 관심영역 평균 온도를 평균하여 '총 프레임의 관심영역 평균온도'를 구하고, 각 프레임의 관심영역 내의 온도들의 표준편차(즉, 프레임별의 관심영역내의 온도들이 프레임별의 관심영역 평균온도로부터 얼마나 떨어져 있는지를 구함)를 '프레임별의 관심영역 온도 편차'로서 구하고, 또한, 현재 프레임의 관심영역 내의 각 특징별의 온도를, 전 프레임들의 해당 특징의 온도들과 평균하여, 각 특징별 평균온도로서 구하고, 프레임별의 각 특징별의 현재의 온도와 각 특징별의 평균온도의 차의 절대치인 프레임별의 특징별 온도 편차를 구한다.In the first average temperature and deviation calculation step S155, the temperatures in the ROIs of the respective frames obtained in the first feature extraction step S150 are averaged to obtain 'ROIs of interest per frame' The average temperature of the region is averaged to obtain the 'average temperature of the region of interest of the total frame', and the standard deviation of the temperatures within the region of interest of each frame (i.e., how far the temperatures in the region of interest per frame are separated from the average region of interest per frame The temperature of each feature within the region of interest of the current frame is averaged with the temperatures of the corresponding feature of the previous frames to obtain an average temperature for each feature , The temperature deviation of each feature of each frame, which is the absolute value of the difference between the current temperature of each feature of each frame and the average temperature of each feature, is obtained.

즉, 평균온도 및 편차 연산단계(S155)에서는 프레임별의 관심영역 평균온도, 프레임별의 관심영역 온도 편차, 총 프레임의 관심영역 평균온도, 각 특징별 평균온도, 특징별 편차를 구하며, 경우에 따라서는 이들 중 일부(예로, 각 특징별 평균온도, 특징별 편차, 총 프레임의 관심영역 평균온도)는 생략할 수 있다.That is, in the average temperature and deviation calculation step S155, the average temperature of the ROI for each frame, the ROI of the ROI for each frame, the ROI average temperature, the average temperature for each feature, Accordingly, some of them (for example, the average temperature of each feature, the deviation by feature, and the average temperature of the region of interest of the total frame) may be omitted.

1차 편차 기준치 초과여부 판단단계(S160)로, 평균온도 및 편차 연산단계(S130)에서 구한 관심영역 편차를 편차 기준치와 비교하여, 상기 관심영역 편차가 편차 기준치보다 큰지를 판단하며, 만약 관심영역 편차가 편차 기준치보다 크다면, 특징들을 잘못 검출한 것으로, 해당 관심영역 내의 특징들을 제거하고(S166), 트랙킹 포인트 재검출 단계(S167)로 간다. In step S160 of determining whether or not the first deviation reference value is exceeded, it is determined whether the region of interest difference is larger than the deviation reference value by comparing the region of interest difference calculated in the average temperature and deviation calculation step S130 with a deviation reference value. If the deviation is larger than the deviation reference value, it is determined that the features are erroneously detected, the features in the RO are removed (S166), and the tracking point re-detection step S167 is performed.

여기서 편차 기준치는, 초기 설정단계에서 사용자에 의해 설정되어 저장된 값이거나, 공장출하시 저장된 값일 수 있으며, 인간의 체온변화 한계값 또는 그 보다 큰 값일 수 있다.Here, the deviation reference value may be a value set or stored by the user in the initial setting step, a value stored at the time of shipment from the factory, or a human body temperature change limit value or larger value.

도 16에서, 가로축(x 축)은 시간에 따른 각 프레임을 나타내며, 붉은색의 선이 프레임별의 관심영역 평균온도이고, 파란색의 선은 프레임별의 관심영역 평균온도와 프레임별의 관심영역 온도 편차를 합한 것을 나타내며, 초록색의 선은 프레임별의 관심영역 평균온도에서 프레임별의 관심영역 온도 편차를 뺀 것을 나타내는 그래프이다. 즉, 같은 얼굴부위를 정상적으로 트랙킹(추적) 하고 있다면 ( 호흡으로 인한 온도의 변화는 매우작고 평균을 취하게 되면 영향이 작아지므로) 평균과 편차가 유지되거나, 변하더라도 급격하게 변화하지 않는다. 그러나 오염된 부분이 들어오게되면 온도의 평균과 편차는 급격하게 변화한다. 그러므로, 도 16의 프레임 6~7에서 변화의 경우, 관심영역이 잘못되었다고 판별된다. 즉, 관심영역이 코가 아닌 부분이라고 판별된다.In FIG. 16, the horizontal axis (x axis) represents each frame with time, the red line is the average temperature of the interest region per frame, the blue line indicates the average temperature of the region of interest per frame, And the green line is a graph showing that the average temperature of the region of interest for each frame minus the region-of-interest temperature deviation for each frame. In other words, if you are tracking (tracking) the same face part normally (the change in temperature due to respiration is very small and the effect is less if you take the average), the mean and deviation are maintained or do not change suddenly even if they change. However, when contaminated parts come in, the average and deviation of the temperature changes rapidly. Therefore, in the case of a change in frames 6-7 in Fig. 16, it is determined that the region of interest is erroneous. That is, it is determined that the region of interest is a non-nose portion.

특징수 기준치 미만여부 판단단계(S165)로, 1차 편차 기준치 초과여부 판단단계(S160) 후, 관심영역 내에서 구하여진 특징점의 수를 기 설정된 특징수 기준치와 비교하여, 특징점의 수가 특징수 기준치보다 작다면, 특징점들을 잘못 검출한 것으로, 해당 관심영역 내의 특징들을 제거하고(S166), 트랙킹 포인트 재검출 단계(S167)로 간다. In step S165, it is determined whether the number of feature points is less than a predetermined reference value. If the number of feature points is less than the reference value, If the feature point is smaller than the reference point, the feature points are erroneously detected, the features in the region of interest are removed (S166), and the tracking point re-detection step S167 is performed.

해당 관심영역 내의 특징들을 제거할때(S166)에는 현재 프레임에 대해 구하여진, 관심영역 온도, 관심영역 평균온도, 각 특징별 평균온도, 특징별 편차들도 제거한다.When the features in the RO are removed (S166), the ROI, the ROI, the average temperature, and the feature deviations for the current frame are also removed.

1차 편차 기준치 초과여부 판단단계(S160)에서 관심영역 편차가 편차 기준치보다 크다면, 또는 특징수 기준치 미만여부 판단단계(S165)에서 특징의 수가 특징수 기준치보다 작다면, 이는 코 관련 트랙킹 포인트들을 잘못 구한 것으로, 이로 인해 관심영역이 잘못 구하여진 것으로 판단한다.If the number of features is smaller than the feature number reference value in the step S165 of determining whether or not the primary deviation reference value is exceeded in the step S160 of determining whether the region of interest difference is larger than the deviation reference value or whether or not the feature number reference value is smaller, It is judged that the area of interest is wrongly obtained by this.

트랙킹 포인트 재검출 단계(S167)로, 1차 편차 기준치 초과여부 판단단계(S160)에서 관심영역 편차가 편차 기준치보다 크다면, 또는 특징수 기준치 미만여부 판단단계(S165)에서 특징점의 수가 특징수 기준치보다 작다면, 코의 트랙킹 포인트들을 잘못 구한 것으로, 나머지 2개의 트랙킹 포인트(즉, 2개의 눈 트랙킹포인트)에 대해서, 현재의 프레임에 연이은 전의 프레임의 나머지 2개의 트랙킹 포인트(즉, 2개의 눈 트랙킹포인트) 각각의 위치로부터, 현재의 프레임의 트랙킹 포인트(즉, 2개의 눈 트랙킹포인트) 각각의 위치까지 움직인 거리인, 트랙킹 포인트 이동거리를 구하고, 2개의 트랙킹 포인트 이동거리의 평균인, 트랙킹 포인트 이동거리 평균을 구하고, 전의 프레임의 코의 트랙킹 포인트와, 트랙킹 포인트 이동거리 평균을 이용하여 수정된 코의 트랙킹 포인트를 다시 구한다. 즉, 수정된 코의 트랙킹 포인트는 전의 프레임의 코의 트랙킹 포인트가, 트랙킹 포인트 이동거리 평균만큼 이동한 것으로 하여 코의 트랙킹 포인트를 구한다.If it is determined in step S167 that the primary deviation reference value has exceeded the deviation reference value in step S160 or if the number of feature points in the determination step S165 is less than the feature number reference value (I.e., two eye tracking points), the remaining two tracking points of the previous frame subsequent to the current frame (i.e., the two eye tracking tracking points) (I.e., two eye tracking points) of the current frame from the respective positions of the two tracking points, and obtains the tracking point movement distance, which is the average of the two tracking point movement distances, The moving distance average is obtained, and the track of the nose of the previous frame and the track of the corrected nose Calculate the points again. That is, the tracking point of the modified nose is determined as the tracking point of the nose of the previous frame is shifted by the average of the movement distance of the tracking point, and the tracking point of the nose is obtained.

