KR20210145946A - Device and method for camera based photoplethysmogram estimation using chrominance - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a device and method for estimating a non-contact photoplethysmography. According to one embodiment of the present invention, the device and method for estimating the non-contact photoplethysmography enable to estimate the photoplethysmography robust to movement with the camera-based non-contact biometric information. The device for estimating the non-contact photoplethysmography comprises: an input part; an area of interest part; a filtering part; a conversion part; and an extracting part.

Description

비접촉 광용적맥파 추정 장치 및 방법 {DEVICE AND METHOD FOR CAMERA BASED PHOTOPLETHYSMOGRAM ESTIMATION USING CHROMINANCE}Apparatus and method for non-contact photoplethysmography estimation {DEVICE AND METHOD FOR CAMERA BASED PHOTOPLETHYSMOGRAM ESTIMATION USING CHROMINANCE}

본 발명은 비접촉 광용적맥파 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 카메라 기반 영상의 색차를 이용해 비접촉식으로 광용적맥파를 추정하여 생체신호를 인식하는 비접촉 광용적맥파 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a non-contact PPL estimation apparatus and method, and more particularly, to a non-contact PPL estimation apparatus and method for recognizing a biosignal by estimating PPL in a non-contact manner using a color difference of a camera-based image.

사람의 몸에서 얻어지는 생체신호는 개인의 건강상태 및 심리상태를 실시간으로 반영하는 지표로 활용될 수 있다. 생체신호를 측정하기 위해 보통 접촉식 기반의 ECG(Electrocardiography) 및 PPG(Photoplethysmography) 방법을 사용한다. 이러한 접촉식 측정 방법들은 사용자의 몸에 전극이나 센서를 직접 부착하여 측정하므로 사용자에게 위생상의 불쾌함을 느끼게 하거나 피부가 민감한 경우 적용이 불가하다.The bio-signals obtained from the human body can be used as indicators that reflect an individual's health and psychological state in real time. In order to measure biosignals, contact-based electrocardiography (ECG) and photoplethysmography (PPG) methods are usually used. Since these contact measurement methods are measured by directly attaching electrodes or sensors to the user's body, they cannot be applied when the user feels uncomfortable in hygiene or has sensitive skin.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 제10-2018-0131262호에 게시되어 있다.Background art of the present invention is published in Korean Patent Laid-Open No. 10-2018-0131262.

본 발명은 색차 신호를 이용하여 움직임에 강인한 비전 기반 비접촉 광용적맥파 추정 장치 및 방법을 제공한다.The present invention provides an apparatus and method for estimating a vision-based non-contact photoplethysmogram that is robust to motion using a color difference signal.

본 발명은 카메라 기반 비접촉으로 취득할 수 있는 생체 정보를 이용하는 비접촉 광용적맥파 추정 장치 및 방법을 제공한다.The present invention provides an apparatus and method for estimating a non-contact photoplethysmogram using biometric information that can be acquired through camera-based non-contact.

본 발명은 비접촉 생체 정보로 광용적맥파를 추정하여 심박수를 추정하는 비접촉 광용적맥파 추정 장치 및 방법을 제공한다.The present invention provides an apparatus and method for estimating a heart rate by estimating a photoplethysmogram using non-contact biometric information.

본 발명의 일 측면에 따르면, 비접촉 광용적맥파 추정 장치를 제공한다. According to one aspect of the present invention, there is provided a non-contact photoplethysmography wave estimation apparatus.

본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 이미지를 획득하는 입력부, 상기 이미지에서 관심 영역을 설정하는 관심 영역부, 상기 관심 영역을 필터링하는 필터링부, 상기 필터링 된 관심 영역의 화소를 색차 신호로 변환하는 변환부 및 상기 색차 신호에서 광용적맥파 파형을 추정하는 추출부를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an input unit for acquiring a plurality of images, a region of interest unit for setting a region of interest in the image, a filtering unit for filtering the region of interest, and converting pixels of the filtered region of interest into a color difference signal It may include a conversion unit and an extractor for estimating a photoplethysmogram waveform from the color difference signal.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 비접촉 광용적맥파 추정 방법 및 이를 실행하는 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터가 판독 가능한 기록매체를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a non-contact photoplethysmography method and a computer-readable recording medium in which a computer program executing the method is recorded.

