JP7802335B2 - Pulse wave detection system, pulse wave detection method and program - Google Patents
Pulse wave detection system, pulse wave detection method and programInfo
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Description
本発明は、非接触で対象者の脈波を検出して、対象者の状態を検出できる脈波検出システム、脈波検出方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a pulse wave detection system, pulse wave detection method, and program that can detect a subject's pulse wave in a non-contact manner and determine the subject's condition.
近年、コロナ禍などの様々な環境の変化に伴って、勤務中などに対象者(勤務者)のストレス評価を行って、対象者の状態を把握する重要度が増している。ストレス評価を行う手法として様々なものがあるが、一つの手法として、心臓の脈動に連動した脈波を検出して行うものがある。 In recent years, with various changes in the environment, such as the COVID-19 pandemic, it has become increasingly important to assess the stress of employees while they are at work, in order to understand their condition. There are various methods for stress assessment, but one method is to detect pulse waves linked to the heartbeat.
脈波は、例えば対象者の手首などに装着されるスマートウォッチのセンサで計測が可能である。そして、計測した脈波を用いてストレスを評価する手法としては、例えば脈波のピーク間隔のパワースペクトル密度から、ストレスが加わった状態か、あるいはリラックスした状態かを判別することができる。
また、脈波を用いてストレスを評価する別の手法として、脈波の振幅値を用いた手法がある。脈波の振幅値が増加するとき、ストレスが加わった状態であると評価でき、脈波の振幅値が減少するとき、リラックスした状態と評価できる。
Pulse waves can be measured, for example, using a sensor in a smartwatch worn on the subject's wrist. A method for evaluating stress using the measured pulse waves is to determine whether the subject is in a stressed or relaxed state from the power spectral density of the pulse wave peak interval, for example.
Another method for assessing stress using pulse waves is to use the amplitude of the pulse wave. When the amplitude of the pulse wave increases, it can be evaluated as a state of stress, and when the amplitude of the pulse wave decreases, it can be evaluated as a state of relaxation.
特許文献1には、計測対象者を撮影して、撮影した画像から脈泊などの生体情報を取得して、ストレスレベルなどの状態を判断する技術が記載されている。 Patent Document 1 describes a technology that captures an image of a person being measured, acquires biological information such as pulse rate from the captured image, and determines their condition, such as their stress level.
特許文献1に記載されているように、スマートウォッチなどの器具を装着することなく、非接触で脈波よりストレス評価を行うことは、従来から提案されている。しかしながら、画像から検出した脈波は精度が高くないため、必ずしもストレス評価が正確でないという問題があった。また、従来から脈波を検出する精度を高める研究は種々行われているが、高い精度で脈波を検出するためには、サンプリング周波数が高い、専用の高価な検出機器が必要であり、サンプリング周波数などがそれほど高くない一般的な機器を使って、精度の高い脈波の検出ができることが望まれていた。 As described in Patent Document 1, it has been proposed to perform non-contact stress assessment from pulse waves, without the need to wear a device such as a smartwatch. However, pulse waves detected from images are not highly accurate, which has led to the problem of stress assessments not always being accurate. Furthermore, while various research efforts have been conducted to improve the accuracy of pulse wave detection, detecting pulse waves with high accuracy requires specialized, expensive detection equipment with a high sampling frequency. Therefore, there has been a demand for highly accurate pulse wave detection using general-purpose equipment with a lower sampling frequency.
本発明の目的は、簡単かつ安価な構成で、非接触で精度の高い脈波の検出が可能な脈波検出システム、脈波検出方法及びプログラムを提供することにある。 The object of the present invention is to provide a pulse wave detection system, pulse wave detection method, and program that are simple and inexpensive, and capable of non-contact, highly accurate pulse wave detection.
本発明の脈波検出システムは、対象者の顔を撮影した画像データを取得する画像入力部と、画像入力部が取得した画像データを、色相と彩度と明度との成分からなるHSV色空間の画像データに変換すると共に、変換時の色相を肌色に相当する色相帯に制限する第1色空間変換部と、第1色空間変換部により変換されたHSV色空間の画像データを、原色の色空間に変換する第2色空間変換部と、第2色空間変換部により変換された原色の色空間の画像データから、各原色の成分を独立で分析する独立成分分析部と、独立成分分析部で分析された結果を周波数解析するフーリエ変換部と、一定時間に含まれる複数の区間についてそれぞれフーリエ変換部でフーリエ変換した結果から、脈波に相当する成分が含まれる周波数帯域に第1ピークが含まれる結果の振幅値を選択し、選択された振幅値を平均化することで、対象者の脈波の振幅値の検出結果を得る信号選択及び平均化部と、を備える。 The pulse wave detection system of the present invention comprises an image input unit that acquires image data of an image of a subject's face; a first color space conversion unit that converts the image data acquired by the image input unit into image data in an HSV color space consisting of components of hue, saturation, and lightness, and that limits the hue during conversion to a hue range corresponding to skin color; a second color space conversion unit that converts the image data in the HSV color space converted by the first color space conversion unit into a primary color color space; an independent component analysis unit that independently analyzes each primary color component from the image data in the primary color space converted by the second color space conversion unit; a Fourier transform unit that performs frequency analysis on the results analyzed by the independent component analysis unit; and a signal selection and averaging unit that selects, from the results of Fourier transform performed by the Fourier transform unit for each of a plurality of sections included in a certain time period, amplitude values that result in a first peak in a frequency band that includes a component corresponding to a pulse wave, and averages the selected amplitude values to obtain a detection result of the amplitude value of the subject's pulse wave.
