FaceReader與RPPG：非接觸式生理信號監(jiān)測

更新時間：2026-01-30

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如今，借助遠(yuǎn)程光電容積描記法（RPPG），無需在測試被試身上附加各種設(shè)備，即可遠(yuǎn)程測量心率和心率變異性。

那么，什么是RPPG？它是如何工作的？

本文解釋了面部表情分析系統(tǒng)（FaceReader）中使用的RPPG，并進(jìn)行了驗證研究，比較了三種心率測量方法：RPPG、PPG和作為黃金標(biāo)準(zhǔn)的ECG，給出了測量建議。

心率與心率變異性

面部表情自動分析工具為消費者行為和感官研究中的個體情緒表達(dá)提供了客觀評估。諾達(dá)思的面部表情分析系統(tǒng)（FaceReader）還提供了其他基于視頻的功能，這些功能對感官和消費者研究非常有用，例如心率和心率變異性的自動記錄。

心率（HR）是每分鐘心跳次數(shù)的度量，受自主神經(jīng)系統(tǒng)（ANS）的影響，該系統(tǒng)包括兩個主要分支：交感神經(jīng)系統(tǒng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)。當(dāng)處于興奮狀態(tài)（如威脅、恐懼、壓力和運動）時，交感神經(jīng)系統(tǒng)活躍，心率增加。當(dāng)處于放松狀態(tài)（如愛、同情和平靜）時，副交感神經(jīng)系統(tǒng)活躍，心率降低。這些反應(yīng)受心理和生理條件的影響。

心率變異性（HRV）是這些條件平衡的指標(biāo)，也是健康和壓力的標(biāo)志。當(dāng)交感神經(jīng)系統(tǒng)占主導(dǎo)地位時，如人們感到壓力時，HRV降低。當(dāng)副交感神經(jīng)系統(tǒng)占主導(dǎo)地位時，如人們放松時，HRV增加。HRV作為心血管疾病、內(nèi)部情緒（如抑郁和工作壓力）等指標(biāo)，受到了越來越多的關(guān)注[1]。

PPG的原理

光電容積描記法（PPG）是一種光學(xué)技術(shù)，可用于檢測皮膚下組織的血容量變化。它的原理是血容量的變化會導(dǎo)致皮膚反射率的變化。

以可穿戴設(shè)備（如心率感應(yīng)手表）為例，光從設(shè)備的一個傳感器發(fā)射到皮膚，另一個傳感器檢測返回設(shè)備的光量。由此形成了發(fā)射光和反射光之間的對比。反射光量隨毛細(xì)血管擴(kuò)張和收縮引起的血容量變化而變化，因此可以估計心率（圖1）。

遠(yuǎn)程光電容積描記法（RPPG）

FaceReader可以使用遠(yuǎn)程光電容積描記法（RPPG）遠(yuǎn)程測量心率和心率變異性，這是一種無需附加傳感器的遠(yuǎn)程心率測量工具，僅需高分辨率攝像頭進(jìn)行視頻錄制。當(dāng)面部被適當(dāng)照射時，F(xiàn)aceReader可以檢測到由壓力脈沖引起的血容量變化，然后測量反射光的量。當(dāng)反射率隨時間繪制時，每個心臟周期都顯示為一個峰值。這些信息可以轉(zhuǎn)換為平均心率和心率變異性。

這在各種生理、健康和情緒監(jiān)測中非常有益，如駕駛員、消費者、老年人和嬰兒的監(jiān)測，使用遠(yuǎn)程PPG可以減少不適感[3]。

那么，遠(yuǎn)程PPG如何檢測心率？

其原理與PPG相同，但它是非接觸式測量。它測量皮膚上紅、綠、藍(lán)三種光反射變化之間的差異，作為鏡面反射和漫反射之間的對比。鏡面反射是皮膚上的純光反射。漫反射是皮膚組織吸收和散射后剩余的光反射，隨血容量變化而變化（圖2）。