본 발명의 일 실시 예에 따른 비접촉 광용적맥파 추정 방법 및 이를 실행하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 기록매체는 복수의 이미지를 획득하는 단계, 상기 이미지에서 관심 영역을 설정하는 단계, 상기 관심 영역을 필터링하는 단계, 상기 필터링 된 관심 영역의 화소를 색차 신호로 변환하는 단계 및 상기 색차 신호에서 광용적맥파 파형을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.A method for estimating a non-contact photoplethysmogram and a recording medium storing a computer program executing the method according to an embodiment of the present invention include: acquiring a plurality of images; setting a region of interest in the image; and filtering the region of interest , converting the filtered pixels of the region of interest into a color difference signal and estimating a photoplethysmogram waveform from the color difference signal.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 비접촉 광용적맥파 추정 장치 및 방법은 카메라 기반의 비접촉식 생체 정보로 광용적맥파 추정이 가능하다.According to an embodiment of the present invention, the apparatus and method for estimating the photoplethysmogram may estimate the photoplethysmogram using camera-based non-contact biometric information.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 비접촉 광용적맥파 추정 장치 및 방법은 카메라 기반 생체 정보를 획득할 때 측정체의 움직임에 강인한 광용적맥파 추정이 가능하다.According to an embodiment of the present invention, the non-contact PPL estimation apparatus and method can estimate the PPV robust to the movement of a measurement object when camera-based biometric information is acquired.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비접촉 광용적맥파 추정 장치를 설명하기 위한 도면들.
도 6및 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비접촉 광용적맥파 추정 방법을 설명한 도면들.
도 8 및 도 9는 움직임이 없는 얼굴 동영상과 움직임이 존재하는 얼굴 동영상 광용적맥파 파형 결과들 및 동시에 측정된 레퍼런스 신호의 예시 화면들.
도 10은 광용적맥파 파형 추출 시 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)를 측정한 실험 예시.
1 to 5 are diagrams for explaining an apparatus for estimating a non-contact photoplethysmogram according to an embodiment of the present invention.
6 and 7 are diagrams illustrating a method for estimating a non-contact PPV according to an embodiment of the present invention.
8 and 9 are exemplary screens of photoplethysmography waveform results and simultaneously measured reference signals for a face video without motion and a face video with motion.
10 is an example of an experiment measuring a signal-to-noise ratio (SNR) when extracting a photoplethysmography waveform;

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서 및 청구항에서 사용되는 단수 표현은, 달리 언급하지 않는 한 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and will be described in detail through detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Also, the expressions "a" and "a", "a" and "a", as used in this specification and claims, should generally be construed to mean "one or more" unless stated otherwise.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. do it with

도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비접촉 광용적맥파 추정 장치를 설명하기 위한 도면들이다.1 to 5 are diagrams for explaining an apparatus for estimating a non-contact photoplethysmogram according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 RGB 카메라를 기반으로 획득한 얼굴 영상의 색차 신호를 이용해 광용적맥파를 비접촉 방식으로 추정할 수 있다. 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 비접촉으로 광용적맥파를 추정하므로 다수의 사용자가 이용하는 환경에서도 위생적이고, 색차 신호를 이용하여 움직임에도 강인하다.Referring to FIG. 1 , the non-contact PPG wave estimation apparatus 10 may estimate the LPT wave in a non-contact manner by using a color difference signal of a face image obtained based on an RGB camera. Since the non-contact photoplethysmogram estimation apparatus 10 estimates the photoplethysmogram in a non-contact manner, it is hygienic even in an environment used by a large number of users and is robust against movement by using a color difference signal.

도 2를 참조하면, 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 입력부(100), 관심 영역부(200), 필터링부(300), 변환부(400), 추출부(500) 및 판단부(600)를 포함한다.Referring to FIG. 2 , the apparatus 10 for estimating a non-contact photoplethysmogram includes an input unit 100 , a region of interest unit 200 , a filtering unit 300 , a converting unit 400 , an extracting unit 500 , and a determining unit 600 . ) is included.

입력부(100)는 카메라를 통해 복수의 이미지를 획득한다. 예를 들면 입력부(100)는 RGB 카메라를 통해 시계열적 이미지를 획득한다. 입력부(100)는 획득한 복수의 이미지를 화소로 표현한다. The input unit 100 acquires a plurality of images through a camera. For example, the input unit 100 acquires a time-series image through an RGB camera. The input unit 100 expresses the plurality of acquired images as pixels.

도 3은 입력부(100)가 획득한 복수의 이미지를 화소로 표현한 예시이다. 예를 들면 입력부(100)는 복수의 시계열적 이미지를 포함한다.3 is an example in which a plurality of images acquired by the input unit 100 are expressed as pixels. For example, the input unit 100 includes a plurality of time-series images.

다시 도 2를 참조하면, 관심 영역부(200)는 화소로 표현된 이미지에서 광용적맥파를 추정하기 위한 구체적인 대상 영역을 관심 영역(ROI, Region Of Interest)으로 설정한다. 예를 들면 관심 영역부(200)는 얼굴 영역을 관심 영역(ROI)으로 설정할 수 있다.Referring back to FIG. 2 , the region of interest unit 200 sets a specific target region for estimating the plethysmographic wave in an image represented by pixels as a region of interest (ROI). For example, the region of interest unit 200 may set the face region as a region of interest (ROI).

