FaceReader與RPPG：非接觸式生理信號(hào)監(jiān)測(cè)

更新時(shí)間：2026-01-30

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如今，借助遠(yuǎn)程光電容積描記法（RPPG），無(wú)需在測(cè)試被試身上附加各種設(shè)備，即可遠(yuǎn)程測(cè)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(yàn)證研究，比較了三種心率測(cè)量方法：RPPG、PPG和作為黃金標(biāo)準(zhǔn)的ECG，給出了測(cè)量建議。

心率與心率變異性

面部表情自動(dòng)分析工具為消費(fèi)者行為和感官研究中的個(gè)體情緒表達(dá)提供了客觀評(píng)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(duì)感官和消費(fèi)者研究非常有用，例如心率和心率變異性的自動(dòng)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(gè)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(yùn)動(dòng)）時(shí)，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(ài)、同情和平靜）時(shí)，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?xiàng)l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(shí)，如人們感到壓力時(shí)，HRV降低。當(dāng)副交感神經(jīng)系統(tǒng)占主導(dǎo)地位時(shí)，如人們放松時(shí)，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(lái)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(cè)皮膚下組織的血容量變化。它的原理是血容量的變化會(huì)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(gè)傳感器發(fā)射到皮膚，另一個(gè)傳感器檢測(cè)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(duì)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(jì)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(cè)量心率和心率變異性，這是一種無(wú)需附加傳感器的遠(yuǎn)程心率測(cè)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(shí)，F(xiàn)aceReader可以檢測(cè)到由壓力脈沖引起的血容量變化，然后測(cè)量反射光的量。當(dāng)反射率隨時(shí)間繪制時(shí)，每個(gè)心臟周期都顯示為一個(gè)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(cè)中非常有益，如駕駛員、消費(fèi)者、老年人和嬰兒的監(jiān)測(cè)，使用遠(yuǎn)程PPG可以減少不適感[3]。

那么，遠(yuǎn)程PPG如何檢測(cè)心率？

其原理與PPG相同，但它是非接觸式測(cè)量。它測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)并建模人臉，以確定面部特征點(diǎn)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(hào)提?。弘S時(shí)間測(cè)量感興趣區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素顏色（紅、綠、藍(lán)）的平均值（包括鏡面反射和漫反射）。

信號(hào)濾波：通過(guò)擬合面部模型檢測(cè)頭部運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，然后產(chǎn)生無(wú)噪聲的心率。

輸出計(jì)算：通過(guò)檢測(cè)峰值測(cè)量搏動(dòng)間期，然后估計(jì)心率和心率變異性。

對(duì)FaceReader的驗(yàn)證研究

本研究的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，觀察了被試在食用不同種類食物時(shí)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(shí)驗(yàn)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(yàn)證FaceReader的RPPG，使用了BIOPAC ECG和BIOPAC PPG進(jìn)行測(cè)量。

結(jié)果顯示，在靜止?fàn)顟B(tài)下，RPPG測(cè)量結(jié)果與其他方法無(wú)差異。然而，在食物品嘗期間，RPPG和ECG之間存在測(cè)量差異，這可能是因?yàn)槭澄锲穱L期間的臉部運(yùn)動(dòng)干擾了RPPG測(cè)量。另一方面，BIOPAC ECG和PPG的測(cè)量結(jié)果顯示出高度一致性。

RPPG測(cè)量建議

根據(jù)研究結(jié)果，研究者給出了RPPG測(cè)量建議：

使用高分辨率和無(wú)壓縮攝像頭，因?yàn)檫@兩者都能實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的心率檢測(cè)。
僅使用來(lái)自前燈的良好光照條件。但要避免過(guò)強(qiáng)的前照，以免過(guò)度曝光。吊燈會(huì)導(dǎo)致過(guò)曝，中斷膚色識(shí)別。
避免視頻壓縮。視頻壓縮會(huì)降低分辨率和視頻質(zhì)量。
RPPG測(cè)量對(duì)頭部運(yùn)動(dòng)敏感。建議使用被試坐著且不太動(dòng)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)攝像頭測(cè)量心率和心率變異性等生命體征，對(duì)于使用 FaceReader 的研究人員而言既實(shí)用又易于獲取。在光照條件和參與者姿勢(shì)適宜的情況下，個(gè)體差異和技術(shù)差異對(duì)測(cè)量精度的影響很小。

當(dāng)然，與任何生理評(píng)估一樣，生態(tài)有效性與測(cè)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境可能更為理想。然而，對(duì)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(lái)說(shuō)，使用 FaceReader 測(cè)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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