原理
簡單介紹一下，網上可以查到很多關于手機測心率的這種項目，大概就是： 把手指放在攝像頭和閃光燈上，通過手指處脈搏跳動充血導致的細微顏色變化來確定心跳波動，確定波峰波谷，根據兩個波峰之間的時間差來確定瞬時心率。
思路
首先，采集視頻流，根據拿到的RGB顏色轉成HSV顏色集，其實我們只用到了HSV的H。
對拿到的H進行一些處理，看跟人喜好或者具體情況，主要是用于后面的折線圖和計算瞬時心率，如果有能力的話可以處理一下噪音數據，因為可能測的時候手指輕微抖動會造成一些不穩定的數據。
根據處理后的H就可以進行畫折線圖了，我是把處理后的H和時間戳進行了綁定，用來后面的計算心率。
根據處理后的H來確定波峰波谷，利用兩個波谷之間的時間差計算心率。
實現
大致思路就是上面這樣，下面來看一下代碼具體實現以下。
1.首先我先初始化了一些數據,方便后面使用
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// 設備@property (strong, nonatomic) AVCaptureDevice *device;// 結合輸入輸出@property (strong, nonatomic) AVCaptureSession *session;// 輸入設備@property (strong, nonatomic) AVCaptureDeviceInput *input;// 輸出設備@property (strong, nonatomic) AVCaptureVideoDataOutput *output;// 輸出的所有點@property (strong, nonatomic) NSMutableArray *points;// 記錄浮點變化的前一次的值static float lastH = 0;// 用于判斷是否是第一個福點值static int count = 0;// 初始化self.device = [AVCaptureDevice defaultDeviceWithMediaType:AVMediaTypeVideo];self.session = [[AVCaptureSession alloc]init];self.input = [[AVCaptureDeviceInput alloc]initWithDevice:self.device error:nil];self.output = [[AVCaptureVideoDataOutput alloc]init];self.points = [[NSMutableArray alloc]init]; |
2.設置視頻采集流，為了節省內存，我沒有輸出視頻畫面
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// 開啟閃光燈 if ([self.device isTorchModeSupported:AVCaptureTorchModeOn]) { [self.device lockForConfiguration:nil]; // 開啟閃光燈 self.device.torchMode=AVCaptureTorchModeOn; // 調低閃光燈亮度（為了減少內存占用和避免時間長手機發燙） [self.device setTorchModeOnWithLevel:0.01 error:nil]; [self.device unlockForConfiguration]; } // 開始配置input output [self.session beginConfiguration]; // 設置像素輸出格式 NSNumber *BGRA32Format = [NSNumber numberWithInt:kCVPixelFormatType_32BGRA]; NSDictionary *setting =@{(id)kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey:BGRA32Format}; [self.output setVideoSettings:setting]; // 拋棄延遲的幀 [self.output setAlwaysDiscardsLateVideoFrames:YES]; //開啟攝像頭采集圖像輸出的子線程 dispatch_queue_t outputQueue = dispatch_queue_create("VideoDataOutputQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL); // 設置子線程執行代理方法 [self.output setSampleBufferDelegate:self queue:outputQueue]; // 向session添加 if ([self.session canAddInput:self.input]) [self.session addInput:self.input]; if ([self.session canAddOutput:self.output]) [self.session addOutput:self.output]; // 降低分辨率，減少采樣率（為了減少內存占用） self.session.sessionPreset = AVCaptureSessionPreset1280x720; // 設置最小的視頻幀輸出間隔 self.device.activeVideoMinFrameDuration = CMTimeMake(1, 10); // 用當前的output 初始化connection AVCaptureConnection *connection =[self.output connectionWithMediaType:AVMediaTypeVideo]; [connection setVideoOrientation:AVCaptureVideoOrientationPortrait]; // 完成編輯 [self.session commitConfiguration]; // 開始運行 [self.session startRunning]; |
這里我降低了閃光燈亮度，降低了分辨率，減少了每秒鐘輸出的幀。主要就是為了減少內存的占用。（我手里只有一臺6，沒有測其他設備可不可以）
3.在output的代理方法中采集視頻流
