一种基于PPG心率测量技术的信号处理方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于PPG心率测量技术的信号处理方法，包括：获取彩色视频，提取视频帧序列；对视频帧序列的每一个视频帧进行图像处理，确定视频帧的有效区域；根据视频帧的有效区域，提取有效信号，并进行降噪处理；对降噪后的信号进行周期分析，获得心率统计值。此外，本发明专利技术还提供了一种基于心率测量技术的信号处理装置，包括获取模块、图像处理模块、提取模块、降噪模块及分析处理模块，图像处理模块分别与获取模块、提取模块相连，降噪模块分别与提取模块、分析处理模块相连。本发明专利技术对存在运动、灯光、噪声等多种干扰情况下获取的测量信号进行针对性处理，大幅提高获取信号精度，扩大PPG技术使用范围，使其在各种环境下均能精确工作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信号处理领域，尤其涉及一种基于PPG心率测量技术的信号处理方法及装置。
技术介绍
现有PPG技术可以通过摄像头非接触地采集人体面部或者其他部位的视频图像，检测经过人体的血液和组织吸收后反射光强度的不同，描记出血管容积在心动周期内的变化率，然后利用现代信号处理的方法，从得到的脉搏波中计算得出心率，实现心率的无创连续非接触式测量。然而由于测量部位的移动、自然光、日光灯等等其他的干扰，最终测到的信号万网较弱，同时噪声干扰与波动非常严重，因而该PPG技术的非接触式测量得到结果并不完全理想。目前该方面的研究侧重硬件结构实现方面，对光源选择以及系统结构方面做了大量研究，在信息处理方面只是单纯地通过傅里叶变换等频谱分析方法提取有用信号，再经处理得到心率，处理过程精确度较低，在干扰信号较强时可信度低。现有技术在目标存在运动、灯光、噪声等干扰的情况下测量精度严重下降，在信号处理方面采用的方法过于简单，难以适应各种使用环境下的需求，使得设备使用严重受限。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于PPG心率测量技术的信号处理方法及装置，用以解决现有技术中存在基于PPG心率测量技术的信号处理方法过于简单，难以适应各种使用环境下的需求，使得设备使用严重受限的问题。本专利技术方法一种基于PPG心率测量技术的信号处理方法，包括步骤：S100获取彩色视频，提取视频帧序列；S200对所述视频帧序列的每一个视频帧进行图像处理，确定所述视频帧的有效区域；S300根据所述视频帧的有效区域，提取有效信号，并进行降噪处理；S400对降噪后的信号进行周期分析，获得心率统计值。优选的，所述步骤S200包括步骤：S210采用直方图均衡化的方法对所述视频帧序列的每一个视频帧进行光照补偿处理；S220采用基于纹理特征的方法对处理后的视频帧进行人脸检测，提取人脸区域彩色图像。在自然光或者灯光照射下，通过传统摄像头获取自然彩色视频，然后通过图像处理减少光照的干扰、降噪来减少噪声的干扰，通过这一系列信号处理，从而提高测量精确度。也使得检测设备的使用范围更广泛，对环境的要求低。进一步的，所述步骤S300包括步骤：S310对所述有效区域的彩色图像进行三通道分离，获得数字化信号，并对所述数字化信号进行标准化与盲源分离处理；S320将处理后的信号进行滤波。进行人脸检测之前采用直方图均衡化方法对光照进行补偿，可大幅度消除光照不均对信号提取产生的影响；通过盲源分析可以消除一部分的伪动噪声。为了进一步消除噪声的影响，对经过盲源分析的信号需要进行数字滤波。进一步的，所述步骤S310包括步骤：S311将提取的有效区域的彩色图像进行红、绿、蓝三通道分离，分别得到数字化信号；S312将所述数字化信号进行标准化，得到标准化后的数字信号；S313将所述标准化后的数字信号采用独立成分分析法进行盲源信号分析，得到相互独立的信号；所述步骤S320包括步骤：S321采用多点移动平均滤波法对信号进行处理；S322采用窗口滤波法进行滤波处理。考虑被拍摄目标可能存在位移现象，因此本专利技术选择窗口移动平均滤波法进行滤波处理，在处理过程中首先采用多点移动平均滤波法对信号进行处理，在采用窗口滤波法进行滤波处理进一步的，所述步骤S400包括步骤：S410采用Welch离散功率谱分析方法分析降噪后的信号，得到心率信号的频谱图；S420通过得到的信号频谱，分析出信号周期，得到心率统计值。