また、本発明の脈波検出方法は、対象者の顔を撮影した画像データに基づいて、情報処理装置が演算処理を行って、前記対象者の脈波を検出する脈波検出方法であり、情報処理装置が行う演算処理として、対象者の顔を撮影した画像データを取得する画像取得処理と、画像取得処理で得られた画像データを、色相と彩度と輝度との成分からなるHSV色空間の画像データに変換すると共に、変換時の色相を肌色に相当する色相帯に制限する第1色空間変換処理と、第1色空間変換処理により変換されたHSV色空間の画像データを、原色の色空間に変換する第2色空間変換処理と、第2色空間変換処理により変換された原色の色空間の画像データから、各原色の成分を独立で分析する独立成分分析処理と、独立成分分析処理で分析された結果を周波数解析するフーリエ変換処理と、一定時間に含まれる複数の区間についてそれぞれフーリエ変換処理でフーリエ変換した結果から、脈波に相当する成分が含まれる周波数帯域に第1ピークが含まれる結果の振幅値を選択し、選択された振幅値を平均化することで、対象者の脈波の振幅値の検出結果を得る信号選択及び平均化処理と、を含む。
また、本発明のプログラムは、上述した脈波検出方法の各処理を手順としてコンピュータに実行させるものである。
Furthermore, the pulse wave detection method of the present invention is a pulse wave detection method in which an information processing device performs arithmetic processing based on image data obtained by photographing the face of the subject, thereby detecting the pulse wave of the subject. The arithmetic processing performed by the information processing device includes: an image acquisition process for acquiring image data obtained by photographing the face of the subject; a first color space conversion process for converting the image data obtained by the image acquisition process into image data in an HSV color space consisting of components of hue, saturation, and luminance, and limiting the hue during conversion to a hue band corresponding to skin color; a second color space conversion process for converting the image data in the HSV color space converted by the first color space conversion process into a color space of primary colors; an independent component analysis process for independently analyzing each primary color component from the image data in the color space of primary colors converted by the second color space conversion process; a Fourier transform process for frequency-analyzing the results analyzed by the independent component analysis process; and a signal selection and averaging process for selecting, from the results of Fourier transforming a plurality of sections included in a certain time period by the Fourier transform process, amplitude values of results that include a first peak in a frequency band that includes a component corresponding to the pulse wave, and averaging the selected amplitude values, thereby obtaining a detection result of the amplitude value of the pulse wave of the subject.
The program of the present invention causes a computer to execute the steps of the pulse wave detection method described above.
本発明によれば、顔を撮影した画像から脈波を精度よく検出できるようになる。このため、例えば検出した脈波に基づいて、精度の高いストレス評価が可能になる。特に、画像データを取得するカメラとして、一般的なWEBカメラのような安価なカメラを使用した画像から、脈波を精度よく検出できるようになり、安価な構成で精度の高いストレス評価が可能になる。 According to the present invention, pulse waves can be detected with high accuracy from images of a face. This makes it possible to perform highly accurate stress assessments, for example, based on the detected pulse waves. In particular, pulse waves can be detected with high accuracy from images taken using an inexpensive camera, such as a general-purpose web camera, to acquire image data, enabling highly accurate stress assessments with an inexpensive configuration.
以下、本発明の一実施の形態例(以下「本例」と称する)を、添付図面を参照して説明する。 One embodiment of the present invention (hereinafter referred to as "this embodiment") will be described below with reference to the accompanying drawings.
[システム構成]
図1は、本例の脈波検出システム100が行う処理についての構成を示す機能ブロック図である。
本例の脈波検出システム100は、カメラ1で撮影された画像データを取り込む。画像データは、脈波を検出する対象者の顔を撮影したものである。カメラ1で撮影された画像データは一定のフレームレートの動画データであり、各フレームの画像データが、赤(R)、緑(G)、青(B)の原色の画素データで構成される。画像データのフレームレートは、例えば30フレーム/毎秒であり、各フレーム内の画素は、赤(R)、緑(G)又は青(B)の輝度値を所定の階調で示す。
[System configuration]
FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of the processing performed by a pulse wave detection system 100 of this embodiment.
The pulse wave detection system 100 of this example captures image data captured by a camera 1. The image data is a photograph of the face of a subject whose pulse wave is to be detected. The image data captured by the camera 1 is video data at a constant frame rate, with each frame of image data being composed of pixel data of the primary colors red (R), green (G), and blue (B). The frame rate of the image data is, for example, 30 frames per second, and the pixels in each frame represent the brightness values of red (R), green (G), or blue (B) in a predetermined gradation.
脈波検出システム100に取り込まれた画像データは、第1色空間変換部101に供給される。第1色空間変換部101は、原色の画像データを、色相(Hue)、彩度(Saturation・Chroma)、明度(Value・Brightness)の三つの成分からなるHSV色空間の画像データに変換する。HSV色空間の明度は、輝度とも称される。
ここで、第1色空間変換部101は、色相(Hue)について制限を行って、特定の色相帯を取り出す処理を行う。特定の色相帯を取り出す処理の具体例については後述する。
Image data captured by pulse wave detection system 100 is supplied to first color space conversion unit 101. First color space conversion unit 101 converts the primary color image data into image data in the HSV color space, which is made up of three components: hue, saturation (chroma), and value (brightness). Value in the HSV color space is also called luminance.
Here, the first color space conversion unit 101 performs processing to extract a specific hue band by applying restrictions to the hue (Hue). A specific example of processing to extract a specific hue band will be described later.
第1色空間変換部101で変換されたHSV色空間の画像データは、第2色空間変換部102に供給される。第2色空間変換部102は、HSV色空間の画像データを、赤(R)、緑(G)、青(B)の原色の画像データに再変換する。
第2色空間変換部102で変換された画像データは、それぞれの成分ごとに独立成分分析部103に供給される。独立成分分析部103は、各色成分のフレームごとの変化の振幅を取得する分析処理を行う。この独立成分分析部103では、顔画像に含まれる肌の箇所などについて、心拍に相当する微細な振動状況の振幅値を得る処理が行われる。
The image data in the HSV color space converted by the first color space conversion unit 101 is supplied to the second color space conversion unit 102. The second color space conversion unit 102 reconverts the image data in the HSV color space into image data in the primary colors of red (R), green (G), and blue (B).