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// captureOutput->當前output sampleBuffer->樣本緩沖 connection->捕獲連接- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)captureOutput didOutputSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection { //獲取圖層緩沖 CVPixelBufferRef imageBuffer = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer); CVPixelBufferLockBaseAddress(imageBuffer, 0); uint8_t*buf = (uint8_t *)CVPixelBufferGetBaseAddress(imageBuffer); size_t bytesPerRow = CVPixelBufferGetBytesPerRow(imageBuffer); size_t width = CVPixelBufferGetWidth(imageBuffer); size_t height = CVPixelBufferGetHeight(imageBuffer); float r = 0, g = 0,b = 0; float h,s,v; // 計算RGB TORGB(buf, width, height, bytesPerRow, &r, &g, &b); // RGB轉HSV RGBtoHSV(r, g, b, &h, &s, &v); // 獲取當前時間戳（精確到毫秒） double t = [[NSDate date] timeIntervalSince1970]*1000; // 返回處理后的浮點值 float p = HeartRate(h); // 綁定浮點和時間戳 NSDictionary *point = @{[NSNumber numberWithDouble:t]:[NSNumber numberWithFloat:p]}; //下面按個人情況可以進行計算心率或者畫心率圖} |
到這里數據已經處理好了，后面可以根據數據畫折線圖，或者計算心率
計算RGB
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void TORGB (uint8_t *buf, float ww, float hh, size_t pr, float *r, float *g, float *b) { float wh = (float)(ww * hh ); for(int y = 0; y < hh; y++) { for(int x = 0; x < ww * 4; x += 4) { *b += buf[x]; *g += buf[x+1]; *r += buf[x+2]; } buf += pr; } *r /= 255 * wh; *g /= 255 * wh; *b /= 255 * wh;} |
RGB轉HSV
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void RGBtoHSV( float r, float g, float b, float *h, float *s, float *v ) { float min, max, delta; min = MIN( r, MIN(g, b )); max = MAX( r, MAX(g, b )); *v = max; delta = max - min; if( max != 0 ) *s = delta / max; else { *s = 0; *h = -1; return; } if( r == max ) *h = ( g - b ) / delta; else if( g == max ) *h = 2 + (b - r) / delta; else *h = 4 + (r - g) / delta; *h *= 60; if( *h < 0 ) *h += 360;} |
根據h處理浮點
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float HeartRate (float h) { float low = 0; count++; lastH = (count==1)?h:lastH; low = (h-lastH); lastH = h; return low;} |
4.分析數據，計算心率
這里我糾結了好長時間，試了幾種不同的方法，都沒有一個比較理想的結果，計算出來的特別不準。后來看了 http://ios.jobbole.com/88158/ 這篇文章，后面優化的部分有一個 基音算法 ，雖不明，但覺厲，對此表示非常感謝。吼吼吼。
原理:就是說劃一個時間段,在這個時間段里面找到一個 最低峰值 ,然后確定一個 周期 ，然后分別在 這個峰值 前間隔 0.5個周期 的 1周期里 和 這個峰值 后間隔 0.5個周期 的 1周期 里找到一個最低峰值。 然后根據這幾個值來確定瞬時心率。
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- (void)analysisPointsWith:(NSDictionary *)point { [self.points addObject:point]; if (self.points.count<=30) return; int count = (int)self.points.count; if (self.points.count%10 == 0) { int d_i_c = 0; //最低峰值的位置 姑且算在中間位置 c->center int d_i_l = 0; //最低峰值左面的最低峰值位置 l->left int d_i_r = 0; //最低峰值右面的最低峰值位置 r->right float trough_c = 0; //最低峰值的浮點值 float trough_l = 0; //最低峰值左面的最低峰值浮點值 float trough_r = 0; //最低峰值右面的最低峰值浮點值 // 1.先確定數據中的最低峰值 for (int i = 0; i < count; i++) { float trough = [[[self.points[i] allObjects] firstObject] floatValue]; if (trough < trough_c) { trough_c = trough; d_i_c = i; } } // 2.找到最低峰值以后 以最低峰值為中心 找到前0.5-1.5周期中的最低峰值 和后0.5-1.5周期的最低峰值 if (d_i_c >= 1.5*T) { // a.如果最低峰值處在中心位置， 即距離前后都至少有1.5個周期 if (d_i_c <= count-1.5*T) { // 左面最低峰值 for (int j = d_i_c - 0.5*T; j > d_i_c - 1.5*T; j--) { float trough = [[[self.points[j] allObjects] firstObject] floatValue]; if (trough < trough_l) { trough_l = trough; d_i_l = j; } } // 右面最低峰值 for (int k = d_i_c + 0.5*T; k < d_i_c + 1.5*T; k++) { float trough = [[[self.points[k] allObjects] firstObject] floatValue]; if (trough < trough_r) { trough_r = trough; d_i_r = k; } } } // b.