여기서, 트랙킹 포인트 이동거리는, 현재의 프레임과 연이은 전의 프레임의 트랙킹 포인트의 위치로부터. 현재의 프레임의 해당 트랙킹 포인트의 위치까지의 거리를 말한다. Here, the tracking point movement distance is from the position of the tracking point of the previous frame following the current frame. The distance to the position of the corresponding tracking point of the current frame.

2차 특징 추출 단계(S170)로, 트랙킹 포인트 재검출 단계(S167)에서 구하여진 수정된 코의 트랙킹 포인트와, 2개의 눈의 트랙킹 포인트를 이용하여(또는 수정된 코의 트랙킹 포인트를 이용하여), 관심영역을 구하고, 상기 관심영역내의 특징을 추출한다. In the second feature extraction step (S170), the corrected tracking point of the nose and the tracking point of the two eyes (or using the modified tracking point of the nose) obtained in the tracking point re-detection step (S167) , A region of interest is sought, and features within the region of interest are extracted.

2차 평균온도 및 편차 연산단계(S175)로 2차 특징 추출 단계(S170)에서 구한 현재 프레임의 관심영역 내의 온도를 평균하여 '프레임별의 관심영역 평균온도'로서 구하고, 현재 프레임까지의 관심영역 온도를 평균하여 '총 프레임의 관심영역 평균온도'를 구하고, 현재 프레임의 관심영역 내의 온도들의 표준편차(즉, 프레임별의 관심영역내의 온도들이 프레임별의 관심영역 평균온도로부터 얼마나 떨어져 있는지를 구함)를 '프레임별의 관심영역 온도 편차'로서 구하고, 또한, 현재 프레임의 관심영역 내의 각 특징별의 온도를, 전 프레임들의 해당 특징의 온도들과 평균하여, 각 특징별 평균온도로서 구하고, 프레임별의 각 특징별의 현재의 온도와 각 특징별의 평균온도의 차의 절대치인 프레임별의 특징별 온도 편차를 구한다.The temperature in the ROI of the current frame obtained in the second feature extraction step S170 is calculated as a 'ROI of interest per frame' in the second average temperature and deviation calculation step S175, The temperature is averaged to obtain the 'average temperature of the region of interest of the total frame', and the standard deviation of the temperatures within the region of interest of the current frame (i.e., how far the temperatures in the region of interest per frame are separated from the average temperature of the regions of interest per frame Is obtained as an average temperature of each feature, and the temperature of each feature in the region of interest of the current frame is averaged with the temperatures of the corresponding feature of the previous frames, The temperature deviation of each feature of each frame, which is the absolute value of the difference between the present temperature of each feature of the star and the average temperature of each feature, is obtained.

2차 편차 기준치 초과여부 판단단계(S180)로, 2차 평균온도 및 편차 연산단계(S175)에서 구한 관심영역 온도 편차를 편차 기준치와 비교하여, 상기 관심영역 편차가 편차 기준치보다 큰지를 판단하며, 만약 상기 관심영역 온도 편차가 편차 기준치보다 크다면, 특징들을 잘못 검출한 것으로, 더 이상의 추적(트랙킹)이 불가능하므로 이로써 트랙킹을 종료한다.In step S180, it is determined whether the region of interest difference is greater than the deviation reference value by comparing the region of interest temperature difference calculated in the secondary average temperature and deviation calculation step S175 with a deviation reference value. If the region of interest temperature difference is larger than the deviation reference value, the tracking is terminated because no further tracking (tracking) is possible because the features are detected incorrectly.

여기서 상기 관심영역 온도 편차가 편차 기준치보다 작거나 같다면, 현재 프레임에서 검출된 관심영역 온도가, 관심영역 평균온도와 편차 기준치 사이에 존재하게 되면, 제대로 특징들이 검출된 것으로, 추적(트랙킹)이 불가능한 요소가 사라졌다고 할 수 있다. If the region of interest temperature difference is less than or equal to the deviation reference value, if the region of interest detected in the current frame exists between the average region of interest and the deviation reference value, The impossible element has disappeared.

추적 종료여부 판단단계(S185)로, 종료 스위치가 눌러짐에 따라 종료 플레그가 세트되거나, 또는, 현재 얼굴 열영상 프레임이, 초기에 설정된 소정 시간간격의 마지막 얼굴 열영상 프레임에 해당한다면, 추적을 종료하며, 그렇지 않다면, 열영상 로드 단계(S120)로 가서 다음 프레임의 얼굴 열영상을 수신한다.If it is determined in step S185 that the end flag is set as the end switch is pressed or if the current face image frame corresponds to the last face image frame in the initially set predetermined time interval, Otherwise, the process goes to the step of loading the thermal image (S120) and receives the face image of the next frame.

1차 특징 추출 단계(S150), 트랙킹 포인트 재검출 단계(S167), 2차 특징 추출 단계(S170)에 있어서, 추적(Tracking) 에 필요한 트랙킹 포인트와 특징(Feature)을 선정(추출)할 때에, 재현성, 개수, 위치 및 스케일 불변성이 높은 트랙킹 포인트, 특징(feature)을 선정(추출)하는 것이 바람직하다. 이는 KLT 트랙킹(tracking)을 하려는 위치에서 mineigen, Harris, SURF, BRISK, MSER, FAST 등 여러 가지 방법으로 트랙킹 포인트, 특징(feature)을 선정(추출)할 수 있다. 추출된 트랙킹 포인트, 특징(feature) 들을 그 다음 프레임에서 추출된 트랙킹 포인트, 특징(feature)과 비교하여, 프레임사이에 변경된 부분과 그 정도를 계산한다. 이때, 대상자의 상태에 따라, 변할 수 있는 최대값을 지정할 수 있으며, 허용 오차를 설정할 수 있다. 더 큰 변화검출을 위해 이미지 피라미드(Image Pyramid)를 사용하며, 양방향 에러(Bidirectional Error)를 검증하여 특징(feature)이 사라졌을 때 나타날 오차율을 낮춘다. 이렇게 계산된 결과를 이용하여, Transform matrix를 추출하고, 추출된 matrix를 사용하여 얼굴열영상(Image)를 warp 시킨 후, 해당 관심영역(ROI)을 추출한다.When extracting (extracting) tracking points and features necessary for tracking in the primary feature extraction step S150, the tracking point re-detection step S167, and the secondary feature extraction step S170, It is desirable to select (extract) tracking points and features with high reproducibility, number, position, and scale invariance. It is possible to select (extract) tracking points and features by various methods such as mineigen, Harris, SURF, BRISK, MSER, FAST and the like at a position where KLT tracking is to be performed. The extracted tracking points, features are compared with tracking points, features extracted from the next frame, and the changed portions and the degree of the differences between the frames are calculated. At this time, the maximum value that can be changed can be specified according to the state of the subject, and the tolerance can be set. The image pyramid is used for larger change detection, and the bidirectional error is verified to lower the error rate that appears when the feature disappears. Using the calculated result, the transform matrix is extracted, and the image of the face is warped using the extracted matrix, and the ROI of interest is extracted.

본 발명에서, KLT 특징 추적 알고리즘을 통해 열화상 카메라(100)로부터 수신된 피검자 얼굴 열영상을 정규화하고 보정하고, 정규화되고 보정된 영상의 각 프레임별로 관심영역이 하나씩 얻어지게 되며, 이에 대응하여, 정규화되지 않은, 열화상 카메라(100)로부터 수신된 원래의 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임에서도 관심영역이 구하여지게 되며, 메모리부(220)에 저장되게 된다.In the present invention, the subject's face thermal image received from the thermal imaging camera 100 is normalized and corrected through the KLT feature tracking algorithm, and one region of interest is obtained for each frame of the normalized and corrected image, In the frame of the original subject face image received from the thermal imaging camera 100, which is not normalized, the region of interest is obtained and stored in the memory unit 220.