The image data converted by the second color space conversion unit 102 is supplied to the independent component analysis unit 103 for each component. The independent component analysis unit 103 performs an analysis process to obtain the amplitude of the change in each color component for each frame. The independent component analysis unit 103 performs a process to obtain the amplitude value of the minute vibration state corresponding to the heartbeat for the skin part included in the facial image.
すなわち、独立成分分析部103は、フレームごとの各色成分の変化から、脈波が含まれる振幅の成分を取り出す分析処理を行う。
独立成分分析部103が各色成分を分析処理した振幅のデータは、フーリエ変換部104に供給される。
フーリエ変換部104は、振幅のデータを周波数解析する。フーリエ変換部104で周波数解析された結果は、信号選択及び平均化部105に供給される。
That is, the independent component analysis unit 103 performs an analysis process to extract amplitude components containing pulse waves from the changes in each color component for each frame.
The amplitude data obtained by analyzing each color component by the independent component analysis unit 103 is supplied to a Fourier transform unit 104 .
The Fourier transform unit 104 performs frequency analysis on the amplitude data. The result of the frequency analysis by the Fourier transform unit 104 is supplied to the signal selection and averaging unit 105.
信号選択及び平均化部105は、周波数解析された結果に基づいて、脈波を検出するための信号を選択し、選択した信号の平均化を行う。信号選択及び平均化部105で選択及び平均化が行われた信号は、出力部106から脈波の検出値として出力される。 The signal selection and averaging unit 105 selects signals for detecting pulse waves based on the results of the frequency analysis and averages the selected signals. The signals selected and averaged by the signal selection and averaging unit 105 are output from the output unit 106 as pulse wave detection values.
[脈波の検出状態の例]
図2は、本例の脈波検出システム100が対象者の脈波を検出する状態の例を示す。
図2に示すように、例えばパーソナルコンピュータで構成された脈波検出システム100に装着されたカメラ1で、そのパーソナルコンピュータを操作する対象者の顔を撮影して、脈波を検出する。脈波を検出した結果は、例えば対象者のストレス評価に使用することができる。なお、脈波検出システム100としてのパーソナルコンピュータは、例えば対象者が業務を行うコンピュータに、脈波検出を行うためのプログラムを実装することで、対象者自身が勤務中のストレス評価を行うことができる。
[Example of pulse wave detection state]
FIG. 2 shows an example of a state in which the pulse wave detection system 100 of this embodiment detects the pulse wave of a subject.
As shown in Fig. 2, a camera 1 attached to a pulse wave detection system 100 configured, for example, as a personal computer, captures an image of the face of a subject operating the personal computer, and detects pulse waves. The results of the detected pulse waves can be used, for example, for evaluating the stress of the subject. Note that the personal computer serving as pulse wave detection system 100 can be configured to include a program for pulse wave detection installed on the computer on which the subject works, allowing the subject to evaluate their own stress while at work.
[脈波検出システムのハードウェア構成例]
図3は、脈波検出システム100をコンピュータで構成した場合のハードウェア構成例を示す。
図3に示すコンピュータ(脈波検出システム100)は、バスにそれぞれ接続された、CPU(Central Processing Unit)100a、主記憶部100b、不揮発性ストレージ100c、ネットワークインタフェース100d、画像入力部100e、出力部100f、及び操作部100gを備える。
[Example of hardware configuration of pulse wave detection system]
FIG. 3 shows an example of the hardware configuration of pulse wave detection system 100 when configured using a computer.
The computer (pulse wave detection system 100) shown in FIG. 3 includes a CPU (Central Processing Unit) 100a, a main memory unit 100b, a non-volatile storage 100c, a network interface 100d, an image input unit 100e, an output unit 100f, and an operation unit 100g, which are all connected to a bus.
CPU100aは、脈波検出システム100が行う機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを主記憶部100b又は不揮発性ストレージ100cから読み出して実行する演算処理部である。
CPU100aが主記憶部100b又は不揮発性ストレージ100cからプログラムコードを読み出して、主記憶部100bのワークエリアで演算処理を実行することで、主記憶部100bに様々な処理機能部が構成される。例えば主記憶部100bには、図1に示す第1色空間変換部101、第2色空間変換部102,独立成分分析部103、フーリエ変換部104、信号選択及び平均化部105が構成される。
The CPU 100a is an arithmetic processing unit that reads out and executes program code of software that realizes the functions performed by the pulse wave detection system 100 from the main storage unit 100b or the non-volatile storage unit 100c.
The CPU 100a reads program code from the main memory unit 100b or the non-volatile storage 100c and executes arithmetic processing in the work area of the main memory unit 100b, thereby configuring various processing function units in the main memory unit 100b. For example, the main memory unit 100b is configured with a first color space conversion unit 101, a second color space conversion unit 102, an independent component analysis unit 103, a Fourier transform unit 104, and a signal selection and averaging unit 105 shown in FIG. 1 .
不揮発性ストレージ100cには、例えば、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、メモリカードなどの大容量情報記憶媒体が用いられる。不揮発性ストレージ100cには、脈波検出システム100が持つ機能を実現するソフトウェアと、そのプログラムの実行で得られたデータが記憶される。 Non-volatile storage 100c may be a large-capacity information storage medium such as a hard disk drive (HDD), solid state drive (SSD), or memory card. Non-volatile storage 100c stores software that realizes the functions of pulse wave detection system 100, as well as data obtained by executing that program.
ネットワークインタフェース100dは、例えば、NIC(Network Interface Card)などが用いられ、他の装置とのデータの送受信が行われる。
画像入力部100eには、カメラ1からの画像データが入力され、画像取得処理が行われる。
出力部100fには、ディスプレイ2が接続され、脈波の検出結果、並びに脈波の検出に基づいたストレス評価などの評価結果を示す画像などのデータが出力部100fから出力され、これらの検出結果や評価結果がディスプレイ2に表示される。なお、検出結果や評価結果は、ネットワークインタフェース100dを介して外部の機器に伝送してもよい。
操作部100gは、このコンピュータの操作者が操作するキーボードやマウスなどの機器の操作を受け付ける。
The network interface 100d is, for example, a network interface card (NIC), and transmits and receives data to and from other devices.