如果最低峰值右面不夠1.5個周期 分兩種情況 不夠0.5個周期和夠0.5個周期 else { // b.1 夠0.5個周期 if (d_i_c <count-0.5*T) { // 左面最低峰值 for (int j = d_i_c - 0.5*T; j > d_i_c - 1.5*T; j--) { float trough = [[[self.points[j] allObjects] firstObject] floatValue]; if (trough < trough_l) { trough_l = trough; d_i_l = j; } } // 右面最低峰值 for (int k = d_i_c + 0.5*T; k < count; k++) { float trough = [[[self.points[k] allObjects] firstObject] floatValue]; if (trough < trough_r) { trough_r = trough; d_i_r = k; } } } // b.2 不夠0.5個周期 else { // 左面最低峰值 for (int j = d_i_c - 0.5*T; j > d_i_c - 1.5*T; j--) { float trough = [[[self.points[j] allObjects] firstObject] floatValue]; if (trough < trough_l) { trough_l = trough; d_i_l = j; } } } } } // c. 如果左面不夠1.5個周期 一樣分兩種情況 夠0.5個周期 不夠0.5個周期 else { // c.1 夠0.5個周期 if (d_i_c>0.5*T) { // 左面最低峰值 for (int j = d_i_c - 0.5*T; j > 0; j--) { float trough = [[[self.points[j] allObjects] firstObject] floatValue]; if (trough < trough_l) { trough_l = trough; d_i_l = j; } } // 右面最低峰值 for (int k = d_i_c + 0.5*T; k < d_i_c + 1.5*T; k++) { float trough = [[[self.points[k] allObjects] firstObject] floatValue]; if (trough < trough_r) { trough_r = trough; d_i_r = k; } } } // c.2 不夠0.5個周期 else { // 右面最低峰值 for (int k = d_i_c + 0.5*T; k < d_i_c + 1.5*T; k++) { float trough = [[[self.points[k] allObjects] firstObject] floatValue]; if (trough < trough_r) { trough_r = trough; d_i_r = k; } } } } // 3. 確定哪一個與最低峰值更接近 用最接近的一個最低峰值測出瞬時心率 60*1000兩個峰值的時間差 if (trough_l-trough_c < trough_r-trough_c) { NSDictionary *point_c = self.points[d_i_c]; NSDictionary *point_l = self.points[d_i_l]; double t_c = [[[point_c allKeys] firstObject] doubleValue]; double t_l = [[[point_l allKeys] firstObject] doubleValue]; NSInteger fre = (NSInteger)(60*1000)/(t_c - t_l); if (self.frequency) self.frequency(fre); if ([self.delegate respondsToSelector:@selector(startHeartDelegateRateFrequency:)]) [self.delegate startHeartDelegateRateFrequency:fre]; } else { NSDictionary *point_c = self.points[d_i_c]; NSDictionary *point_r = self.points[d_i_r]; double t_c = [[[point_c allKeys] firstObject] doubleValue]; double t_r = [[[point_r allKeys] firstObject] doubleValue]; NSInteger fre = (NSInteger)(60*1000)/(t_r - t_c); if (self.frequency) self.frequency(fre); if ([self.delegate respondsToSelector:@selector(startHeartDelegateRateFrequency:)]) [self.delegate startHeartDelegateRateFrequency:fre]; } // 4.刪除過期數據 for (int i = 0; i< 10; i++) { [self.points removeObjectAtIndex:0]; } }} |
我目前是這樣處理的，后面是用的前后兩個峰值與 最低峰值 最接近的那個峰值的時間差，測了幾次又和別的app比較了一下，基本都是正確的，最多也就是上下差1-2次每分鐘。（在數據比較穩定的情況下，如果有更好的方法請推薦，謝謝）
5.畫折線圖 這里用到了 CoreGraphics
PS:首先，使用這個CoreGraphics要在View里面，并且要在View的 drawRect: 方法中使用，不然拿不到畫布。我是為了封裝單獨建立了一個UIView的類。
a.首先還是數據，沒有數據怎么畫