다음은 연산처리부(210)에서 행하여지는 호흡신호 추출단계(S200)에 대해서 설명한다.Next, the respiration signal extraction step (S200) performed in the arithmetic processing unit 210 will be described.

호흡신호 추출단계(S200)는 열화상 카메라(100)로부터 수신된 원래의 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임별로 구해진 관심영역을 이용하여 행하여진다.The breathing signal extracting step S200 is performed using the region of interest obtained for each frame of the original subject's face thermal image received from the thermal imaging camera 100. [

도 5는 도 3의 호흡신호 추출단계를 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이다.5 is a flowchart schematically illustrating the respiration signal extracting step of FIG.

프레임별 온도변이 검출단계(S225)로, 호흡관련 영역 추적단계(S100)에서 구하여진 프레임별 관심영역에 이미지로 대응되는, 열영상 수신단계(S10)에서 수신된 원래의 피검자 얼굴 열영상의 프레임별 관심영역을 메모리부(220)로부터 읽어들이고, 메모리부(220)로부터 읽어들인 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임의 관심영역에서, 연이은 전 프레임의 관심영역을 차감하여, 각 프레임의 관심영역의 차영상을 구한다. 즉, 현재의 프레임의 영상의 관심영역의 온도(화소)들에서, 연이은 전 프레임의 영상의 관심영역의 해당 온도(화소)을 차감하여, 현재의 프레임의 관심영역의 온도변이로서 검출한다. In the frame-by-frame temperature variation detection step (S225), the frame of the original subject face image received in the thermal image reception step (S10) corresponding to the frame of interest per frame obtained in the breath tracking area tracking step (S100) The region of interest of interest is read from the memory unit 220 and the region of interest of the previous frame is subtracted from the region of interest of each frame of the subject's face image read from the memory unit 220, Obtain the image. That is, the temperature (pixels) of the ROI of the current frame is subtracted from the temperature (pixel) of the ROI of the image of the previous frame and detected as the temperature variation of the ROI in the current frame.

노이즈 제거단계(S220)로, 프레임별 온도변이 검출단계(S225)를 거친 각 프레임의 관심영역을 3D-DBSCAN을 이용하여 노이즈 포인트를 제거한다. 다시말해, 노이즈 제거단계(S220)는 온도변이 검출단계(S225)에서 출력된 현재의 프레임의 관심영역의 온도변이, 즉, 차영상에서, 온도 변이 부분의 밀도가 적은 부분을 노이즈로 간주하고 3D-DBSCAN을 이용하여 제거한다. DBSCAN에 대해서는 위키백과 등등에 널리 공지된 기술로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. In the noise removal step S220, the noise region is removed using the 3D-DBSCAN for the region of interest of each frame that has been subjected to the frame-by-frame temperature variation detection step S225. In other words, the noise removing step S220 regards the portion of the temperature difference of the current frame, i.e., the difference image of the temperature variation portion of the difference image, output from the temperature variation detecting step S225 as noise, - Remove with DBSCAN. DBSCAN is widely known in Wikipedia and the like, and a detailed description thereof will be omitted.

특히, 기존 DBSCAN 은 2d Image 화면상에서 밀도를 계산하여, 클러스터링을 하나, 본 발명에서는 3D-DBSCAN으로 개선시켜, 밀도를 계산할 때 2D Image 와 시간축에서도 정보를 얻어 밀도를 계산한다. 노이즈를 제거하기 위하여 DBSCAN 이란 알고리즘을 사용하였지만, 이로써 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니며, 시간 및 공간적으로 노이즈를 제거하는 방법이라면 어느 방법이라도 사용가능하다. In particular, the existing DBSCAN calculates the density on the 2d Image screen and performs clustering. In the present invention, it improves to 3D-DBSCAN, and when the density is calculated, the information is also obtained on the 2D image and the time axis to calculate the density. Although the DBSCAN algorithm is used to remove noise, the present invention is not limited to this, and any method can be used as long as it is a method of removing noise in time and space.

온도변이 기준치 비교단계(S230)로, 노이즈 제거단계(S220) 후, 각 프레임의 온도변이의 절대치가, 기설정된 온도변이 기준치와 비교하여 작거나 같은 경우에는 이를 제거하고, 온도변이 기준치보다 큰 경우만을 각 프레임의 온도변이로 저장한다. 이때, 온도변이 기준치는 카메라에 따라 주어지는 최소 온도 변화량(온도민감도, NETD)일 수 있다. 즉, 최소 온도 변화량은 카메라에 따라서 설정되는 값으로, 공장출하시 설정되거나, 사용 초기에 사용자에 의해 설정될 수 있으며, 이는 메모리부(220)에 저장되어 있다.If the absolute value of the temperature variation of each frame after the noise removal step S220 is smaller than or equal to the predetermined temperature variation reference value is removed in step S230 of comparing the temperature variation reference value, As the temperature variation of each frame. At this time, the temperature variation reference value may be a minimum temperature change amount (temperature sensitivity, NETD) given according to the camera. That is, the minimum temperature change amount is a value set according to the camera, and may be set at the time of factory shipment, or may be set by the user at the beginning of use, which is stored in the memory unit 220.

온도 변화량 연산단계(S235)로, 온도변이 기준치 비교단계(S230) 후, 저장된 각 프레임별로 온도 변이를 합산하여, 이를 프레임별 온도 변화량의 합으로써 구하고, 프레임별 온도 변화량의 합을 메모리부(220)에 순차적으로 저장한다. 만약 한 프레임이 320x240 의 레졸루션(해상도)을 갖는다면, 온도변화량의 합은

Figure pat00001
에 의해 구하여진다. 이렇게 구하여진 온도변화량의 합들을 프레임에 따라, 다시말해 시간에 따라 순차적으로 그래프상에 나타낼 수 있으며, 본 발명에서는 이를 온도 변화량 그래프라 설명의 편의상 정의한다. After the temperature variation reference value comparison step S230, the temperature variation is calculated for each stored frame by the sum of the temperature variation amounts for each frame, and the sum of the temperature variation amounts for each frame is stored in the memory 220 ). If one frame has a resolution of 320x240, then the sum of the temperature variations is
Figure pat00001
. The sums of temperature variations obtained in this manner can be displayed on the graph sequentially in accordance with the frame, that is, according to time. In the present invention, this graph is referred to as a temperature variation graph for convenience of explanation.

호흡 데이터 검출단계(S250)로, 연산처리부(210)은 온도 변화량 연산단계(S235)에서 구한 프레임별 온도 변화량 합들을 메모리부(220)로부터 프레임 순서, 즉, 시간순서에 따라 읽어들이고 프레임별 온도 변화량들을 시간에 따라(즉, t 축으로) 적분하여, 호흡 데이터(raw data)를 구한다.In the respiration data detection step S250, the arithmetic processing unit 210 reads the frame-by-frame temperature change amount sums obtained in the temperature change amount calculation step S235 from the memory unit 220 according to the frame order, The changes are integrated over time (i.e., on the t-axis) to obtain the raw data.

여기서, 읽어들이는 데이터의 갯수는, 기설정된 데이터의 갯수, 또는 기 설정된 시간간격에 의해 정해지며, 이는 고장출하시 정하여 지거나, 본 시스템의 사용초기에 사용자가 정할 수 있다.Here, the number of data to be read is determined by the number of predetermined data or a predetermined time interval, which may be set at the time of a faulty shipment, or may be set by the user at the beginning of use of the system.

즉, 온도변화량(보다 정확하게는 프레임별 온도변화량의 합)이 호흡과 비례하기 때문에, 온도 변화량을 시간에 따라(즉, t 축으로) 적분하게 되면, 호흡 파형을 얻을 수 있으며, 본 발명에서는 이를 호흡 데이터(raw data)로 한다. That is, since the temperature change amount (more precisely, the sum of the temperature change amounts per frame) is proportional to the respiration, the respiratory waveform can be obtained by integrating the temperature change amount with time (i.e., on the t axis) Let it be the raw data.

평활화 및 디트랜드 단계(S255)로, 호흡 데이터 검출단계(S260)에서 검출된 호흡 데이터(raw data)를 평활화(smoothing)를 행한 후, 디트랜드(detrend)를 행한다, Smoothing of the raw data detected in the breathing data detection step S260 is performed in the smoothing and deduction step S255 and then detrend is performed.

여기서 평활화는 이동평균필터 또는 가우시안 필터를 이용하여 행할 수 있다. 이는 명암의 분포를 재분배하여, 명암이 일정하게 되므르, 희고 검은 부분이 명확하게 드러나게 된다.The smoothing can be performed using a moving average filter or a Gaussian filter. This redistributes the distribution of light and darkness so that the light and dark areas become clearly visible.

