TW202107487A - 影像之生物體的生理訊號配對方法及生理訊號配對系統 - Google Patents

影像之生物體的生理訊號配對方法及生理訊號配對系統 Download PDF

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Abstract

一種影像之生物體的生理訊號配對方法藉由影像擷取裝置擷取之影像輔助生理訊號配對，能將雷達所測得之生理訊號中包含之多個生命徵象正確地配對至影像中的各個生物體，而可持續的對多個生物體之生命徵象進行追蹤。

Description

影像之生物體的生理訊號配對方法及生理訊號配對系統
本發明是關於一種生理訊號的配對方法，特別是關於一種影像之生物體的生理訊號配對方法及生理訊號配對系統。
常見之生理訊號的偵測裝置多採用直接接觸的方式進行，如ECG (Electrocardiography)、PPG (Photoplethysmography)，藉由緊貼人體皮膚的偵測器測得準確之生理訊號，但由於接觸式生理訊號偵測裝置必須與人體直接接觸，且在單一時間下僅能偵測單一個目標，導致其無法使用於需要大範圍生理訊號偵測的應用中，例如醫院、機場之異常心跳感測或是災難現場的生命偵測。相對地，非接觸式生理訊號偵測裝置可藉由無線訊號的都普勒效應(Doppler Effect)偵測位於其發射訊號之波束寬範圍中多目標的生命徵象，但無法判別各個生命徵象是屬於哪個生物體，因此目前非接觸式生理訊號偵測裝置多為針對單一個生物體之偵測，還無法廣泛地應於多生物體之生理訊號偵測。
本發明的主要目的在於藉由運算裝置之時間配對模組及空間配對模組依據影像及生命徵象於時間上的變化及空間上的位置進行生命徵象之配對，而達成多生物體之生命徵象偵測及配對。
本發明之一種影像之生物體的生理訊號配對方法包含：一運算裝置接收一影像及一生理訊號，且該運算裝置之一生物體辨識模組辨識該影像中之一生物體的一數量及一位置，該運算裝置之一生命徵象擷取模組由該生理訊號中擷取出與該生物體之該數量相同之一生命徵象；該生物體辨識模組判斷該影像中是否有複數個該生物體，若僅有一個該生物體則該運算裝置之一時間配對模組將該生理訊號中之該生命徵象配對至該生物體，若有複數個該生物體則該運算裝置之一空間配對模組依據各該生命徵象的一能量大小及各該生物體之該位置將各該生命徵象配對至各該生物體；以及該生物體辨識模組藉由不同時間下之該影像判斷是否有新增至少一個該生物體，若新增一個該生物體則該時間配對模組將該生理訊號中新增之該生命徵象配對至新增之該生物體，若新增複數個該生物體則該空間配對模組依據新增之各該生命徵象的該能量大小及新增之各該生物體之該距離將新增之各該生命徵象配對至新增之各該生物體。
本發明之一種生理訊號配對系統包含一影像擷取裝置、一雷達及一運算裝置，該影像擷取裝置用以擷取一影像，該雷達用以偵測一生理訊號，該運算裝置具有一生物體辨識模組、一生命徵象擷取模組、一時間配對模組及一空間配對模組，該生物體辨識模組電性連接該影像擷取裝置以接收該影像，該生物體辨識模組用以辨識該影像中之一生物體的一數量及一位置，該生命徵象擷取模組電性連接該雷達及該生物體辨識模組以接收該生理訊號，該生命徵象擷取模組用以由該生理訊號中擷取出與該生物體之該數量相同之一生命徵象，該時間配對模組電性連接該生物體辨識模組及該生命徵象擷取模組以接收該生物體之該位置及該生命徵象，該時間配對模組將該生理訊號中之該生命徵象配對至該生物體，該空間配對模組電性連接該生物體辨識模組及該生命徵象擷取模組以接收該生物體之該位置，並由該生命徵象擷取模組接收該生命徵象，且該空間配對模組根據各該生命徵象的一能量大小及各該生物體之該位置將各該生命徵象配對至各該生物體。
本發明藉由該影像擷取裝置擷取之該影像輔助雷達測得之該生理訊號進行配對，而可將該雷達測得之該生命徵象配對至對應之該生物體，克服了多個生命徵象無法配對的問題，達成非接觸式多生物體之生理訊號偵測。
請參閱第1圖，其為本發明之一實施例，一種影像之生物體的生理訊號配對方法10的流程圖，其包含：影像擷取及生理訊號偵測11、生物體之辨識及生命徵象之擷取12、影像中是否有複數個生物體13、時間配對模組配對生命徵象14、空間配對模組配對生命徵象15、組合生命徵象至影像之生物體16及是否有新增生物體17。
