325 research outputs found

    Embedding a Grid of Load Cells into a Dining Table for Automatic Monitoring and Detection of Eating Events

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    This dissertation describes a “smart dining table” that can detect and measure consumption events. This work is motivated by the growing problem of obesity, which is a global problem and an epidemic in the United States and Europe. Chapter 1 gives a background on the economic burden of obesity and its comorbidities. For the assessment of obesity, we briefly describe the classic dietary assessment tools and discuss their drawback and the necessity of using more objective, accurate, low-cost, and in-situ automatic dietary assessment tools. We explain in short various technologies used for automatic dietary assessment such as acoustic-, motion-, or image-based systems. This is followed by a literature review of prior works related to the detection of weights and locations of objects sitting on a table surface. Finally, we state the novelty of this work. In chapter 2, we describe the construction of a table that uses an embedded grid of load cells to sense the weights and positions of objects. The main challenge is aligning the tops of adjacent load cells to within a few micrometer tolerance, which we accomplish using a novel inversion process during construction. Experimental tests found that object weights distributed across 4 to 16 load cells could be measured with 99.97±0.1% accuracy. Testing the surface for flatness at 58 points showed that we achieved approximately 4.2±0.5 um deviation among adjacent 2x2 grid of tiles. Through empirical measurements we determined that the table has a 40.2 signal-to-noise ratio when detecting the smallest expected intake amount (0.5 g) from a normal meal (approximate total weight is 560 g), indicating that a tiny amount of intake can be detected well above the noise level of the sensors. In chapter 3, we describe a pilot experiment that tests the capability of the table to monitor eating. Eleven human subjects were video recorded for ground truth while eating a meal on the table using a plate, bowl, and cup. To detect consumption events, we describe an algorithm that analyzes the grid of weight measurements in the format of an image. The algorithm segments the image into multiple objects, tracks them over time, and uses a set of rules to detect and measure individual bites of food and drinks of liquid. On average, each meal consisted of 62 consumption events. Event detection accuracy was very high, with an F1-score per subject of 0.91 to 1.0, and an F1 score per container of 0.97 for the plate and bowl, and 0.99 for the cup. The experiment demonstrates that our device is capable of detecting and measuring individual consumption events during a meal. Chapter 4 compares the capability of our new tool to monitor eating against previous works that have also monitored table surfaces. We completed a literature search and identified the three state-of-the-art methods to be used for comparison. The main limitation of all previous methods is that they used only one load cell for monitoring, so only the total surface weight can be analyzed. To simulate their operations, the weights of our grid of load cells were summed up to use the 2D data as 1D. Data were prepared according to the requirements of each method. Four metrics were used to evaluate the comparison: precision, recall, accuracy, and F1-score. Our method scored the highest in recall, accuracy, and F1-score; compared to all other methods, our method scored 13-21% higher for recall, 8-28% higher for accuracy, and 10-18% higher for F1-score. For precision, our method scored 97% that is just 1% lower than the highest precision, which was 98%. In summary, this dissertation describes novel hardware, a pilot experiment, and a comparison against current state-of-the-art tools. We also believe our methods could be used to build a similar surface for other applications besides monitoring consumption

    Machine Learning and Pedometers: An Integration-Based Convolutional Neural Network for Step Counting and Detection

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    This thesis explores a machine learning-based approach to step detection and counting for a pedometer. Our novelty is to analyze a window of time containing an arbitrary number of steps, and integrate the detected count using a sliding window technique. We compare the effectiveness of this approach against classic deterministic algorithms. While classic algorithms perform well during regular gait (e.g. walking or running), they can perform significantly worse during semi-regular and irregular gaits that still contribute to a person’s overall step count. These non-regular gaits can make up a significant portion of the daily step count for people, and an improvement to measuring these gaits can drastically improve the performance of the overall pedometer. Using data collected by 30 participants performing 3 different activities to simulate regular, semi-regular, and irregular gaits, a training and testing strategy was implemented using a sliding window algorithm of pedometer accelerometer data. Data was cut in rows representative of the sliding window, normalized according to the minimum and maximum values of the corresponding sensor-axis combination, and finally collated in specific training and holdout groups for validation purposes. Nine models were trained to predict a continuous count of steps within a given window, for each fold of our five-fold validation process. These nine models correspond to each gait and sensor combination from the collected data set. Once models are trained, they are evaluated against the holdout validation set to test for both run count accuracy (RCA), a measure of the pedometers detected step to actual step count, and step detection accuracy (SDA), a measure of how well the algorithm can predict the time of an actual step. These are obtained through an additional post-processing step that integrates the predicted steps per window over time in order to find the total count of steps within a given training data set. Additionally, an algorithm estimates the times when predicted steps occur by using the running count of total steps. Once testing is performed on all nine models, the process is repeated across all five folds to verify model architecture consistency throughout the entire data set. A window size test was implemented to vary the window size of the sliding window algorithm between 1 and 10 seconds to discover the effect of the sliding window size on the convolutional neural network\u27s step count and detection performance. Again, these tests were run across five different folds to ensure an accurate average measure of each model\u27s performance. By comparing the metrics of RCA and SDA between the machine-learning approach and other algorithms, we see that the method introduced in this thesis performs similarly or better than both a consumer pedometer device, as well as the three classic algorithms of peak detection, thresholding, and autocorrelation. It was found that with a window size of two seconds, this novel approach can detect steps with an overall average RCA of 0.99 and SDA of 0.88, better than any individual classic algorithm