일반적으로, 디트랜드는 데이터로부터 평균치 또는 선형트랜드를 제거하여 변동을 명확하게 들어나게 하는 방법으로, DFA(Detrended Fluctuation Analysis)등의 방법이 있으며, 컴퓨터 언어(예를들어 c언어) 등에는 "detrend"에 대한 명령어를 구비하고 있다.In general, a trend is a method of removing an average value or a linear trend from the data to clearly hear the fluctuation, and there is a method such as a Detred Fluency Analysis (DFA), and a computer language (for example, c language) &Quot; for < / RTI >

평활화 및 디트랜드 단계(S255)에서 평활화와 디트랜드를 행한 호흡 데이터들을 연속 웨이블렛 변환(Continuous Wavelet Transform, CWT)을 행하여, 주파수별 강도들을 나타내어, 즉, 주파수 도메인 상의 값들로 변환한다.In the smoothing and desarching step S255, continuous wavelet transform (CWT) is performed on the breathing data subjected to the smoothing and detouring, and the frequency-dependent intensities are represented, that is, converted into values in the frequency domain.

연속 웨이블렛 변환단계(S260)로, 평활화 및 디트랜드 단계(S270)에서 평활화와 디트랜드를 행한 호흡 데이터들을 연속 웨이블렛 변환(CWT)을 행하여,주파수별 스케일(강도, 크기)들을 나타내어, 즉, 주파수 도메인 상의 값들로 변환한다. In the continuous wavelet transform step S260, continuous wavelet transform (CWT) is performed on the breathing data subjected to the smoothing and trending in the smoothing and deduction step S270 to display frequency-dependent scales (intensity and size) To values on the domain.

호흡 주파수 검출단계(S265)로, 연속 웨이블렛 변환단계(S260)에서 연속 웨이블렛 변환을 행한 결과에서, 주파수별 스케일(강도, 크기)의 합을 구하고, 주파수별 스케일(강도, 크기)의 합이 가장 큰 주파수(즉, 최대인 주파수)를, 호흡 주파수(보다 상세히는, 호흡에 가장 관련있는 주파수)로 하며, 호흡 주파수의 각 스케일들을 호흡 신호로서 메모리부(220)에 저장한다.In the breathing frequency detection step S265, the sum of frequency-dependent scales (intensity, size) is obtained from the result of continuous wavelet transform in the continuous wavelet transform step S260, and the sum of frequency- (More specifically, the frequency most relevant to breathing), and stores each scale of the breathing frequency in the memory unit 220 as a breathing signal.

호흡 파형 출력단계(S270)로, 호흡 주파수 검출단계(S265)에서 구하여진 호흡신호를 그래프로 출력한다.In the breathing waveform output step (S270), a breathing signal obtained in the breathing frequency detection step (S265) is outputted as a graph.

다음은 연산처리부(210)에서 행하여지는 호흡량 계산단계(S300)에 대해서 설명한다. 즉, 호흡신호 추출단계(S200)의 호흡 주파수 검출단계(S265)에서 구하여진 호흡 신호를 이용하여 호흡량을 계산하는 과정을 설명한다. The following describes the breathing amount calculation step (S300) performed in the calculation processing unit 210. [ That is, a process of calculating the breathing volume using the breathing signal obtained in the breathing frequency detection step S265 of the breathing signal extraction step S200 will be described.

도 6은 도 3의 호흡량 계산단계를 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이다.FIG. 6 is a flowchart for schematically explaining the breathing amount calculation step of FIG. 3;

피크 및 밸리 검출단계(S310)로, 호흡 주파수 검출단계(S265)에서 구하여진 호흡신호를 1차 미분하여 변곡점을 구하고, 이로부터 피크(peak)와 밸리(valley)를 검출한다.In the peak and valley detection step (S310), the respiratory signal obtained in the respiratory frequency detection step (S265) is first differentiated to obtain the inflection point, and peaks and valleys are detected therefrom.

호흡수 검출단계(S320)로, 피크 및 밸리 검출단계(S310)에서 검출된 피크(peak)와 밸리(valley)들에서, 소정 시간간격 동안(1초당, 또는 1분당 또는 30초당)에, 피크와 밸리가 순차적으로 연이은 쌍의 개수, 즉, 피크에서 밸리로 바뀌는 회수를, 호흡수로서 검출한다.In the respiratory rate detection step S320, in the peaks and valleys detected in the peak and valley detection step S310, during a predetermined time interval (per second, or per minute or 30 seconds) And the number of pairs in which the valley sequentially changes, that is, the number of times the peak changes to the valley, is detected as the breathing number.

호흡량 검출단계(S330)로, 호흡 주파수 검출단계(S265)에서 구하여진 호흡신호에서, 호흡 주기를 검출하고, 각 호흡주기의 호흡신호를, 연이은 전 호흡주기의 호흡신호에서 차감하여 각 호흡주기별 변화량을 구하고, 각 호흡주기별 변화량을 시간에 따라 합산하여 호흡량을 구한다.In the respiration detection step S330, the respiration cycle is detected in the respiration signal obtained in the respiration frequency detection step S265, and the respiration signal of each respiration cycle is subtracted from the respiration signal of the succeeding respiration cycle, The amount of change is calculated, and the amount of change by each respiratory cycle is added up with time to obtain the amount of respiration.

여기서 호흡량 검출단계(S330)는 상술한 호흡량 검출방법 중 두번째 방법이며, 이는 상술한 호흡량 검출방법 중 첫번째 방법으로도 행하여 질 수 있다.Here, the volume detection step S330 is the second method of the above-described volume detection method, which may be the first of the above-described volume detection methods.

도 7은 도 5에서 호흡신호 추출단계(S200)에서 특징별 온도변이 검출단계(S225)와 온도변이 기준치 비교단계(S230)를 실행한 결과의 일예이다. 즉, 도 7은 도 5의 호흡신호 추출단계(S200) 온도 변화량 연산단계(S235)의 전단계의 출력의 일예이다.FIG. 7 is an example of a result of performing the feature-based temperature variation detection step S225 and the temperature variation reference value comparison step S230 in the breathing signal extraction step S200 in FIG. That is, FIG. 7 shows an example of the output of the previous stage of the temperature change calculation step S235 of the breathing signal extraction step S200 of FIG.

도 7의 (a)는 현재 프레임(t1)과 연이은 전 프레임(t0)의 열 영상이고, 도 7의 (b)는 현재 프레임(t1)의 열 영상이고, 도 7의 (c)는 현재 프레임(t1)과 연이은 전 프레임(t0)의 열 영상에 대한 차영상 이다. 7 (a) is a column image of the previous frame t0 subsequent to the current frame t1, FIG. 7 (b) is a column image of the current frame t1, (t1) and the difference between the thermal image of the previous frame (t0) and the thermal image of the previous frame (t0).

도 7의 (d)는, 현재 프레임(t1)과 연이은 전 프레임(t0)의 열 영상에 대한 차영상의 절대치를, 온도변이 기준치와 비교하여, 작거나 같은 경우에는 제거한 경우이다. 이때 온도변이 기준치를 0,05로 할 수 있다.FIG. 7D shows a case where the absolute value of the difference image with respect to the thermal image of the previous frame t0 subsequent to the current frame t1 is compared with the temperature variation reference value and removed when the difference is smaller or equal. At this time, the temperature variation reference value can be set to 0, 05.

도 7의 (e)는 도 7의 (d)의 열영상에서 위치정보를 나타낸 것이다.7 (e) shows positional information in the column image of (d) in Fig.

도 8은 호흡신호 추출단계(S200)의 노이즈 제거단계(S220)에서 3D-DBSCAN을 이용하여 노이즈를 제거한 결과의 일예이다.8 is an example of a result of removing noise using the 3D-DBSCAN in the noise removing step S220 of the breathing signal extracting step S200.

본 발명에서 노이즈를 제거하기 위하여 DBSCAN 이란 알고리즘을 사용하였지만, 이로써 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니며, 시간-공간적으로 노이즈를 제거하는 어떠한 알고리즘이라도 사용 가능하다. 또한, 여러 가지 클러스터링 방법 중 DBSCAN 은 arbitrary shape를 표현 할 수 있으므로 K-means, K-medoids 클러스터링 보다 다양한 형태의 클러스터링을 잘할 수 있다. 도 8에서 검정색이 노이즈로 판단된 포인트이고, 붉은색이 클러스터링 된 포인트이다.Although the DBSCAN algorithm is used to remove noise in the present invention, the present invention is not limited to this, and any algorithm that removes noise in a time-space manner can be used. In addition, DBSCAN can express arbitrary shape among various clustering methods, so clustering can be done more variously than K-means and K-medoid clustering. In FIG. 8, black is a point determined as noise, and red is a clustered point.