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@property (strong, nonatomic) NSMutableArray *points;// 在init中初始化數組self.points = [[NSMutableArray alloc]init];// 這個可以翻譯過來，也是在init中self.clearsContextBeforeDrawing = YES;// 外部調用方法- (void)drawRateWithPoint:(NSNumber *)point { // 倒敘插入數組 [self.points insertObject:point atIndex:0]; // 刪除溢出屏幕數據 if (self.points.count > self.frame.size.width/6) { [self.points removeLastObject]; } dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{ // 這個方法自動調取 drawRect:方法 [self setNeedsDisplay]; });} |
之前調 setNeedsDisplay ,一直沒有走 drawRect: 方法，或者就直走了一次，然后去百度是說 setNeedsDisplay 會在系統空閑的時候執行 drawRect: ,然后我嘗試著回歸到主線程中調用，就好了。具體原因不是很清楚，也可能是因為要在主線程中修改View。
b.畫折線的方法，具體怎么調整看個人心情了。
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CGFloat ww = self.frame.size.width; CGFloat hh = self.frame.size.height; CGFloat pos_x = ww; CGFloat pos_y = hh/2; // 獲取當前畫布 CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext(); // 折線寬度 CGContextSetLineWidth(context, 1.0); //消除鋸齒 //CGContextSetAllowsAntialiasing(context,false); // 折線顏色 CGContextSetStrokeColorWithColor(context, [UIColor redColor].CGColor); CGContextMoveToPoint(context, pos_x, pos_y); for (int i = 0; i < self.points.count; i++) { float h = [self.points[i] floatValue]; pos_y = hh/2 + (h * hh/2) ; CGContextAddLineToPoint(context, pos_x, pos_y); pos_x -=6; } CGContextStrokePath(context); |
c.為了看起來好看，我還加了網格，當然也是在 drawRect: 中調用的
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static CGFloat grid_w = 30.0f;- (void)buildGrid { CGFloat wight = self.frame.size.width; CGFloat height = self.frame.size.height; // 獲取當前畫布 CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext(); CGFloat pos_x = 0.0f; CGFloat pos_y = 0.0f; // 在wight范圍內畫豎線 while (pos_x < wight) { // 設置網格線寬度 CGContextSetLineWidth(context, 0.2); // 設置網格線顏色 CGContextSetStrokeColorWithColor(context, [UIColor greenColor].CGColor); // 起點 CGContextMoveToPoint(context, pos_x, 1.0f); // 終點 CGContextAddLineToPoint(context, pos_x, height); pos_x +=grid_w; //開始劃線 CGContextStrokePath(context); } // 在height范圍內畫橫線 while (pos_y < height) { CGContextSetLineWidth(context, 0.2); CGContextSetStrokeColorWithColor(context, [UIColor greenColor].CGColor); CGContextMoveToPoint(context, 1.0f, pos_y); CGContextAddLineToPoint(context, wight, pos_y); pos_y +=grid_w; CGContextStrokePath(context); } pos_x = 0.0f; pos_y = 0.0f; // 在wight范圍內畫豎線 while (pos_x < wight) { CGContextSetLineWidth(context, 0.1); CGContextSetStrokeColorWithColor(context, [UIColor greenColor].CGColor); CGContextMoveToPoint(context, pos_x, 1.0f); CGContextAddLineToPoint(context, pos_x, height); pos_x +=grid_w/5; CGContextStrokePath(context); } // 在height范圍內畫橫線 while (pos_y < height) { CGContextSetLineWidth(context, 0.1); CGContextSetStrokeColorWithColor(context, [UIColor greenColor].CGColor); CGContextMoveToPoint(context, 1.0f, pos_y); CGContextAddLineToPoint(context, wight, pos_y); pos_y +=grid_w/5; CGContextStrokePath(context); }} |
總結
寫這個功能的時候，自己有很多思考，也參考了很多其他人的博客、代碼還有別人的畢業論文，呵呵呵，還問了幾個學醫的同學，代碼不難，數據處理的部分可能不太好弄，但是寫完還是有點成就感的。
代碼里還存在很多問題，后期有時間我會慢慢優化，歡迎指正。
以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持服務器之家。