    Advancement in Dietary Assessment and Self-Monitoring Using Technology

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    Although methods to assess or self-monitor intake may be considered similar, the intended function of each is quite distinct. For the assessment of dietary intake, methods aim to measure food and nutrient intake and/or to derive dietary patterns for determining diet-disease relationships, population surveillance or the effectiveness of interventions. In comparison, dietary self-monitoring primarily aims to create awareness of and reinforce individual eating behaviours, in addition to tracking foods consumed. Advancements in the capabilities of technologies, such as smartphones and wearable devices, have enhanced the collection, analysis and interpretation of dietary intake data in both contexts. This Special Issue invites submissions on the use of novel technology-based approaches for the assessment of food and/or nutrient intake and for self-monitoring eating behaviours. Submissions may document any part of the development and evaluation of the technology-based approaches. Examples may include: web adaption of existing dietary assessment or self-monitoring tools (e.g., food frequency questionnaires, screeners) image-based or image-assisted methods mobile/smartphone applications for capturing intake for assessment or self-monitoring wearable cameras to record dietary intake or eating behaviours body sensors to measure eating behaviours and/or dietary intake use of technology-based methods to complement aspects of traditional dietary assessment or self-monitoring, such as portion size estimation

    Earables: Wearable Computing on the Ears

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    Kopfhörer haben sich bei Verbrauchern durchgesetzt, da sie private Audiokanäle anbieten, zum Beispiel zum Hören von Musik, zum Anschauen der neuesten Filme während dem Pendeln oder zum freihändigen Telefonieren. Dank diesem eindeutigen primären Einsatzzweck haben sich Kopfhörer im Vergleich zu anderen Wearables, wie zum Beispiel Smartglasses, bereits stärker durchgesetzt. In den letzten Jahren hat sich eine neue Klasse von Wearables herausgebildet, die als "Earables" bezeichnet werden. Diese Geräte sind so konzipiert, dass sie in oder um die Ohren getragen werden können. Sie enthalten verschiedene Sensoren, um die Funktionalität von Kopfhörern zu erweitern. Die räumliche Nähe von Earables zu wichtigen anatomischen Strukturen des menschlichen Körpers bietet eine ausgezeichnete Plattform für die Erfassung einer Vielzahl von Eigenschaften, Prozessen und Aktivitäten. Auch wenn im Bereich der Earables-Forschung bereits einige Fortschritte erzielt wurden, wird deren Potenzial aktuell nicht vollständig abgeschöpft. Ziel dieser Dissertation ist es daher, neue Einblicke in die Möglichkeiten von Earables zu geben, indem fortschrittliche Sensorikansätze erforscht werden, welche die Erkennung von bisher unzugänglichen Phänomenen ermöglichen. Durch die Einführung von neuartiger Hardware und Algorithmik zielt diese Dissertation darauf ab, die Grenzen des Erreichbaren im Bereich Earables zu verschieben und diese letztlich als vielseitige Sensorplattform zur Erweiterung menschlicher Fähigkeiten zu etablieren. Um eine fundierte Grundlage für die Dissertation zu schaffen, synthetisiert die vorliegende Arbeit den Stand der Technik im Bereich der ohr-basierten Sensorik und stellt eine einzigartig umfassende Taxonomie auf der Basis von 271 relevanten Publikationen vor. Durch die Verbindung von Low-Level-Sensor-Prinzipien mit Higher-Level-Phänomenen werden in der Dissertation anschließ-end Arbeiten aus verschiedenen Bereichen zusammengefasst, darunter (i) physiologische Überwachung und Gesundheit, (ii) Bewegung und Aktivität, (iii) Interaktion und (iv) Authentifizierung und Identifizierung. Diese Dissertation baut auf der bestehenden Forschung im Bereich der physiologischen Überwachung und Gesundheit mit Hilfe