일반적으로 DBSCAN 이란, 점들이 찍힌 밀도에 의해서 클러스터링을 하게 되고, 즉 온도의 변화량이 없는 곳에서는 클러스터링이 적고, 온도의 변화량이 있는 곳에서는 클러스터링이 잘 되어진다. 이러한 클러스터링 과정 중에서, 클러스터링 조건이 3차원적으로 동일 시간 내 밀도와, 시간축으로의 밀도를 함께 고려 하여 노이즈를 제거한다. In general, DBSCAN is clustering based on the density of dots, that is, clustering is performed in a place where there is no change in temperature, and in a place where there is a change in temperature. In this clustering process, the clustering conditions are removed three-dimensionally by considering the density within the same time and the density along the time axis.

도 9는 온도 변화량 연산단계(S235)의 결과의 일예이다.9 is an example of the result of the temperature change amount calculation step (S235).

도 9의 (a)는 특징별 온도변이 검출단계(S225)의 결과로 하나의 프레임의 온도변이를 나타낸다. FIG. 9A shows the temperature variation of one frame as a result of the characteristic temperature shift detection step (S225).

도 9의 (b)는 온도 변화량 연산단계(S235)의 결과로, 각 프레임들에 따른 온도 변화량을 그래프로 나타낸 것이다. 도 9의 (b)에서, x축은 시간에 따른 프레임들을 나타내는 것으로, 결과적으로 시간을 나타낸다고 할 수 있으며, y축은 온도 변화량의 크기를 나타낸다.FIG. 9B is a graph showing the temperature change amount according to each frame as a result of the temperature change amount calculation step (S235). In FIG. 9 (b), the x-axis represents frames according to time, which can be said to represent time, and the y-axis represents the magnitude of the temperature variation.

도 10은 호흡 데이터 검출단계(S250)의 결과의 일예이다.10 is an example of a result of the respiration data detection step (S250).

도 10의 (a)는 온도 변화량 연산단계(S235)의 결과의 일예로, 프레임별 온도 변화량을 그래프로 나타낸 것이고, 도 10의 (b)는 호흡 데이터 검출단계(S250)의 결과의 일예로, 도 10의 (a)의 프레임별 온도 변화량들을 시간에 따라(즉, t 축으로) 적분하여, 호흡 데이터(raw data)를 구한 일예이다.10A is a graph showing the amount of temperature change per frame and FIG. 10B is an example of a result of the respiration data detection step S250, which is an example of the result of the temperature change amount calculation step S235. 10A is an example of obtaining the raw data by integrating the frame-by-frame temperature change amounts with time (i.e., along the t axis).

도 10의 (a)에서, x축은 시간에 따른 프레임들을 나타내는 것으로, 결과적으로 시간을 나타낸다고 할 수 있으며, y축은 온도 변화량의 크기를 나타낸다. 또한, 도 10의 (b)에서, x축은 시간에 따른 프레임, 즉 시간을 나타내며, y축은 온도 변화량의 적분값을 나타낸다.In FIG. 10 (a), the x-axis represents frames according to time, which can be regarded as a result, and the y-axis represents the magnitude of the temperature change amount. 10 (b), the x-axis represents a time-dependent frame, that is, time, and the y-axis represents an integrated value of the temperature change amount.

도 11은 연속 웨이블렛 변환단계(S260)의 결과의 일예이다.11 is an example of the result of the continuous wavelet transform step S260.

도 11의 (b)는 호흡 데이터 검출단계(S250)의 결과의 일예로, 프레임별 온도 변화량들을 시간에 따라(즉, t 축으로) 적분하여 구하여진 호흡 데이터(raw data)의 일예이다.11B is an example of the result of the respiration data detection step S250, which is an example of raw data obtained by integrating the frame-by-frame temperature variation amounts over time (i.e., on the t axis).

도 11의 (a)는, 도 11의 (b)의 호흡 데이터를 연속 웨이블렛 변환(CWT)을 행하여, 주파수별 강도들을 나타낸 것이다.11 (a) shows the frequency-dependent intensities by performing continuous wavelet transform (CWT) on the respiration data of Fig. 11 (b).

도 12는 호흡 주파수 검출단계(S265)를 설명하기 위한 도면이다.12 is a diagram for explaining the breathing frequency detection step (S265).

도 12는 연속 웨이블렛 변환단계(S260)에서 연속 웨이블렛 변환을 행한 결과를 나타내며, 그 중 주파수별 강도 합이 가장 큰 주파수 대역(도 12에서는 화살표를 가진 실선으로 나타냄)을, 호흡 주파수 대역으로 검출한다. 즉, 호흡 주파수 검출단계(S265)에서는 모든 프레임을 이용하여 강도의 합이 최대가 되는 스케일 대역을 추출하며 이는 호흡에 관련있는(dominant한) 주파수 추출한 것이 된다.12 shows a result of performing continuous wavelet transform in the continuous wavelet transform step S260, and a frequency band (represented by a solid line with an arrow in Fig. 12) having the largest sum of intensities of frequencies is detected as a respiration frequency band . That is, in the breathing frequency detection step (S265), a scale band that maximizes the sum of the intensities is extracted using all the frames, which is a frequency-related (resp.

도 13은 피크 및 밸리 검출단계(S310)의 결과의 일예이다.13 is an example of the result of the peak and valley detection step S310.

도 13의 (a)는 호흡 주파수 검출단계(S265)의 결과의 일예이다.Fig. 13A is an example of the result of the breathing frequency detection step S265.

도 13의 (b)는, 도 13의 (a)의 호흡신호로부터 피크(peak)와 밸리(valley)를 검출한 결과의 일 예이다. 도 13의 (b)에서 피크가 있는 부분은 붉은 색으로 표시하고, 밸리(valley)가 있는 부분은 파랑색으로 표시하였다.FIG. 13B is an example of a result of detecting a peak and a valley from the respiration signal of FIG. 13A. In FIG. 13 (b), the peak portion is indicated by red color, and the valley portion is indicated by blue color.

도 14는 열영상 로드 및 각도 보정단계(S120)에서 각도를 보정하는 것을 나타낸다.14 shows correction of the angle in the thermal image load and angle correction step S120.

도 14의 (a)는 초기 코 각도 설정단계(S115)에서 사용자가 지정한 코의 각도를 나타낸다,14 (a) shows the angle of the nose designated by the user in the initial angle setting step S115,

도 14의 (b)는 각도 보정단계(S135)에서 도 14의 (a)의 초기 코 각도와 같도록 정규화 단계(S130)의 출력을 보정을 행하는 것을 나타낸다.Fig. 14B shows that the output of the normalization step S130 is corrected so as to be equal to the initial nose angle in Fig. 14A in the angle correction step S135.

도 14의 (c)는 도 14의 (b)와 같이 코 각도를 보정하여 관심영역을 검출하고, 검출된 관심영역에 대응한, 열 영상 수신단계에서 입력된 원래의 열 영상의 프레임에서의 관심영역을 출력한 것을 나타낸다.FIG. 14C is a diagram showing a state in which the eye region of interest is corrected by correcting the angle of the nose as shown in FIG. 14B, and the interest in the frame of the original column image input in the column image receiving step corresponding to the detected region of interest Area is output.

도 15는 1차 특징 추출 단계(S150)에서 특징을 추출한 일예를 나타낸다. 즉, 관심영역, 즉, 코 부분(또는 비강이 있는 부분, 또는 코 밑 부분)에서의 추적에 사용될 다수의 특징(feature)을 추출한다. FIG. 15 shows an example of extracting features in the primary feature extraction step (S150). That is, a plurality of features to be used for tracking in the region of interest, that is, the nose portion (or nasal portion, or nose portion) is extracted.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, Modification is possible. Accordingly, it is intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto, and that all equivalent or equivalent variations thereof fall within the scope of the present invention.

