Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   10 ,  No.   6 ,  Decem ber   2020 , p p.   5687 ~ 5693   IS S N:  20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v 10 i 6 . pp 5687 - 56 93           5687       Journ al h om e page :  http: // ij ece.i aesc or e.c om/i nd ex .ph p/IJ ECE   Motion  artifacts  reduc tion  in card iac pu lse sign al    ac qu ired  from  vid eo  im agin g       Mur thad  Al - Yoonus 1 , Mus tafa H.  A lh ab i b 2 , Must afa  Zuha er  Na yef  Al - D aba gh 3 ,   M.   F. L.  Abdu ll ah 4   1 Com pute r  and   Networks Depa r tment,   Pa it a xt T ec hni ca l   Priva te  Instit ute -   Erb il, K RG,   Ira q   2 Com m unic at ion  and  Com puter Enginee r ing  Dep a rtment,   C iha n   Univer sit y - Erbi l ,   KRG ,   Ira q   3 Depa rtment of  Com pute r  Scie n ce ,   Coll ege of   S ci en ce,  Know le d ge  Univer si t y ,   Univer sit y   Park ,   Erbi l   EBL 4460 15,   Kurdistan   Re gion,   Ir aq   1,4 Facul t y   of Electrical a nd   Elec t ronic   Engi ne eri n g,   Univer si ti T u n  Hus sein  Onn  Malay s ia,  Ma lays ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   A ug  4 , 2 019   Re vised  A pr 13 ,   2020   Accepte d  Ma y  8 , 2 020       Thi s  stud y   exa m ine s  the   poss ibi l ity   of  remotely   m ea suring   the   c ard iac  puls e   ac t ivi t y   of  a  pat i ent ,   w hic h  cou ld   be  an  al te rn at iv e  te chn ique   to  t he  cl assic al  m et hod .   Thi s  t y pe   of  m ea sur ement  is  non - inva sive .   How e ver ,   seve r al  li m it ations  m a y   det er iora t e  the   a cc ura c y   of  the   r esult s ,   including   cha nges  in   ambient   i ll um in at ion ,   m oti on  ar t ifa c ts  (MA )  and  othe r  in te rf ere nc es  tha t  m a y   occ ur  through  vi deo  re cor ding .   T he  pape r  in  hand   pre sents  a   new  appr oac h  as   a  remed y   for  th e   afo r ementi on e d   proble m   in   c a rdia c   pulse   sign al s  ex tract ed  from   fac ia l  video  rec ordings.   Pa rti ti on ing  provid es  the   basis  for  the   pre sente d   MA  red uct ion   m et hod;  th e  a cq uire d  sign al s  a re   par t it ion ed   in to   two  sets   for   ea ch   sec ond   an d  eve r y   par ti t io n  is  shift ed   to   t he  m ea n   le v el   and  th en  al l   the   par ti t ions  ar e  re combine d  a gai n  in to  one  si gnal ,   whi ch  is  f oll owed   b y   low - pass  fil ter in g  for  enha n ce m ent .   The  proposed   compare d   wi th  ordinar y   pulse  oximetr y   Phot o ple th y s m ogra phic   (PP G)  m et hod.   T he  resulted  cor relati on  coe ff ic i ent   was found  (0. 957)  when  calc ul at ed  be twee n   the   result s   of  the   proposed  m et hod  an d  the   ordina r y  one .   Exp erim ent s  were   implemente d  usi ng  a  comm on  ca m era   b y   cr eating   a  dat a se t   f rom   11  subjec ts .  The   e ase   of  impl ementa t ion  of  th is  m et hod   with  a   sim ple   tha t  ca n  be  used  t o   m onit or  the  c ard ia c   pulse   rates i n   both  hom e   and   t he  c li ni cal  env ir onm ent s .   Ke yw or d s :   Ca rd ia c  pu lse  ra te   FFT   Illum inati on   Lo w - pass fil te r   Moti on artifact s   Pu lse   oxim e te r         Copyright   ©   202 0   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Murtha d  Al - Y oonus ,   Com pu te r  an d Netw orks De pa rtm ent ,   Pait axt Tech ni cal  Pr ivate   I ns ti tute - Er bil ,   100 St reet,  E r bi l,   KRG ,   I ra q.   Em a il : eng .m ur tha d86@gm ail.co m       1.   INTROD U CTION   The  Me as ur in g  an d  m on it ori ng  of  hum a n  car diac  pul se  act ivit y  are   an  esse ntial   top ic   f or   the   healt hcar e   industry  i n  bo t h  cl inica l  a nd  ho m e  en viron m ents.  Cu rr e nt ly ,  P hoto pleth ys m og ra ph ic   ( PPG)  base d  pulse   oxi m et ry  and   el e ct ro car diog raphy  (ECG )  repr esent  the  m os t   com m on   te ch niques  bei ng   use d  i n  m od ern   ca r diac  pulse   si gn al   m on it or in g  s yst e m s,  wh ic h  are  both  i ne xp e ns i ve  a nd  reli able.  How ever,   these  m e tho ds  us e  co ntact   sens or s  that  ha ve  to  be  at ta ched   to  the  body ,  wh ic h  po s e s  a  disadv a nta ge  since   these  sens ors  are  wire d  to  the  m easur in g  equ ipm ent,  m aking   the  proces s  of   place m ent  and   re m ov al   inco nv e nien t t o  the p at ie nt.   