von Earables auf und stellt fortschrittliche Algorithmen, statistische Auswertungen und empirische Studien vor, um die Machbarkeit der Messung der Atemfrequenz und der Erkennung von Episoden erhöhter Hustenfrequenz durch den Einsatz von In-Ear-Beschleunigungsmessern und Gyroskopen zu demonstrieren. Diese neuartigen Sensorfunktionen unterstreichen das Potenzial von Earables, einen gesünderen Lebensstil zu fördern und eine proaktive Gesundheitsversorgung zu ermöglichen. Darüber hinaus wird in dieser Dissertation ein innovativer Eye-Tracking-Ansatz namens "earEOG" vorgestellt, welcher Aktivitätserkennung erleichtern soll. Durch die systematische Auswertung von Elektrodenpotentialen, die um die Ohren herum mittels eines modifizierten Kopfhörers gemessen werden, eröffnet diese Dissertation einen neuen Weg zur Messung der Blickrichtung. Dabei ist das Verfahren weniger aufdringlich und komfortabler als bisherige Ansätze. Darüber hinaus wird ein Regressionsmodell eingeführt, um absolute Änderungen des Blickwinkels auf der Grundlage von earEOG vorherzusagen. Diese Entwicklung eröffnet neue Möglichkeiten für Forschung, welche sich nahtlos in das tägliche Leben integrieren lässt und tiefere Einblicke in das menschliche Verhalten ermöglicht. Weiterhin zeigt diese Arbeit, wie sich die einzigarte Bauform von Earables mit Sensorik kombinieren lässt, um neuartige Phänomene zu erkennen. Um die Interaktionsmöglichkeiten von Earables zu verbessern, wird in dieser Dissertation eine diskrete Eingabetechnik namens "EarRumble" vorgestellt, die auf der freiwilligen Kontrolle des Tensor Tympani Muskels im Mittelohr beruht. Die Dissertation bietet Einblicke in die Verbreitung, die Benutzerfreundlichkeit und den Komfort von EarRumble, zusammen mit praktischen Anwendungen in zwei realen Szenarien. Der EarRumble-Ansatz erweitert das Ohr von einem rein rezeptiven Organ zu einem Organ, das nicht nur Signale empfangen, sondern auch Ausgangssignale erzeugen kann. Im Wesentlichen wird das Ohr als zusätzliches interaktives Medium eingesetzt, welches eine freihändige und augenfreie Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ermöglicht. EarRumble stellt eine Interaktionstechnik vor, die von den Nutzern als "magisch und fast telepathisch" beschrieben wird, und zeigt ein erhebliches ungenutztes Potenzial im Bereich der Earables auf. Aufbauend auf den vorhergehenden Ergebnissen der verschiedenen Anwendungsbereiche und Forschungserkenntnisse mündet die Dissertation in einer offenen Hard- und Software-Plattform für Earables namens "OpenEarable". OpenEarable umfasst eine Reihe fortschrittlicher Sensorfunktionen, die für verschiedene ohrbasierte Forschungsanwendungen geeignet sind, und ist gleichzeitig einfach herzustellen. Hierdurch werden die Einstiegshürden in die ohrbasierte Sensorforschung gesenkt und OpenEarable trägt somit dazu bei, das gesamte Potenzial von Earables auszuschöpfen. Darüber hinaus trägt die Dissertation grundlegenden Designrichtlinien und Referenzarchitekturen für Earables bei. Durch diese Forschung schließt die Dissertation die Lücke zwischen der Grundlagenforschung zu ohrbasierten Sensoren und deren praktischem Einsatz in realen Szenarien. Zusammenfassend liefert die Dissertation neue Nutzungsszenarien, Algorithmen, Hardware-Prototypen, statistische Auswertungen, empirische Studien und Designrichtlinien, um das Feld des Earable Computing voranzutreiben. Darüber hinaus erweitert diese Dissertation den traditionellen Anwendungsbereich von Kopfhörern, indem sie die auf Audio fokussierten Geräte zu einer Plattform erweitert, welche eine Vielzahl fortschrittlicher Sensorfähigkeiten bietet, um Eigenschaften, Prozesse und Aktivitäten zu erfassen. Diese Neuausrichtung ermöglicht es Earables sich als bedeutende Wearable Kategorie zu etablieren, und die Vision von Earables als eine vielseitige Sensorenplattform zur Erweiterung der menschlichen Fähigkeiten wird somit zunehmend realer
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