도 4는 관심 영역부(200)가 설정한 관심 영역을 굵은 점선으로 표시한 예시이다. 관심 영역부(200)는 시계열로 연결된 복수의 이미지에서 일관된 관심 영역(ROI)을 설정하기 위해 영역 추적 알고리즘을 이용할 수 있다. 자세히 설명하면, 관심 영역부(200)는 최초에 등록된 대상 영역의 정보를 기반으로 대상의 위치를 지속적으로 추적하여 일관된 관심 영역(ROI)을 얻을 수 있다.4 is an example in which the region of interest set by the region of interest unit 200 is indicated by a thick dotted line. The region of interest unit 200 may use a region tracking algorithm to set a consistent region of interest (ROI) from a plurality of images connected in time series. More specifically, the region of interest unit 200 may obtain a consistent region of interest (ROI) by continuously tracking the position of the target based on the initially registered target region information.

다시 도 2를 참조하면, 필터링부(300)는 관심 영역(ROI) 내 피부 화소 필터링을 수행한다. 예를 들면 관심 영역(ROI)에는 광용적맥파 추정과 관련이 낮은 머리카락, 눈썹 또는 배경과 관련된 픽셀들이 포함될 수 있다. 필터링부(200)는 공간 및 색 정보를 기반으로 피부색 필터링을 사용하여 광용적맥파 추정과 관련 없는 영역을 제외할 수 있다. Referring back to FIG. 2 , the filtering unit 300 filters the skin pixels within the ROI. For example, the region of interest (ROI) may include pixels related to hair, eyebrows, or background that are less relevant to the plethysmography. The filtering unit 200 may use skin color filtering based on the spatial and color information to exclude a region not related to the plethysmographic wave estimation.

도 5는 필터링부(300)가 피부색 필터링 수행을 거쳐 광용적맥파와 관련이 없는 영역에 해당하는 픽셀들을 검출한 후 검정 화소로 표시한 예시이다.FIG. 5 is an example in which the filtering unit 300 detects pixels corresponding to an area not related to the PPV through skin color filtering and displays the pixels as black pixels.

다시 도 2를 참조하면, 변환부(400)는 도 5의 관심 영역의 피부 화소를 색차 신호로 변환한다. 예를 들면, 변환부(400)는 색차 신호 변환을 수행하기 위해 YCbCr 색공간을 이용할 수 있다. YCbCr은 휘도 성분(Y)과 색차 성분(Cb, Cr)을 분리하여 표현하는 특징이 있다. 광용적맥파 추정 시에 측정 대상 영역의 크고 작은 움직임으로 인해 발생하는 피부 표면의 불균일한 조명 반사가 광용적맥파 파형에 잡음(노이즈)으로 작용할 수 있다. 피부 표면의 불균일한 조명 반사는 주로 이미지의 휘도와 관련되어 있다. 변환부(400)는 이러한 휘도 성분을 제외하고 색차 성분을 이용하여 광용적맥파 파형을 추정할 수 있다.Referring back to FIG. 2 , the conversion unit 400 converts the skin pixel of the ROI of FIG. 5 into a color difference signal. For example, the converter 400 may use the YCbCr color space to perform color difference signal conversion. YCbCr has a characteristic of expressing a luminance component (Y) and a color difference component (Cb, Cr) separately. When estimating the PPL, uneven illumination reflection on the skin surface caused by large and small movements of the measurement target area may act as noise (noise) on the PPL waveform. Non-uniform light reflections on the skin surface are mainly related to the luminance of the image. The conversion unit 400 may estimate the photoplethysmography waveform by using the color difference component except for the luminance component.

추출부(500)는 이미지의 색차 성분을 이용해 광용적맥파의 파형을 추출한다. 예를 들면 추출부(500)는 전체 피부 화소의 색차 신호의 평균을 대표 신호 값으로 사용할 수 있다. 또는 추출부(500)는 미리 선별한 고정 개수의 피부 화소를 이용하여 신호 값으로 사용할 수도 있다. 추출부(500)는 복수의 이미지로부터 획득한 신호 값을 기반으로 시계열의 광용적맥파 파형을 산출할 수 있다. The extraction unit 500 extracts a waveform of the PPV by using the color difference component of the image. For example, the extractor 500 may use an average of color difference signals of all skin pixels as a representative signal value. Alternatively, the extractor 500 may use a preselected fixed number of skin pixels as a signal value. The extractor 500 may calculate a time-series PPV waveform based on signal values obtained from a plurality of images.

추출부(500)는 추가적인 대역통과 필터를 적용하여 광용적맥파 파형에서 심박 활동과 관련 없는 저주파 및 고주파 성분들을 필터링할 수 있다. 예를 들면 대역통과 필터는 42 ~ 180 bpm(beats per minute)에 해당하는 0.7 ~ 3.0 Hz의 통과 대역을 사용할 수 있다.The extractor 500 may filter low-frequency and high-frequency components that are not related to heartbeat activity from the photoplethysmography waveform by applying an additional bandpass filter. For example, the bandpass filter may use a passband of 0.7 to 3.0 Hz corresponding to 42 to 180 beats per minute (bpm).