T o  overc om e  the p re - sta te d  prob le m  o f  sk in - at ta ched  sen s or s,  so m e recen t  stud ie s   il lustrate d  a  nu m ber  o f  i nnova ti ve  co ntact le ss so l ution s  that  m easur e ca rd ia c pulse rate s  u s ing  a  cam era [1 - 7].    The  cam era  is  us e d  to   rec ord  fa ci al   vid e os  w hile  the  ca r diac  pulse   act i vity   is  ob ta i ne d  by  f ur t her  sign al   proces sing   a naly sis  for  acqu i rin g  the   hear t  beat  act ivit y  [8 ] .  This  kin d  of  co nta ct le ss  te chn ique   fo r   card ia c pulse  pa ram et ers  m on it or in g  ca n  bec om e  an  essenti al   too l for h osp it al   healt h  care   ap plica ti on s  a s  well   as  in  the  hom e   env ir onm ent.  These  novel  te chn i qu e s  us e  a   si m il ar  pr inciple   to  pulse   oxim e try   as  a  con ta c t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  6 ,  Dec e m ber   2020   :   5687   -   5693   5688   PPG,  w her e  th e  changes  in  s kin   col or   ref le ct s  the  var ia ti ons  in  bl ood  vol um e  accord in g  to  the  card i ovascular   even ts   [ 9,   10] .  I n  oth e r  word s ,  the   hea rt   pulse   act ivit ie s  af fect  li gh t   transm issi on   and  re flect anc e  from     the  hu m an  sk in.  Pu lse   ox im e try   PPG   is  based   in  the  trans m issi on   m od e,   wh il e  hear t  ra te   m easur ing   by   us in g   a cam era is b as ed on t he refle ct ance m od e [ 11 - 14] .   Howe ver,  the  l at er  m et ho d  s ti ll   faces  so m e  chall eng e s;  includi ng   m otion   a rtifact s,  il lum inati on  changes ,  an d  oth e r  inter fer e nces  that  m ay  occ ur   durin g  vid e o  rec ordi ng.  Ov e r  t he  ye ars,   var i ous  ki nd s   of   li te ratur e  pro pose d  sig nal  proces sin g  al go rithm s  to  acc omm od at e  fo r   a rtifact   inter fer e nce  an d  no ise   cancel la ti on   to   enh a nce  the  sign al s  ob ta in ed  f ro m   the  PPG   s ources.  S om e  of   these  m et ho ds   hav e   be e n  pro po se d  for  reducin g  the  i nterf e re nce  ca us e d  by  m oti on   a rtifact s  [ 15 - 17] .  Ma ny  al gorithm s  relied   on   ind e pende nt  co m po nen t  a na ly sis  (I C A)   for  de com po sin g  th e  PPG  sig nals  in  orde r  to   obt ai n  th e  desire d  hear t   rate  sig nal  [ 18,   19] .  Anothe r  stud y  e xploit ed  the   hilb ert - huan g  t ran s f orm   (H HT)  as  a  deco m po sit io n  m e thod   for  reducin g  t he  m otion   of   arti fact  e ff ect s  in  Photo plet hysm og raphic   sig nals.  Her e ,  the   intri ns ic   m od e  functi on  (I MF )  c om po ne nts  are  ob ta ine d  f r om   nonlinear   data  by  ap plyi ng  em pirical   m od e  dec om po sit ion,  wh ic h  is  al s o  us e d  f or  e xp l ori ng  the   cha ng es  in  am plit ude  over   tim e  [20].  Also ,   a  c om par at ive  anal ysi s  is   pr ese nted   bet w e en  the   pe rfo r m ance  of  a dapt ive  filt erin g  te chn i qu e s  a nd  wav el et   tra nsf or m .  The  ai m   was  at  a c q u i r i n g   P P G   s i g n a l s   t h a t   e n j o y   m i n i m u m   a r t i f a c t s   e f f e c t   t o   b e   u s e d   t o   a p p r o x i m a t e   t h e   c a r d i a c   p u l s e   r a t e .     I n   t h i s   c a s e ,   o n l y   l i m i t e d   a p p l i c a t i o n   c a n   b e   d r i v e n   f r o m   m o t i o n   r e d u c t i o n - b a s e d   w a v e l e t   t r a n s f o r m   m e t h o d   [ 2 1 ] .   Anothe r  com par iso n  can b e  s een  in  [ 22 ]   w he re  dif fer e nt  m otion   a rtifact s  wer e p r ocesse d  by  dif fer e nt   wav el et   tra nsf or m   te chn iq ue s  f or  the  possi bili ty   of   reduc ti on .  The   im pl e m entat ion   of  diff e re nt  wa ve le ts  on  PPG   sig nals  yi el ded   S pO 2   e stim at es  with  on ly   sli ght  va r ia ti on s,  wh il e  adap ti ve   filt ering   has  bee n  use d  to   reduce  the  e ff e ct s  of   m otion   a rtifact s  on  the  PPG   si gnal .  A  ver it y  of  dif fere nt  ap proac hes   wh e re  im ple m ente d  tog et he r  t o  ac hieve   the  sam e  ta sk ,   s uch  as   ada ptive  c omb  filt e r  ( ACF ),  infi nite  im pu lse   res pons e   ( IIR )  a nd   adap ti ve  la tt ic e  no tc h  filt er  ( ALNF)  s uc h  as  in  [23].  