請參閱第1及2圖，首先進行步驟11「影像擷取及生理訊號偵測」，透過一影像擷取裝置120擷取一影像I並透過一雷達130偵測一生理訊號V，其中，該影像擷取裝置120可為一深度攝影機、一熱影像攝影機或一光學攝影機，且該影像擷取裝置120所擷取之該影像I為時變之動態影像。該雷達130可選自為一都普勒雷達(Doppler radar)、一自我注入鎖定雷達(Self-injection-locked radar)或一超寬頻雷達(Ultra-wideband radar)，以透過無線電波之都普勒效應(Doppler Effect)測得環境中生物體的生理訊號。在本實施例中，較佳的，該影像擷取裝置120為一熱影像攝影機，所擷取之該影像I為動態之熱影像，而可透過溫度之分佈判斷該影像I中該些生物體的數量並同時監測生物體的體溫，該雷達130為一自我注入鎖定雷達，而對生物體的生命徵象相當靈敏，可利於後續於該生命訊號中擷取出多個生物體之生理徵象。
請參閱第1及2圖，接著進行步驟12「生物體之辨識及生命徵象之擷取」，一運算裝置110之一生物體辨識模組111由該影像120接收該影像I，且該運算裝置110之一生命徵象擷取模組112由該雷達130接收該生理訊號V。其中，該運算裝置110為具有邏輯運算或可程式化之單晶片或是計算機，而各個模組為該運算裝置110中的邏輯運算單元、程式或是軟體，本發明並不在此限。該生物體辨識模組111用以辨識該影像I中之一生物體O的一數量N並計算各該生物體O的一位置P，若該影像擷取裝置120為熱影像攝影機，所擷取之該影像I為熱影像，可依據該影像I的溫度分佈判定該影像I中該生物體O的該數量N，並將該影像I配合一雷射偵測器(圖未繪出)的距離量測取得各該生物體O的該位置P，而若該影像擷取裝置111為該深度攝影機或光學攝影機時，則可透過人體之骨架辨識或是人臉辨識判定該影像I中該生物體O的數量N，而深度攝影機及光學攝影機則透過多個鏡頭擷取多個影像後經由對其影像角度的計算得到該生物體O的距離，進而量測得各該生物體O的該位置P。
該生命徵象擷取模組112用以由該生理訊號V中擷取出與該生物體O之該數量N相同的一生命徵象Vs。在本實施例中，該生命徵象擷取模組112藉由快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)對該生理訊號V進行頻譜分析，再由得到之頻譜圖中分析該生理訊號V的各個頻率成份，最後即可依各個頻率成份分析何者屬於各該生物體O之該生命徵象Vs，而能由該生理訊號V中擷取得該生命徵象Vs。其中，該生命徵象Vs可為呼吸或心跳，但由於不同人體的呼吸或心跳之振動頻率差異並不大，使得直接由該生理訊號V之頻譜圖中分析包含了幾個生命徵象較為困難，因此，本實施例之該生命徵象擷取模組112根據該生物體辨識模組111所分析得到之該生物體O之該數量N而由該生理訊號V中擷取出數量相同之該生命徵象Vs。此外，若在步驟12中，該生物體辨識模組111未於該影像I中辨識得生物體時，則重新進行步驟11，以持續地以該影像擷取裝置120擷取該影像I並以該雷達130偵測該生理訊號V。
請參閱第1及2圖，接著進行步驟13「影像中是否有複數個生物體」，該生物體辨識模組111判斷該影像I中是否有複數個該生物體O，若該影像I中僅具有單一個該生物體O則進行步驟14，以該運算裝置110之一時間配對模組113進行生命徵象配對，若該影像I中具有複數個該生物體O則進行步驟15，以該運算裝置110之一空間配對模組114進行生命徵象配對。
請參閱第1及2圖，於步驟14「時間配對模組配對生命徵象」中，該時間配對模組113由該物體辨識模組111接收該影像I及各該生物體O之該數量N，由於該影像I中僅有單一個該生物體O，因此，該生命徵象擷取模組112也僅由該生理訊號V中擷取出單一個該生命徵象Vs並傳送至該空間配對模組114，該時間配對模組113將單一個該生命徵象Vs配對至單一個該生物體O上。