판단부(600)는 필터링 된 광용적맥파 파형으로부터 평균 심박수를 추정한다.The determination unit 600 estimates an average heart rate from the filtered photoplethysmography waveform.

판단부(600)는 광용적맥파 파형의 전력 스펙트럼 밀도를 산출한다. 예를 들면 판단부(600)는 광용적맥파 파형의 시계열 신호에 대한 푸리에 변환을 통해 스펙트럼 표현을 산출한다. 판단부(600)는 광용적맥파 파형에 대한 스펙트럼 표현에서 스펙트럼 전력을 적분하여 스펙트럼 밀도를 산출한다.The determination unit 600 calculates the power spectral density of the photoplethysmography waveform. For example, the determination unit 600 calculates a spectral expression through a Fourier transform on the time series signal of the photoplethysmogram waveform. The determination unit 600 calculates the spectral density by integrating the spectral power in the spectral representation of the photoplethysmography waveform.

판단부(600)는 전력 스펙트럼 밀도의 전역 최대값에 해당하는 대표 주파수를 결정한다. 판단부(600)는 각 주파수의 전력 크기를 비교하여 가장 큰 전력을 갖는 하나의 주파수를 대표 주파수로 결정할 수 있다. 판단부(600)는 평균 심박수에 해당하는 주파수를 찾는 것이 목적이므로 심박수와 관련 있는 대역을 유효 대역을 설정하여 전력 크기 비교를 수행한다. 예를 들면 판단부(600)는 42~180 bpm에 해당하는 0.7 ~ 3.0 Hz의 대역을 유효 대역으로 사용할 수 있다.The determination unit 600 determines a representative frequency corresponding to the global maximum value of the power spectral density. The determination unit 600 may determine one frequency having the greatest power as the representative frequency by comparing the power levels of each frequency. Since the purpose of the determination unit 600 is to find a frequency corresponding to the average heart rate, an effective band is set for a band related to the heart rate, and power magnitude comparison is performed. For example, the determination unit 600 may use a band of 0.7 to 3.0 Hz corresponding to 42 to 180 bpm as an effective band.

판단부(600)는 결정된 대표 주파수를 원하는 시간 단위로 환산하여 측정 구간에 대한 평균 심박수를 추정할 수 있다.The determiner 600 may convert the determined representative frequency into a desired unit of time to estimate the average heart rate for the measurement section.

도 6및 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비접촉 광용적맥파 추정 방법을 설명한 도면들이다. 이하 설명하는 각 과정은 비접촉 광용적맥파 추정 장치를 구성하는 각 기능부가 수행하는 과정이나, 본 발명의 간결하고 명확한 설명을 위해 각 단계의 주체를 비접촉 광용적맥파 추정 장치로 통칭하도록 한다.6 and 7 are diagrams illustrating a method for estimating a non-contact photoplethysmogram according to an embodiment of the present invention. Each of the processes to be described below is a process performed by each functional unit constituting the non-contact photoplethysmography apparatus, but for the sake of concise and clear explanation of the present invention, the subject of each step will be collectively referred to as a non-contact photoplethysmography apparatus.

도 6을 참조하면, 단계 S610에서 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 카메라를 통해 복수의 이미지를 획득한다. 예를 들면, 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 RGB 카메라를 통해 피부를 포함하는 시계열적 이미지를 획득할 수 있다.Referring to FIG. 6 , in step S610 , the non-contact photoplethysmography apparatus 10 acquires a plurality of images through a camera. For example, the non-contact photoplethysmography apparatus 10 may acquire a time-series image including the skin through an RGB camera.

단계 S620에서 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 광용적맥파 측정을 적용하고자 하는 구체적인 대상 영역을 관심 영역으로 설정한다. 예를 들면, 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 얼굴 영역을 관심 영역으로 설정할 수 있다. 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 복수의 이미지 들에서 시간의 흐름에 따른 일관된 관심 영역을 설정하기 위하여 영역 추적 알고리즘을 포함할 수 있다.In step S620 , the non-contact PPL estimation apparatus 10 sets a specific target area to which the PPL measurement is to be applied as a region of interest. For example, the non-contact photoplethysmography apparatus 10 may set the face region as the region of interest. The non-contact photoplethysmography apparatus 10 may include a region tracking algorithm to set a consistent region of interest according to time in a plurality of images.

단계 S630에서 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 관심 영역 내 피부 화소를 필터링한다. 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 관심 영역 내에 포함된 광용적맥파 추정과 관련이 없는 픽셀들을 제거할 수 있다. 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 공간 및 색 정보를 기반으로 한 피부색 필터링을 사용하여 광용적맥파 추정과 관련 없는 픽셀들을 검출하여 제거할 수 있다. 예를 들면, 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 관심 영역에서 광용적맥파 추정과 관련이 없는 머리카락, 눈썹 또는 배경 등에 해당하는 픽셀을 검출하여 검정 화소로 표시하여 관련 없는 성분을 제외할 수 있다.In operation S630 , the non-contact photoplethysmogram estimating apparatus 10 filters the skin pixels in the ROI. The non-contact PPL estimation apparatus 10 may remove pixels that are not related to the PPL included in the region of interest. The non-contact PPL estimation apparatus 10 may detect and remove pixels not related to the PPL estimation by using skin color filtering based on spatial and color information. For example, the non-contact photoplethysmography apparatus 10 may detect pixels corresponding to hair, eyebrows, background, etc. that are not related to the estimation of the photoplethysmography in the region of interest, display them as black pixels, and exclude irrelevant components. .