Alte rn at ively ,  the  work   i n  [24]  s uggeste d  a  two - sta ge   m et ho d  for  m otion  arti facts   reducti on:  in   the  fi rst  sta ge ,  the  i nh e ren t   tim e   and   f re qu e ncy  do m ain   ( FD)   char act e risti cs  of   the  PP G  sign al   are  us e d  to  detect   m oti on   a rtifact s  w hile  the  seco nd  sta ge  a pp li e d  sig nal   processi ng enh ancem ent f eat uri ng a  ne w  m a gn it ude al gorithm  b ased  on a n  F D - ICA  app r oach [ 24] .   The  st udy  pre sented   in  [ 25 ]   pro posed   a  m ul ti - wav el en gth   m otion  ar ti facts  reducti on  al gorithm   fr am ewo r k  for   wr ist - w orn  P PG   se nsor s,  ut il iz ing   the  green  c om po ne nt   of  the  PP G  sign al   for  hea rt  rate  m on it or ing  in  add it io n  to   al locat ing  an   inf r ared   PP G  sig na l  as  the  m oti on  re fer e nce.  The  a uthors  pr esente d  four   m ai n  ste ps   f or  syst em   reali zat ion :  Moti on   detect ion ,  m otion   r e m ov al   us i ng  con ti nu ous  wav el et   trans form , ap pro xim at e H R est i m ation  a nd s ign al   reconstr uc ti on .   The  al go rithm   pr ese nte d  in  t his  pa pe r  dem on st rates  a  ne w  m et ho d  f or  m ot ion   arti fact s  reducti on  us in g  a  rem ote ly - ob ta ine d  P ho t op le thysm og ra ph   (rPP G)  sign al   f ro m   facial   vid e o  r ecordin gs   of   el eve n  par ti ci pa nts   us i ng   face  detect ion   al gorithm   [ 26 ] .   T his  m et h od   ca n  m easur e  the  card ia c  pulse   rate  of  a  pe rs on   from   a  sh or t  di sta nce  up  to  t wo   m et ers  by  us in g  a  cam era  connecte d  to   a  PC.  This  is   fo ll owe d  by  us in g   the  MATLAB   (Mat hWorks TM )  so ftwa re  for  processi ng  the  sign al   da ta   (sign al   ex tract ion   an d  f il te r  enh a ncem ent  f or   m otion  arti f act s  reducti on) .  Finall y,  the   e nh a nce d  si gn al   with  t he  fr e q ue ncy  of   t he  ca rd ia c   pu lse  is d is pla ye d  as  res ults.     Ele ven   s ubj ec ts  had   par ti ci pated  in  t he  exp e rim ents  fo r  recordi ng  30 - sec ond  vide os   f or   ea c h  ind ivi du al .  T he  contrib utio n o f  this  resea rch  can  be  s umm ar iz ed  as  fo ll ows :     The  extracti on  of   the  car diac  pu lse   sig nal  from   the  gr ee n  channel  in  facia l  vid eos ,  (usin g  the  colo r  RG B   separ at io n  m et hods   sta te d  in  the m et ho dolo gy  secti on ) .     Partit ion in g  t he  green  co m ponen t i nto   60  pa rtit ion s  (tw o pa rtit ion s  per a se cond ).     Partit ion s  En ha ncem ent.     Re com bin ing  t he  e nh a nce d   pa rtit ion s int o o ne  si gn al .     To fin d  the  car diac pulse   rate  fr e qu e ncy,  fast  fourie r  tra nsfo rm   (F FT)  is  appli ed  to  g et  the  d esi re d si gnal .   The  arr a ngem e nt  of   this  rese arch   will   be  as  fo ll ows:  Sect ion   2  descr i bes   the  pr op os e d  m et ho d  f or   card ia c  pu lse   s ign al   de te ct ion  and   m otion   a r ti facts  reducti on  usi ng  the  green  com pone nt   of   the  PP G  s ign al .   Sect ion   3  pres ents  the  ex per i m ental   resu lt s  and  ex plains   th e  eff ect ive ness   of  the  pro pose d  m et ho d,  re ga rd i ng  no ise   reducti on  in  the  ca rd i ac  pu lse   sig na ls  ob ta ine d  f rom   vi deo   rec or dings.  Fi nally ,  Sect ion   4  dis cusses     the r es ults,  pr e sents the  concl us io n  a nd  offers f uture rec omm end at ions.       2.   METHO D   2.1.   Ex peri ment al setup     I n  this  researc h,   el eve n  ind i viduals  rangin g  betwee n  18 - 35   ye ars  old   wer e  par ti ci pat ed  f or   acq uiri ng   the  PP G  sig na ls.  An   ordi nary   ca m era  is  us ed  to  re co rd   t he  facial   vi deos  in  true  c olor   sta nd a rd   (24 - bit  per  pix el   RGB  for m at   with  3  chan nels  ×  8  bits/ channel)  at   30   fr am es  per   second  ( f ps),  with   a  pix el   reso lut ion   of   720× 404.  The   vid e os   wer e  sa ved  in  AVI  fo r m at   fo r  furthe r   analy sis  us i ng  MATL AB  s oft war e.  The   rec ordin g  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Motio n arti facts red uctio n  in   car dia c  pulse  s ignal ac quire d  from   vi de o  im agin g  ( Mu rth ad  Al - Yoo nus )   5689   sessions  to ok  place  at   di ff e re nt  tim es  of   t he   day.  A  var yi ng  am ou nt  of  a m bient  su nlig ht   was  the   only   so urce  of   il lum inati on   in  this  exp e rim ent.  