50 : 피검자 100 : 열화상 카메라
200 : 영상 분석부 210 : 연산 처리부
220 : 메모리부 230 : 출력부
250 : 키입력부
50: Subject 100: Thermal imaging camera
200: Image analysis unit 210: Operation processing unit
220: memory unit 230: output unit
250: key input unit

Claims (19)

열화상카메라로부터 수신하여 각 화소가 온도를 나타내는, 얼굴의 열영상의 프레임에서, 연산처리부는, 코와 2개의 눈을 트랙킹포인트로 하여, KLT 특징 추적기를 이용하여, 코 부분의 관심영역을 검출하는, 호흡관련 영역 추적단계;
호흡관련 영역 추적단계 후, 연산처리부는, 열화상카메라로부터 수신한 얼굴의 열영상에서, 각 프레임의 관심영역의 영상을, 연이은 전 프레임의 관심영역의 영상을 차감한 차영상을 구하되, 상기 차영상의 각 화소의 값을, 온도변이의 값으로하며, 프레임별로 온도변이 값을 합산하여 프레임별 온도변화량의 합으로서 메모리부에 순차적으로 저장하고, 기 설정된 시간동안에 저장된 모든 프레임의 프레임별 온도변화량의 합을 메모리부로부터 읽어들여 시간에 따라 적분하여 호흡관련 데이터로 하고, 호흡관련 데이터에 연속 웨이블렛 변환을 적용하여 호흡신호를 검출하는, 호흡신호 추출단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 방법.
In the frame of the thermal image of the face received from the thermal imaging camera and representing the temperature of each pixel, the calculation processing unit detects the region of interest of the nose portion by using the nose and two eyes as tracking points and using the KLT feature tracker Respiratory-related area tracking step;
After the respiration-related area tracking step, the arithmetic processing unit obtains a difference image obtained by subtracting the image of the ROI of the previous frame from the image of the ROI of each frame in the thermal image of the face received from the thermal imaging camera, The value of each pixel of the difference image is set as the value of the temperature variation, the temperature variation values for each frame are added up, and are sequentially stored in the memory as the sum of the temperature variation for each frame. A respiration signal extraction step of reading the sum of the change amounts from the memory unit and integrating them according to time to obtain respiration-related data, and applying a continuous wavelet transform to the respiration-related data;
Wherein the breathing method comprises the steps of:
제1항에 있어서,
호흡신호 추출단계 후, 연산처리부는, 상기 호흡신호에서 피크와 밸리를 검출하고 검출된 피크와 밸리를 이용하여 호흡수 및 호흡량을 검출하는, 호흡수 및 호흡량 검출단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 방법.
The method according to claim 1,
A breathing and breathing volume detecting step of detecting a peak and a valley in the respiration signal and detecting a breathing volume and a breathing volume using the detected peak and valley;
Further comprising the steps of: measuring a breathing rate of the subject;
제2항에 있어서, 호흡관련 영역 추적단계는,
연산처리부가, 열화상카메라로부터 수신된 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임 내에서, 최소온도값과 최대온도값을 구하고, 각 프레임의 각 화소의 온도가, 최소온도 값과 최대온도 값 사이를 256 등분한 값을 갖도록 정규화를 행하는, 정규화 단계;
정규화 단계에서 정규화된 각 프레임의 코를, 기 설정된 초기 코 각도와 같도록 연산처리부가 보정을 행하는, 각도 보정단계;
연산처리부는 각도 보정단계에서 각도가 보정된, 각 프레임에서 코와 2개의 눈의 트랙킹 포인트를 이용하여, 관심영역의 후보를 설정하고, 상기 관심영역의 후보에서의 특징점을 추출하고, 추출된 특징점과, 연이은 전 프레임에서 상기 특징점과 대응된 특징점과의 이동 거리를 행렬(Transform Matrix)로 나타내고, 추출된 행렬에 따라, 현재 프레임의 영상을 보정하고, 보정된 현재 프레임에서 관심영역을 구하는, 1차 특징 추출 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 방법.
3. The method of claim 2, wherein breathing-
The arithmetic processing unit calculates a minimum temperature value and a maximum temperature value in each frame of the subject's face thermal image received from the thermal imaging camera and determines whether the temperature of each pixel of each frame is divided into 256 A normalization step of performing normalization so as to have a value;
An arithmetic processing step of the arithmetic processing part performing correction so that the nose of each frame normalized in the normalizing step is equal to a predetermined initial nose angle;
The arithmetic processing unit sets the candidate of the ROI using the nose and the two eye tracking points in each frame whose angles are corrected in the angle correction step, extracts the minutiae from the candidates of the ROI, A moving distance between the minutiae and the minutiae corresponding to the previous frame is represented by a matrix (Transform Matrix), the image of the current frame is corrected according to the extracted matrix, and the region of interest is corrected by 1 Car feature extraction step;
Wherein the breathing method comprises the steps of:
제3항에 있어서, 호흡관련 영역 추적단계는,
연산처리부가, 1차 특징 추출 단계에서 구한 각 프레임의 관심영역 내의 온도를 평균하여 '프레임별의 관심영역 평균온도'로서 연산처리부가 구하고, 각 프레임의 관심영역 내의 온도들의 표준편차를 '프레임별의 관심영역 온도 편차'로서 구하는, 1차 평균온도 및 편차 연산단계;
연산처리부는, 평균온도 및 편차 연산단계에서 구한 관심영역 편차를, 기설정된 편차 기준치와 비교하여, 상기 관심영역 편차가 편차 기준치보다 큰지를 판단하며, 만약 관심영역 편차가 편차 기준치보다 크다면, 특해당 관심영역 내의 특징들을 제거하고, 트랙킹 포인트 재검출 단계로 가는, 1차 편차 기준치 초과여부 판단단계;
연산처리부는, 1차 편차 기준치 초과여부 판단단계 후, 관심영역 내에서 구하여진 특징점의 수를 기 설정된 특징수 기준치와 비교하여, 특징점의 수가 특징수 기준치보다 작다면, 해당 관심영역 내의 특징들을 제거하고, 트랙킹 포인트 재검출 단계로 가는, 특징수 기준치 미만여부 판단단계;
연산처리부는, 1차 편차 기준치 초과여부 판단단계에서 관심영역 편차가 편차 기준치보다 크다면, 또는 특징수 기준치 미만여부 판단단계에서 특징점의 수가 특징수 기준치보다 작다면, 코의 트랙킹 포인트들을 잘못 구한 것으로, 현재의 프레임에 연이은 전의 프레임의 2개의 눈 트랙킹포인트의 각각의 위치로부터, 현재의 프레임의 2개의 눈 트랙킹포인트의 각각의 위치까지 움직인 거리인, 트랙킹 포인트 이동거리를 구하고, 2개의 트랙킹 포인트 이동거리의 평균인, 트랙킹 포인트 이동거리 평균을 구하고, 전의 프레임의 코의 트랙킹 포인트와, 트랙킹 포인트 이동거리 평균을 이용하여 수정된 코의 트랙킹 포인트를 구하는, 트랙킹 포인트 재검출 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 방법.
4. The method according to claim 3,
The arithmetic processing unit averages the temperatures in the interest region of each frame obtained in the first feature extraction step to obtain the arithmetic processing unit as the 'average region of interest per frame', and calculates the standard deviation of the temperatures in the interest region of each frame as' As a region of interest temperature difference of the target region;
The calculation processing unit compares the deviation of the region of interest calculated in the average temperature and deviation calculation step with a predetermined deviation reference value to determine whether the difference region of interest is greater than the deviation reference value. If the difference region of interest is larger than the deviation reference value, Determining whether a first deviation reference value is exceeded, removing features in the region of interest and going to a tracking point re-detection step;
The arithmetic processing unit compares the number of feature points found in the ROI with the predetermined number of feature reference values after the step of determining whether the first deviation reference value is exceeded and if the number of feature points is smaller than the feature number reference value, Determining whether a characteristic number is less than a reference value, to go to a tracking point re-detection step;
If the number of feature points is smaller than the feature number reference value in the step of determining whether or not the region of interest difference is larger than the deviation reference value or whether the feature region is smaller than the reference value in the step of determining whether the first deviation reference value is exceeded, , A tracking point movement distance which is a distance moved from each position of the two eye tracking points of the previous frame following the current frame to each position of the two eye tracking points of the current frame is obtained, A tracking point re-detection step of obtaining a tracking point moving distance average, which is an average of movement distances, and obtaining a tracking point of a corrected nose using a tracking point of a nose of a previous frame and an average tracking point moving distance;