采用Welch离散功率谱分析方法得到处理后的心率信号的频谱图，方法复杂度低，有利于实时测量进一步的，所述步骤S410包括步骤：S411将长度为N的数据分成L段，每段的长度为M；S412分别求每一段的功率谱，然后取平均值，获得估计的功率谱；所述步骤S420包括：S421采用周期图法进行频谱分析，找出频谱中第一个峰值位置对应的频率，即为心率的频率，得到心率统计值。进一步的，所述步骤S412中，估计的功率谱计算公式为：其中，为第i段采集数据，d(t)为选取的窗口函数，U为归一化因子，表达式为上述窗口函数可选用hamming窗。进一步的，所述步骤S312中采用的标准化的方法为：其中，μR、μG、μB分别为三通道数字化信号SR(t)、SG(t)、SB(t)对应的均值，σR、σG、σB分别为三通道数字化信号SR(t)、SG(t)、SB(t)对应的标准差，标准化后的信号均值为0，方差为1；所述步骤S313中，对标准化后的信号采用独立成分分析法进行盲源信号分析，得到相互独立的信号xa(t)、xb(t)、xc(t)；所述步骤S322中窗口滤波法采用的窗口函数为hamming窗，其时间窗口函数为：窗谱为：其中，T为滤波周期。本专利技术还提供了一种基于PPG心率测量技术的信号处理的装置，该装置应用上述信号处理方法，包括获取模块、图像处理模块、提取模块、降噪模块及分析处理模块，所述图像处理模块分别与所述获取模块、提取模块相连，所述降噪模块分别与所述提取模块、分析处理模块相连，其中：所述获取模块获取彩色视频，提取视频帧序列；所述图像处理模块对所述视频帧序列的每一个视频帧进行图像处理，确定所述视频帧的有效区域；所述提取模块根据所述视频帧的有效区域，提取有效信号，并通过所述降噪模块进行降噪处理；所述分析处理模块对降噪后的信号进行周期分析，获得心率统计值。进一步的，所述图像处理模块包括光照补偿单元、及与所述光照补偿单元相连的人脸区域确定单元；其中：所述图像处理模块对所述视频帧序列的每一个视频帧进行图像处理，确定所述视频帧的有效区域包括：所述光照补偿单元采用直方图均衡化的方法对所述视频帧序列的每一个视频帧进行光照补偿处理；所述人脸区域确定单元采用基于纹理特征的方法对经过光照补偿处理后的视频帧进行人脸检测，提取人脸区域彩色图像。进一步的，所述提取模块包括：信号分离单元、及与所述信号分离单元相连的标准化单元；所述降噪模块包括：盲源分析单元、及与所述盲源分析单元相连的滤波单元；其中：所述提取模块根据所述视频帧的有效区域，提取有效信号，并通过所述降噪模块进行降噪处理包括：所述信号分离单元对所述人脸区域的彩色图像进行三通道分离，获得数字化信号，并通过所述标准化单元对所述数字化信号进行标准化处理；所述盲源分析单元对经过所述标准化单元标准化处理后的信号进行盲源分析处理；所述滤波单元将处理后的信号进行滤波。进一步的，所述信号分离单元对所述人脸区域的彩色图像进行三通道分离，获得数字化信号，并通过所述标准化单元对所述数字化信号进行标准化处理；所述盲源分析单元对经过所述标准化单元标准化处理后的信号进行盲源分析处理包括：所述信号分离单元将提取的有效区域的彩色图像进行红、绿、蓝三通道分离，分别得到数字化信号；所述标准化单元将所述数字化信号进行标准化，得到标准化后的数字信号；所述盲源分析单元将所述标准化后的数字信号采用独立成分分析法进行盲源信号分析，得到相互独立的信号；所述滤波单元将处理后的信号进行滤波包括：所述滤波单元采用多点移动平均滤波法对信号进行处理；并采用窗口滤波法进行滤波处理。进一步的，所述分析处理模块对降噪后的信号进行周期分析，获得心率统计值包括：所述分析处理模块采用Welch离散功率谱分析方法分析所述降噪模块降噪后的信号，得到心率信号的频谱图；所述分析处理模块通过得到的信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于PPG心率测量技术的信号处理方法，其特征在于，包括步骤：S100获取彩色视频，提取视频帧序列；S200对所述视频帧序列的每一个视频帧进行图像处理，确定所述视频帧的有效区域；S300根据所述视频帧的有效区域，提取有效信号，并进行降噪处理；S400对降噪后的信号进行周期分析，获得心率统计值。

【技术特征摘要】
