基于區(qū)域注意和分離重組的rPPG信號提取網(wǎng)絡(luò)

基于區(qū)域注意和分離重組的rPPG信號提取網(wǎng)絡(luò)基于區(qū)域注意和分離重組的rPPG信號提取網(wǎng)絡(luò)

摘要：隨著健康監(jiān)護(hù)設(shè)備的普及和人們對健康的關(guān)注日益增強(qiáng)，無接觸式心率估計(jì)（remotephotoplethysmography,rPPG）作為一種以簡單、便捷的方法對心率進(jìn)行監(jiān)測的技術(shù)，逐漸引起了人們的關(guān)注。本文提出了一種新的基于區(qū)域注意和分離重組的rPPG信號提取網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠有效地提取出頭部視頻中的心率信息，實(shí)現(xiàn)了無接觸測量的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：無接觸式心率估計(jì)，rPPG，區(qū)域注意，分離重組，信號提取網(wǎng)絡(luò)

1.引言

心率是人體健康狀況的重要指標(biāo)之一，對于及時(shí)檢測人體的心率并進(jìn)行監(jiān)控具有重要意義。傳統(tǒng)的心率監(jiān)測方法需要通過接觸式傳感器來測量心率，造成了一定的不便。近年來，隨著攝像頭設(shè)備的普及和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，無接觸式心率估計(jì)技術(shù)逐漸成為了研究的熱點(diǎn)之一。無接觸式心率估計(jì)通過分析人體面部皮膚的顏色變化來推測心率信息，具有非侵入性和實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢。

2.相關(guān)工作

無接觸式心率估計(jì)的方法主要分為兩類：基于變換的方法和基于模型的方法。變換方法通過將人體面部皮膚顏色變化轉(zhuǎn)換為頻域或時(shí)域信息來估計(jì)心率，如傅里葉變換、小波變換等。模型方法通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來擬合面部皮膚顏色變化與心率之間的關(guān)系，如專家系統(tǒng)、支持向量機(jī)等。然而，這些方法都存在一定的局限性，如對光照條件敏感、對皮膚顏色變化要求高等。

3.方法設(shè)計(jì)

本文提出了一種基于區(qū)域注意和分離重組的rPPG信號提取網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)首先通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）提取出頭部視頻的特征表示，得到一個高維特征圖。然后，利用區(qū)域注意機(jī)制從特征圖中選擇與人臉區(qū)域相關(guān)的特征，排除其他干擾部分。接下來，對所選特征進(jìn)行分離重組處理，以提取出包含有效心率信息的信號。最后，通過對提取出的信號進(jìn)行頻域分析，得到最終的心率估計(jì)結(jié)果。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們在公開數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，與其他方法進(jìn)行了比較，并評估了我們方法的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們的方法在心率估計(jì)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性方面均有較好的表現(xiàn)，相較于其他方法具有明顯的優(yōu)勢。

5.結(jié)論與展望

本文提出了一種基于區(qū)域注意和分離重組的rPPG信號提取網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了無接觸式心率估計(jì)的目標(biāo)。通過實(shí)驗(yàn)證明，我們的方法在心率估計(jì)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢。未來，我們將進(jìn)一步改進(jìn)算法，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高心率估計(jì)的精確度和實(shí)時(shí)性，以提供更好的健康監(jiān)護(hù)服務(wù)。

6.引言

心率是指心臟每分鐘跳動的次數(shù)，是人體重要的生理指標(biāo)之一。心率的正常范圍可以反映出人體的健康狀態(tài)和心血管系統(tǒng)的功能。傳統(tǒng)的心率測量方法通常需要使用心電圖儀等專門的設(shè)備，需要直接接觸皮膚并固定傳感器。然而，這些方法不方便實(shí)用、不舒適，并且無法實(shí)時(shí)監(jiān)測心率。

隨著計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，通過無接觸式方法從人臉視頻中提取心率信號成為可能。該方法基于人臉皮膚顏色的變化，通過分析視頻中的微小顏色變化來估計(jì)心率。這種方法使用了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和信號處理方法，例如專家系統(tǒng)和支持向量機(jī)等。然而，這些方法存在一定的局限性，如對光照條件敏感、對皮膚顏色變化要求高等。為了克服這些問題，本文提出了一種基于區(qū)域注意和分離重組的rPPG信號提取網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)更精確、穩(wěn)定的心率估計(jì)。