The  pa rtic ipants,  ha ving  dif fer e nt  sk i n  colo rs,   w ere   seat ed  on   a  c hair  i n  fron t  of  the  ca m era  at   a  dista nce  of  ap pro xim at ely  on e  m e te r.   D ur i ng   the   recordi ng,  pa r ti ci pan ts  wer e  aske d  to sit st il l and s ta re at the cam era lens .     2.2.    C ardi ac pul se sig na l e xt r act i on   The  si gn al   of  interest   f or  thi s  w ork  is   t he  card i ov asc ular   pulse   wav e   that  pr op a gates   thr ough out     the  body.  The   Viola - J on es  a lgorit hm   pr ov i des  the  basis  f or   the  re gion  of   interest   (R OI)  sel ect ion   f or   fac e   detect ion.  T he   cam era  senses  the  c hanges  in  the  am ount  of  re flect ed  li gh t,   w hich  i nd ic at es  t he  tim i ng  of   card i o  pulse   e ven ts .  Thes e  even ts  relat e  to  vo l um et ric  chan ge s  in  the  R OI   blood   vess el s  durin g  the  card ia c   cy cl e.  The  RG B  channels  f or  each  f ram e  c on sist   of   th ree   com po ne nts;  these  are  r( t) ,  g(t )  an d  b( t)  for   red,   gr ee n  a nd  blue   res pecti vely .   The   e xtracted   sig nal  f r om   t he  gr ee n  col or  sens or  is  t he  best  si gn al   t o  sho w     the car diac act ivit y, bein g at te nu at e d by m oti on artifact   noise .   The  pr es um pti on   is  t hat  the  vo l um et ric  blo od   va riat ion s  r esult  in  facial   colo r  cha nges  and   he nce  facial   li gh t  int e ns it y  var ia ti ons.  Fig ur e   1  sh ows   the  PP G  sig nals  bei ng  acq uire d  from   the  facial   vid e o  recordi ng   m easur em ents  of   two  par ti ci pa nts  by  us in g  a  ca m era  conne ct e d  to  a  PC  at   diff ere nt  ti m es  of   the  day.  T he  ob s er ved  sm all  rip ple  in   the   green   c om po nen t   is  acc ord in g  to  t he  ca r diovasc ular  e ve nts;   howe ver,  the  r ed  li ne  ind ic at es  the  sign ific a nt  a m plit ud e  changes  res ulte d  from   un desir able  m otion   ar ti facts.     The  si gn al s   ob ta ine d  from   these  gr ee n  com po ne nts   show   evi de nt   card ia c  pulse   cha racteri st ic s  an d  accom m od at es  the  m otion   of   arti facts,  s uch   as  sm a ll   facial   m ot ion   a nd   il lum inati on   cha ng e s.  T he  ai m   her e  i s   at  r ed ucin g  m otion  a rtifact s to  enhance  this si gn al  a nd  on ly   yi el d  the cle ar  card ia c  pulse  s ign al .       Figure  1. Tw o PPG  car diac  pulse  sig nals  wi th m otion  artif a ct s noiseo f  tw o partic ipa nts,    t he  sig nals  were t aken at  a  dis ta nce 1 m et er       2.3.     M oti on a rtifa c ts  re duc t ion   Sign al   en ha nc e m ent  and   m ot ion   arti facts  el im inati on   requi res  the  i m ple m entat ion   of  a  ne w  m e tho d  wh ic h  is  based  on   pa rtit ion in g  the  sign al ,  s hifti ng  par ti ti ons  to  the  m ean  le vel,  reco m bin ing   them   and   then   app ly in g  lo w - pass  filt er  (LPF)  to   obta in  t he  fi nal  sig nal .  Fig ur e   2   sho ws  the   acq uir ed  sig nal  as  well   as     the enha ncem e nt pr ocesses.           Figure  2. (a )  T he (RO I)  is  au t om atical ly  cro pp e d usi ng  fac e d et ect io n,   (b)  t he  R OI   dec om po ses into  t he  RGB  channe ls a nd t he raw  RGB tr aces, (c )  t he gr een c om po ne nt  is en ha nced,   (d)  F FT is a ppli ed  to  rec ov e r  t he fre qu e ncy   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  6 ,  Dec e m ber   2020   :   5687   -   5693   5690   The  sta nda rd   c ard ia c  pu lse   ra te   of   a n  ad ult  ranges  from   60   to  100  beats   per   m inu te ;  m eanin g  th at   ever y  sec ond  con ta in s  one  or  tw o  pulse s  a ccordin g  to   th e  par ti ci pa nt’s  healt h  c onditi on.  T he  par ti ti one d  sign al   is  obta in ed  from   the  green  com ponen t   ov e r  30  seco nds  an d  is  div i de d  into  60   par t it ion s  (tw o  pa r ti ti on s   per  seco nd)   to   sepa rate  e very   poss ible  pulse   in  one  par t it ion   a nd  the n  sh ift   pa rtit ions  to  t he  m ean  le vel.     The n  al l  par ti ti on s  are  reco m bin e d  again  t o  fo rm   the  signa l.  Last ly ,  us ing   a  4H z  lo w - pa ss  filt er  (LPF)  will  resu lt   in  the  fi nal  en han ce d  s ign al .  