rppg技術(shù)在駕駛員飲酒后心率檢測(cè)的應(yīng)用探索

于明洋，閻程霖，趙京瑞，王蔚琛，徐春龍

（東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110167）

1 研究背景

酒后駕駛已成為交通事故的重要誘因，根據(jù)歐盟委員會(huì)提供的道路交通事故數(shù)據(jù)，歐洲25%的交通事故與酒后駕駛有關(guān)。如何對(duì)駕駛員是否飲酒的駕駛狀況進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)顯得非常重要。目前常用的駕駛員酒精含量檢測(cè)方法是通過對(duì)其呼出氣體、唾液、尿液和血液中的酒精含量進(jìn)行檢測(cè)。大多數(shù)情況下，酒駕檢測(cè)都是接觸式檢測(cè)，需要部署出動(dòng)警力，檢測(cè)效率和范圍局限性大，且需要檢測(cè)人員較好地配合，以避免出現(xiàn)作弊的情況，然而也不能做到預(yù)防性檢測(cè)。

如果能實(shí)現(xiàn)非接觸式酒駕檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)自動(dòng)化檢測(cè)，那么不僅會(huì)避免損耗材料，潛在細(xì)菌交叉感染等傳統(tǒng)式酒駕檢測(cè)問題，還可以節(jié)省警力資源，緩解交通壓力。目前非接觸酒駕檢測(cè)研究，大部分還停留在車內(nèi)酒精氣體檢測(cè)方面，雖然對(duì)氣體中酒精含量的檢測(cè)有較好的效果，但是這種方法容易受到環(huán)境因素影響，如：同車內(nèi)副駕駛或乘客飲酒而造成車內(nèi)存在酒精氣體，使得檢測(cè)失效，不能成為一種可行性酒駕檢測(cè)方案。

基于此類問題，文章嘗試研究使用駕駛員的生理指標(biāo)作為酒駕的判斷依據(jù)，如飲酒后心率生理指標(biāo)的異常，來代替氣體檢測(cè)方案。然而目前檢測(cè)心率較為成熟的方法是PPG技術(shù)，但PPG技術(shù)依然需要接觸，不能適用于復(fù)雜的駕駛場(chǎng)景。筆者利用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的rppg技術(shù)方案，拓展其使用到車內(nèi)駕駛員場(chǎng)景，通過檢測(cè)心率生理指標(biāo)，檢測(cè)飲酒前后生理指標(biāo)變化的場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，檢驗(yàn)rppg技術(shù)是否適用于人在飲酒后心率的檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)人員、環(huán)境選擇階段

選擇平均年齡在20歲左右的6名男生實(shí)驗(yàn)人員，在實(shí)驗(yàn)前先檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)者是否有酒精過敏史，是否有其他病史如：胃病、肝病、心血管疾病等不方便飲酒的以及可能會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的。為了減少其他環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)酒精含量的影響，實(shí)驗(yàn)前測(cè)量應(yīng)確認(rèn)實(shí)驗(yàn)人員是否空腹或飲水，這樣能防止實(shí)驗(yàn)前體內(nèi)預(yù)存在酒精含量對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

2.2 準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)相關(guān)的物品

酒精包括8度的啤酒以及50度的白酒， 通過標(biāo)準(zhǔn)RGB攝像頭對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的面部信息進(jìn)行采集，采集的幀率為30fps，像素分辨率為640×480。通過Alcohol Tester對(duì)實(shí)驗(yàn)人員呼吸氣體中的酒精濃度進(jìn)行同步測(cè)量，作為不再屬于酒駕狀態(tài)的依據(jù)。心率的金標(biāo)準(zhǔn)值使用多功能生理監(jiān)護(hù)儀中的指尖脈搏血樣儀來采集參考HR信號(hào)裝置進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

圖1 rppg技術(shù)監(jiān)測(cè)酒駕示意圖

在試驗(yàn)進(jìn)行前10 min，對(duì)試驗(yàn)人員未飲酒前的生理信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并將其作為參考對(duì)象，目的是在飲酒前測(cè)一次，飲酒后測(cè)一次，形成baseline對(duì)比。之后試驗(yàn)者飲酒，其中少部分成員飲用8度的啤酒，其他試驗(yàn)者飲用50度的白酒并記錄時(shí)間，飲酒結(jié)束后立即對(duì)他們進(jìn)行生理信號(hào)的測(cè)量，并在之后每10 min進(jìn)行一次測(cè)量，直到酒精傳感器檢測(cè)的呼吸酒精含量超過峰值并低于最低酒駕檢測(cè)濃度。

2.4 心率數(shù)據(jù)的來源：

心率數(shù)據(jù)來源于兩個(gè)方面，一個(gè)是使用多功能生理監(jiān)護(hù)儀（NSC-M12P，Neusoft Inc， China）中的指尖脈搏血樣儀采集到數(shù)據(jù)值即金標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，和通過RGB攝像頭采集到的視頻用rppg預(yù)估的數(shù)據(jù)值。

2.5 算法處理

（1）用標(biāo)準(zhǔn)的RGB攝像頭錄制面部視頻，用最小特征值算法檢測(cè)面部區(qū)域中的面部特征點(diǎn)。然后Kanade-Lucas-Tomasi（KLT）跟蹤算法，可以獲得前后兩幀的面部特征點(diǎn)匹配，生成面部矩形區(qū)域，其中將皮膚區(qū)域視為面部ROI，將其他區(qū)域視為背景ROI。最后計(jì)算得出面部ROI和背景ROI在時(shí)間t中的所有像素的空間RGB平均值。

