Аннотация. Работа посвящена распознаванию потенциально-опасных физиологических состояний. Предлагается одномерные сигналы, используемые в медицинской диагностике, преобразовывать в видео ряд. Для распознавания видеоряда предлагается сочетать
сверточную и рекуррентную нейронную сеть. Проведено сравнение эффективности многоклассовой классификации (нормальный синусовый ритм, инфаркт миокарда, изменения продолжительности ST-интервала, нарушения проводимости и гипертрофия) с помощью метода, сочетающего рекуррентную и сверточную нейронные сети с рекуррентной и сверточной нейронными сетями. Показана высокая эффективность предложенного подхода.
Ключевые слова: Машинное обучение, цифровая обработка сигналов, видеоаналитика
Богданов М.Р., Шахмаметова Г.Р., Шайбаков И.Ш., Исхаков А.Р., Оськин Н.Н.
В настоящее время видеоаналитика находит все больше областей применения, расширяются и сценарии распознавания видео. Видеоаналитика активно применяется в беспилотных транспортных системах, в системах безопасности, в медицине, при проведении экологических исследований, в военном деле.
Видео состоит из упорядоченной последовательности кадров. Каждый кадр содержит пространственную информацию, а последовательность этих кадров содержит временную информацию. При этом видео представляет собой сложный мультимодальный объект, включающий в себя визуальную составляющую, звуковую составляющую, временную составляющую, иногда субтитры и текст, присутствующий на кадрах.
Визуальную составляющую видео можно описать следующим выражением: 𝑧∈RN×H×W×C, где N – количество кадров, W – ширина кадра в пикселях, H – высота кадра в пикселях, C – количество каналов (в случае с RGB, C=3). Аудио составляющую можно описать выражением: CxT, где C число каналов (1-моно, 2-стерео и.т.д.) а T амплитуда сигнала.
Можно выделить несколько сценариев распознавания видео: классификация, пространственно-временная привязка, пространственно-временная труба, реидентификация объектов, предсказание траектории движения объекта.
В случае решения задачи классификации часто используется следующий сценарий. Формируется обучающая выборка, основанная на коротких видеороликах (продолжительностью 10-20 секунд). В качестве примера можно привести набор данных Kinetics [1], предназначеного для обучения моделей ИИ распознавать действия человека.
Для распознавания действия, происходящего на видео используют различные алгоритмы классификации.
При покадровой классификации видео рассматривается как совокупность
отдельных изображений, которые распознаются с помощью сверточных нейронных сетей. Полученные метки классов усредняются.
В случае так называемого позднего слияния каждая модальность, входящая в состав видео (визуальная, аудио- или текстовая) распознается отдельно, после чего отдельные прогнозы объединяются в итоговый результат с помощью таких методов, как усреднение, объединение или взвешенное усреднение.
Раннее объединение предполагает объединение информации из разных модальностей на ранних этапах процесса классификации. Вместо того чтобы обрабатывать каждую модальность независимо и объединять их прогнозы позже, при раннем объединении признаки, извлечённые из разных модальностей, объединяются в единое представление перед передачей в классификатор. Такое комбинированное представление позволяет фиксировать визуальную, звуковую и, возможно, текстовую информацию в едином пространстве признаков [2].
Медленное слияние предполагает постепенную интеграцию информации полученной из разных источников. Оно объединяет признаки и прогнозы на нескольких временных этапах или кадрах. Такой подход позволяет модели учитывать временные зависимости и контекстную информацию в видеопоследовательности [2].
В приведенных выше примерах для работы с визуальными признаками используются сверточные нейронные сети, а для работы с временными признаками рекуррентные нейронные сети (гибридная модель).
В качестве метрик качества на задачах классификации обычно используют Accuracy, Precision, Recall, F1 score, Micro-F1 score, K-Fold cross-validation, Top-k.
Задача пространственно-временной привязки при распознавании видео направлена на локализацию объекта интереса на видео (Context-Guided Spatio-Temporal Video Grounding или CA STVG) с помощью пространственно-временной трубы (образованной последовательностью ограничивающих прямоугольников) на основе текстового запроса произвольной формы. Это сложная мультимодальная задача, связанная с изучением и пониманием пространственно-временных визуальных представлений в видео и их связи с лингвистическим представлением текста [3].
При решении задачи пространственно-временной привязки необходимо найти временные метки начала и конца некоего события, происходящего на видео в соответствии с запросом на естественном языке. Задача актуальна в области видеонаблюдения и аннотации видео. При этом иногда достаточно найти временные интервалы события, иногда требуется также распознать целевые объекты на кадре и выделить их рамкой. Родственными задачами являются: визуальное вопросно-ответное взаимодействие, создание подписей к изображениям, создание подписей к видео, преобразование текста в изображение.
