Google OS実験室 ~Moonlight 明日香~

GoogleのAndroidで遊び始めて, すでに6年以上が経った. Androidは思った以上の発展を遂げている. この技術を使って, 新しいことにチャレンジだ!!

脈拍センシングにチャレンジ(2)

今回は, カメラで撮影した指の映像から心拍数が正しく求められるか, オムロンの血圧計での測定とカメラでの指の撮影を交互に5回行い, カメラで撮影した映像から心拍数を算出し比較してみた.

1. 輝度変化
 まずは, カメラで撮影した画像から安定して輝度の変化が得られるか調べてみた.
5回の撮影データについて, R/G/Bプレーン毎に輝度変化を調べてみた.

graph01
graph02
graph03
その結果, 測定(1)や(2)のようにR/G/Bすべて安定して脈波が観測できる場合と, 測定(3)や(5)のようにG以外はあまり脈波が観測できない場合があった.
そこで, 心拍数の計測にはGプレーンの輝度変化を用いることにした.

2. 周波数分析
 FFT(高速フーリエ変換)を用いて輝度変化の周波数分析を行い, 心拍数が正しく求められるか確認してみる.
心拍変化は0.8Hz~3Hz程度なので, バンドパスフィルタにより分析する周波数帯域を制限してからFFTすべきだが, 簡易的に差分(y[n] = x[n]-x[n-1])と移動平均(y[n]=(x[n]+x[n-1])/2)を使用することにする.
*注) FFTにはAkiyama氏のFFT-PLOT(フリー版) [1]を使用.
graph03
graph04

FFT
解析サンプル数128256512
基本周波数(Hz)1.4171.2941.350
心拍数85.077.681.0

波形データを目視でチェックしたところ80拍だったので, FFTの解析サンプル数は心拍数が最も近い512を採用する.

3. 測定結果
5回の測定結果は以下の通り.

回数目視カメラオムロン
1808183
2787474
3828175
4818175
5828176

波形データの目視チェックによる心拍数とカメラによる心拍数はかなり近い値となったが, オムロンでの測定値とは少しずれがあった.
一応, 心拍数が測れそうなので, この考え方をベースにプログラミングすることにする.
また, オムロンの測定値とのずれは, 同時測定や他の機器との比較などして引き続き検証はやっていく予定.

----
参照URL:
[1] 高速フーリエ変換(FFT-PLOT)

 

脈拍センシングにチャレンジ(1)

最近, ヘルスケア関連の業務をするようになり, 血圧, 脈拍や心電図などの測定に少し興味を持つようになってきた.
いろいろと調査している中で, 例えば「
Instant Heart Rate」のように, AndroidやiPhoneのカメラを使って心拍数を測定するようなアプリもいくつか出てきている.

そこで, スマフォのカメラを使ってどのように心拍(脈拍)数を測定しているか調べてみた.


1. 脈拍計測の原理[1]
 脈拍計測には, 血液中のヘモグロビンが光を吸収するという性質を利用しているようで, 血管が収縮しているときはヘモグロビンが少なく受光素子への入射光が多くなり, 血管が拡張しているときはヘモグロビンが多く受光素子への入射光が少なくなる.
 この入射光の変化から血中のヘモグロビン量の変化を測定することができ, 脈拍数を求めることができる.

sensor01
                出典:EPSONのHP[1]

 スマフォアプリも同じような原理で測定しており, LEDの光とカメラを使って輝度の変化から脈拍数を測定しているようである.

2. 脈波の測定
Androidのカメラを使って, 指を撮影すると, 以下のように見える.



映像を見ると, 鼓動に合わせて多少明るさが変化しているのがわかる.
そこで, プレビュー画像の中央付近の輝度を測定するプログラムを作成し, 輝度の変化を観測してみた.

sensor01

一応脈波のような波形が取得できた.