T he  f ollow i ng   ste ps   ar e  app li ed  for  r edu ci ng   t he  effe ct   of   m otion   arti facts   in car diac  pu ls e sig nals obtai ned f ro m  a v id eo reco rd i ng of  the  hu m an  fac e:     Partit ion in g  t he  green  co m ponen t i nto   60  pa rtit ion s as  in Fi gure  3( a ).     Get the m ean l evel f or eve ry  par ti ti on as s ho wn in t he fo rm ula b el ow :     ̅ =   ∑   = 1 ( )                     (1)     w he re  n rep res ents the  No.  p a rtit ion s     Sh ift t he  sam ples of e ver y  part it ion  to  t he  m e an  le vel   as in  F igure  3(b). , usi ng :     ( ) = ( ) −     ̅      (2)       Re peat  ste p  3  f or   al l  par ti ti ons ,  then  rec om bin e  al l  the  par ti ti on s  to  yi el d  th e  cl ear  card io  pu lse   sig nal  wi th  the r e duct i on of ar ti facts  as in  Fig ur e  3(c ).     Use  l ow - pa ss fi lt er ite rati on  (4 tim es)  of   ord er  4H z  for t he final   ste p o f  e nhancem ent, F i gure  3(d ).   The  proces sin g  of   data  requir es  the  transform at ion   into  the  fr eq ue ncy  dom ai n  (F D)   by  Fast  Fo uri er .   Transf or m ,  wh ic h  will   est im at e  the  fr eq uen cy   of  the   card ia c  pu ls e  to   facil it at e   sign al   enh a nc e m ent.   At  the  sam e  tim e,  a  pu lse   oxim et er  m easur es  the  re fer e nce   of   t he  car diac  pu lse   rate.  T hi s  pulse   oxim eter   data   act s  as   gro und  tr uth   that  e nab le s  acc ur a c y  com par ison  and   as sessm ent  of  the  ca m era  al go rit hm - based   m easur em ent m et ho d.         Figure  3. (a )  P arti ti on in g,   ( b)   sh ifti ng  par ti ti on s  to  the m ean,    (c)   r ec om bin ing  the  Pa rtit ion s , (d) LPF  E nh a ncem ent       3.   E X PERI MEN TAL RES UL TS   In   t he  e xp e rim ents,  the   cam e ra  wa s  ad juste d  to  be  a bout  1m et er  away  fr om   the  subj ec t  to  colle ct   RGB  data  wei gh t  var ia ti ons  durin g  vid e o  r ecordin g.   T he  exp e rim ents  wer e  pe rfor m ed  indoor  a nd   outdoo r  at   diff e re nt  tim es   of   the  day.   Th e  faces  of   the  s ubj ect s  are  co nsi der e d  to  be  the  reg i on  of   in te rest,  bein g  cr oppe d  for  analy sis  after  face  detect ion.  From   the  e xp e rim ents,  the  gr ee n  sens or  colle ct ed  the  be st  data  wh e re  weig ht   var ia ti ons  co rresp ond  to  ca rd i ov a scular  act iv it ie s.  Also ,  th e p rese nce o f  othe r  fluct uation  s ources  in  li ght wit h  the  obta ine d  da ta   will   introd uce  no ise   t o  th e  sign al .   T he  m ot ion   arti fact s  re du ct io n  m et hod  was  a pp li ed  on     the obtai ne d  si gn al   us i ng MA TLAB s oft ware.   Figure  4  s how s  the  ty pical   r esults  of   the  c ard ia c  p ulse  re m ote   m easur em ent  and   m oti on   a rtifact s   reducti on  obta ined  by  this  m et ho d  f or  thr ee  su bject s  Fi gure  4(a)  s ho ws  the  sig nals   in  tim e  do m a in  with   diff e re nt  am pli tud es   cau sed   by   li gh t  inte ns it y  var ia ti ons  a c cordin g  t o  t he  card i ov asc ular   eve nts  a nd  m oti on   arti facts.  Fi gur e  4(b )  s hows  t he  re su lt s  of   t he  arti facts  re duct ion  m et ho d  by  pa rtit ion in g,   s hiftin g  t o  a   m ean   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Motio n arti facts red uctio n  in   car dia c  pulse  s ignal ac quire d  from   vi de o  im agin g  ( Mu rth ad  Al - Yoo nus )   5691   le vel,  rec om bin in g  a nd  the n  app ly in g  a  l ow - pass   filt er  it er at ively   fo r   eac h  case.   Fig ure  4( c )  s hows  t he  FFT  of  the  en hanced  sign al s  in  freq uen cy   do m ai n,  the  FFT  s pec tra  cl early   sh ow  a  hi gh e r  pe ak;  this  pea k  is  at     the freq ue ncy  of the ca rd ia c   pu lse .   In  orde r  t o  te s t  the  he art  rate  m easur e m ent  accuracy  of  th is  m e tho d  f or  m ot ion   a rtifact   re du ct io n,     11  sub j ect s  pa rtic ipate d  in   th e  ex per im ents.  The  re s ults  of   this  ne w  hea r t  rate  m easur ing  m et ho d  c om par e   favor a bly  with   the  re fer e nce   res ults  pr e vi ou sly   ob ta ine d  from   a  pu lse   oxim e te r  as  sh ow n  in   Tab le   1.     This  m e tho d  pro duces  a  sta bl e  cor relat io n  coeffic ie nt  of   (0.95 7)   cal cula te d  betwee n  th e  card ia c  puls e   rate   m easur em ents acqu i red he re a nd the classi cal  pulse  ox im et e r  m et ho d, as s how n  i n  Fi gure  5.           Figure  4.  (a )  Si gn al s  in  ti m e d om ai n  with d i f fer e nt am pli tud es, (b )  arti facts  r e du ct io n,   (c)   high  pec ks   at  card ia c  puls e rate in  freq ue ncy dom ai n       Table  1.  Ca rd i ac p ulse r at e  r e su lt s co m par e d wit h refe re nce  r es ults   Su b jects   Prop o sed  M eth o d   Pu lse Ox i m ete r   1   55   58   2   72   76   3   63   63   4   88   86   5   83   81   6   60   57   7   60   64   8   95   83   9   86   79   10   56   58   11   69   69           Figure  5. The  c ard ia c  pulse  r at e co rr el at io n  c oeffici ent  betw een th e  cam era m e tho d an d  t he  pulse  ox im eter   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  6 ,  Dec e m ber   2020   :   5687   -   5693   5692   4.   DISCU SSI ON A ND CON C LUSIO N   This  pa pe r  pre sents  a  te ch nique  f or   m otion   arti facts  reduct ion   in  ca rd ia c  pu lse   si gn al s  obta ined  by  rem ote  vid eo   recordi ng.  T his  m et ho d  c on sist s  of   t w o  sta ges:  first ly ,   par ti ti on in g  the  si gn al ,  sh ifti ng     the  par ti ti ons  to  the  m ean  l evel  an d  rec om bin ing   them   back   int o  on e  sign al ;  the  s econd  sta ge  is   sign al   enh a ncem ent  by  low - pa ss  fi lt ering .  In   ord er  to  te st  the  perform ance  of  this  arti facts   reducti on   m et hod,     the appli ed   FF T enha nces the  car diac pulse   r at e b y i de ntifyi ng h i gh p ea ks i n  the  freq ue nc y do m ai n.      The  rem ote  pulse   m easur em ent  res ults  co m par e  fav ora bl y  to  the  resu l ts  ob ta ine d  f r om   a  reg ular  pu lse   ox im et er.  The      correla ti on   coe ff ic ie nt   between   the  resu lt s  of  the  two  m et ho ds   is   found  to  be  ( 0.957 ).  The  te ch nique   can  re duce  t he  ef fect  of  m ot ion   arti fac ts  in  car diac  pu lse   PP G  f or  sign al   e nh a nc e m ent.   Fu rt her m or e,   this  stu dy  dem on st rates  that  t his  m et ho d  ca n  work  ef fici ently   with  vid e os   recor ded  at   diff e re nt   tim es  of   t he   da y.  This   te ch ni qu e  is   cu rr e nt ly   under  de vel op m ent  but  it   can   be  util iz ed  la te r  f or   bui lding   a  r obus t,   rem ote,  accu rate  ca rd ia c  pulse   rat e  m easur ing  s yst e m s.   Top ic s  f or  f uture  re search   m ay   include:  creati ng   a  real - tim e  re m ote  m easur i ng   syst em   based   on   t hi s  m e tho d  f or   m ulti - par am et ers  su c h  as  car dio  pu ls e   rate va riabil it y, res pirato ry an d  a rterial  b l ood o xyge n  sat ur at ion .       REFERE NCE S   [1]   Poh,  Ming - Zhe r,  Danie l  J.  McDuff,  and  Rosali nd  W .   Pica rd ,  "N on - cont a ct ,   aut om a te d  ca rd iac  pulse   m ea surem ent s   using vi deo   ima ging  and   bli nd   s ourc e  sep arati on , "  Opti cs  e xpre ss ,   vol .   18 ,   no .   10 ,   pp.   10762 - 1077 4,   2010 .   [2]   Garbe y ,   et   al. ,  "Contact - fre e  m ea surem ent   of   ca rd ia c   pulse   base d  on  the  ana l y sis  of   th ermal   imager y , "    IEE E   Tr ansacti o ns  Bi omedi cal E ngine ering ,   vol .   54,   no .   8 ,   pp .   14 18 - 1426,   2007 .   [3]   Cenni ni ,   et   al. ,  "H ea rt  ra te   m onit oring  vi a  r emote  photoplet h y sm ogra ph y   w it h  m oti on  artif a ct s  red u ct ion , "     Optic s e xpre ss ,   vol.   18 ,   no .   5 ,   pp .   4867 - 4875 ,   20 10.   [4]   Le wandows ka,   M.,   Rum iński,   J.,   Koce jko,   T . ,   a nd   Now ak,   J . ,   " Mea suring  pulse  rat e  with  a  webc am - a  non - cont a c t   m et hod  for  evalua ti ng   cardiac  ac t ivi t y , "   Fe d erate d  Conf ere nc e  Computer  Sc i enc e  and   Infor mation  Syste ms   ( Fe dCSIS) ,   pp.   4 05 - 410,   2011 .   [5]   Ta kano ,     and  Yuji  Ohta ,   “ Hea r t  r at e  m ea surem ent  base d  on  a  ti m e - la pse  image , "  Me dic a l  engi n eer ing  and   physic s,   vol.   29 ,   no .   8 ,   pp .   853 - 857 ,   2007 .   [6]   Li ,   X . ,   Ch en,  J.,  Zha o ,   G. ,   and   Piet ikainen ,   M ,  "Rem ot e  hea r t  r at e  m e asure m ent   from   face  vid e os  under   re al ist i c   situa ti ons,"   Proc ee dings o f  th e  I E EE   conf ere n ce o n  compute r  vi sio n  and  pat te rn re cogni ti on ,   pp .   42 64 - 4271,   2014 .   [7]   Rouast,   P.   V.,   Adam ,   M.  