[發(fā)明專利]一種面向壓縮視頻的心率檢測方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210593043.X
• 申請日: 2022-05-27
• 公開（公告）號: CN114869260A
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王萬良;方睿鴿;趙昶辰
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: A61B5/024
• 分類號: A61B5/024
• 代理公司: 浙江千克知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33246
• 代理人: 趙芳

1.一種面向壓縮視頻的心率檢測方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

步驟1：估計皮膚反射模型參數(shù)

基于rPPG的生理指標(biāo)測量算法通過測量皮膚對不同顏色光吸收反射變化的差異性反映出血容量的變化，RGB三通道里包含的信號和心率信號的關(guān)聯(lián)度不一樣，其中G通道包含了最強(qiáng)的心率信號，R和B通道中脈搏信號強(qiáng)度遠(yuǎn)低于時間信號，所以在估計時間信號的過程中，可以忽略脈搏信號的存在；通過建模皮膚對不同顏色通道的吸收和反射情況，利用皮膚對不同波長光照吸收的差異性和互補(bǔ)性，組合多個顏色通道來估計脈搏信號，并合成無噪聲的觀測信號，以此來測量出心率生理指標(biāo)；

步驟2：合成無噪聲的觀測信號

基于雙反射模型，將記錄圖像序列中每個皮膚像素的反射定義為RGB通道中的時變函數(shù)，變化是由身體運動和血液脈動引起的，根據(jù)該皮膚反射模型，代入估計得出的模型參數(shù)，合成得到無噪聲的原始測量信號；

步驟3：提取血容量脈搏BVP信號

血容量脈搏信號提取采用平面正交貼面法POS，在時間歸一化的RGB空間中使用與膚色正交的平面進(jìn)行脈沖提取，用投影矩陣將RGB信號投影到一個最可能含有脈搏信號的范圍。

2.如權(quán)利要求1所述的面向壓縮視頻的心率檢測方法，其特征在于：所述步驟1的過程如下：

估計皮膚反射模型參數(shù)：

首先根據(jù)皮膚反射模型，正常相機(jī)采集到的、經(jīng)過時間歸一化后的原始測量信號(L為窗口長度)如下：

基于二色反射模型，C_n(t)由來自皮膚表面的鏡面反射和漫反射組成，由于身體運動影響光源、皮膚表面和相機(jī)之間的幾何結(jié)構(gòu)，鏡面反射主要包含運動引起的變化，即不受歡迎的運動偽影；鏡面反射包含鏡面變化信號，即非脈搏(間信號，表示為為鏡面反射相關(guān)的向量；一小部分入射光穿透皮膚到達(dá)微血管，這部分成為漫反射，它包含目標(biāo)脈搏信號，表示為為脈搏的振動方向；兩個分量都與光強(qiáng)度水平成比例，因此由表示為i(t)的強(qiáng)度變化信號調(diào)制；

對于噪聲太大的相機(jī)，假設(shè)綠色通道信號仍滿足公式(1)，但在藍(lán)色紅色通道信號中，不包含p(t)，僅包含s(t)；

則退化信號的RGB三通道原始測量信號公式如下：

C_nr(t)＝i(t)+u_sr·s(t) (2)

C_ng(t)＝i(t)+u_sg·s(t)+u_pg·p(t) (3)

C_nb(t)＝i(t)+u_sb·s(t) (4)

目標(biāo)是在給定C_n(t)、u_s和u_p的情況下估計p(t)，根據(jù)無噪聲相機(jī)所采集的原始測量信號估計u_s和u_p，直接使用學(xué)習(xí)得到的u_s和u_p；

u_s＝[0.6265，0.5479，0.5526] (5)

u_p＝[0.3435，0.7968，0.4972] (6)

其中要求u_s和u_p為單位向量，即：

①利用C_n估計s(t)

由于在紅藍(lán)通道中，p(t)的信號強(qiáng)度遠(yuǎn)低于s(t)，在估計s(t)的過程中，假設(shè)p(t)可以忽略，i(t)為常數(shù)，即

通過最小二乘法估計s(t)：

結(jié)合公式(7)，得出此問題解析解：

②通過綠色通道信號估計p(t)；

根據(jù)綠色通道信號公式3，經(jīng)簡單推導(dǎo)得，

3.如權(quán)利要求2所述的面向壓縮視頻的心率檢測方法，其特征在于：所述步驟2的過程為：合成無噪聲的觀測信號，將已知的u_s、u_p和估計求得的s(t)和p(t)代入公式(1)，得合成的原始測量信號的計算公式為：

4.如權(quán)利要求1～3之一所述的面向壓縮視頻的心率檢測方法，其特征在于：由步驟1和步驟2中得到的無噪聲的原始測量信號，通過POS算法提取血容量脈搏BVP信號，過程如下：

提取血容量脈搏BVP信號，使用高性能、簡算法且被廣泛采用的平面正交貼面法POS，來實現(xiàn)從遠(yuǎn)程光體積描記法(rPPG)的軌跡中提取血容量脈搏(BVP)信號；POS定義了一個與向量[1，1，1]^T正交的投影平面，該平面實際上是一個與時間歸一化膚色正交的平面，以消除膚色的依賴性；

對于單個光源，皮膚搏動通常在G通道中最大，其次是B通道和R通道；基于這樣的通道排序和投影信號的要求，將經(jīng)過時間歸一化的軌跡投影到由投影矩陣定義的兩個向量上：P_p＝[0，1，-1；-2，1，1]，其中每一行表示一個相互正交的投影軸，它實際上將時間歸一化的RGB信號組合為：

S₁(t)＝I_nG(t)-I_nB(t) (64)

S₂(t)＝I_nG(t)+I_nB(t)-2I_nR(t) (75)

鏡面反射失真和脈沖在投影平面上是可物理分離的，為了分離鏡反射和脈搏信號成分，S₁(t)和S₂(t)需要進(jìn)行α-tuning處理：

h(t)＝s₁(t)+αs₂(t) (86)

其中α＝σ(s₁(t))/σ(s₂(t))，同時σ(·)表示標(biāo)準(zhǔn)偏差，h(t)是提取的BVP信號，也稱它為POS特征；使用的alpha調(diào)整有一個吸引人的特性：當(dāng)脈動變化支配()時，₁()和₂()出現(xiàn)同相，將兩個同相信號加在一起將提高結(jié)果信號強(qiáng)度，即此時α的值并不重要；當(dāng)鏡面反射變化支配()時，₁()和₂()反相出現(xiàn)，α將一個信號的鏡面變化強(qiáng)度拉/推到與另一個信號相同的水平，即σ(S₁)＝σ(α·S₂)；添加兩個具有相同幅度的反相信號將抵消鏡面反射失真，然而，當(dāng)脈動強(qiáng)度和鏡面反射強(qiáng)度非常接近時，它的性能變得次優(yōu)，即α是由兩者的混合驅(qū)動的，因此沒有明確定義；

對于長時間的檢測視頻，將加窗輸出串聯(lián)起來，得到長時間的脈搏信號，給定一個長度為N的視頻，首先將序列分割成長度為T的片段，應(yīng)用所提出的算法來獲得窗口化的輸出，并應(yīng)用重疊相加的方法以獲得最終的脈搏信號輸出。