[コード]
package com.moonlight_aska.android.preview01;

import java.io.IOException;

import android.content.Context;
import android.graphics.Canvas;
import android.graphics.Color;
import android.graphics.Paint;
import android.graphics.Paint.Style;
import android.graphics.PorterDuff.Mode;
import android.graphics.SurfaceTexture;
import android.hardware.Camera;
import android.os.Build;
import android.view.SurfaceHolder;
import android.view.SurfaceView;

public class CameraView extends SurfaceView 
    implements SurfaceHolder.Callback, Camera.PreviewCallback {
  private static final int PREVIEW_WIDTH = 640;
  private static final int PREVIEW_HEIGHT = 480;
  private static final int FRAME_WIDTH = 50;
  private static final int SCALE = 20;
  private static final int VIEW_POINTS = 200;
  private static final float PEN_WIDTH = 3.0F;
  private int mBufSize;
  private float[] mVal;
  private int mSamples;
  private int mTop;
  private int mStep;
  private Camera mCamera = null;
  private SurfaceHolder mHolder = null;
  private SurfaceTexture mSurfaceTexture = null;
  private Paint mLinePaint = new Paint();
 
  public CameraView(Context context) {
    super(context);
        
    mLinePaint.setStyle(Style.STROKE);
    mLinePaint.setColor(Color.GREEN);
    mLinePaint.setStrokeWidth(PEN_WIDTH);
    mHolder = getHolder();
    mHolder.addCallback(this);
  }
   
  public void surfaceCreated(SurfaceHolder holder) {
    // TODO Auto-generated method stub
    mBufSize = getWidth();
    mVal = new int[mBufSize];
    mStep = (mBufSize - FRAME_WIDTH*2) / VIEW_POINTS;
       
    // カメラオープン
    mCamera = Camera.open();
    try {
      if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.HONEYCOMB) {
        mSurfaceTexture = new SurfaceTexture(0);
        mCamera.setPreviewTexture(mSurfaceTexture);
      }
      else {
        mCamera.setPreviewDisplay(null);
      }
    } catch (IOException e) {
      // TODO Auto-generated catch block
      e.printStackTrace();
    }
  }
    
  public void surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int w, int h) {
    // TODO Auto-generated method stub
    stopPreview();
    // プレビュー画面のサイズ設定
    Camera.Parameters params = mCamera.getParameters();
    params.setPreviewSize(PREVIEW_WIDTH, PREVIEW_HEIGHT);
    params.setFlashMode(Camera.Parameters.FLASH_MODE_TORCH);
    mCamera.setParameters(params);
    // プレビュー開始
    mTop = 0;
    mSamples = 0;
    startPreview();
  }
    
  public void surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder) {
    // TODO Auto-generated method stub
    stopPreview();
    mCamera.release();
    mCamera = null;
  }
   
  @Override
  public void onPreviewFrame(byte[] data, Camera camera) {
    // TODO Auto-generated method stub
    mVal[mSamples%mBufSize] = calcLuminance(data);
    mSamples++;
    drawLuminance();
  }
  
  // プレビュー開始
  private void startPreview(){
    mCamera.setPreviewCallback(this);
    mCamera.startPreview();
  }

   
  // プレビュー停止
  private void stopPreview(){
    mCamera.setPreviewCallback(null);
    mCamera.stopPreview();
  }
    
  // 輝度値の計算
  private float calcLuminance(byte[] data) {
    float sumVal = 0.0f;
    int cnt = 0;

    for (int y=PREVIEW_HEIGHT/4; y<PREVIEW_HEIGHT*3/4; y++) {
      for (int x=PREVIEW_WIDTH/4; x<PREVIEW_WIDTH*3/4; x++) {
        sumVal += (float)(data[y*PREVIEW_WIDTH+x] & 0xff);
        cnt++;
      }
    }
    sumVal /= cnt;
    return sumVal;
  }
    
  // 輝度グラフの描画
  private void drawLuminance() {
    int idx, idx_1;
  
    Canvas canvas = mHolder.lockCanvas();
    if (canvas != null) {
      canvas.drawColor(0, Mode.CLEAR);
      if (mSamples >= VIEW_POINTS) {
        mTop++;
      }
      for (int i=mTop, x=0; i<mSamples-1; i++, x++) {
        idx = i % mBufSize;
        idx_1 = (i+1) % mBufSize;
        canvas.drawLine(x*mStep+FRAME_WIDTH, (mVal[idx]-80.0)*SCALE, (x+1)*mStep+FRAME_WIDTH, (mVal[idx_1]-80.0)*SCALE, mLinePaint);
      }
      mHolder.unlockCanvasAndPost(canvas);
    } 
  }
}

観測されたデータの周期性を調べることで, 脈拍数を求めることができる.
脈拍数の求め方については, 次回以降に.....

----
参照URL:
 [1]
腕で測る! 高精度脈拍計測技術 | 技術・イノベーション | EPSON

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