於步驟15「空間配對模組配對生命徵象」中，若該影像I中有複數個該生物體O，則該生命徵象擷取模組112也由該生理訊號V中擷取出數量相同之該生命徵象Vs，而無法直接將各該生命徵象Vs配對至各該生物體O。因此，該空間配對模組114依據各該生命徵象Vs的一能量大小及各該生物體O之該位置P將各該生命徵象Vs配對至各該生物體O。在本實施例中，由於各該生命徵象Vs是由該雷達130發出無線訊號至各該生物體O，再接收由各該生物體O之反射訊號偵測而得，使得距離該雷達130越遠之該生物體O，其對應之生命徵象Vs的能量響應越小，因此，該空間配對模組114可藉此將能量由大至小之該生命徵象Vs配對至該位置P由近至遠之各該生物體O。
請參閱第1及2圖，完成步驟14或15後進行步驟16「組合生命徵象至影像之生物體」，該運算裝置110之一影像組合模組115將該時間配對模組113或該空間配對模組114已配對之該生命徵象Vs組合至該影像I之該生物體O上，且該影像組合模組115輸出一組合影像CI。請參閱第3圖，為一種類型之該組合影像CI，該空間配對模組114將各該生物體O編號，並在右側標註各個編號之該生物體O對應之該生命徵象Vs。請參閱第4圖，其為另一種類型之該組合影像CI，其直接將各該生命徵象Vs標註於其配對之該生物體O上，該組合影像CI的顯示類型視監視器的大小及使用者的需求而定，其並非本發明之所限。
請參閱第1及2圖，於步驟17「是否有新增生物體」中，持續地以該影像擷取模組120擷取該影像I及以該雷達130偵測該生理訊號V，並藉由該生物體辨識模組111透過不同時間下之該影像I判斷是否有新增至少一個該生物體O。若該生物體辨識模組111判斷該影像I僅新增了單一個該生物體O、該生物體O之該數量不變或減少該生物體O時進行步驟14，由該時間配對模組113進行生命徵象之配對。若該影像I中新增了複數個該生物體O則進行步驟15，由該空間配對模組115進行生命徵象之配對，而若該影像I中不具有生物體則進行步驟11，以重新配對該生命徵象Vs至該影像I中之該生物體O。
請參閱第1圖，於步驟17中若該影像I中新增了至少一個該生物體O，該生命徵象擷取模組112亦須由該生理訊號V中擷取出另外至少一個該生命徵象Vs，而有著複數個該生命徵象Vs。因此，在進行步驟14或15前必須先判定哪個該生命徵象Vs為原始之該生物體B的生命徵象Vs，並判定哪個該生命徵象Vs為新增之該生物體B的生命徵象Vs。在本實施例中，該生命徵象擷取模組112計算新增該生物體B後擷取之該些生命徵象Vs與新增該生物體B前擷取之該生命徵象Vs之間的一差異值，並根據該差異值判斷該生理訊號V中新增之該生命徵象Vs。由於各該生物體O的生命徵象在短時間內並不會有過大之變化，在本實施例中，該生命徵象擷取模組112將該差異值最小之該生命徵象Vs判斷為原始之該生命徵象Vs，其餘之該生命徵象Vs則判斷為新增之該生命徵象Vs。舉例來說，若原本該生命徵象擷取模組112由該生理訊號V中擷取之單一個心跳頻率為83次/分，在新增該生物體後，該生理徵象擷取模組112由該生理訊號V中擷取了三個心跳頻率為84次/分、88次/分及78次/分，各該差異值分別為1、5及5，則該生命徵象擷取模組112將心跳頻率84次/分判定為原始之該生命徵象Vs，並將心跳頻率88次/分及78次/分判定為新增之該生命徵象Vs。
請參閱第1及2圖，於步驟14「時間配對模組配對生命徵象」中，若只新增了單一個該生物體O，該生命徵象擷取模組112也會由該生理訊號V中擷取出單一個新增之該生命徵象Vs，因此，該時間配對模組113將該生理訊號Vs配對至新增之該生物體B，而該生理訊號V中原始之該生命徵象Vs則繼續分配至原始之該生物體B。而若該生物體O之該數量不變或減少該生物體O時，該生物體辨識模組111並不會由該生理訊號V擷取出新增之該生命徵象Vs，因此，該時間配對模組113維持原有之配對將各該生命徵象Vs分配至各該生物體O。
請參閱第1及2圖，於步驟15「空間配對模組配對生命徵象」中，若只新增了複數個該生物體O，該生命徵象擷取模組112也會由該生理訊號V中擷取出複數個新增之該生命徵象Vs，該空間配對模組114依據新增之各該生命徵象Vs的能量大小及新增之各該生物體O之該距離將新增之各該生命徵象Vs配對至新增之各該生物體O。相同地，該空間配對模組114將能量由大至小之新增之該生命徵象Vs配對至該位置P由近至遠之新增之各該生物體O，而該生理訊號V中原始之該生命徵象Vs則繼續分配至原始之該生物體O。步驟14或15將新增之該生命徵象配對至新增之該生物體後進行步驟16，該運算裝置110之該影像組合模組115將已配對之該生命徵象Vs組合至該影像I之該生物體O上，且該影像組合模組115輸出該組合影像CI。