단계 S640에서 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 피부 화소를 색차 신호로 변환한다. 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 YCbCr 색공간을 이용해 색차 신호를 변환할 수 있다. YCbCr은 휘도 성분(Y)과 색차 성분(Cb, Cr)을 분리하여 표현할 수 있다. In operation S640 , the non-contact photoplethysmogram estimator 10 converts the skin pixel into a color difference signal. The non-contact photoplethysmogram estimator 10 may convert a color difference signal using the YCbCr color space. YCbCr can be expressed by separating the luminance component (Y) and the chrominance component (Cb, Cr).

단계 S650에서 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 잡음을 유발할 수 있는 휘도(Y)를 버리고 색차 성분(Cb, Cr)을 이용하여 광용적맥파 파형을 추정할 수 있다. 광용적맥파 측정 시에 대상 영역의 크고 작은 움직임으로 인해 발생하는 피부 표면의 불균일한 조명 반사는 광용적맥파 파형을 추출할 때 잡음(노이즈)으로 작용할 수 있다. 피부 표면의 불균일한 조명 반사는 주로 휘도 성분과 관련이 있으므로, 잡음 제거를 위해 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 휘도(Y)를 버리고 색차 성분(Cb, Cr)을 이용하여 광용적맥파 파형을 추정한다.In operation S650 , the non-contact PLW estimator 10 may estimate the PL waveform by discarding the luminance Y that may cause noise and using the chrominance components Cb and Cr. Non-uniform light reflections on the skin surface caused by large and small movements of the target area during PPV measurement may act as noise (noise) when extracting PPL waveforms. Since the non-uniform light reflection on the skin surface is mainly related to the luminance component, the non-contact photoplethysmography apparatus 10 discards the luminance Y and uses the chrominance components (Cb, Cr) to remove the noise. to estimate

비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 복수의 이미지로부터 얻어진 신호 값을 기반으로 시계열의 광용적맥파의 파형을 추정할 수 있다. 예를 들면, 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 전체 피부 화소의 색차 신호의 평균을 대표 신호 값으로 사용할 수 있다. 또는 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 미리 선별한 고정 개수의 피부 화소를 이용하여 대표 신호 값으로 사용할 수 있다.The non-contact photoplethysmography apparatus 10 may estimate a waveform of a time-series photoplethysmogram based on signal values obtained from a plurality of images. For example, the non-contact photoplethysmography apparatus 10 may use an average of color difference signals of all skin pixels as a representative signal value. Alternatively, the non-contact photoplethysmogram estimator 10 may use a preselected fixed number of skin pixels as a representative signal value.

도 7을 참조하면, 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 광용적맥파 파형으로부터 평균 심박수를 추정한다.Referring to FIG. 7 , the non-contact photoplethysmogram estimator 10 estimates an average heart rate from the photoplethysmography wave waveform.

단계 S710에서 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 광용적맥파 파형에서 심박 활동과 관련 없는 저주파 및 고주파 성분들을 추가적인 대역통과 필터를 적용하여 필터링한다. 예를 들면, 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 42~180 bpm(beats per minute)에 해당하는 0.7~3.0 Hz의 대역 통과 필터를 이용할 수 있다.In step S710 , the non-contact PPL estimating apparatus 10 filters low-frequency and high-frequency components not related to heartbeat activity in the PPL waveform by applying an additional bandpass filter. For example, the non-contact photoplethysmography apparatus 10 may use a band-pass filter of 0.7 to 3.0 Hz corresponding to 42 to 180 beats per minute (bpm).

단계 S720에서 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 대역 통과 필터링을 거친 광용적맥파 파형의 전력 스펙트럼 밀도를 산출한다. 예를 들면 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 광용적맥파 파형의 시계열 신호에 대한 푸리에 변환을 통해 스펙트럼 표현을 산출한다. 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 광용적맥파 파형에 대한 스펙트럼 표현에서 스펙트럼 전력을 적분하여 스펙트럼 밀도를 산출한다.In step S720 , the non-contact PPL estimation apparatus 10 calculates the power spectral density of the PPL waveform that has undergone band-pass filtering. For example, the non-contact photoplethysmography apparatus 10 calculates a spectral representation through a Fourier transform on a time series signal of the photoplethysmographic wave waveform. The non-contact PPL estimator 10 calculates a spectral density by integrating the spectral power in the spectral representation of the PPL waveform.