7.方法設(shè)計(jì)

本文的方法基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）從頭部視頻中提取特征表示。具體步驟如下：

7.1特征提取

首先，我們將頭部視頻幀作為輸入，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）提取出特征表示。卷積層和池化層的堆疊可以有效地提取出視頻中的空間和時(shí)間信息，得到一個高維特征圖。

7.2區(qū)域注意

接下來，我們使用區(qū)域注意機(jī)制從特征圖中選擇與人臉區(qū)域相關(guān)的特征，排除其他干擾部分。區(qū)域注意機(jī)制可以通過學(xué)習(xí)得到注意權(quán)重，將重要的特征突出顯示。這樣可以提高心率信號的提取準(zhǔn)確性，并減少其他噪聲的干擾。

7.3分離重組

在區(qū)域注意的基礎(chǔ)上，我們對所選特征進(jìn)行分離重組處理，以提取出包含有效心率信息的信號。具體而言，我們將特征圖分解為多個頻帶，并對每個頻帶進(jìn)行重組。這樣可以保留不同頻率范圍內(nèi)的心率信號，提高心率估計(jì)的準(zhǔn)確性。

7.4頻域分析

最后，我們對提取出的信號進(jìn)行頻域分析，以得到最終的心率估計(jì)結(jié)果。頻域分析可以提取出信號的周期性成分，并計(jì)算心率頻率。通過對心率信號的頻譜進(jìn)行分析，可以更準(zhǔn)確地測量心率，并排除噪聲的干擾。

8.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了評估我們方法的性能，我們在公開數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并與其他方法進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們的方法在心率估計(jì)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性方面都有較好的表現(xiàn)。與傳統(tǒng)的方法相比，我們的方法具有明顯的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)無接觸式、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的心率監(jiān)測。

9.結(jié)論與展望

本文提出了一種基于區(qū)域注意和分離重組的rPPG信號提取網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了無接觸式心率估計(jì)的目標(biāo)。通過實(shí)驗(yàn)證明，我們的方法在心率估計(jì)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢。未來，我們將進(jìn)一步改進(jìn)算法，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高心率估計(jì)的精確度和實(shí)時(shí)性，以提供更好的健康監(jiān)護(hù)服務(wù)。

10.致謝

在此，我們要感謝所有支持和幫助我們完成這項(xiàng)研究工作的人們。他們的寶貴建議和指導(dǎo)對我們的研究起到了重要的推動作用。我們也要感謝公開數(shù)據(jù)集的提供者和其他研究者的工作，為我們的研究提供了寶貴的資源和參考。

11.通過本研究，我們成功地開發(fā)了一種基于區(qū)域注意和分離重組的rPPG信號提取網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了無接觸式心率估計(jì)的目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們的方法在心率估計(jì)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性方面具有明顯的優(yōu)勢，并且相比傳統(tǒng)的方法能夠?qū)崿F(xiàn)更準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的心率監(jiān)測。

首先，我們通過使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個區(qū)域注意機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)能夠自動關(guān)注臉部區(qū)域并提取相關(guān)特征。這種方法不僅能夠減少背景噪聲的干擾，還能夠提高信號的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。與傳統(tǒng)的基于皮膚顏色信息的方法相比，我們的方法能夠更好地適應(yīng)不同人群的皮膚顏色和光照條件的變化。

其次，我們引入了分離重組的策略，通過將深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分解為多個子網(wǎng)絡(luò)，分別提取信號的空間和頻率特征，并將它們重新組合在一起，以獲得更準(zhǔn)確的心率估計(jì)結(jié)果。這種策略不僅能夠減少網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算量，還能夠提高心率估計(jì)的穩(wěn)定性和魯棒性。

在實(shí)驗(yàn)中，我們使用了公開數(shù)據(jù)集進(jìn)行了驗(yàn)證，并與其他方法進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們的方法在心率估計(jì)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的方法相比，我們的方法能夠更好地適應(yīng)不同人群的皮膚顏色和光照條件的變化，并且能夠準(zhǔn)確地提取出心率信號并排除噪聲的干擾。

總的來說，本研究提出的基于區(qū)域注意和分離重組的rPPG信號提取網(wǎng)絡(luò)在無接觸式心率估計(jì)方面具有較好的性能。我們的方法不僅能夠準(zhǔn)確地提取心率信號，還能夠適應(yīng)不同人群的皮膚顏色和光照條件的變化。未