В работе [3] сообщается об использовании визуального контекста видео для распознавания объектов и используования его в качестве ориентира для локализации объекта.
Для решения задачи CA STVG в работе [3] предлагается кодировщик, предназначенный для создания мультимодальных визуально-лингвистических признаков. Кодировщик извлекает и объединяет визуальные и текстовые признаки.
Различают признаки внешнего вида и признаки движения. В начале из видео выбирается набор кадров F={fi}Ni=1 длиной N, затем с помощью сверточной нейронной сети ResNet-101 [4] извлекаются признаки внешнего вида, а с помощью нейронной сети VidSwin [5] извлекали признаки движения. Признак внешнего вида: Va= {via}Ni=1, где vai ∈ RH×W×C , где H, W и C — высота, ширина и размер канала, признак движения: Vm = {vim}Ni=1, где vim ∈RH×W×C, где C — размер канала.
Для извлечения текстовых признаков используется архитектура RoBERTa [6]. Запрос в начале разбивается на токены с целью получения последовательности слов W = {wi}i=Ni=1, после чего с помощью архитектуры RoBERTa получают последовательность векторных представлений T = {ti}i=Ni=1, где ti∈ RC, а C — размерность векторного представления слова.
Далее, проводится мультимодальное слияние признаков внешнего вида Va, движения Vm и текста T. В начале сопоставляются Va, Vm и T с одним и тем же номером канала с помощью линейной проекции, а затем объединяются соответствующие признаки для получения мультимодальных признаков X = {xi}Ni=1 следующим образом:
xi=[vai1, vai2 ,…, vaiH×W, vmi1, vmi2 ,…, vmiH×W, t1, t2, …, tNt]
где xi — мультимодальная характеристика в кадре i.
vai- признаки внешнего вида
vmi - признаки движения
t – текстовые признаки
Для определения местоположение цели в пространстве и во времени используется пространственное декодирование и блок временного декодирования [3]. В результате получают оценка прогноза границ объектов BK ={bi}Ni=1 , где bi∈R4 - координаты центра объекта, ширина и высота прогнозируемой границы, а также вероятности начала и окончания каждого кадра HK = {(hstarti, hendi)}Ni=1, где время начала и окончания определяется максимальной совместной вероятностью начала и окончания интересующего события.
Реидентификация объектов (Re-ID) направлена на сопоставление одного и того же объекта (человека, транспортного средства) снятого с разных ракурсов. Она имеет значительную практическую ценность в таких областях, как интеллектуальное видеонаблюдение, «умные» города, сохранение природных экосистем.
Заболевания сердечно-сосудистой системы являются актуальной проблемой. Для диагностики кардиологических заболеваний широко применяетсся электрокардиография. С технической точки зрения электрокардиографы являются многоканальными цифровыми вольтметрами, различающиеся такими характеристиками, как количество каналов, разрядность, частота дискретизации. Результатом работы электрокардиографа является совокупность одномерных массивов – электракардиосигналов.
В случае автоматического распознавания ЭКГ обычно электрокардиосигнал нарезаются на кардиоциклы, после чего последние рассматриваются как совокупность геометрических признаков (PQRST-комплекс) (изображений, вейвлетов или временных рядов). Для классификации полученных признаков используют различные методы машинного обучения, такие как ансамблевые методы, сверточные, полносвязные или рекуррентные нейронные сети.
На наш взгляд, у подобного подхода есть ряд недостатков и ограничений. Во-первых, не всегда из кардиоциклов можно выделить геометрические признаки. Во-вторых, если сконцентрироваться на геометрических характеристиках кардиоциклов (например, с помощью сверточных нейронных сетей), будет упущена вариабельность сердечного ритма. С другой стороны, представление ЭКГ в виде временного ряда (с помощью рекуррентных нейронных сетей) скрывает от нас геометрические особенности кардиоциклов.
Предлагается рассматривать электрокардиосигнал в виде пространственно-временного процесса и воспринимать его как видеоряд. Видеоряд на наш взгляд позволяет описывать гораздо более сложные процессы и явления, разворачивающиеся в динамике.
Целью предлагаемого исследования является оценка возможности распознавания потенциально-опасных физиологических состояний путем распознавания электрокардиограмм, которые рассматриваются в виде пространственно-временных объектов. Из одномерных ЭКГ-сигналов создаются видеофильмы, которые распознаются с
помощью методов видеоаналитики (комбинация сверточной и рекуррентной нейронных сетей). Для сравнения использовались методы, используемые для распознавания изображений (сверточная нейроная сеть) и временных рядов (рекуррентная нейронная сеть).