단계 S730에서 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 전력 스펙트럼 밀도의 전력 최대값에 해당하는 주파수를 산출한다. 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 각 주파수의 전력 크기를 비교하여 가장 큰 전력을 갖는 하나의 대표 주파수를 결정한다. 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 평균 심박수에 해당하는 주파수를 찾는 것이 목적이므로 심박수와 관련 있는 대역을 유효 대역으로 설정하여 전력 크기 비교를 수행한다. 예를 들면, 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 42~180 bpm에 해당하는 0.7~3.0Hz의 대역을 유효 대역으로 사용할 수 있다. 유효 심박수 범위는 고정된 값이 아니라 사용 목적에 따라 변경하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 유효 심박수 범위는 넓게는 42-240 bpm으로 사용할 수도 있고 필요에 따라 더 좁은 구간으로도 설정할 수 있다.In step S730 , the non-contact photoplethysmography apparatus 10 calculates a frequency corresponding to the maximum power value of the power spectral density. The non-contact photoplethysmogram estimator 10 determines one representative frequency having the greatest power by comparing the power magnitudes of each frequency. Since the purpose of the non-contact photoplethysmogram estimator 10 is to find a frequency corresponding to the average heart rate, a band related to the heart rate is set as an effective band to compare power levels. For example, the non-contact photoplethysmography apparatus 10 may use a band of 0.7 to 3.0 Hz corresponding to 42 to 180 bpm as an effective band. The effective heart rate range is not a fixed value, but can be changed according to the purpose of use. For example, an effective heart rate range of 42-240 bpm can be used as wide, or a narrower interval can be set as needed.

단계 S740에서 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 전력 크기를 비교하여 결정된 대표 주파수를 원하는 시간 단위로 환산하여 측정 구간에 대한 평균 심박수를 추정한다.In step S740 , the non-contact plethysmographic wave estimator 10 converts a representative frequency determined by comparing power levels into a desired unit of time to estimate an average heart rate for the measurement section.

도 8 및 도 9는 움직임이 없는 얼굴 동영상과 움직임이 존재하는 얼굴 동영상 광용적맥파 파형 결과들 및 동시에 측정된 레퍼런스 신호의 예시 화면들이다.8 and 9 are exemplary screens of a motion picture of a face without motion, a photoplethysmography wave waveform result of a motion picture of a face with motion, and a reference signal measured at the same time.

도 8은 움직임이 없는 얼굴 동영상으로부터 Red, Green, Blue, Y, Cb+Cr 채널 신호로 추정한 광용적맥파 파형 결과들 및 동시에 측정된 레퍼런스 신호를 나타낸 예시이다.FIG. 8 is an example illustrating PPV waveform results estimated with red, green, blue, Y, and Cb+Cr channel signals from a motionless face video and a reference signal measured at the same time.

도 9는 움직임(yaw)이 존재하는 얼굴 동영상으로부터 Red, Green, Blue, Y, Cb+Cr 채널 신호로 추정한 광용적맥파 파형 결과들 및 동시에 측정된 레퍼런스 신호를 나타낸 예시이다. 움직임이 있는 경우 피부 표면에서 발생하는 불균일한 조명 변화 현상이 두드러지므로 대부분의 채널들의 광용적맥파 파형이 오염된 결과를 갖는다.FIG. 9 is an example illustrating PPV waveform results estimated with red, green, blue, Y, and Cb+Cr channel signals from a facial video in which a movement (yaw) is present, and a reference signal measured at the same time. When there is movement, the non-uniform illumination change phenomenon occurring on the skin surface is conspicuous, so the PPV waveforms of most channels are polluted.

도 8 및 도 9를 참조하면, 대부분의 채널 신호들의 경우 움직임 성분이 광용적맥파 파형을 지배하는 것과 달리 Cb+Cr 채널 신호는 주기적인 심박 파형이 관찰된다. 이에 비접촉 광용적맥파 추정 장치(10)는 심박수 추정을 위해 휘도를 제외한 색차 신호를 이용하여 광용적맥파 파형을 추출한다.Referring to FIGS. 8 and 9 , a periodic heartbeat waveform is observed in the Cb+Cr channel signal, whereas the motion component dominates the photoplethysmography waveform in most channel signals. Accordingly, the non-contact PPG wave estimator 10 extracts a PPL waveform by using a color difference signal excluding the luminance for estimating the heart rate.

도 10은 광용적맥파 파형 추출 시 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)를 측정한 실험 예시이다.10 is an experimental example of measuring a signal-to-noise ratio (SNR) when extracting a photoplethysmography waveform.

