iOS手機攝像頭測心率
編輯：IOS開發基礎
最近在封裝一個手機攝像頭測心率的模塊，搞得精神各種緊張，導致吃飯、路上、做夢，甚至都在想這個東西，就在剛剛終於搞完了，寫個文章慶祝一下。
原理
簡單介紹一下，網上可以查到很多關於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，主要是用於後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。
根據處理後的H就可以進行畫折線圖了，我是把處理後的H和時間戳進行了綁定，用來後面的計算心率。
根據處理後的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,方便後面使用
// 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; // 用於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
// 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];這裡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。（我手裡只有一台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
// 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;
// 返回處理後的浮點值
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
}到這裡數據已經處理好了，後面可以根據數據畫折線圖，或者計算心率
計算RGB
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
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
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
這裡我糾結了好長時間，試了幾種不同的方法，都沒有一個比較理想的結果，計算出來的特別不准。後來看了http://ios.jobbole.com/88158/ 這篇文章，後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,在這個時間段裡面找到一個
最低峰值,然後確定一個周期，然後分別在這個峰值前間隔0.5個周期的1周期裡和這個峰值後間隔0.5個周期的1周期裡找到一個最低峰值。 然後根據這幾個值來確定瞬時心率。
- (void)analysisPointsWith:(NSDictionary *)point {
[self.points addObject:point];
if (self.points.countcenter
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.找到最低峰值以後 以最低峰值為中心 找到前0.5-1.5周期中的最低峰值 和後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， 即距離前後都至少有1.5個周期
if (d_i_c 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 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，後面是用的前後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 這裡用到了 CoreGraphics
PS:首先，使用這個CoreGraphics要在View裡面，並且要在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，沒有數據怎麼畫
@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，然後去百度是說setNeedsDisplay會在系統空閒的時候執行drawRect:,然後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，具體怎麼調整看個人心情了。
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
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
沒有圖，沒有效果，只有思路和代碼，我把封裝好的代碼放在了GitHub上，地址：https://github.com/YvanLiu/HeartBeatsPlugin.git
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。
代碼裡還存在很多問題，心率的計算還存在很高的錯誤率，現在正在想辦法改進，歡迎指正，歡迎批評，歡迎提問。
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