Published January 1, 2020 | Version v1
Publication Open

Automatic and Adaptive Signal- and Background-ROIs With Analytic-Representation-Based Processing for Robust Webcam-Based Heart-Rate Estimation

Creators

  • 1. Indian Institute of Technology Delhi
  • 2. Manipal Academy of Higher Education

Description

Determining a suitable, adaptive region of interest (ROI) automatically for extracting information related to cardiac activity (signal-ROI/S-ROI), and another containing information on ambient light-fluctuation (background-ROI/B-ROI, as close as possible to the signal-ROI), and robust signal processing are important in webcam based heart-rate (HR) estimation - in real life situations. We describe a novel method of automatically determining both the ROIs. The forehead is the candidate for the S-ROI, due to its uniformity and minimum vulnerability for deformation. We first identify the skin-pixels within the face-region detected by the Viola-Jones (VJ) algorithm. The forehead-region, and a uniform sub-rectangle within it not containing hair - determined by using variance as a measure - yields the S-ROI. The B-ROI - consisting of 3 rectangles - each of the same size as that of S-ROI, at the two sides and the top of the VJ-rectangle - is used to generate a reference signal for an adaptive noise-cancellation scheme. The situation arising from (possibly simultaneous) facial expressions deforming the S-ROI, is addressed - by extracting the phase sequence associated with the analytic representation of the signal. Experiments conducted with 21 healthy subjects, using this novel array of techniques, have produced good correspondence with the ground truth obtained from a standard finger-pulse transducer - as reflected by the Bland-Altman plot.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يعد تحديد منطقة اهتمام تكيفية مناسبة (ROI) تلقائيًا لاستخراج المعلومات المتعلقة بنشاط القلب (إشارة- ROI/S - ROI)، وأخرى تحتوي على معلومات حول تذبذب الضوء المحيط (خلفية- ROI/B - ROI، أقرب ما يمكن إلى إشارة- ROI)، ومعالجة الإشارات القوية أمرًا مهمًا في تقدير معدل ضربات القلب القائم على كاميرا الويب - في مواقف الحياة الحقيقية. نحن نصف طريقة جديدة لتحديد كل من العائد على الاستثمار تلقائيًا. الجبهة هي المرشح لـ S - ROI، نظرًا لتوحيدها والحد الأدنى من التعرض للتشوه. نحدد أولاً وحدات بكسل الجلد داخل منطقة الوجه التي تم اكتشافها بواسطة خوارزمية فيولا جونز (VJ). منطقة الجبهة، ومستطيل فرعي موحد داخلها لا يحتوي على شعر - يتم تحديده باستخدام التباين كمقياس - ينتج عنه S - ROI. يتم استخدام B - ROI - المكون من 3 مستطيلات - كل منها بنفس حجم S - ROI، على جانبي وأعلى مستطيل VJ - لتوليد إشارة مرجعية لمخطط إلغاء الضوضاء التكيفي. يتم معالجة الموقف الناشئ عن تعبيرات الوجه (ربما المتزامنة) التي تشوه S - ROI - من خلال استخراج تسلسل الطور المرتبط بالتمثيل التحليلي للإشارة. أنتجت التجارب التي أجريت على 21 شخصًا سليمًا، باستخدام هذه المجموعة الجديدة من التقنيات، تطابقًا جيدًا مع الحقيقة الأرضية التي تم الحصول عليها من محول نبضات الإصبع القياسي - كما يتضح من مؤامرة بلاند- ألتمان.

Translated Description (French)

La détermination automatique d'une région d'intérêt (ROI) adaptée et adaptative pour extraire des informations liées à l'activité cardiaque (signal-ROI/S-ROI), et une autre contenant des informations sur la fluctuation de la lumière ambiante (background-ROI/B-ROI, aussi proche que possible du signal-ROI), et un traitement robuste du signal sont importants dans l'estimation de la fréquence cardiaque (HR) basée sur une webcam - dans des situations de la vie réelle. Nous décrivons une nouvelle méthode de détermination automatique des deux roi. Le front est le candidat pour le S-ROI, en raison de son uniformité et de sa vulnérabilité minimale à la déformation. Nous identifions d'abord les pixels de la peau dans la région du visage détectée par l'algorithme Viola-Jones (VJ). La région frontale, et un sous-rectangle uniforme en son sein ne contenant pas de poils - déterminé en utilisant la variance comme mesure - donne le S-ROI. Le B-ROI - composé de 3 rectangles - chacun de la même taille que celui de S-ROI, sur les deux côtés et au sommet du rectangle VJ - est utilisé pour générer un signal de référence pour un schéma d'annulation de bruit adaptatif. La situation résultant d'expressions faciales (éventuellement simultanées) déformant le S-ROI, est abordée - en extrayant la séquence de phase associée à la représentation analytique du signal. Les expériences menées avec 21 sujets sains, en utilisant cette nouvelle gamme de techniques, ont produit une bonne correspondance avec la vérité de base obtenue à partir d'un transducteur d'impulsion digitale standard - comme le reflète l'intrigue de Bland-Altman.