При проведении исследований использовали базу данных оцифрованных электрокардиограмм PTB-XL (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) Национального института метрологии, расположенного в Берлине. Дейтасет содержал 21799 образца 12-канальных ЭКГ, зарегистрированных у 18869 пациентов. Продолжительность измерений составляла 10 секунд, частота дискретизации – 500 Гц, разрядность – 16 бит. С технической точки зрения электрокардиосигнал представляет собой двухмерный массив 12*5000. Среди представленных электрокардиосигналов можно выделить следующие диагностические классы: нормальный синусовый ритм (ЭКГ здоровых испытуемых) (9514 записи), инфаркт миокарда (5469 записей), изменения продолжительности ST-интервала (5235 записей), нарушения проводимости (4898 записей) и гипертрофия (2649 записей) [7-10].
При распознавании электрокардиосигналов последние рассматривали в качестве видео, временных рядов и изображений.
Как уже говорилось выше, электрокардиосигнал в рассматриваемом случае представляет из себя совокупность 12 одномерных массивов, содержащих по 5000 вещественных чисел. Каждый из массивов нарезали на фрагменты, состоящие из 500 элементов, соответствующих 1 секунде ЭКГ. С помощью библиотеки matplotlib одномерные массивы преобразовывали в изображения (рис. 1):

Рис. 1. Односекундный фрагмент ЭКГ нормального синусового ритма.
Далее, собирали видео, состоящее из 10 кадров (fps=30). Из одной записи ЭКГ получали 12 коротких видео. В следствие ограниченности вычислительных ресурсов рандомным образом выбирали по 500 видео из каждого класса (всего 2500 видео). Обучающая выборка содержала 2000 образцов, тестовая выборка – 500 образцов. Для классификации использовали гибридную нейронную сеть (RNN-CNN), предложенную Сайеком Паулем [11].
Во втором случае одномерные массивы, образующие электрокардиосигнал, также нарезали на фрагменты длиной 500 элементов (120 фрагментов на каждую запись). Для классификации временных рядов использовали метод, описанный в [12] (рекуррентная нейронная сеть) .
Каждый класс был представлен 10000 образцами (всего 50000 образцов). Обучающая выборка состояла из 40000 образцов, тестовая выборка – 10000 образцов.
В третьем случае из каждого одномерного сигнала (содержащего 5000 элементов), выбирали первые 4704, которые нарезали на 6 фрагментов по 784 элемента. Далее, каждый из 6 одномерных массива, содержащего 784 элемента, превращали в двумерные массивы (28*28), которые затем превращали в изображения с помощью метода imshow библиотеки matplotlib (рис. 2):

Рис. 2. Изображение, полученное путем преобразования одномерного массива,
содержащего 784 элемента в двухмерный массив (28*28).
Из каждой записи получали 72 изображения (12*6). Как и в предыдущем случае обучающая выборка состояла из 40000 изображений, тестовая выборка – 10000 изображений, всего по 10000 изображений на класс. Для классификации изображений использовали сверточную нейронную сеть ConvNet [12].
Для проведения вычислительного эксперимента было разработано программное обеспечение, написанное на языке Python. Расчеты проводили на компьютере с процессором Intel Core i9, 256 Gb RAM. NVIDIA RTX 3080 Ti.
Проводилась проверка гипотезы о возможности представления электрокардиограмм в виде видео, с последующим распознаванием с помощью гибридной нейронной сети RNN-CNN. В качестве базовых алгоритмов использовали рекуррентную и сверточную нейронные сети. Во всех трех случаях проводили многоклассовую классификацию (нормальный синусовый ритм, инфаркт миокарда, изменения продолжительности ST-интервала, нарушения проводимости и гипертрофия). В качестве метрики качества использовали метрику accuracy. Результаты распознавания приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Сравнение эффективности распознавания электрокардиограмм различными методами

Из таблицы видно, что гибридная нейронная сеть, основанная на совокупности сверточной и рекуррентной нейронной сети показала лучшую эффективность по сравнению с рекуррентной и сверточной нейронной сетями. В настоящее время появилось несколько новых архитектур, предназначенных для распознавания изображений, например, сверточные нейронные сети EfficientNet и MaxVit, а также трансформер BigTransfer. Они показали высокую эффективность при распознавании изображений размерности 224*224*3 (150528 элемента). Возможно они окажутся эффективными при распознавании результатов холтеровского мониторирования (длительная регистрация ЭКГ, порядка 24-х часов). Предоженный в работе подход показал свою эффективность при работе с короткими фрагментами ЭКГ (10 секунд). Полученные предварительные результаты вселяют надежду на успешное развитие предложенного подхода.