T. ,   C hiong,   R. ,   Cornf orth,   D. ,   Lux,   E . ,   "Rem ote   heart  rat e  m ea surem e nt  using  low - cost   RGB fa ce vi d eo: a   technical   liter at ure   rev ie w,"  F rontie rs   of  Com pute rSci enc e ,   vo l.   12 ,   no .   5 ,   pp .   8 58 - 872,   2018 .   [8]   Ibra him,  W .,  To m ari ,   R. ,   Za k aria,   W .   N.  W . ,   an d   Othm an,   N ,  "N on - cont act  heart  rate  m onit orin g  ana l y sis  from   var ious  dist anc e s  with  diff ere nt   face  r egi ons,"  Inte rnational   Jo urnal  of  El e ct ri cal   and   Computer  Eng ine eri n g   ( IJE CE) ,   vol. 7,  no.   6 ,   pp .  3030 - 3036 ,   2017 .   [9]   Hass an,   et   al.,   " Hea rt  r at e   esti m at ion  using   faci al   vid eo:   A  r eview,"   Bi omed ic a l   Signal   Pro ce ss i ng  and  Control,     vol.   38 ,   pp .   346 - 360,   2017 .   [10]   N .  Ibra him,   et  a l . ,   "A na l y s is  of  m ini m um   fac e  v ide o  dur at ion   an d  the  eff ec t   of  v ide o  compress ion  to  imag e - base d  non - c o n t a c t   h e a r t   r a t e   m o n i t o r i n g   s y s t e m , "   B u l l e t i n   o f   E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g   a n d   I n f o r m a t i c s ,   v o l .   9 ,   n o .   1 ,     p p .   4 0 3 - 4 1 0 ,   2 0 2 0 .   [11]   Aart s,  e t  al . , "N on - cont a ct   h ea r t  r at e   m onit oring  uti lizing  ca m er a   photopleth y sm o gra ph y   in   t he   ne onat a l  in te nsiv e   ca re   unit - A pi lo t   stud y , "  Early hu man de velopmen t,   vo l. 89,  no.   12,   pp.   943 - 948,   20 13.   [12]   Al - Naji ,   a nd  Java an  Chahl ,   "N oncont a ct   he art   ac t ivi t y   m ea sure m ent   sy st em  base d  on  vide o  imaging  ana l y sis , "   Inte rnational   Jo urnal  of Pat t ern  Re cogn it ion   and   Arti f icial  In telligence,   vo l .   31,   n o.   2 ,   pp .   175700 1,   2017 .   [13]   Alghoul,   e t  al.,  "H ea rt  ra te   var i abi lit y   ex tra c ti o n  from   vid eos  signal s:  ICA  vs.  EVM  compari son,"  IEEE  Acce ss ,     vol.   5 ,   pp .   4711 - 4719,   2017 .   [14]   MasnaniBt   Moham ed,   et   al . ,   " Non  Conta ct   m onit oring  of  he art   rate  respons es  to  ta ste  stim uli   using  a  vid eo  ca m era,"  Indone sian J ournal  o f El e ct rica l  Eng in ee ring a nd   Computer  Sc ie nc e,  v ol.   18 ,   no .   1 ,   pp .  293 - 300,   2020 .   [15]   Ta nwee r ,   e t  a l . ,   "M oti on  artifa ct   red u ct ion   fro m   PPG  signal s  during  intens e   exe rc ise  using   fil t ere d  X - LM S, "    IEE E   Inte rnat io nal  Symposium  on  Circui ts   and  Syste ms   ( ISCAS) ,   pp .   1 - 4 ,   2017 .   [16]   Dao,   et   a l.,  "A   robust  m oti on  art ifact  de t ec t ion  al gori th m   for  ac cur at e   det ection  of  hea rt  ra te s  fro m  photopl et h y sm ogra phic   sign al s  using  ti m e – fre q uency   spe ct ra l  f ea tur es, "   IE EE   j ournal  of  biome dic al  and   health   inf orm ati cs,   vol .   21,   no.   5,   pp.   12 42 - 1253,   2016 .   [17]   Nordin,   W .   David  Hair ston,  a nd  Danie l  P.  F err is ,   "D ual - e lectr ode  m oti on  art if ac t  c ancel l a ti on  for  m obil e  el e ct roe n ce ph al o gra ph y , "  Journal   of  n eural engi ne ering ,   vo l.  15,   n o.   5 ,   2018 .   [18]   Y.  Jianc hu ,   and  S.  W arr en,  "A   Short  Stud y   to   As sess   the   Potentia l  of  Ind epe nden t   Com ponent   Anal y s is  for  Motio n   Artifa c t  Separ at i on  in  W ea r abl e   Puls e  Oxim et er  Signal s,"   IE EE   Confe renc e  of   t he  Engi n ee ring   in  Me di ci n e  and   Bi ology Society ,   pp.   3585 - 3588 ,   2005 .   [19]   B.   S.  Kim ,   and   Sun  K.  Yoo ,   "M oti on  artifa ct   red uction  in  pho topl et h y sm ogra p h y   using  inde p e ndent   componen t  ana l y sis,"   IEEE T rans .   Bi omed.  Eng. ,   vol .   53 ,  no .   3 ,   pp .   566 - 568 ,   2006.   [20]   Raghura m ,   e t  al .,   "H HT  base d  signal   de compos it ion  for  red u ction  of  m oti on  a rti fa ct s  inphot op le th y sm ogra ph i c   signal s,"   Instrum ent ati on   and  M e asur eme nt  Tech nology   Con fe ren ce   ( I2MTC) ,   pp.   1730 - 1734,   201 2.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Motio n arti facts red uctio n  in   car dia c  pulse  s ignal ac quire d  from   vi de o  im agin g  ( Mu rth ad  Al - Yoo nus )   5693   [21]   Foo  and  Jong  Y ong  A ,   "Com par ison  of  wave let  tra nsform at ion  a nd  ada p ti ve   fi lt e ring  in   restor ing   artifa c t - indu ce d   ti m e - relate d   m eas ure m ent , "   B iomed.   