Wherein the breathing method comprises the steps of:
제4항에 있어서, 호흡관련 영역 추적단계는,
연산처리부가, 트랙킹 포인트 재검출 단계에서 구하여진 수정된 코의 트랙킹 포인트와, 2개의 눈의 트랙킹 포인트를 이용하여, 관심영역을 구하고, 특징을 추출하는, 2차 특징 추출 단계;
연산처리부가, 2차 특징 추출 단계에서 구한 각 프레임의 관심영역 내의 온도를 평균하여 '프레임별의 관심영역 평균온도'로서 연산처리부가 구하고, 각 프레임의 관심영역 내의 온도들의 표준편차를 '프레임별의 관심영역 온도 편차'로서 구하는, 2차 평균온도 및 편차 연산단계;
연산처리부가, 2차 평균온도 및 편차 연산단계에서 구한 관심영역 온도 편차를 편차 기준치와 비교하여, 상기 관심영역 온도 편차가 편차 기준치보다 큰지를 판단하며, 만약 상기 관심영역 온도 편차가 편차 기준치보다 크다면, 추적(트랙킹)을 종료하는, 2차 편차 기준치 초과여부 판단단계;
연산처리부가, 종료 스위치가 눌러짐에 따라 종료 플레그가 세트되거나, 또는, 현재 프레임이, 초기에 설정된 소정 시간간격의 마지막 프레임에 해당한다면, 추적을 종료하며, 그렇지 않다면, 다음 프레임의 얼굴 열영상의 프레임을 수신하고, 정규화 단계로 가는, 추적 종료여부 판단단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 방법.
5. The method of claim 4, wherein breathing-
A second feature extraction step of calculating a region of interest and extracting a feature using the tracking point of the modified nose and the tracking points of two eyes obtained in the tracking point re-detection step;
The arithmetic processing unit averages the temperatures in the interest region of each frame obtained in the second feature extraction step to obtain the arithmetic processing unit as the 'average region of interest per frame', and calculates the standard deviation of the temperatures in the interest region of each frame as' A second average temperature and a deviation calculating step of calculating a second average temperature and a deviation of a region of interest;
The arithmetic processing unit compares the temperature difference of the region of interest calculated in the secondary average temperature and deviation calculating step with the deviation reference value to determine whether the temperature of the region of interest is greater than the deviation reference value and if the temperature of the region of interest is greater than the deviation reference value Determining whether a secondary deviation reference value is exceeded to end tracking (tracking);
The arithmetic processing unit ends the tracing if the end flag is set as the end switch is pressed or if the current frame corresponds to the last frame of the initially set predetermined time interval and if not, A step of determining whether or not to end the tracing of the frame;
Wherein the breathing method comprises the steps of:
제2항에 있어서, 호흡신호 추출단계는,
연산처리부가, 열화상카메라로부터 수신한 얼굴의 열영상에서, 각 프레임의 관심영역의 영상을, 연이은 전 프레임의 관심영역의 영상을 차감한 차영상을 구하되, 상기 차영상의 각 화소의 값을, 온도변이의 값으로 하는, 프레임별 온도변이 검출단계;,
연산처리부가, 프레임별 온도변이 검출단계를 거친 차영상의 각 프레임의 관심영역에서, 3D-DBSCAN을 이용하여, 노이즈 포인트를 제거하는, 노이즈 제거단계;
연산처리부가, 노이즈 제거단계를 거친 차영상의 각 프레임에서 온도변이의 값의 절대치가, 기설정된 온도변이 기준치와 비교하여 작거나 같은 경우의, 온도변이의 값은 제거하는, 온도변이 기준치 비교단계;
연산처리부가, 온도변이 기준치 비교단계 후, 차 영상의 각 프레임 내의 각 온도 변이를 합산하여, 프레임별 온도 변화량으로써 구하여, 프레임 순서에 따라 저장하는, 온도 변화량 연산단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 방법.
3. The method according to claim 2,
The arithmetic processing unit calculates a difference image obtained by subtracting an image of a region of interest of a previous frame of an image of a region of interest of each frame from a thermal image of a face received from a thermal imaging camera, As a value of the temperature variation;
A noise removing step of removing a noise point using a 3D-DBSCAN in a region of interest of each frame of the difference image through the frame-by-frame temperature shift detection step;
And the arithmetic processing unit removes the value of the temperature variation when the absolute value of the temperature variation value in each frame of the difference image through the noise elimination step is smaller than or equal to a preset reference value of the temperature variation, ;
A calculation step of calculating a temperature variation amount by summing each temperature variation in each frame of the difference image after the temperature variation reference value comparison step and obtaining the temperature variation amount for each frame and storing it in accordance with the frame order;
Wherein the breathing method comprises the steps of:
제6항에 있어서, 호흡신호 추출단계는,
연산처리부가 온도 변화량 연산단계에서 구한 프레임별 온도 변화량 합들을 메모리부로부터 순차적으로 읽어들이고, 프레임별 온도 변화량들을 시간에 따라(t 축으로) 적분하여, 적분 결과를 호흡 데이터(raw data)로 하는, 호흡 데이터 검출단계;
연산처리부가, 호흡 데이터 검출단계에서 검출된 호흡 데이터(raw data)를, 평활화(smoothing) 및 디트랜드(detrend)를 행하는, 평활화 및 디트랜드 단계;
연산처리부가, 평활화와 디트랜드가 행하여진 호흡 데이터들을 연속 웨이블렛 변환(CWT)을 행하여, 주파수별로 주파수 스케일들로 나타내는, 연속 웨이블렛 변환단계;
연산처리부가, 연속 웨이블렛 변환을 행한 결과에서, 주파수별로 주파수 스케일의 합을 구하고, 구하여진 주파수별 주파수 스케일의 합 중에서, 주파수별 주파수 스케일의 합이 가장 큰 주파수를, 호흡 주파수로 하며, 호흡 주파수의 각 주파수 스케일을 호흡 신호로서 메모리부에 저장하는, 호흡 주파수 검출단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 방법.
7. The method according to claim 6,
The arithmetic processing unit sequentially reads the temperature change amount sums for each frame obtained in the temperature change amount calculating step from the memory unit, integrates the temperature change amounts for each frame with time (on the t axis), and uses the integration result as raw data , Respiration data detection step;
A smoothing and dedisting step of smoothing and detrending the raw data detected in the breathing data detection step;
A continuous wavelet transform step of performing a continuous wavelet transform (CWT) on the breathing data subjected to the smoothing and detouring, and by frequency scales according to frequency;
The arithmetic processing unit obtains the sum of the frequency scales for each frequency on the basis of the result of performing the continuous wavelet transform and sets the frequency having the largest sum of the frequency scales on the frequency among the sum of the obtained frequency scales as the respiration frequency, A respiration frequency detecting step of storing each frequency scale of the breathing signal in a memory unit;
Wherein the breathing method comprises the steps of:
제2항에 있어서, 호흡수 및 호흡량 검출단계는
연산처리부가, 호흡신호 추출단계에서 구하여진 호흡신호를 1차 미분하여 변곡점을 구하고, 변곡점을 이용하여 피크(peak)와 밸리(valley)를 검출하는, 피크 및 밸리 검출단계;
연산처리부가, 피크 및 밸리 검출단계에서 검출된 피크(peak)와 밸리(valley)들에서, 소정 시간간격 동안에, 피크와 밸리가 순차적으로 연이어서 나타나는 피크와 밸리의 쌍의 개수를, 호흡수로서 검출하는, 호흡수 검출단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 방법.
The method according to claim 2, wherein the breathing and breathing volume detection step
A calculation and processing section for performing a first differentiation of the respiration signal obtained in the respiration signal extracting step to obtain an inflection point and detecting a peak and a valley using the inflection point;
The arithmetic processing unit calculates the number of pairs of peaks and valleys in which peaks and valleys appear in succession in a predetermined time interval in the peaks and valleys detected in the peak and valley detection step as the number of respiration Detecting a respiration rate;
Wherein the breathing method comprises the steps of:
제8항에 있어서, 호흡수 및 호흡량 검출단계는,
연산처리부가, 피크와 밸리가 순차적으로 연이어서 나타나는 피크와 밸리의 쌍의 진폭을, 피크와 밸리의 쌍이 포함되는 호흡주기의 호흡량으로 검출하는, 호흡량 검출단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 방법.
9. The method according to claim 8, wherein the breathing and breathing amount detection step comprises:
Wherein the arithmetic processing unit detects an amplitude of a pair of peaks and valleys sequentially appearing in succession in a peak and a valley as a volume of respiration in a respiration cycle including a pair of peaks and valleys;
Wherein the breathing method comprises the steps of:
제8항에 있어서, 호흡수 및 호흡량 검출단계는,