請參閱第5圖，於另一實施例中，若偵測該生理訊號V之該雷達130具有高指向性之天線或是波束成型之天線陣列，其無線訊號之波束寬並不會涵蓋該影像擷取裝置120擷取之該影像的所有範圍，而是需要轉動該天線或是改變天線陣列之波束方向使其指向不同位置以偵測範圍中所有之該生物體，如第5圖所示，若該影像擷取裝置120可擷取得同時包含該生物體A、B及C之影像，而該雷達130無線訊號之波束寬只能涵蓋單一個區域1、2、3、4或5時，可預先將該影像擷取裝置120擷取之該影像區分為5個區域，當該生物體辨識模組111辨識該區域中只有單一個該生物體O時，將該雷達130之無線訊號對準該區域測得該生理訊號V，該生命徵象擷取模組112由該生理訊號V擷取出單一個該生命徵象Vs，並直接透過該時間配對模組113將此區域測得之該生命徵象Vs分配至該生物體。例如，該生物體辨識模組111辨識得該區域3中僅具有單一個生物體B時，將該雷達130之無線訊號指向區域3偵測該生理訊號V，該生命徵象擷取裝置112再由該生理訊號V中擷取出單一個該生命徵象Vs，因此，該時間配對模組113將單一個該生命徵象Vs配對至單一個該生物體。但相對地，若該生物體辨識模組111辨識得一個區域中有著多個生物體B時，則由該空間配對模組114依據各該生命徵象之能量大小進行各該生命徵象之配對。
請參閱第6圖，其為本發明之實施例實際以影像攝影機擷取熱影像及自我注入鎖定雷達偵測生命徵象，並將其進行組合而得之該組合影像CI。其中在第6(a)圖中該影像I中進入一個人，但此時尚未完成生命徵象之配對，因此生命徵象還未進行標示，接著，請參閱第6(b)圖，完成生命徵象之配對時即將生命徵象直接標示於人的位置上，接著，請參閱第6(c)圖，該影像I中進入另一個人，但此時尚未完成新增之另一個的生命徵象配對，最後，請參閱第6(d)圖，完成生命徵象之配對後，兩個人的生命徵象皆標示完成，而達成多生物體之生命徵象的配對。
本發明藉由該影像擷取裝置120擷取之該影像I輔助該雷達130測得之該生理訊號V進行配對，而可將該雷達130測得之該生命徵象Vs配對至對應之該生物體O，克服了多個生命徵象Vs無法配對的問題，達成非接觸式多生物體之生理訊號偵測。
本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。
10:影像之生物體的生理訊號配對方法11:影像擷取及生理訊號偵測 12:生物體之辨識及生命徵象之擷取13:影像中是否有複數個生物體 14:時間配對模組配對生命徵象15:空間配對模組配對生命徵象 16:組合生命徵象至影像之生物體17:是否有新增生物體 110:運算裝置111:生物體辨識模組 112:生命徵象擷取模組113:時間配對模組 114:空間配對模組115:影像組合模組 120:影像擷取裝置130:雷達 I:影像O:生物體 P:位置V:生理訊號 Vs:生命徵象CI:組合影像
第1圖：依據本發明之一實施例，一種影像之生物體的生理訊號配對方法的流程圖。 第2圖：依據本發明之一實施例，一生理訊號配對系統的功能方塊圖。 第3圖：依據本發明之一實施例，一種類型之組合影像的示意圖。 第4圖：依據本發明之一實施例，一種類型之組合影像的示意圖。 第5圖：依據本發明之一實施例，具有高指向性之天線或波束成型之天線陣列之雷達進行生理訊號偵測之示意圖。 第6圖：依據本發明之一實施例進行實際量測而得之組合影像。
10:影像之生物體的生理訊號配對方法
11:影像擷取及生理訊號偵測
12:生物體之辨識及生命徵象之擷取
13:影像中是否有複數個生物體
14:時間配對模組配對生命徵象
15:空間配對模組配對生命徵象
16:組合生命徵象至影像之生物體
17:是否有新增生物體

Claims (10)