S ignal P roce ss .   Control,   vol .   1,   pp .   93 - 98 ,   20 06.   [22]   Raghura m ,   et   al . ,   "Eva luation  of  wave lets  for  red uct ion  of  m oti on  art ifacts  inphotoplet h y sm ogra p hic   signal s,"  10t h  I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   I n f o r m a t i o n   S c i e n c e s   S i g n a l   P r o c e s s i n g   a n d   t h e i r   A p p l i c a t i o n s   ( I S S P A ) ,   p p .   4 6 0 - 46 3 ,   2 0 1 0 .   [23]   Le e ,   e t  al . ,   "A dapt ive   comb  fil t er ing  for  m oti on  a rti fa ct   r educ t ion  from   PPG  with  a  struct ur e  of  ad apt iv e  lattice  IIR   notc h  f il t er, "   Annual  In te rn at ion a l  Confer ence   En gine er ing  in   Me di ci n e  and   Bio lo g y   Societ y ,   pp.   7 937 - 7940,   2011 .   [24]   Krishnan,   et   al . ,   "Two - stage   appr oac h  for  det e c ti on  and  red uc tion  of  m oti on  ar ti fa ct s  in  photopl et h y sm ogra ph i c   dat a , "   IE EE Tr ansacti ons  B iome dic al   Engi n ee rin g,   vol .   57 ,   no .   8 ,   pp.   1867 - 1876 ,   2010.   [25]   Zha ng,   et  al.,  "M oti on  Artifact   Reduc t ion  for  W rist - W orn  Ph otopl et h y sm ogra p h  Sensors   Based  on  Diffe ren t   W ave le ngths,"   S ensors ,   vol. 19,  no.   3 ,   1 - 18 ,   201 9.   [26]   Viola ,   and  Mich ae l  Jones ,   "Rapi d  Objec t  Detect i on  using  a  Boost ed  Casca de  of  Sim ple   Feat ure s,"   IEE E  Compute r   Soci e ty   Con fe re nce   on   Compute r V ision  and   Pa t te rn R ec ogni ti on ,   vol .   1 ,   pp .   511 - 518,   2001 .       BIOGR AP HI ES OF  A UTH ORS       Murt had   Al - Yoon us   rec ei ved   a  M. Eng  in   El e ct roni c  and   Com pute r  En gine er ing  from   Univer sit y   T ec h nic a l  Mel aka   M al a y si a,   h e  wor ked  in  Al   Kuno oze   Univ ersity   Coll ege  2016 - 2019,   te a chi ng  and  supervision  of  gr adua t ed  Projects.  Curre nt l y  le ct ur ing  at   Pai ta xt  T ec hni cal   Privat e  Insti tut e ,   Erbi l,   KRG   of  Ira q.   His  rese ar ch  int er ests  inc l ude  Im age ,   sign al   proc essing,   dee p  m ac hin e  learni ng  and  Mobi le   Roboti c  S y ste m .   Published  four  pape rs  in  the   fie lds  of  Im age   Proce ss ing  and   p at t ern   r ec ogni ti o n.         Mustafa  H.   Mo hammed  Alhabi b   completed  B Sc.   degr ee  from   the   D epa r tment   of  Com pute r   Engi ne eri ng,   Co ll eg e  of  Engi ne eri ng,   U nive rsit y   of   Mos ul  in   2008,   obt ai ned   MS c  degr ee  in   Te chn ic a l  Com pute r  Engi ne ering  from   the   T ec hni ca l   Engi n e eri ng  Col le g e  Mos ul  in  2013.   Speci a li z ed  in  Im age   Proce ss ing  and  Artifici al   Int el l ige nc e   fie lds.  Curr ent l y   l ec t uring  a t   the   dep art m ent   of  Com m unic at ions  and  Com pute r  Engi n ee ring  a t  ci han  Univ ersity ,   Erbil,   KRG   of  Ira q .   Publishe d  5  pap ers  i n   th e   fields of  Med ica l  Im age Proce ss i ng  and  p atter n   re cogni ti on .         Mustafa  Z .   Na y ef   Al - Dab agh   rec e ive d  th e  B. Sc.   and  M.Sc  d egr ee   in  Com pute r  Eng ine er ing   Te chno log y   fro m   Northe rn  Techni c al   Univ ersi t y ,   Ir aq  in  200 8  and  2014.   He   is  working  as   a  lectur er  on  K nowledge   univ e rsit y .   His   cur re nt  rese ar ch  inter ests  inc lude   Im age   Proce ss ing,  Patt ern   Rec ogn ition, and  Ma chi n e  L ea rn ing, Bi o m edi ca l   Engi n eering,   and  Robo tics S y st ems .           M.   F .   L .   Ab du l lah   He  recei ved   Phd  degr ee   El e ct ri ca l  Engi n ee ri ng  from   (Unive rsit y   W arwi ck ) ,   Master   E le c trica l  Engi n ee r ing  ( Univer sit y   T ec h nolog y   Malay si a),   BS c   Elec t rical  Eng ineeri n g   (Unive rsit y   T echnolog y   Ma lays ia ),   Dip  Edu   (UTM),  Certi fic a te   E lectr oni c  Engi n ee rin g   (Pol y t ec hni c  U ngku  Om ar) .   Curre ntly   lectu ring  a t  th e  D epa rtmen t   of  Com m unic at ion  Engi ne eri ng,   Univer siti   Tun  H uss ei n  Onn  Malay s ia.  Publishe d  153  pape rs  i n  the   fi el d  of   El e ct ri ca l   and   C om m unic at ion, signa l   proc essing   a nd  fib er  op ti cs .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.