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python 使用攝像頭監測心率

2020-10-16 06:48:39 軟體設計

本文地址:https://blog.csdn.net/itnerd/article/details/109078291

實驗效果

在這里插入圖片描述

實驗思路

  • 用 opencv 打開攝像頭,讀取指定視窗區域的RGB分量均值,本實驗讀取前額皮膚
  • 用 matplotlib 繪制動態序列曲線
  • 用 HP 濾波過濾RGB序列的趨勢部分,保留波動資訊,如第2列圖所示
  • 對 HP 濾波后的殘差,即波動資訊,做FFT變換,獲得信號頻譜
  • 綠色分量頻譜的尖峰反映了心跳的頻率,正常人的心跳頻率在 1~2 Hz 之間

代碼實作

采用多執行緒的模式:

  • 執行緒一作為生產者,用于 opencv 讀取圖片中的RGB信號,并發送到一個公共佇列 data_queue
  • 執行緒二作為消費者,但實際不消費,只是讀取公共佇列上的資訊并用 matplotlib 畫圖
  • 當公共佇列滿了之后,執行緒一無法插入新資料,這時由執行緒一彈出隊首的資料,即最早的信號值

執行緒一

class Producer(threading.Thread):
    def __init__(self,data_queue,*args,**kwargs):
        super(Producer, self).__init__(*args,**kwargs)
        self.data_queue = data_queue
 
    def run(self):
        capture = cv2.VideoCapture(0)  # 0是代表攝像頭編號,只有一個的話默認為0
        capture.set(cv2.CAP_PROP_FPS, 10)
        try:
            t0 = time.time()
            while (True):
                ref, frame = capture.read()
                frame = frame[:,::-1,:].copy()
                H, W, _ = frame.shape
                w, h = 40, 40
                x, y = W//2 -w//2, H//4-h//2
                area = frame[y:y + h, x:x + w, :]
                cv2.rectangle(frame, (x,y), (x+w,y+h), (0,255,0), 2)
                frame[:h,:w] = area
                
                t = time.time()-t0
                cv2.putText(frame, 't={:.3f}'.format(t), (10, H-10), cv2.FONT_HERSHEY_PLAIN, 1.2, (255, 255, 255), 2)
                cv2.imshow("face", frame)

                B = np.average(area[:,:,0])
                G = np.average(area[:,:,1])
                R = np.average(area[:,:,2])
                if self.data_queue.full():
                    self.data_queue.queue.popleft()
                self.data_queue.put((t,B,G,R))

                c = cv2.waitKey(10) & 0xff  # 等待10ms顯示影像,若程序中按“Esc”退出
                if c == 27:
                    capture.release()
                    break
        except:
            traceback.print_exc()
        finally:
            capture.release()
            cv2.destroyAllWindows()
            if self.data_queue.full():
                self.data_queue.get()
            self.data_queue.put('Bye')
        print('Producer quit')

執行緒二

從公共佇列中讀取原始的 RGB 信號,做 HP 濾波,做傅里葉變換,作圖

class Consumer(threading.Thread):
   
    def __init__(self,data_queue,*args,**kwargs):
        super(Consumer, self).__init__(*args,**kwargs)
        self.data_queue = data_queue
 
    def run(self):
        time.sleep(1)

        fig, axes = plt.subplots(3, 3)
        axes[0, 0].set_title('原始信號')
        axes[0, 1].set_title('HP濾波殘差')
        axes[0, 2].set_title('FFT頻譜')
        axes[0, 0].set_ylabel('Blue')
        axes[1, 0].set_ylabel('Green')
        axes[2, 0].set_ylabel('Red')
        axes[2, 0].set_xlabel('Time(s)')
        axes[2, 1].set_xlabel('Time(s)')
        axes[2, 2].set_xlabel('Frequency(Hz)')
        start = None
        lines = [None, None, None]
        glines = [None, None, None]
        rlines = [None, None, None]
        flines = [None, None, None]
        BGR = [None, None, None]
        g = [None, None, None]
        r = [None, None, None]
        f = [None, None, None]
        num_fft = 256

        while True:
            # time.sleep(0.2)
            if self.data_queue.qsize() > 2:
                if self.data_queue.queue[-1] == 'Bye':
                    break
                ts, BGR[0], BGR[1], BGR[2] = zip(*self.data_queue.queue)
                t = ts[-1] if len(ts) > 0 else 0

                for i in range(3):
                    g[i] = hp(BGR[i], 1000)
                    r[i] = BGR[i] - g[i]

                # FFT
                for i in range(3):
                    rr = r[i][-num_fft:]
                    f[i] = np.fft.fft(rr, num_fft)
                    f[i] = np.abs(f[i])[:num_fft//2]
                fs =len(rr)/ (ts[-1] - ts[-len(rr)])


                if start is None:
                    start = 1
                    lines[0] = axes[0,0].plot(ts, BGR[0], '-b')[0]
                    lines[1] = axes[1,0].plot(ts, BGR[1], '-g')[0]
                    lines[2] = axes[2,0].plot(ts, BGR[2], '-r')[0]
                    glines[0] = axes[0,0].plot(ts, g[0], '-k')[0]
                    glines[1] = axes[1,0].plot(ts, g[1], '-k')[0]
                    glines[2] = axes[2,0].plot(ts, g[2], '-k')[0]
                    rlines[0] = axes[0, 1].plot(ts, r[0], '-b')[0]
                    rlines[1] = axes[1, 1].plot(ts, r[1], '-g')[0]
                    rlines[2] = axes[2, 1].plot(ts, r[2], '-r')[0]
                    flines[0] = axes[0, 2].plot(np.arange(num_fft//2)*fs/num_fft, f[0], '-b', marker='*')[0]
                    flines[1] = axes[1, 2].plot(np.arange(num_fft//2)*fs/num_fft, f[1], '-g', marker='*')[0]
                    flines[2] = axes[2, 2].plot(np.arange(num_fft//2)*fs/num_fft, f[2], '-r', marker='*')[0]

                for i in range(3):
                    lines[i].set_xdata(ts)
                    lines[i].set_ydata(BGR[i])
                    glines[i].set_xdata(ts)
                    glines[i].set_ydata(g[i])
                    rlines[i].set_xdata(ts)
                    rlines[i].set_ydata(r[i])
                    flines[i].set_xdata(np.arange(num_fft//2)*fs/num_fft)
                    flines[i].set_ydata(f[i])

                for i in range(3):
                    axes[i,0].set_xlim([t - 10, t + 1])
                    axes[i,0].set_ylim([np.min(BGR[i][-num_fft:]), np.max(BGR[i][-num_fft:])])
                    axes[i, 1].set_xlim([t - 10, t + 1])
                    axes[i, 1].set_ylim([np.min(r[i][-num_fft:]), np.max(r[i][-num_fft:])])
                    axes[i, 2].set_xlim([0, fs//2])
                    axes[i, 2].set_ylim([np.min(f[i]), np.max(f[i])])

                plt.pause(0.1)
        print('Consumer quit')

主函式

N = 300
data_queue = Queue(N)

p = Producer(data_queue)
p.start()
c = Consumer(data_queue)
c.start()

p.join()
c.join()
print('EXIT')

實驗總結

  • 原始信號對環境光照、人體晃動非常敏感,會產生幅度較大的趨勢變化,用 HP 濾波可以捕獲這種整體趨勢的變化,將其剔除

  • 從圖中可以看出,RGB 三個分量中,綠色分量最能反映心跳資訊,和文獻中的結果一致

  • 求得信號的頻譜之后,如何轉化成心率?直接用頻率乘以 60 即可

  • 完整代碼下載

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