基于典型相关分析的非接触式心率检测方法研究

第1章绪论 (1)

1.1课题研究背景 (1)

1.2非接触式心率测量国内外研究现状 (2)

1.2.1 非接触式电极检测方法 (2)

1.2.2 微波雷达检测方法 (4)

1.2.3 磁感应检测方法 (5)

1.2.4 视频图像检测方法 (7)

1.3课题研究意义 (8)

1.4本文研究内容及章节安排 (8)

1.4.1 研究内容 (8)

1.4.2 章节安排 (9)

第2章视频图像信号的采集和预处理 (11)

2.1引言 (11)

2.2数据采集 (12)

2.3预处理过程 (14)

2.3.1 同态滤波 (14)

2.3.2 人脸识别 (16)

2.3.3 皮肤识别 (18)

2.3.4 皮肤区域加权处理 (20)

2.3.5 基色分离 (22)

2.3.6 光照变化检测 (23)

2.3.7 去线性化标准化和均值滤波 (23)

2.4本章小结 (24)

第3章心率周期提取 (25)

3.1引言 (25)

3.2基于独立成分分析的方法 (25)

华侨大学硕士学位论文

3.2.1 独立成分分析原理 (26)

3.2.2 周期分析 (28)

3.2.3 实验数据分析 (29)

3.2.3.1 相关性分析 (29)

3.2.3.2 视频长度分析 (31)

3.3基于典型相关分析的方法 (32)

3.3.1 典型相关分析原理 (33)

3.3.2 设立模版信号 (35)

3.3.3 实验数据分析 (37)

3.3.3.1 相关性分析 (37)

3.3.3.2 视频长度分析 (39)

3.4 ICA与CCA方法测量结果比较 (40)

3.5本章小结 (41)

第4章多模式、多人非接触心率测量的实现 (43)

4.1引言 (43)

4.2人脸追踪搜索策略的选择 (43)

4.3基于Camshift的人脸追踪 (44)

4.3.1 Camshift原理 (44)

4.3.2 Camshift算法流程 (45)

4.3.3 特定区域的模型描述 (45)

4.3.3.1 特定区域选择 (45)

4.3.3.2 色彩空间的转换 (47)

4.3.3.3 区域模型描述 (47)

4.3.4 目标搜素区域的选择 (48)

4.3.5 Meanshift迭代 (49)

4.3.5.1 相似程度度量 (49)

4.3.5.2 均值漂移 (49)

4.3.6 Camshift优化 (49)

4.3.7 实验结果 (50)

4.4基于KLT的人脸追踪 (51)

4.4.1 KLT算法原理 (52)

4.4.2 KLT算法流程 (52)

4.4.3 特征点选择 (53)

4.4.4 Harries角点检测 (53)

4.4.5 KLT追踪算法 (54)

4.4.6 KLT的优化 (54)

4.4.6.1 邻域内存在大量不符合点 (55)

4.4.6.2 视频中存在大位移 (55)

4.4.7 实验结果 (56)

4.5本章小结 (59)

第5章总结与展望 (59)

5.1课题总结 (59)

5.2课题展望 (60)

参考文献 (63)

致谢 (69)

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果 (71)

VII

VIII

第1章绪论

1.1课题研究背景

据《中国心血管病报告2014》显示，我国心血管疾病的患病率仍处于不断上升阶段，截至2015年心血管疾病的患者已达到了约2.9亿。心血管疾病已成为我国公民健康的最主要威胁，每年死于心血管疾病的患者高于常见的肿瘤和其他疾病，其中大约每5例的死亡病例中有2例死于心血管疾病。因此，在日常生活中有效地预防和检测心血管健康状况将具有重要的现实意义。

心率（heart rate）、心搏周期（cardiac cycle）、心率变异性（heart rate variability，HRV）等生理指标是心血管系统中反应体征的重要指标，能有效反映心血管系统，心肺功能的健康程度。其中心率指的是心脏每分钟起搏的次数，一般人处于平静状态下的正常心率为50 - 120次/分钟（beat per minute, bpm）。心率会受到各种生理情绪影响，人处于不同年龄阶段和不同性别也会有不同的心率。心搏周期指两次心跳间的时间，对应于心率值正常情况下的心搏周期是0.5 - 1.2 s。心率变异性指的是心搏周期间差异的变化性，由于心脏受到自主神经系统（autonomic nervous system）的调制作用，心脏的搏动间期一般会出现几十毫秒的波动性变化，同时体现交感神经活性与迷走神经活性之间的协调平衡能力[1]。

对心率的获得方式在来源上主要分为三种，如图1.1所示。第一种是从脉搏中获得，心脏的周期性起搏引起血液以压力波的形式在各处血管中流动扩散，因此在正常情况下，血液脉搏和心脏的起搏次数是一致的，传统的中医号脉就是利用了该原理[2]；第二种是从心电图（electrocardiogram，ECG）中获得，心肌细胞的跨膜电压经起搏传导至体表，导致体表不同点间产生电位差，通过电极测量便可获得ECG信号，进而得到心率信息[3,4]；第三种检测毛细血管中的血液容积变化即光电容积脉搏波描记法(photoplethysmography，PPG)。它的基本原理是皮肤表面毛细血管的血液对不同波段的光束吸收和反射作用不同，光束照射引起反射光的变化，用光电探测器获得的反射光能够反映心脏搏动随时间变化的信息，即可以得到相应的心率信息。脉搏血氧仪，指端心率测量仪等仪器都使用该方法[5-8]。