실험을 위해 640 X 480 픽셀의 해상도로 30fps로 기록된 30초 길이의 RGB 영상을 분석했으며, Ubpulse 360으로 손가락의 해당 광용적맥파 신호를 동시에 측정하여 비교한 것이다. 평균 심박수는 펄스 신호에 대한 전력 스펙트럼 밀도의 42-240 bpm에서 최대 전력을 갖는 대역으로 계산되었다.For the experiment, a 30-second long RGB image recorded at 30 fps with a resolution of 640 X 480 pixels was analyzed, and the corresponding photoplethysmogram signal of the finger was simultaneously measured and compared with Ubpulse 360. The average heart rate was calculated as the band with the maximum power at 42-240 bpm of the power spectral density for the pulsed signal.

도 10을 참조하면, 움직임이 없는 얼굴 영상에서는 문제가 없지만 얼굴 회전이 있는 영상의 경우 신호 대 잡음비(SNR)가 Cb+Cr 신호를 이용한 광용적맥파 파형 추정을 다른 신호를 이용한 것에 비해 최상의 성능임을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 10 , there is no problem in the face image without motion, but in the case of the face rotation image, the signal-to-noise ratio (SNR) is the best performance of the photoplethysmography waveform estimation using the Cb+Cr signal compared to other signals. can be checked

표 1은 동일한 실험에서 각 신호 채널의 평균 제곱근 오차(Root-Mean-Squaur Error, RMSE)를 비교한 실험 예시이다.Table 1 is an example of an experiment comparing the Root-Mean-Squaur Error (RMSE) of each signal channel in the same experiment.

Channel

Scenario
Channel

Scenario
GG YY Cb+CrCb+Cr L*L* a*+b*a*+b*
stablestable 1.161.16 1.731.73 1.201.20 1.821.82 5.925.92 yawyaw 12.2612.26 12.2512.25 6.296.29 12.2812.28 10.7910.79 pitchpitch 16.9616.96 17.0517.05 10.5810.58 17.0917.09 9.819.81 rollroll 11.0411.04 12.4412.44 2.812.81 12.4212.42 10.9210.92

상술한 비접촉 광용적맥파 추정 방법은 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체 상에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는, 예를 들어 이동형 기록 매체(CD, DVD, 블루레이 디스크, USB 저장 장치, 이동식 하드 디스크)이거나, 고정식 기록 매체(ROM, RAM, 컴퓨터 구비형 하드 디스크)일 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 기록된 상기 컴퓨터 프로그램은 인터넷 등의 네트워크를 통하여 다른 컴퓨팅 장치에 전송되어 상기 다른 컴퓨팅 장치에 설치될 수 있고, 이로써 상기 다른 컴퓨팅 장치에서 사용될 수 있다.The above-described non-contact photoplethysmography method may be implemented as a computer-readable code on a computer-readable medium. The computer-readable recording medium may be, for example, a removable recording medium (CD, DVD, Blu-ray disk, USB storage device, removable hard disk) or a fixed recording medium (ROM, RAM, computer-equipped hard disk). can The computer program recorded on the computer-readable recording medium may be transmitted to another computing device through a network such as the Internet and installed in the other computing device, thereby being used in the other computing device.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.In the above, even though it has been described that all components constituting the embodiment of the present invention are combined or operated as one, the present invention is not necessarily limited to this embodiment. That is, within the scope of the object of the present invention, all the components may operate by selectively combining one or more.

도면에서 동작들이 특정한 순서로 도시되어 있지만, 반드시 동작들이 도시된 특정한 순서로 또는 순차적 순서로 실행되어야만 하거나 또는 모든 도시 된 동작들이 실행되어야만 원하는 결과를 얻을 수 있는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정 상황에서는, 멀티태스킹 및 병렬 처리가 유리할 수도 있다. 더욱이, 위에 설명한 실시 예 들에서 다양한 구성들의 분리는 그러한 분리가 반드시 필요한 것으로 이해되어서는 안 되고, 설명된 프로그램 컴포넌트들 및 시스템들은 일반적으로 단일 소프트웨어 제품으로 함께 통합되거나 다수의 소프트웨어 제품으로 패키지 될 수 있음을 이해하여야 한다.Although acts are shown in a particular order in the drawings, it should not be understood that the acts must be performed in the specific order or sequential order shown, or that all illustrated acts must be performed to obtain a desired result. In certain circumstances, multitasking and parallel processing may be advantageous. Moreover, the separation of the various components in the embodiments described above should not be construed as necessarily requiring such separation, and the described program components and systems may generally be integrated together into a single software product or packaged into multiple software products. It should be understood that there is

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been focused on the embodiments thereof. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

10: 비접촉 광용적맥파 추정 장치
100: 입력부
200: 관심 영역부
300: 필터링부
400: 변환부
500: 추출부
600: 판단부
10: non-contact photoplethysmogram estimation device
100: input unit
200: region of interest
300: filtering unit
400: conversion unit
500: extraction unit
600: judgment unit

Claims (11)