Translated Description (Spanish)

La determinación automática de una región de interés (ROI) adecuada y adaptativa para extraer información relacionada con la actividad cardíaca (señal-ROI/S-ROI), y otra que contenga información sobre la fluctuación de la luz ambiental (fondo-ROI/B-ROI, lo más cerca posible de la señal-ROI), y el procesamiento robusto de la señal son importantes en la estimación de la frecuencia cardíaca (HR) basada en la cámara web, en situaciones de la vida real. Describimos un método novedoso para determinar automáticamente ambos ROI. La frente es la candidata a la S-ROI, por su uniformidad y mínima vulnerabilidad a la deformación. Primero identificamos los píxeles de la piel dentro de la región facial detectada por el algoritmo de Viola-Jones (VJ). La región de la frente, y un sub-rectángulo uniforme dentro de ella que no contiene cabello, determinado mediante el uso de la varianza como medida, produce el S-ROI. El B-ROI, que consta de 3 rectángulos, cada uno del mismo tamaño que el de S-ROI, en los dos lados y en la parte superior del rectángulo VJ, se utiliza para generar una señal de referencia para un esquema de cancelación de ruido adaptativo. Se aborda la situación que surge de las expresiones faciales (posiblemente simultáneas) que deforman el S-ROI, extrayendo la secuencia de fase asociada con la representación analítica de la señal. Los experimentos realizados con 21 sujetos sanos, utilizando esta novedosa serie de técnicas, han producido una buena correspondencia con la verdad fundamental obtenida de un transductor de pulso de dedo estándar, como lo refleja el gráfico de Bland-Altman.

Files

08998210.pdf.pdf

Files (245 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:5b891e946263cf7364a0f74d26beb12a
245 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
إشارات وخلفية تلقائية وقابلة للتكيف مع المعالجة القائمة على التمثيل التحليلي لتقدير معدل ضربات القلب القوي القائم على كاميرا الويب
Translated title (French)
Traitement automatique et adaptatif du signal et de l'arrière-plan avec traitement basé sur la représentation analytique pour une estimation robuste du rythme cardiaque basée sur la webcam
Translated title (Spanish)
Señal automática y adaptativa y Roi de fondo con procesamiento basado en representación analítica para una estimación robusta de la frecuencia cardíaca basada en cámara web

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3006066442
DOI
10.1109/access.2020.2973815

Is supplement to
https://openalex.org/W4244945894 (Other)
https://openalex.org/W4224881918 (Other)
https://openalex.org/W2802042052 (Other)
https://openalex.org/W2612403054 (Other)
https://openalex.org/W2321986606 (Other)
https://openalex.org/W2242098268 (Other)
https://openalex.org/W2064771172 (Other)
https://openalex.org/W2003462717 (Other)
https://openalex.org/W1987609185 (Other)
https://openalex.org/W174828583 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
India

References

  • https://openalex.org/W1540777168
  • https://openalex.org/W1878358432
  • https://openalex.org/W1974927758
  • https://openalex.org/W1984554603
  • https://openalex.org/W1986273245
  • https://openalex.org/W2003922338
  • https://openalex.org/W2008821584
  • https://openalex.org/W2010270685
  • https://openalex.org/W2015795623
  • https://openalex.org/W2016778993
  • https://openalex.org/W2023232389
  • https://openalex.org/W2050313287
  • https://openalex.org/W2076001533
  • https://openalex.org/W2082046021
  • https://openalex.org/W2096980531
  • https://openalex.org/W2109622017
  • https://openalex.org/W2112215023
  • https://openalex.org/W2132085292
  • https://openalex.org/W2139293067
  • https://openalex.org/W2163729192
  • https://openalex.org/W2207797779
  • https://openalex.org/W2285072859
  • https://openalex.org/W2288611104
  • https://openalex.org/W2534649604
  • https://openalex.org/W2547261903
  • https://openalex.org/W2561837302
  • https://openalex.org/W2797516094
  • https://openalex.org/W2972175247
  • https://openalex.org/W3097096317
  • https://openalex.org/W4242708255