一种基于PPG心率测量技术的信号处理方法及装置与流程

技术特征：

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：

$P\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{MU}|\underset{t=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{x}_N^i\left(t\right)d\left(t\right)e^{-j\mathrm{\ω}t}{|}^2$

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

$U=\frac{1}{M}\underset{n=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{d}^2\left(t\right).$

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：

${\hat{S}}_R\left(t\right)=\frac{S_R\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_R}{{\mathrm{\σ}}_R},{\hat{S}}_G\left(t\right)=\frac{S_G\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_G}{{\mathrm{\σ}}_G},{\hat{S}}_B\left(t\right)=\frac{S_B\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_B}{{\mathrm{\σ}}_B}$

其中，μ_R、μ_G、μ_B分别为三通道数字化信号S_R(t)、S_G(t)、S_B(t)对应的均值，σ_R、σ_G、σ_B分别为三通道数字化信号S_R(t)、S_G(t)、S_B(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x_a(t)、x_b(t)、x_c(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：

$d\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{T}(0.54+0.46cos\frac{{\mathrm{\π}}^t}{T}),& \left|t\right|\≤T\\ 0,& \left|t\right|\>T\end{array}\right.$

窗谱为：

$D\left(\mathrm{\ω}\right)=1.08\frac{sin\mathrm{\ω}T}{\mathrm{\ω}T}+0.46\[\frac{sin(\mathrm{\ω}T+\mathrm{\π})}{\mathrm{\ω}T+\mathrm{\π}}+\frac{sin(\mathrm{\ω}T-\mathrm{\π})}{\mathrm{\ω}T-\mathrm{\π}}\]$

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。

11.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。

12.根据权利要求11所述的一种PPG心率测量技术的信号处理装置，其特征在于，

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。

13.根据权利要求9-12任一项所述的一种基于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号频谱，分析出信号周期，得到心率统计值。

14.根据权利要求13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，所述分析处理模块包括：分段单元、与所述分段单元相连的功率谱获取单元、及与所述功率谱获取单元相连的分析查找单元；其中：

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包括：

所述分段单元将长度为N的数据分成L段，每段的长度为M；

所述功率谱获取单元分别求每一段的功率谱，然后取平均值，获得估计的功率谱；

所述分析处理模块通过得到的信号频谱，分析出信号周期，得到心率统计值包括：

所述分析查找单元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。

15.根据权利要求14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，所述估计的功率谱计算公式为：

$P\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{MU}|\underset{t=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{x}_N^i\left(t\right)d\left(t\right)e^{-j\mathrm{\ω}t}{|}^2$

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

$U=\frac{1}{M}\underset{n=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{d}^2\left(t\right).$

16.根据权利要求12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，所述标准化单元将所述数字化信号进行标准化中，所述标准化的公式为：

${\hat{S}}_R\left(t\right)=\frac{S_R\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_R}{{\mathrm{\σ}}_R},{\hat{S}}_G\left(t\right)=\frac{S_G\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_G}{{\mathrm{\σ}}_G},{\hat{S}}_B\left(t\right)=\frac{S_B\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_B}{{\mathrm{\σ}}_B}$

其中，μ_R、μ_G、μ_B分别为三通道数字化信号S_R(t)、S_G(t)、S_B(t)对应的均值，σ_R、σ_G、σ_B分别为三通道数字化信号S_R(t)、S_G(t)、S_B(t)对应的标准差，标准化后的信号均值为0，方差为1；

所述盲源分析单元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x_a(t)、x_b(t)、x_c(t)；

所述窗口滤波法中采用的窗口函数为hamming窗，其时间窗口函数为：

$d\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{T}(0.54+0.46cos\frac{{\mathrm{\π}}^t}{T}),& \left|t\right|\≤T\\ 0,& \left|t\right|\>T\end{array}\right.$

窗谱为：

$D\left(\mathrm{\ω}\right)=1.08\frac{sin\mathrm{\ω}T}{\mathrm{\ω}T}+0.46\[\frac{sin(\mathrm{\ω}T+\mathrm{\π})}{\mathrm{\ω}T+\mathrm{\π}}+\frac{sin(\mathrm{\ω}T-\mathrm{\π})}{\mathrm{\ω}T-\mathrm{\π}}\]$

其中，T为滤波周期。