Image data from the camera 1 is input to the image input unit 100e, and image acquisition processing is performed.
The output unit 100f is connected to a display 2, and data such as images showing the pulse wave detection results and evaluation results such as stress evaluation based on the pulse wave detection are output from the output unit 100f, and these detection results and evaluation results are displayed on the display 2. The detection results and evaluation results may be transmitted to an external device via the network interface 100d.
The operation unit 100g accepts operations on devices such as a keyboard and a mouse operated by the operator of this computer.
[脈波検出処理の流れ]
図4は、本例の脈波検出システム100が、図1に示す構成にて行う脈波検出処理の流れを示すフローチャートである。
まず、脈波検出システム100の画像入力部100e(図3)が、カメラ1が撮影した対象者の顔画像データを取り込む(ステップS11)。
そして、第1色空間変換部101で、原色の画像データが、色相(Hue)、彩度(Saturation・Chroma)、明度(Value・Brightness)の三つの成分からなるHSV色空間の画像データに変換される第1色空間変換処理が行われる(ステップS12)。HSV色空間の画像データに変換する際には、色相(Hue)について制限を行って、特定の色相帯を取り出す処理が行われる。
[Pulse wave detection process flow]
FIG. 4 is a flowchart showing the flow of pulse wave detection processing performed by pulse wave detection system 100 of this embodiment with the configuration shown in FIG.
First, the image input unit 100e (FIG. 3) of the pulse wave detection system 100 captures the facial image data of the subject photographed by the camera 1 (step S11).
Then, the first color space conversion unit 101 performs a first color space conversion process to convert the primary color image data into image data in the HSV color space consisting of three components: hue, saturation (chroma), and value (brightness) (step S12). When converting into image data in the HSV color space, a process is performed in which hue is restricted and a specific hue band is extracted.
その後、第1色空間変換部101で変換されたHSV色空間の画像データが、第2色空間変換部102で、赤(R)、緑(G)、青(B)の原色の画像データに再変換される処理(第2色空間変換処理)が行われる(ステップS13)。
さらに、第2色空間変換部102で変換された画像データが、それぞれの成分ごとに独立成分分析部103で色成分ごとに個別に分析される処理(独立成分分析処理)が行われ、フレームごとの画素ごとの変化から振幅データが得られる(ステップS14)。
Then, the image data in the HSV color space converted by the first color space conversion unit 101 is reconverted by the second color space conversion unit 102 into image data in the primary colors of red (R), green (G), and blue (B) (second color space conversion process) (step S13).
Furthermore, the image data converted by the second color space conversion unit 102 is subjected to a process (independent component analysis process) in which each component is analyzed individually for each color component by the independent component analysis unit 103, and amplitude data is obtained from the changes for each pixel for each frame (step S14).
そして、ステップS14の独立性分分析処理で得られた振幅のデータが、フーリエ変換部104によってフーリエ変換により周波数解析される(ステップS15)。このフーリエ変換部104で周波数解析された結果から、信号選択及び平均化部105で信号選択及び平均化が行われ、平均化された結果から脈波が検出されて、脈波の検出値が出力される(ステップS16)。このステップS16では、検出された脈波の状態に基づいて、対象者のストレス評価の判定も行われ、判定されたストレス評価結果が出力される。 The amplitude data obtained in the independence component analysis process of step S14 is then subjected to frequency analysis using a Fourier transform by the Fourier transform unit 104 (step S15). From the results of the frequency analysis by the Fourier transform unit 104, signal selection and averaging is performed by the signal selection and averaging unit 105, a pulse wave is detected from the averaged results, and the detected pulse wave value is output (step S16). In this step S16, a stress assessment of the subject is also performed based on the state of the detected pulse wave, and the determined stress assessment result is output.
[脈波検出を行うための各処理の説明]
図5は、心拍成分である脈波を模した原波形の例(a)と、従来から知られた脈波検出装置である光電脈波計で原波形をサンプリングして得られる波形(b)と、動画のデータのサンプリングレートで原波形をサンプリングして得られる波形(c)とを比較したものである。
図5(b)に示す光電脈波計の場合には、サンプリング周波数が例えば1000Hzであり、図5(a)に示す原波形のピーク形状がそのままデータとして取り込まれている。
[Description of each process for detecting pulse waves]
FIG. 5 compares (a) an example of an original waveform simulating a pulse wave, which is a heartbeat component; (b) a waveform obtained by sampling the original waveform using a photoplethysmograph, a conventionally known pulse wave detection device; and (c) a waveform obtained by sampling the original waveform at the sampling rate of video data.
In the case of the photoplethysmograph shown in FIG. 5(b), the sampling frequency is, for example, 1000 Hz, and the peak shape of the original waveform shown in FIG. 5(a) is directly captured as data.
一方、図5(c)に示す動画のデータから被写体の動きを検出した場合、サンプリング周波数がフレーム周波数に対応した30Hzであり、図5(a)に示す原波形のピークが潰れた状態である。すなわち、本例の脈波検出システム100が扱う動画のデータは、パソコンの機器で通常使用されるWebカメラ等のカメラによって取得された動画のデータであり、30Hzなどの比較的低い周波数の画像データであり、サンプリング周波数も対応して低くなる。
この図5(c)に示す動きの成分が、本例の脈波検出システム100で取り込まれる脈波の成分に相当し、そのままでは心拍成分である脈波を正しく検出することは困難である。このため、本例の脈波検出システム100では、図1に示す構成及び図4に示す処理の流れにより、適正な脈波検出ができるようにしている。以下、本例の脈波検出システム100における、各処理を順に説明する。
On the other hand, when the movement of a subject is detected from the video data shown in Fig. 5(c), the sampling frequency is 30 Hz, which corresponds to the frame frequency, and the peaks of the original waveform shown in Fig. 5(a) are flattened. That is, the video data handled by pulse wave detection system 100 of this example is video data acquired by a camera such as a web camera normally used in personal computer devices, and is image data with a relatively low frequency such as 30 Hz, and the sampling frequency is correspondingly low.
