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提高基于机器视觉的心率测量精度的方法
  • ISSN号:1000-0593
  • 期刊名称:《光谱学与光谱分析》
  • 时间:0
  • 分类:R56[医药卫生—呼吸系统;医药卫生—临床医学;医药卫生—内科学]
  • 作者机构:[1]天津大学,精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072, [2]天津大学,天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室,天津300072, [3]天津中医药大学中医药工程学院,天津300193
  • 相关基金:National Natural Science Foundation of China(NSFC)(81202643); Tianjin Application Basis&Front Technology Study Programs(14JCZDJC33100)
中文摘要:

基于摄像头(可见光)的心率测量方法,能够以非接触的方式检测受试者心率,无论在临床应用还是在家庭健康监护中都有着极大的应用前景。但是,CMOS摄像头的行扫描方式采集图像以及计算机系统的图像采集时钟抖动都会影响此类心率测量的精度,从而引入相位误差和系统随机误差。本文针对这两大主要误差进行研究分析,提出了消除相位误差的基于傅里叶变换的幅频叠加算法、消除图像采集系统时钟抖动误差的基于时间标定的三次样条插值重构方法。幅频叠加算法只在幅频域对信号进行处理,能够忽略信号的相位影响,从而消除相位误差。时间标定的三次样条重构算法能够重构图像的均匀采集,从而消除系统时钟抖动引起的随机误差。同时,通过理论推导论证了两种算法的可行性,进而利用LED模拟实验和实际心率测量实验验证该算法在提高信号检测精密度中的特性。在模拟实验中,对每帧图像的200行作幅频叠加运算,能够使信号幅值相对提升4.58%;基于时间标定的三次样条重构算法能使检测的信号频率的均方根误差缩小30%以上;在实际心率检测中,幅频叠加算法可使心率幅值相对提升达33.5%,基于时间标定的三次样条重构算法可使心率准确度提升40%左右。因此,模拟实验和实际心率测量实验均验证了提出的算法在提高系统检测精度上的有效性,提高了基于机器视觉心率测量的抗干扰能力。这两种算法不仅能够提高基于机器视觉的心率检测精度,而且能够适用于基于机器视觉对一定频率信号的检测,在机器视觉检测中具有广泛的意义。

英文摘要:

The heart rate(HR)measurements based on the camera(visible light)can be used to detect HR in non-contact mode,which has great application prospects both in the clinical application and home health care.However,CMOS sensors equipped with"rolling shutters",which distinguishes different lines per frame to become light sensitive at different moments in time,and stylized dithering of image acquisition(IMAQ)time caused by different computer programs running in the background will greatly influence the accuracy of the measured HR.In this paper,we analyze the phase error caused by CMOS sensor and the system error introduced by system sampling clock jitters.According to derivation,we propose two methods,amplitude-frequency superposition and a cubic spline interpolation reconstruction method based on actual schedules,that can be widely utilized in computer vision to overcome the camera phase error and sampling time fluctuation error.Amplitude of signal is analyzed and processed in amplitude-frequency domain in the method of amplitude-frequency superposition,which ignores the signal phase.Thus it can eliminate the phase error effectively.The cubic spline interpolation reconstruction method based on actual schedules can reconstructed the non-uniform sampling of images as uniform ones,so it can eliminate the system error involved by the system clock jitters.What's more,the properties of the methods are tested by applying them to both simulation experiments and real HR measurements.In the simulation,amplitude of measured signal is improved 4.58%relative to the amplitude measured without the method of amplitude-frequency superposition;root mean square error of signal's frequency,detected by the cubic spline interpolation reconstruction method based on actual schedules,is reduced more than 30%.In the real HR measurements,the amplitude of HR is raised to 33.5%relatively based on amplitude-frequency superposition.And the accuracy of HR is raised to approximately 40% by the method of cubic spline interpolation r

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期刊信息
  • 《光谱学与光谱分析》
  • 中国科技核心期刊
  • 主管单位:中国科学技术协会
  • 主办单位:中国光学学会
  • 主编:高松
  • 地址:北京海淀区魏公村学院南路76号
  • 邮编:100081
  • 邮箱:chngpxygpfx@vip.sina.com
  • 电话:010-62181070
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-0593
  • 国内统一刊号:ISSN:11-2200/O4
  • 邮发代号:82-68
  • 获奖情况:
  • 1992年北京出版局编辑质量奖,1996年中国科协优秀科技期刊奖,1997-2000获中国科协择优支持基础性高科技学术期刊奖
  • 国内外数据库收录:
  • 俄罗斯文摘杂志,美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国生物医学检索系统,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),英国英国皇家化学学会文摘,中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:40642