光的偏振特性对rPPG信号的影响研究
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作者:
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(1.天津工业大学 电子与信息工程学院,天津市光电检测技术与系统重点实验室,天津 300387; 2.伍伦贡大学物理系,澳大利亚新南威尔士州伍伦贡市,2522)

作者简介:

唐春晓(1982-),男,博士,讲师(硕士生导师),主要从事光电检测技术方面的研究.

通讯作者:

中图分类号:

基金项目:

国家自然基金项目(31271871,60877049,61675154)、天津市应用基础及前沿技术研究计划(08JCZDJC19300)、天津市重点研发计划科技支撑重点项目(19YFZCSY00180)和天 津市自然科学基金面上项目(18JCYBJC29100);天津市科技军民融合重大专项项目(18ZXJMTG 00260)资助项目 (1.天津工业大学 电子与信息工程学院,天津市光电检测技术与系统重点实验室,天津 300387; 2.伍伦贡大学物理系,澳大利亚新南威尔士州伍伦贡市,2522)


Study on the influence of polarization characteristics of light on rPPG signal
Author:
Affiliation:

(1.Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China; 2.School of Physics,University of Wollongong,NSW Wollongong 2522,Austrilia)

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    摘要:

    远程光电容积脉搏波描记法(remote Photoplethysmography,rPPG)通过分析目标区域的光线周期性变化来实现人体心率的测量,测量过程中会引入大量噪声。在这些噪声中,皮肤表面漫反射光是一种公认的常见噪声。根据光与生物组织相互作用的原理可知,没有接触到皮下动脉血管的后向散射光也属于噪声,本文中称其为浅层噪声。根据作者的文献调研,在rPPG研究领域还没有对这种噪声及其消除方法进行研究的论文。为探究如何更好的使用偏振成像方法消除这两种噪声,本文对人体面部成像光束的偏振特性进行系统性分析,得出以下结论:(1) 使用纯S光或纯P光作为入射光,后向散射光与入射光的偏振方向 有差异,使用检偏器与起偏器通光轴正交的方法无法完全消除噪声,而应该让检偏器通光轴与成像光束的主要偏振方向正交; (2) 面部成像光束的偏振度分布不均匀,额头的偏振度最高,作为rPPG测量时的ROI更为合适。本文的研究结果可帮助使用偏振成像的rPPG系统得到质量更好的信号,提高信号质量和心率测量的准确性。

    Abstract:

    Remote Photoplethysmography (rPPG) realizes heart rate measure ment by capturing facial video and analyzing the periodic changes of the average gray level in the range of interest (ROI).Noise elimination is one of the key techniques in rPPG systems.Among all the noises,diffuse light on the skin surf ace is a recognized common noise.According to the principle of interaction betw een light and biological tissues,backscattered light without contact with subcu taneous artery should also be considered as noise,which is called ‘shallow noi se’ in this paper.According to the author′s literature research,there is no r esearch paper on this noise and its elimination method in the rPPG research fiel d.In this paper,the polarization characteristics of the imaging beam is system atically analyzed to improve the polarization based noise elimination technique, the results show that:(1) When the incident light is S- or P- wave,the pola ri zation direction of the backscattered and incident light is different.In this c ase,the diffuse light and shallow noise cannot be completely eliminated by maki ng the analyzer and polarizer orthogonal.The analyzer should be orthogonal to t he imaging beam; (2) The polarization degree of the imaging beam is not evenly d istributed.The polarization degree of the forehead is the highest,which can be used to optimize ROI selection.The results of this paper are helpful for rPPG systems based on polarization imaging to achieve better signal quality and impro ve the accuracy of heart rate measurement.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

唐春晓,刘诗红,李鸿强,李恩邦.光的偏振特性对rPPG信号的影响研究[J].光电子激光,2021,32(1):101~110

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  • 收稿日期:2020-09-18
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  • 在线发布日期: 2021-01-26
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