The movement components shown in Figure 5(c) correspond to the pulse wave components captured by pulse wave detection system 100 of this example, and it is difficult to correctly detect the pulse wave, which is a heartbeat component, without any modification. For this reason, pulse wave detection system 100 of this example is able to properly detect pulse waves by using the configuration shown in Figure 1 and the processing flow shown in Figure 4. Each process in pulse wave detection system 100 of this example will be described below in order.
図6の上段は、第1色空間変換部101で変換されるHSV色空間の内の色相(Hue)を0°~360°の範囲で示している。なお、図6の上段のグラフは、本来は0°から360°までの色の変化を示すグラフであるが、図面上では白黒で表現しているため、色は示されていない。そこで、図6では、3原色R、G、Bに相当する色相の位置を図中に矢印で示している。
なお、0°~360°までの色相の内で、人間の肌の色(Skin color)は、0°から15°の範囲であることが判っている。但し、ここでの肌の色は、例えばコーカソイドおよびモンゴロイドを想定した場合であり、人種によって肌の色の範囲は、多少の相違が考えられる。
The upper part of Fig. 6 shows the hue in the HSV color space converted by the first color space conversion unit 101, in the range of 0° to 360°. Note that the graph in the upper part of Fig. 6 is actually a graph showing the change in color from 0° to 360°, but since the drawing is expressed in black and white, the color is not shown. Therefore, in Fig. 6, the positions of the hues corresponding to the three primary colors R, G, and B are indicated by arrows in the drawing.
It is known that human skin color falls within the range of 0 to 15 degrees within the hues from 0 to 360 degrees. However, the skin color here is assumed to be, for example, Caucasian or Mongoloid, and the range of skin color may differ slightly depending on the race.
したがって、本例の第1色空間変換部101は、HSV色空間に変換された画像データについて、色相として、0°から15°まで等の人間の肌の色の成分を抽出する処理を行う。なお、色相から肌の色の成分を抽出する帯域は、あくまでも一つの例として示したものであり、この帯域に限定されない。
このように、第1色空間変換部101は、カメラからの画像データをHSV色空間に変換して、人間の肌の色に相当する成分を取り出した上で、第2色空間変換部102に供給する。第2色空間変換部102は、入力されたHSV色空間の信号をRGB色空間に再変換することで、再変換されたRGB色空間の画像データとして、血流の変化を捉えやすい画像データを得る。
Therefore, the first color space conversion unit 101 in this example performs processing to extract human skin color components from the image data converted to the HSV color space as the hue, such as from 0° to 15°. Note that the band for extracting skin color components from the hue is merely an example, and is not limited to this band.
In this way, first color space conversion unit 101 converts image data from the camera into the HSV color space, extracts components corresponding to human skin color, and supplies the extracted signals to second color space conversion unit 102. Second color space conversion unit 102 reconverts the input HSV color space signal into the RGB color space, thereby obtaining reconverted RGB color space image data that makes it easier to capture changes in blood flow.
なお、図6の下段に示すように、HSV色空間の内の色相には肌情報が含まれる。一方、脈波検出に悪影響を及ぼす成分として、輝度に交流光源の成分が含まれる。したがって、輝度に含まれる交流光源の成分に相当する帯域は除去してもよい。
また、図6の下段に示すように、RGB色空間の内の赤(R)成分には、動脈情報が含まれ、緑(G)成分には毛細血管情報が含まれている。
As shown in the lower part of Figure 6, skin information is included in the hue in the HSV color space. On the other hand, AC light source components are included in the luminance, which can adversely affect pulse wave detection. Therefore, the band corresponding to the AC light source components included in the luminance may be removed.
As shown in the lower part of FIG. 6, the red (R) component in the RGB color space contains arterial information, and the green (G) component contains capillary information.
図7の左側は、独立成分分析部103で得られた波形の時間変化を示す。図7の左側に示すグラフの縦軸は振幅、横軸は時間である。この図7の左側に示す波形は、独立成分分析部103で得られた画像内の微細な動きを振幅で表したものである。ここで独立成分分析部103が扱う画像データは、既に説明したように人間の肌の色に相当する成分を取り出したものであり、顔の肌の部分の微細な動きを振幅で示したものに相当する。 The left side of Figure 7 shows the change over time in the waveform obtained by the independent component analysis unit 103. The vertical axis of the graph shown on the left side of Figure 7 is amplitude, and the horizontal axis is time. The waveform shown on the left side of Figure 7 represents the minute movements in the image obtained by the independent component analysis unit 103 in amplitude. As already explained, the image data handled by the independent component analysis unit 103 here is the component that corresponds to the color of human skin extracted, and corresponds to the minute movements of the skin part of the face shown in amplitude.
図7の左側に示す振幅波形は、フーリエ変換部104でフーリエ変換され、周波数解析が行われる。ここで、通常のフーリエ変換では、フーリエ変換処理(いわゆるFFT処理)を行うデータ区間として、図7の左側に示すように、区間d1,d2,d3,・・・と一定時間ごとにデータを区切って、FFT処理を行うデータを順に得る。
これに対して、本例のフーリエ変換部104では、図7の左側に示すように、一部がオーバーラップした区間D11,D12,D13,・・・を設定して、FFT処理が行われ、区間ごとの周波数解析結果のデータが順に得られる。ここでは、50%ずつオーバーラップするようにして、FFT処理区間D11,D12,D13を設定しているが、50%は一例である。
The amplitude waveform shown on the left side of Fig. 7 is Fourier transformed by the Fourier transform unit 104, and frequency analysis is performed. In a normal Fourier transform, the data is divided into sections d1, d2, d3, ... at regular time intervals as data sections for performing Fourier transform processing (so-called FFT processing), as shown on the left side of Fig. 7, and data for performing FFT processing is obtained in order.
In contrast, in the Fourier transform unit 104 of this example, FFT processing is performed by setting partially overlapping intervals D11, D12, D13, ... as shown on the left side of Fig. 7, and frequency analysis result data for each interval is obtained in sequence. Here, the FFT processing intervals D11, D12, D13 are set so that they overlap by 50%, but 50% is just an example.