遠(yuǎn)程檢測的流程具體如下（圖3）：

皮膚像素選擇：在捕獲的網(wǎng)絡(luò)攝像頭圖像中檢測并建模人臉，以確定面部特征點和頭部方向。隨后，選擇面部上大約三分之二的區(qū)域（大部分血管集中的區(qū)域）作為感興趣區(qū)域。

信號提取：隨時間測量感興趣區(qū)域內(nèi)每個像素顏色（紅、綠、藍(lán)）的平均值（包括鏡面反射和漫反射）。

信號濾波：通過擬合面部模型檢測頭部運動產(chǎn)生的噪聲，然后產(chǎn)生無噪聲的心率。

輸出計算：通過檢測峰值測量搏動間期，然后估計心率和心率變異性。

對FaceReader的驗證研究

本研究的驗證實驗中，觀察了被試在食用不同種類食物時的心率和心率變異性，以探究食物品嘗期間的生理機(jī)制變化。

實驗中，25名被試被要求觀看視頻并食用從液體到固體（水、酸奶、雞肉、香腸）的不同食物刺激。為驗證FaceReader的RPPG，使用了BIOPAC ECG和BIOPAC PPG進(jìn)行測量。

結(jié)果顯示，在靜止?fàn)顟B(tài)下，RPPG測量結(jié)果與其他方法無差異。然而，在食物品嘗期間，RPPG和ECG之間存在測量差異，這可能是因為食物品嘗期間的臉部運動干擾了RPPG測量。另一方面，BIOPAC ECG和PPG的測量結(jié)果顯示出高度一致性。

RPPG測量建議

根據(jù)研究結(jié)果，研究者給出了RPPG測量建議：

使用高分辨率和無壓縮攝像頭，因為這兩者都能實現(xiàn)更準(zhǔn)確的心率檢測。
僅使用來自前燈的良好光照條件。但要避免過強(qiáng)的前照，以免過度曝光。吊燈會導(dǎo)致過曝，中斷膚色識別。
避免視頻壓縮。視頻壓縮會降低分辨率和視頻質(zhì)量。
RPPG測量對頭部運動敏感。建議使用被試坐著且不太動的設(shè)置。在許多研究中，已經(jīng)觀察到黃金標(biāo)準(zhǔn)與RPPG在這種情況下具有高度相關(guān)性。

總之，通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)攝像頭測量心率和心率變異性等生命體征，對于使用 FaceReader 的研究人員而言既實用又易于獲取。在光照條件和參與者姿勢適宜的情況下，個體差異和技術(shù)差異對測量精度的影響很小。

當(dāng)然，與任何生理評估一樣，生態(tài)有效性與測量精確度之間存在權(quán)衡。為了獲得ZD精度，使用專用設(shè)備的受控實驗室環(huán)境可能更為理想。然而，對于優(yōu)先考慮自然行為并需要可擴(kuò)展、非侵入式數(shù)據(jù)收集的研究來說，使用 FaceReader 測量生命體征是理想選擇。

參考文獻(xiàn)

[1] Thayer, J. F.; Yamamoto, S. S. & Brosschot, J. F. (2010). The relationship of autonomic imbalance, heart rate variability and cardiovascular disease risk factors.International journal of cardiology, 141 (2), 122-131.
[2] NeuroData Lab. (2019, March). Every beat counts. Comparing Remote Webcam Heart Rate Detector to Wearables.
[3] Wang, W.; Den Brinker, A. C. & De Haan, G. (2018). Single Element Remote-PPG.IEEE Transactions on Biomedical Engineering.
[4] Wang, W.; den Brinker, A. C.; Stuijk, S. & de Haan, G. (2016). Algorithmic principles of remote PPG.IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 64 (7), 1479-1491.
[5] Gudi, A.; Bittner, M.; Lochmans, R. & Van Gemert, J. (2019) Efficient Real-Time Camera Based Estimation of Heart Rate and Its Variability.International Conference on Computer Vision (ICCV) Workshop.

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