비접촉 광용적맥파 추정 장치에 있어서,
복수의 이미지를 획득하는 입력부;
상기 이미지에서 관심 영역을 설정하는 관심 영역부;
상기 관심 영역을 필터링하는 필터링부;
상기 필터링 된 관심 영역의 화소를 색차 신호로 변환하는 변환부 및
상기 색차 신호에서 광용적맥파 파형을 추정하는 추출부를 포함하는 비접촉 광용적맥파 추정 장치.
A non-contact photoplethysmogram estimation apparatus comprising:
an input unit for acquiring a plurality of images;
a region of interest unit configured to set a region of interest in the image;
a filtering unit filtering the region of interest;
a conversion unit converting the filtered pixels of the region of interest into a color difference signal; and
and an extractor for estimating a photoplethysmography waveform from the color difference signal.
제1 항에 있어서,
상기 광용적맥파 파형으로부터 평균 심박수를 추정하는 판단부를 더 포함하는 비접촉 광용적맥파 추정 장치.
According to claim 1,
and a determination unit for estimating an average heart rate from the photoplethysmography waveform.
제1항에 있어서,
상기 관심 영역을 필터링하는 필터링부는
피부 화소 필터링을 통해 피부와 관련이 없는 픽셀은 검정 화소로 표시하는 비접촉 광용적맥파 추정 장치.
According to claim 1,
A filtering unit for filtering the region of interest
A non-contact photoplethysmogram estimation device that displays pixels that are not related to skin as black pixels through skin pixel filtering.
제1항에 있어서
상기 필터링 된 관심 영역의 화소를 색차 신호로 변환하는 변환부는
상기 관심 영역의 피부 화소 중 휘도 성분을 제외한 색차 신호만 분리하는 비접촉 광용적맥파 추정 장치.
2. The method of claim 1
a conversion unit that converts the filtered pixels of the region of interest into a color difference signal
A non-contact photoplethysmography apparatus for separating only a color difference signal excluding a luminance component from among skin pixels in the region of interest.
제1항에 있어서,
상기 색차 신호에서 광용적맥파 파형을 추정하는 추출부는
상기 복수의 이미지로부터 획득한 색차 신호 값으로 시계열적 광용적맥파 파형을 산출하는 비접촉 광용적맥파 추정 장치.
According to claim 1,
An extracting unit for estimating a photoplethysmogram waveform from the color difference signal
A non-contact photoplethysmography wave estimator for calculating a time-series photoplethysmogram waveform from the color difference signal values obtained from the plurality of images.
비접촉 광용적맥파 추정 방법에 있어서,
복수의 이미지를 획득하는 단계;
상기 이미지에서 관심 영역을 설정하는 단계;
상기 관심 영역을 필터링하는 단계;
상기 필터링 된 관심 영역의 화소를 색차 신호로 변환하는 단계 및
상기 색차 신호에서 광용적맥파 파형을 추정하는 단계를 포함하는 비접촉 광용적맥파 추정 방법.
A non-contact photoplethysmography method comprising:
acquiring a plurality of images;
setting a region of interest in the image;
filtering the region of interest;
converting the filtered pixels of the region of interest into a color difference signal; and
and estimating a PPV waveform from the color difference signal.
제6항에 있어서,
상기 광용적맥파 파형으로부터 평균 심박수를 추정하는 단계를 더 포함하는 비접촉 광용적맥파 추정 방법.
7. The method of claim 6,
The method further comprising the step of estimating an average heart rate from the photoplethysmography waveform.
제6항에 있어서,
상기 관심 영역을 필터링하는 단계는
피부 화소 필터링을 통해 피부와 관련이 없는 픽셀은 검정 화소로 표시하는 비접촉 광용적맥파 추정 방법.
7. The method of claim 6,
The step of filtering the region of interest
A non-contact photoplethysmography method in which pixels not related to skin are displayed as black pixels through skin pixel filtering.
제6항에 있어서
상기 필터링 된 관심 영역의 화소를 색차 신호로 변환하는 단계는
상기 관심 영역의 피부 화소 중 휘도 성분을 제외한 색차 신호만 분리하는 비접촉 광용적맥파 추정 방법.
7. The method of claim 6
The step of converting the filtered pixel of the region of interest into a color difference signal
A non-contact photoplethysmography method for separating only a color difference signal excluding a luminance component from among skin pixels in the region of interest.
제6항에 있어서,
상기 색차 신호에서 광용적맥파 파형을 추정하는 단계는
상기 복수의 이미지로부터 획득한 색차 신호 값으로 시계열적 광용적맥파 파형을 산출하는 비접촉 광용적맥파 추정 방법.
7. The method of claim 6,
The step of estimating the photoplethysmography waveform from the color difference signal comprises:
A method for estimating a non-contact PPL for calculating a time-series PPL waveform using the color difference signal values obtained from the plurality of images.
제6항 내지 제10항의 비접촉 광용적맥파 추정 방법 중 어느 하나를 실행하는 컴퓨터가 판독 가능한 기록매체에 기록된 컴퓨터 프로그램.

A computer program recorded on a computer-readable recording medium for executing any one of the non-contact photoplethysmographic wave estimation methods of claims 6 to 10.

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