そして、信号選択及び平均化部105は、各区間D11,D12,D13,・・・について周波数解析した結果から、心拍成分が適切に取得できた信号を選択し、その選択した周波数解析を一定区間ごとに平均化する処理を行う。
信号選択及び平均化部105で心拍成分が適切に取得できた信号を選択する際には、心拍成分が含まれる周波数である1Hzから2Hzまでの帯域で、第1ピークが検出された周波数解析結果が選択され、その選択した周波数解析結果の第1ピークの振幅値が得られる。
Then, the signal selection and averaging unit 105 selects signals from which the heartbeat component has been properly acquired from the results of frequency analysis for each section D11, D12, D13, ..., and performs processing to average the selected frequency analysis for each fixed section.
When the signal selection and averaging unit 105 selects a signal from which the heartbeat component has been properly acquired, the frequency analysis result in which the first peak has been detected in the frequency band from 1 Hz to 2 Hz, which is the frequency band that contains the heartbeat component, is selected, and the amplitude value of the first peak of the selected frequency analysis result is obtained.
すなわち、図7の右側の上段に示すように、信号選択及び平均化部105は、ある区間の周波数解析結果として、1Hzから2Hzまでの帯域Da内に、第1ピークP1があるものを選択し、この第1ピークP1の振幅値(縦軸)を得る。これに対して、図7の右側の下段に示すように、信号選択及び平均化部105は、ある区間の周波数解析結果として、1Hzから2Hzまでの帯域Db外の周波数位置に第1ピークP2があるものは、選択しない。なお、本例の脈波検出処理では、第1ピークP1の振幅値を使用し、その第1ピークP2の周波数位置の情報は、脈波の検出には使用されない。 That is, as shown in the upper right-hand panel of Figure 7, the signal selection and averaging unit 105 selects, as the frequency analysis result for a certain section, a signal in which the first peak P1 is located within the band Da from 1 Hz to 2 Hz, and obtains the amplitude value (vertical axis) of this first peak P1. In contrast, as shown in the lower right-hand panel of Figure 7, the signal selection and averaging unit 105 does not select, as the frequency analysis result for a certain section, a signal in which the first peak P2 is located at a frequency position outside the band Db from 1 Hz to 2 Hz. Note that in the pulse wave detection process of this example, the amplitude value of the first peak P1 is used, and information on the frequency position of the first peak P2 is not used in pulse wave detection.
そして、信号選択及び平均化部105は、このようにして選択された周波数解析結果の振幅値を集めて、平均化処理を行う。例えば、図7の左側に示すように、信号選択及び平均化部105は、一定時間A1ごとに選択された周波数解析結果を集めて、平均化処理を行う。一定時間A1は、各区間D11,D12,D13,・・・の時間よりも十分に長い時間とする。
このように、信号選択及び平均化部105で得られた振幅値の平均は、出力部106から出力され、脈波検出システム100に接続されたディスプレイ2などに表示される。表示された振幅値の平均は、脈波と相関のある値になっており、ディスプレイ2には、検出された脈波が表示されることになる。
The signal selection and averaging unit 105 then collects the amplitude values of the frequency analysis results selected in this manner and performs averaging. For example, as shown on the left side of Fig. 7, the signal selection and averaging unit 105 collects the frequency analysis results selected every certain time period A1 and performs averaging. The certain time period A1 is set to be sufficiently longer than the duration of each of the sections D11, D12, D13, ...
In this way, the average of the amplitude values obtained by signal selection and averaging unit 105 is output from output unit 106 and displayed on display 2 or the like connected to pulse wave detection system 100. The average of the displayed amplitude values is a value that correlates with the pulse wave, and the detected pulse wave is displayed on display 2.
[色相として制限する帯域と脈波(心拍)との相関の例]
既に説明したように、第1色空間変換部101で変換されたHSV色空間の画像データは、色相として、人間の肌の色の成分を抽出する処理が行われる。
上述した説明では、人間の肌の色の成分を抽出する処理として、色相の0°から15°を取り出すようにしたが、より帯域を狭くした例を図8に示す。図8(a),(b),(c)の上段の画像は、顔から肌の色の成分を取り出した領域を示し、下段の表は検出した脈波と、実際の心拍数との類似度を示す。図8(a),(b),(c)の上段の画像において、抽出対象となる該当部分は、顔が見えているところ、すなわち、画像中の「黒くない部分」であり、黒い箇所は帯域外で抽出しない箇所になります。下段の表に示す類似度は1に近い値のとき、心拍数への類似度が高いことを示す。
[Example of correlation between hue restriction band and pulse wave (heart rate)]
As already explained, the image data in the HSV color space converted by the first color space conversion unit 101 is subjected to processing to extract the color components of human skin as the hue.
In the above explanation, the process for extracting the color components of human skin was performed by extracting the hue from 0° to 15°. However, Figure 8 shows an example in which the bandwidth is narrower. The images in the upper rows of Figures 8(a), (b), and (c) show the area where the skin color components were extracted from the face, and the table in the lower row shows the similarity between the detected pulse wave and the actual heart rate. In the images in the upper rows of Figures 8(a), (b), and (c), the relevant areas to be extracted are those where the face is visible, i.e., the "non-black areas" in the image; black areas are outside the bandwidth and are not extracted. A similarity value close to 1 shown in the table in the lower row indicates a high similarity to the heart rate.
図8(a)は、色相の4°から14°の帯域を取り出して、脈波に相当する心拍を検出した例を示す。この例では、図8(a)の上段の画像から判るように、顔のかなりの領域を使って検出している。色相の4°から14°の帯域を使った場合、6人の被験者のいずれも類似度が高く、良好に脈波を検出できることが判る。 Figure 8(a) shows an example of detecting heartbeats, which correspond to pulse waves, by extracting the 4° to 14° hue band. In this example, as can be seen from the top image in Figure 8(a), a large area of the face is used for detection. When the 4° to 14° hue band is used, the similarity between all six subjects is high, and it can be seen that pulse waves can be detected well.