  1. 一種影像之生物體的生理訊號配對方法，其包含： 一運算裝置接收一影像及一生理訊號，且該運算裝置之一生物體辨識模組辨識該影像中之一生物體的一數量及一位置，該運算裝置之一生命徵象擷取模組由該生理訊號中擷取出與該生物體之該數量相同之一生命徵象； 該生物體辨識模組判斷該影像中是否有複數個該生物體，若僅有一個該生物體則該運算裝置之一時間配對模組將該生理訊號中之該生命徵象配對至該生物體，若有複數個該生物體則該運算裝置之一空間配對模組依據各該生命徵象的一能量大小及各該生物體之該位置將各該生命徵象配對至各該生物體；以及 該生物體辨識模組藉由不同時間下之該影像判斷是否有新增至少一個該生物體，若新增一個該生物體則該時間配對模組將該生理訊號中新增之該生命徵象配對至新增之該生物體，若新增複數個該生物體則該空間配對模組依據新增之各該生命徵象的該能量大小及新增之各該生物體之該距離將新增之各該生命徵象配對至新增之各該生物體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像之生物體的生理訊號配對方法，其中若該影像新增至少一個該生物體時，該生命徵象擷取模組計算新增生物體後擷取之該些生命徵象與新增該生物體前擷取之該生命徵象之間的一差異值，並根據該差異值判斷該生理訊號中新增之該生命徵象。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之影像之生物體的生理訊號配對方法，其中該生命徵象擷取模組將該差異值最小之該生命徵象判斷為原始之該生命徵象，其餘之該生命徵象則判斷為新增之該生命徵象。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像之生物體的生理訊號配對方法，其中該影像由一影像擷取裝置擷取而得，該影像擷取裝置可選自為一深度攝影機、一熱影像攝影機或一光學攝影機。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像之生物體的生理訊號配對方法，其中該生理訊號由一雷達偵測而得，該雷達可選自為一都普勒雷達(Doppler radar)、一自我注入鎖定雷達(Self-injection-locked radar)或一超寬頻雷達(Ultra-wideband radar)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之影像之生物體的生理訊號配對方法，其另包含該運算裝置之該空間配對模組根據測得各該生命徵象之一角度及各該生物體位於該影像中的區域將各該生命徵象配對至各該生物體。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之影像之生物體的生理訊號配對方法，其中該生理訊號由一具高指向性天線或具波束成型之天線陣列之雷達偵測而得。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之影像之生物體的生理訊號配對方法，其中該運算裝置之一影像組合模組將已配對之該生命徵象組合至該影像之該生物體上，且該影像組合模組輸出一組合影像。
  9. 一種生理訊號配對系統，其包含： 一影像擷取裝置，用以擷取一影像； 一雷達，用以偵測一生理訊號；以及 一運算裝置，其具有一生物體辨識模組、一生命徵象擷取模組、一時間配對模組及一空間配對模組，該生物體辨識模組電性連接該影像擷取裝置以接收該影像，該生物體辨識模組用以辨識該影像中之一生物體的一數量及一位置，該生命徵象擷取模組電性連接該雷達及該生物體辨識模組以接收該生理訊號，該生命徵象擷取模組用以由該生理訊號中擷取出與該生物體之該數量相同之一生命徵象，該時間配對模組電性連接該生物體辨識模組及該生命徵象擷取模組以接收該生物體之該位置及該生命徵象，該時間配對模組將該生理訊號中之該生命徵象配對至該生物體，該空間配對模組電性連接該生物體辨識模組及該生命徵象擷取模組以接收該生物體之該位置，並由該生命徵象擷取模組接收該生命徵象，且該空間配對模組根據各該生命徵象的一能量大小及各該生物體之該位置將各該生命徵象配對至各該生物體。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號配對系統，其中該運算裝置另具有一影像組合模組，該影像組合模組電性連接該時間配對模組及該空間配對模組，該影像組合模組將已配對之該生命徵象組合至該影像之該生物體上，且該影像組合模組輸出一組合影像。
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