1.一种基于PPG心率测量技术的信号处理方法，其特征在于，包括步骤：S100获取彩色视频，提取视频帧序列；S200对所述视频帧序列的每一个视频帧进行图像处理，确定所述视频帧的有效区域；S300根据所述视频帧的有效区域，提取有效信号，并进行降噪处理；S400对降噪后的信号进行周期分析，获得心率统计值。2.根据权利要求1所述的一种基于PPG心率测量技术的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S200包括步骤：S210采用直方图均衡化的方法对所述视频帧序列的每一个视频帧进行光照补偿处理；S220采用基于纹理特征的方法对处理后的视频帧进行人脸检测，提取人脸区域彩色图像。3.根据权利要求1所述的一种基于PPG心率测量技术的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S300包括步骤：S310对所述有效区域的彩色图像进行三通道分离，获得数字化信号，并对所述数字化信号进行标准化与盲源分离处理；S320将处理后的信号进行滤波。4.根据权利要求3所述的一种PPG心率测量技术的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S310包括步骤：S311将提取的有效区域的彩色图像进行红、绿、蓝三通道分离，分别得到数字化信号；S312将所述数字化信号进行标准化，得到标准化后的数字信号；S313将所述标准化后的数字信号采用独立成分分析法进行盲源信号分析，得到相互独立的信号；所述步骤S320包括步骤：S321采用多点移动平均滤波法对信号进行处理；S322采用窗口滤波法进行滤波处理。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于PPG心率测量技术的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S400包括步骤：S410采用Welch离散功率谱分析方法分析降噪后的信号，得到心率信号的频谱图；S420通过得到的信号频谱，分析出信号周期，得到心率统计值。6.根据权利要求5所述的一种基于PPG心率测量技术的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S410包括步骤：S411将长度为N的数据分成L段，每段的长度为M；S412分别求每一段的功率谱，然后取平均值，获得估计的功率谱；所述步骤S420包括：S421采用周期图法进行频谱分析，找出频谱中第一个峰值位置对应的频率，即为心率的频率，得到心率统计值。7.根据权利要求6所述的一种基于PPG心率测量技术的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S412中，估计的功率谱计算公式为：P(ω)=1MU|Σt=0M-1xNi(t)d(t)e-jωt|2]]>其中，为第i段采集数据，d(t)为选取的窗口函数，U为归一化因子，表达式为U=1MΣn=0M-1d2(t).]]>8.根据权利要求4所述的一种基于PPG心率测量技术的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S312中采用的标准化的方法为：S^R(t)=SR(t)-μRσR,S^G(t)=SG(t)-μGσG,S^B(t)=SB(t)-μBσB]]>其中，μR、μG、μB分别为三通道数字化信号SR(t)、SG(t)、SB(t)对应的均值，σR、σG、σB分别为三通道数字化信号SR(t)、SG(t)、SB(t)对应的标准差，标准化后的信号均值为0，方差为1；所述步骤S313中，对标准化后的信号采用独立成分分析法进行盲源信号分析，得到相互独立的信号xa(t)、xb(t)、xc(t)；所述步骤S322中窗口滤波法采用的窗口函数为hamming窗，其时间窗口函数为：d(t)=1T(0.54+0.46cosπtT),|t|≤T0,|t|>T]]>窗谱为：D(ω)=1.08sinωTωT+0.46[sin(ωT+π)ωT+π+sin(ωT-π)ωT-π]]]>其中，T为滤波周期。9.一种基于PPG心率测量技术的信号处理装置，其特征在于，包括获取模块、图像处理模块、提取模块、降噪模块及分析处理模块，所述图像处理模块分别与所述获取模块、提取模块相连，所述降噪模块分别与所述提取模块、分析处理模块相连，其中：所述获取模块获取彩色视频，提取视频帧序列；所述图像处理模块对所述视频帧序列的每一个视频帧进行图像处理，确定所述视频帧的有效区域；所述提取模块根据所述视频帧的有效区域，提取有效信号，并通过所述降噪模块进行降噪处理；所述分析处理模块对降噪后的信号进行周期分析，获得心率统计值。10.根据权利要求9所述的一种基于PPG心率测量技术的信号处理装置，其特征在于，所述图像处理模块包括光照补偿单元、及与...

【专利技术属性】
技术研发人员：代伟佳，
申请(专利权)人：上海斐讯数据通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31