図8(b)は、色相の5°から9°の帯域を取り出して、脈波に相当する心拍を検出した例を示す。この例では、図8(a)の上段の画像と、図8(b)の上段の画像を比較すると判るように、使用する領域が若干狭くなっており、耳朶の領域を重点的に取り出すことになる。色相の5°から9°の帯域を使った場合、一人の被験者(被験者4)のみ若干類似度が低下しているが、他の5人の被験者は類似度が高く、この帯域の場合でも脈波を検出できることが判る。 Figure 8(b) shows an example in which the 5° to 9° hue band was extracted to detect the heartbeat, which corresponds to the pulse wave. In this example, as can be seen by comparing the top image in Figure 8(a) with the top image in Figure 8(b), the area used is slightly narrower, with the focus being on extracting the earlobe area. When the 5° to 9° hue band was used, the similarity was slightly reduced for only one subject (subject 4), but the similarity was high for the other five subjects, indicating that the pulse wave can be detected even in this band.
図8(c)は、色相の2°から5°の帯域を取り出して、脈波に相当する心拍を検出した例を示す。この例では、図8(c)の上段の画像から判るように、顔の頬を中心とした比較的狭い領域を使って検出する状態になる。色相の5°から9°の帯域を使った場合、6人の被験者のいずれも類似度が高く、良好に脈波を検出できることが判る。
なお、参考までに示すと、従来方式により、画像から脈波を検出した場合の、検出した脈波と実際に計測した心拍との相関を示す類似度は、0.70程度であり、図8に示す類似度の平均値0.87~0.88は、従来よりも非常に高い相関が得られることが判る。
Figure 8(c) shows an example in which the heart rate corresponding to the pulse wave was detected by extracting the 2° to 5° hue band. In this example, as can be seen from the upper image in Figure 8(c), detection is performed using a relatively narrow region centered on the cheek of the face. When the 5° to 9° hue band was used, it was found that the similarity was high for all six subjects, and pulse waves could be detected satisfactorily.
For reference, when a pulse wave is detected from an image using a conventional method, the similarity indicating the correlation between the detected pulse wave and the actually measured heart rate is about 0.70. The average similarity value of 0.87 to 0.88 shown in FIG. 8 indicates a much higher correlation than conventional methods.
このように、本例の脈波検出システム100によると、対象者の顔画像を取得して処理することで、非常に精度の高い脈波の検出が可能になる。特に、対象者の顔画像を撮影するカメラとして、パソコンなどに接続可能な一般的なフレームレートのWEBカメラが使用でき、簡単かつ安価な構成で、精度の高い脈波の検出が可能になる。
そして、検出した脈波の変化状態から、対象者のストレス評価を適切に行うことが可能になる。例えば脈波が高い状態が続くとき、ストレスが加わっている状態と評価することができる。あるいは、脈波が低く変化する状態が検出されたとき、ストレスが少なくなっている状態と評価することができる。検出した脈波からストレスを評価する具体的な例については、既に知られた様々な手法が適用可能である。
In this way, pulse wave detection system 100 of this example can acquire and process a facial image of the subject, thereby enabling highly accurate pulse wave detection. In particular, a web camera with a general frame rate that can be connected to a personal computer or the like can be used as the camera for capturing the facial image of the subject, enabling highly accurate pulse wave detection with a simple and inexpensive configuration.
Then, it becomes possible to appropriately evaluate the stress of the subject based on the change in the detected pulse wave. For example, when the pulse wave remains high, it can be evaluated as a state of stress. Alternatively, when a state of the pulse wave decreasing is detected, it can be evaluated as a state of less stress. As a specific example of evaluating stress based on the detected pulse wave, various known methods can be applied.
なお、図1に示す脈波検出システム100は、脈波を検出するシステムとして構成した例を示すが、本例の脈波検出システム100は、例えば図3に示すコンピュータで構成することが可能である。このため、本例の脈波検出システム100として作動させるためのプログラムを、コンピュータやスマートフォンなどの情報処理装置に組み込むことで、コンピュータやスマートフォンなどでの各種処理の実行と並行して、脈波を検出する処理を行うことができる。その結果、対象者の脈波の検出、ならびにその脈波の検出結果の評価によるストレス評価を随時行うことが可能になる。本例の脈波検出システム100として作動させるためのプログラムは、図4のフローチャートで説明した各処理を手順として実行することで、作成できる。また、このプログラムは、各種メモリ、ICカード、SDカード、光ディスク等の記録媒体に置くことができる。 Note that while the pulse wave detection system 100 shown in Figure 1 is an example configured as a system for detecting pulse waves, the pulse wave detection system 100 of this example can also be configured with a computer as shown in Figure 3, for example. Therefore, by incorporating a program for operating the pulse wave detection system 100 of this example into an information processing device such as a computer or smartphone, pulse wave detection processing can be performed in parallel with various processes being executed by the computer or smartphone. As a result, it becomes possible to detect the subject's pulse waves and perform stress assessments at any time by evaluating the pulse wave detection results. The program for operating the pulse wave detection system 100 of this example can be created by executing the processes described in the flowchart of Figure 4 as procedures. This program can also be stored on various types of memory, IC cards, SD cards, optical discs, and other recording media.
