[發明專利]一種非接觸式面部心率監測動感單車及監測方法

有效

• 申請號: 201711130239.0
• 申請日: 2017-11-15
• 公開（公告）號: CN108090410B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 黃繼風;虞楊;白國臣
• 申請（專利權）人: 上海師范大學
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06K9/40
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 趙志遠

本發明涉及一種非接觸式面部心率監測動感單車及監測方法，該單車包括動感單車底座、設置在感單車底座上的系統控制臺以及一端與感單車底座固接的倒U形穹頂，所述的系統控制臺上設有控制面板、顯示器和攝像頭，所述的攝像頭用于獲取受測者面部和穹頂內側白色背景板的視頻流。與現有技術相比，本發明具有非接觸監測、考慮復雜環境光源等優點。

技術領域

本發明涉及數字化健康領域，尤其是涉及一種非接觸式面部心率監測動感單車及監測方法。

背景技術

傳統的動感單車心率監測裝置主要采用探針、貼片或者按壓的形式接觸受測者，雖然這一技術準確度高、速度快，然而由于需要特殊設備、操作復雜并且給受測者帶來體力負擔，這一技術在實際運用中并沒有取得很好的效果。

光學體積描記技術(Photoplethysmography，PPG)基于Lamber-Beer定律和光散射理論。當波長為λ的單色光照射在某物質的溶液上時，投射光強I與反射光強I₀之間關系如下：I＝I₀e^-ε(λ)CL。其中，ε(λ)為吸光系數，即介質在特定波長下的吸收系數，C為介質濃度，L為光程。當介質由多種物質組成時，只要各種物質不存在相互作用，該定律依舊適用。在恒定光強與距離的情況下，同一介質的反射光強I₀則與吸光系數ε(λ)有著較為強烈的關系。

2008年，Verkruysse等人提出了通過環境光線進行非接觸的體積描記的方法，發現血液比身體的其他部分吸收更多的可見和紅外光線，這也表明了通過自然光來估計心率的可行性。具體來說心室的舒張，即一次心跳可以反映在局部皮膚區域的血液容積變化所帶來的反射光強變化上，由此，我們能夠通過分析局部皮膚區域反射光強的變化情況來估計受測人的心率變化。然而，這一變化是及其細微的，不為裸眼可見的，且易受干擾光源影響的。由于健身場所環境的復雜性，往往會給非接觸測量造成不小的干擾，如環境光線帶來的影響——普通燈管的發光頻率遠高于人類心率，但是由于信號的混疊現象，燈光往往會在心率變化的頻域范圍內摻雜難以區分的噪聲。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種非接觸式面部心率監測方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種非接觸式面部心率監測動感單車，該單車包括動感單車底座、設置在感單車底座上的系統控制臺以及一端與感單車底座固接的倒U形穹頂，所述的系統控制臺上設有控制面板、顯示器和攝像頭，所述的攝像頭用于獲取受測者面部和穹頂內側白色背景板的視頻流。

一種監測方法，包括以下步驟：

1)攝像頭采集以受測者面部為受測目標的受測者面部視頻流以及以穹頂內側白色背景板為受測目標的參考目標視頻流；

2)分別提取受測者面部視頻流和參考目標視頻流的每一幀圖像中敏感區域的圖像數據，得到對應的敏感區域視頻流；

3)分別對受測者面部敏感區域視頻流和參考目標敏感區域視頻流進行顏色空間轉換，獲取對應的血容量脈搏視頻流以及背景目標視頻流；

4)采用多尺度的圖像高斯金字塔對血容量脈搏視頻流以及背景目標視頻流進行空間分解去除多余的圖像噪聲，并且采用帶通濾波和降采樣去除血容量脈搏信號和參考目標信號中的冗余信息信號，最終獲取血容量脈搏信號和參考目標信號；

5)分別對血容量脈搏信號和參考信號進行頻域分析，去除血容量脈搏信號中的參考信號所含的燈光及干擾極點，并進行心率估計。

所述的步驟1)中，采集受測者面部視頻流和參考目標視頻流時，受測目標位于攝像頭正前方0.25-0.75m范圍內的同一空間中的同一平面上，攝像頭的采樣率大于等于10幀/秒，視頻分辨率大于等于640×480。