其中A（t）代表臉部ROI區(qū)域信號(hào)通道，或是背景ROI的信號(hào)通道。L（x，y，t）代表在Askin中時(shí)間t下（x，y）點(diǎn)的像素值。P代表Askin中的總像素值的和。

圖2 圖像采集

（2）為了求得源信號(hào)的最佳估計(jì)，消除光照等其他因素造成的干擾。采用聯(lián)合盲源分離（JBSS），選擇用獨(dú)立向量分析的方法來實(shí)現(xiàn)聯(lián)合盲源分離的框架。在本研究中，面部和背景的ROI信號(hào)被視為兩個(gè)矩陣X。通過獨(dú)立向量分析，可以獲得目標(biāo)SCV，假定為常見的照明干擾，為了消除干擾將目標(biāo)SCV的各個(gè)分量設(shè)置為零，獲得最終想要的新的面部ROI信號(hào)。

（3）新的面部ROI信號(hào)包含皮膚表面產(chǎn)生的鏡面反射部分以及皮膚和下層組織重新吸收入射光的反射部分。為了提取攜帶脈搏率信息的漫反射分量，使用基于簡(jiǎn)化皮膚反射模型的投影方法用來獲得更高質(zhì)量的投影信號(hào)。

其中Anew（t）是在t時(shí)刻下新的皮膚像素值，1·（1+i（t））表示照明變化分量和鏡面反射分量。s（t）代表鏡面分量，p（t）代表漫反射分量，I0表示靜止的光照分量。

（4）之前的一些研究指出，ROI中的綠色通道信號(hào)包含更多的脈搏率信息，還確定了在各種不同的照明條件下，綠色通道信號(hào)在rPPG信號(hào)中實(shí)現(xiàn)了最高的信噪比。對(duì)綠色通道信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行了線性相關(guān)性分析，然后選擇了與綠色通道信號(hào)相關(guān)性最高的脈沖信號(hào)，并且用0.7 HZ和4 HZ的帶通濾波器來濾除與心率無關(guān)的信息部分。最后，對(duì)濾波脈沖信號(hào)使用fft，以心率為頻率，心率是功率最大的頻率，然后可以獲得心率的值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及誤差分析

為了檢驗(yàn)已有的rppg技術(shù)在駕駛員飲酒后檢測(cè)心率的效果，三個(gè)評(píng)估指標(biāo)被我們的實(shí)驗(yàn)采用，分別是皮爾森相關(guān)系數(shù)（r），平均絕對(duì)偏差（MAD），均方根誤差（RMSE）。分別代表第i個(gè)測(cè)量時(shí)間內(nèi)的心率的rppg預(yù)估值和真實(shí)值相關(guān)的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算如下：

結(jié)果發(fā)現(xiàn)在數(shù)據(jù)中某些試驗(yàn)者會(huì)出現(xiàn)異常較大的RMSE，這些可能是由于存在噪音和異常的數(shù)據(jù)造成的。

在使用該改進(jìn)rppg算法時(shí)，在1 min內(nèi)會(huì)計(jì)算得到31個(gè)心率值，得到的心率數(shù)據(jù)值分析如下：

通過去噪得到了一個(gè)很好的相關(guān)參數(shù)和誤差值，結(jié)果如下：

通過表1可以看出，平均為皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.91。

表1 rppg算法結(jié)果

圖3（a）展示了通過rppg估計(jì)值和金標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)之間的關(guān)系散點(diǎn)圖，紅色的是擬合曲線，可以明顯看出，兩者之間的線性相關(guān)性，圖3（b）是測(cè)量到的金標(biāo)準(zhǔn)與rppg測(cè)量值之間的Bland-Altman圖。Bland-Altman圖是兩種數(shù)據(jù)一致性評(píng)價(jià)測(cè)量的方法，紅線表示了兩種數(shù)據(jù)差值的平均值（-0.18954），差值的95%置信區(qū)間為-6.3239～6.3239，介于此區(qū)間范圍內(nèi)數(shù)值說明了數(shù)據(jù)的一致性水平良好。從圖中可以看出，大部分?jǐn)?shù)據(jù)都在區(qū)間內(nèi)，說明兩種數(shù)據(jù)的一致性良好，該rppg技術(shù)可以很好地應(yīng)用于飲酒后的心率檢測(cè)。

圖3 rppg估計(jì)值和金標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

4 結(jié)論

研究證實(shí)了rppg信號(hào)檢測(cè)駕駛員酒駕場(chǎng)景的可行性，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了呼吸中酒精含量與心率變化之間的關(guān)系。rppg技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)駕駛員非接觸式心率信息的提取，通過酒精傳感器輔助判斷，發(fā)現(xiàn)可能潛在的因飲酒而導(dǎo)致的心率變化，同時(shí)也檢測(cè)出了車內(nèi)存在人員飲酒的場(chǎng)景。今后的研究將主要致力于使用多模態(tài)技術(shù)，將rppg檢測(cè)出來的心率值與酒精傳感器信息結(jié)合，預(yù)判斷駕駛員酒駕的情況，該技術(shù)為日常駕駛場(chǎng)景的普遍應(yīng)用提供了一種方案，預(yù)計(jì)可以有效地減少酒駕所引發(fā)的事故，提高安全性，為駕駛員和乘客的安全保駕護(hù)航。