1…カメラ、2…ディスプレイ、4…被験者、100…脈波検出システム、100a…CPU、100b…主記憶部、100c…不揮発性ストレージ、100d…ネットワークインタフェース、100e…画像入力部、100f…出力部、100g…操作部、101…第1色空間変換部、102…第2色空間変換部、103…独立成分分析部、104…フーリエ変換部、105…平均化部、106…出力部 1...Camera, 2...Display, 4...Subject, 100...Pulse wave detection system, 100a...CPU, 100b...Main memory unit, 100c...Non-volatile storage, 100d...Network interface, 100e...Image input unit, 100f...Output unit, 100g...Operation unit, 101...First color space conversion unit, 102...Second color space conversion unit, 103...Independent component analysis unit, 104...Fourier transform unit, 105...Averaging unit, 106...Output unit
Claims (5)
前記第1色空間変換部により変換されたHSV色空間の画像データを、原色の色空間に変換する第2色空間変換部と、
前記第2色空間変換部により変換された原色の色空間の画像データから、各原色の成分を独立で分析する独立成分分析部と、
前記独立成分分析部で分析された結果を周波数解析するフーリエ変換部と、
一定時間に含まれる複数の区間についてそれぞれ前記フーリエ変換部でフーリエ変換した結果から、脈波に相当する成分が含まれる周波数帯域に第1ピークが含まれる結果の振幅値を選択し、選択された振幅値を平均化することで、前記対象者の脈波の振幅値の検出結果を得る信号選択及び平均化部と、を備える
脈波検出システム。 a first color space conversion unit that acquires image data of a face of a subject, converts the acquired image data into image data in an HSV color space consisting of components of hue, saturation, and brightness, and limits the hue during conversion to a hue range corresponding to skin color;
a second color space conversion unit that converts the image data in the HSV color space converted by the first color space conversion unit into a primary color space;
an independent component analysis unit that analyzes components of each primary color independently from the image data in the color space of the primary colors converted by the second color space conversion unit;
a Fourier transform unit that performs frequency analysis on the results of the analysis by the independent component analysis unit;
a signal selection and averaging unit that selects, from the results of Fourier transform performed by the Fourier transform unit for each of a plurality of sections included in a certain time period , amplitude values that result in a first peak being included in a frequency band that includes a component corresponding to a pulse wave, and averages the selected amplitude values to obtain a detection result of the amplitude value of the pulse wave of the subject.
請求項1に記載の脈波検出システム。 The pulse wave detection system according to claim 1 , wherein the signal selection and averaging unit detects an amplitude value of the arterial pulse wave of the subject by selecting red color analyzed by the independent component analysis unit.
請求項1又は2に記載の脈波検出システム。 The pulse wave detection system according to claim 1 or 2, wherein the unit section subjected to frequency analysis by the Fourier transform section is a section that partially overlaps with preceding and succeeding sections.
前記情報処理装置が行う演算処理として、
前記対象者の顔を撮影した画像データを、色相と彩度と輝度との成分からなるHSV色空間の画像データに変換すると共に、変換時の色相を肌色に相当する色相帯に制限する第1色空間変換処理と、
前記第1色空間変換処理により変換されたHSV色空間の画像データを、原色の色空間に変換する第2色空間変換処理と、
前記第2色空間変換処理により変換された原色の色空間の画像データから、各原色の成分を独立で分析する独立成分分析処理と、
前記独立成分分析処理で分析された結果を周波数解析するフーリエ変換処理と、
一定時間に含まれる複数の区間についてそれぞれ前記フーリエ変換処理でフーリエ変換した結果から、脈波に相当する成分が含まれる周波数帯域に第1ピークが含まれる結果の振幅値を選択し、選択された振幅値を平均化することで、前記対象者の脈波の振幅値の検出結果を得る信号選択及び平均化処理と、を含む
脈波検出方法。 A pulse wave detection method in which an information processing device performs arithmetic processing based on image data of a face of a subject, and detects an amplitude value of a pulse wave of the subject,
The arithmetic processing performed by the information processing device includes:
a first color space conversion process for converting image data of the subject's face into image data in an HSV color space consisting of components of hue, saturation, and luminance, and limiting the hue during conversion to a hue range corresponding to skin color;
a second color space conversion process for converting the image data in the HSV color space converted by the first color space conversion process into a primary color space;
an independent component analysis process for independently analyzing components of each primary color from the image data in the color space of the primary colors converted by the second color space conversion process;
a Fourier transform process for frequency-analyzing the results of the analysis performed by the independent component analysis process;
and a signal selection and averaging process for selecting, from the results of Fourier transform performed by the Fourier transform process for each of a plurality of sections included in a certain time period , amplitude values resulting in a first peak being included in a frequency band that includes a component corresponding to a pulse wave, and averaging the selected amplitude values to obtain a detection result of the amplitude value of the pulse wave of the subject.
前記対象者の顔を撮影した画像データを、色相と彩度と輝度との成分からなるHSV色空間の画像データに変換すると共に、変換時の色相を肌色に相当する色相帯に制限する第1色空間変換手順と、
前記第1色空間変換手順により変換されたHSV色空間の画像データを、原色の色空間に変換する第2色空間変換手順と、
前記第2色空間変換手順により変換された原色の色空間の画像データから、各原色の成分を独立で分析する独立成分分析手順と、
前記独立成分分析手順で分析された結果を周波数解析するフーリエ変換手順と、
一定時間に含まれる複数の区間についてそれぞれ前記フーリエ変換手順でフーリエ変換した結果から、脈波に相当する成分が含まれる周波数帯域に第1ピークが含まれる結果の振幅値を選択し、選択された振幅値を平均化することで、前記対象者の脈波の振幅値の検出結果を得る信号選択及び平均化手順と、
をコンピュータに実装して実行させるプログラム。 A program for detecting a pulse wave of a subject based on image data of the subject's face,
a first color space conversion step of converting image data of the subject's face into image data in an HSV color space consisting of components of hue, saturation, and luminance, and limiting the hue during conversion to a hue range corresponding to skin color;
a second color space conversion step of converting the image data in the HSV color space converted by the first color space conversion step into a primary color space;
an independent component analysis step of independently analyzing components of each primary color from the image data in the primary color color space converted by the second color space conversion step;
a Fourier transform step for frequency-analyzing the results of the analysis performed in the independent component analysis step;
a signal selection and averaging step of selecting, from the results of performing Fourier transform on each of a plurality of sections included in a certain time period using the Fourier transform step, amplitude values resulting in a first peak being included in a frequency band including a component corresponding to a pulse wave, and averaging the selected amplitude values to obtain a detection result of the amplitude value of the pulse wave of the subject;
A program that is implemented and executed on a computer.
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