피크와 밸리가 순차적으로 연이어서 나타나는 피크와 밸리의 쌍으로 호흡주기를 검출하고, 각 호흡주기의 호흡신호를, 연이은 전 호흡주기의 호흡신호에서 차감하여 각 호흡주기별 변화량을 구하고, 각 호흡주기별 변화량을 시간에 따라 합산하여 호흡량으로서 구하는, 호흡량 검출단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 방법.
9. The method according to claim 8, wherein the breathing and breathing amount detection step comprises:
A respiratory cycle is detected by a pair of peaks and valleys in which peaks and valleys appear in succession, and the respiratory signal of each respiratory cycle is subtracted from the respiratory signal of the succeeding respiratory cycle to obtain a change amount for each respiratory cycle, A tidal volume detecting step of summing up the change amount per unit time and obtaining the tidal volume as a breath volume;
Wherein the breathing method comprises the steps of:
제10항에 있어서,
각 호흡주기별 변화량을 시간에 따라 합산시, 연산처리부는 각 호흡주기의 시작점을 기준으로 합산하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the operation processing unit sums the start point of each breathing cycle based on the sum of the change amounts for each breathing cycle with time.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서 본 발명의 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 방법에 대한 컴퓨터 프로그램 소스를 저장한 기록매체.The recording medium according to any one of claims 1 to 11, wherein the computer program source for the breath measurement method using the thermal imaging camera of the present invention is stored. 열화상 카메라, 상기 열화상 카메라로부터 수신된 얼굴 전면의 열영상을 분석하여 호흡신호를 검출하는 연산처리부를 포함하는 영상분석부를 포함하는 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템에 있어서,
연산처리부는,
열화상카메라로부터 수신하여 각 화소가 온도를 나타내는, 얼굴의 열영상의 프레임에서, 연산처리부는, 코와 2개의 눈을 트랙킹포인트로 하여, KLT 특징 추적기를 이용하여, 코 부분의 관심영역을 검출하고,
열화상카메라로부터 수신한 얼굴의 열영상에서, 각 프레임의 관심영역의 영상을, 연이은 전 프레임의 관심영역의 영상을 차감한 차영상을 구하되, 상기 차영상의 각 화소의 값을, 온도변이의 값으로 하며, 프레임별로 온도변이 값을 합산하여 프레임별 온도변화량의 합으로서 메모리부에 순차적으로 저장하고, 기 설정된 시간동안에 저장된 모든 프레임의 프레임별 온도변화량의 합을 메모리부로부터 읽어들여 시간에 따라 적분하여 호흡 데이터로 하고, 상기 호흡 데이터에 연속 웨이블렛 변환을 적용하여 호흡신호를 검출하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템.
And an image analyzing unit for analyzing a thermal image of the entire face received from the thermal imaging camera and detecting a breathing signal, the breathing measuring system comprising:
The arithmetic processing unit,
In the frame of the thermal image of the face received from the thermal imaging camera and representing the temperature of each pixel, the calculation processing unit detects the region of interest of the nose portion by using the nose and two eyes as tracking points and using the KLT feature tracker and,
A difference image obtained by subtracting the image of the ROI of the previous frame and the image of the ROI of the previous frame is obtained from the thermal image of the face received from the thermal imaging camera, The sum of the temperature variation values for each frame is sequentially stored in the memory unit as the sum of the temperature variation amounts for each frame and the sum of the temperature variation amounts of all the frames stored in the predetermined time period is read from the memory unit, Wherein the respiration data is integrated into the breathing data, and the breathing signal is detected by applying a continuous wavelet transform to the breathing data.
제13항에 있어서,
연산처리부는, 검출된 호흡신호에서 피크와 밸리를 검출하고 검출된 피크와 밸리를 이용하여 호흡수 및 호흡량을 검출하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템.
14. The method of claim 13,
Wherein the calculation processing unit detects peaks and valleys in the detected respiration signal and detects the respiration rate and respiration rate using the detected peak and valley.
제14항에 있어서, 연산처리부는,
KLT 특징 추적기를 이용하여 관심영역을 구하기 위하여, 열화상 카메라로부터 수신된 피검자 얼굴 열영상의 각 프레임의 각 화소의 온도들이, 8 bit값을 갖도록 정규화를 행하고, 정규화된 온도의 값을 가진 각 프레임의 영상의 코의 각도가, 기 설정된 코 각도와 같도록, 각 프레임의 영상을 보정하고, 보정된 프레임의 영상에서 KLT 특징 추적 알고리즘을 적용하여 관심영역을 구하고, 상기 관심영역내의 특징점을 검출하며, 보정된 프레임의 관심영역에 대응되는 원 영상인, 열화상 카메라로부터 수신된 얼굴 열영상의 프레임에서도 관심영역이 구하여지는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템.
15. The image processing apparatus according to claim 14,
In order to obtain the region of interest using the KLT feature tracker, normalization is performed so that the temperatures of the respective pixels of each frame of the subject face thermal image received from the thermal imaging camera have 8 bit values, and each frame having a normalized temperature value The image of each frame is corrected so that the angle of the nose of the image of the region of interest is equal to the preset nose angle and the KLT feature tracking algorithm is applied to the image of the corrected frame to find the region of interest, Wherein the region of interest is also found in the frame of the face image received from the thermal imaging camera, which is an original image corresponding to the region of interest of the corrected frame.
제15항에 있어서, 연산처리부는,
호흡 데이터를, 평활화(smoothing) 및 디트랜드(detrend)를 행하고, 평활화와 디트랜드가 행하여진 호흡 데이터들을 연속 웨이블렛 변환(CWT)을 행하고, 연속 웨이블렛 변환을 행한 결과에서, 주파수별로 주파수 스케일의 합을 구하고, 구하여진 주파수별 주파수 스케일의 합 중에서, 주파수별 주파수 스케일의 합이 가장 큰 주파수를, 호흡 주파수로 하며, 호흡 주파수의 각 주파수 스케일을 호흡 신호로서 메모리부에 저장하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템.
16. The image processing apparatus according to claim 15,
The breathing data is subjected to smoothing and detrend, continuous wavelet transform (CWT) is performed on the breathing data subjected to smoothing and detouring, and in the result of performing continuous wavelet transform, sum of frequency scales And the frequency scale of the respiratory frequency is stored in the memory as a respiration signal. The breathing apparatus according to claim 1, Breathing measurement system using infrared camera.
제16항에 있어서, 연산처리부는,
호흡신호를 1차 미분하여 변곡점을 구하고, 변곡점을 이용하여 피크(peak)와 밸리(valley)를 검출하고, 검출된 피크(peak)와 밸리(valley)들에서, 소정 시간간격 동안에, 피크와 밸리가 순차적으로 연이어서 나타나는 피크와 밸리의 쌍의 개수를, 호흡수로서 검출하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템.
17. The image processing apparatus according to claim 16,
A peak and a valley are detected using an inflection point, and in the detected peaks and valleys, during a predetermined time interval, a peak and a valley are detected, Wherein the number of pairs of peaks and valleys sequentially appearing in series is detected as the number of breaths.
제17항에 있어서, 연산처리부는,
피크와 밸리가 순차적으로 연이어서 나타나는 피크와 밸리의 쌍으로 호흡주기를 검출하고, 각 호흡주기의 호흡신호를, 연이은 전 호흡주기의 호흡신호에서 차감하여 각 호흡주기별 변화량을 구하고, 각 호흡주기별 변화량을 시간에 따라 합산하여 호흡량으로서 구하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템.
18. The image processing apparatus according to claim 17,
A respiratory cycle is detected by a pair of peaks and valleys in which peaks and valleys appear in succession, and the respiratory signal of each respiratory cycle is subtracted from the respiratory signal of the succeeding respiratory cycle to obtain a change amount for each respiratory cycle, Wherein the breath change amount is calculated as a breath volume by summing up a change amount per minute with respect to time.
제17항에 있어서, 연산처리부는,
피크와 밸리가 순차적으로 연이어서 나타나는 피크와 밸리의 쌍의 진폭을, 피크와 밸리의 쌍이 포함되는 호흡주기의 호흡량으로 검출하는 것을 특징으로 하는, 열화상 카메라를 이용한 호흡 측정 시스템.
18. The image processing apparatus according to claim 17,
Characterized in that the amplitude of the pair of peaks and valleys appearing sequentially in succession from the peak and the valley is detected as the respiratory volume of the respiratory cycle including the pair of peaks and valleys.
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