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看一眼即知心中小鹿亂撞:影像式心率偵測

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/04/22 ・1513字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

文/劉珈均

我們每天與人互動,從對方表情變化讀取喜怒哀樂的心情,或對方是否藏有心事、身體不適,但若交由電腦呢?使用影像偵測作為嬰幼兒照護的市場需求正在成長,但對電腦而言,光是辨識一張臉是屬於真人還是玩偶、圖片肖像就相當困難。工研院服務系統科技中心的團隊透過一般視訊鏡頭,便能於一般實務環境中偵測影像中人物的心率,在不增加成本的前提下,大幅提高影像偵測技術的效果。

研發契機始於兩年前的腸病毒流行,其中一位團隊成員的小孩也患上了,需要常常親身量測小孩的身體狀況,常因擔憂小孩的照護而無法適當休息,便開始尋求市場上是否具有可幫助他們隨時掌握孩子狀況的產品。然而,既有的監測型產品或技術還存在著種種實際應用上的限制,例如需要長時間穿戴、價格昂貴等等,團隊便投入非接觸式的影像式心率偵測技術研發。

計畫主持人、服科中心醫療資訊部工程師陳蓉蓉博士。
計畫主持人、服科中心醫療資訊部工程師陳蓉蓉博士。

工研院系統偵測心率從分析特定影像光波著手,「為了能夠從影像中得到心率訊號,我們透過光源能夠穿透過生物組織,被血管內的血液所吸收,以及不同的光波長對於生物組織有著不同的穿透深度原理,分析特定光波以獲得心率。」計畫主持人、服科中心醫療資訊部工程師陳蓉蓉博士說。

但這樣的技術若要在真實生活中運用,仍有許多真實應用情境需求需要被滿足,譬如,傳統技術需要使用者在充足光源、近距離(約0.5公尺)且長時間(約1分鐘)配合鏡頭位置。「這些應用上的限制,就是我們決定投入改善的方向,讓技術貼近生活、富有人性,是我們一直努力的目標。」陳蓉蓉博士說。

此外,在傳統技術判讀影像中的人物是否為真人,目前有產品利用高解析度的高級攝影機,偵測眨眼、嘴角牽動,這樣一台高級攝影機價格昂貴且使用不便,使用者臉部須近距離的正向面對鏡頭才能進行真人判讀。工研院團隊研發出影像訊號能量技術,讓使用者無須正向面對鏡頭,即可辨識出真人,濾除掉類似人臉的玩偶、肖像等影像訊號能量較弱的能量物體。

系統運作與使用情境的光源息息相關,研發團隊測試本技術於各種燈泡光源下的運作情形,為了因應不同膚色,團隊研發過程並招募深淺膚色人種進行長時間實驗,提升技術於真時應用情境下的量測準確度。

系統運作模擬,系統可辨別真人、假樣本、不同光線下及不同膚色。
系統運作模擬,系統可辨別真人、假樣本、不同光線下及不同膚色。

陳蓉蓉說,最困難的地方是,為了讓產品應用更普及,必須達到低成本,盡量在既有的普遍條件下加值功能,團隊必須尋思如何去配合低階的影像設備格式,讓心率偵測維持又快又準。在團隊的努力下,此技術只需要一般攝影機或視訊鏡頭便能執行功能,人物可距離鏡頭2公尺以上,只要臉部或膚色範圍畫素達到系統足以截取的程度即可,判讀心率時間只需短短的5至10秒鐘,並可以同時進行多人偵測,低照度的環境下如小夜燈照明的環境也能運作。

「後續推廣對象主要為消費者市場 如產後護理中心。」負責行銷的專案經理吳祥筠說。在歐美地區,嬰幼兒監測設備的市場不斷成長,很多新手爸媽因為零經驗而因過分擔憂小孩的照護而無法適當休息,這產品可幫助他們隨時掌握孩子狀況,也能獲得適當休息。

對小孩子而言,穿戴式設備不是個好主意,因為小孩子總對穿戴配件不耐煩,非接觸式的設備較實用。而小孩子總是好動,有時就算發燒了,仍舊行動如常,因此,團隊計畫日後再加入溫度與動態偵測等生理資訊,讓偵測更完備。

影像式心率與呼吸偵測技術研發團隊。
影像式心率與呼吸偵測技術研發團隊。

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創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
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由 19 個國家級產業科技研發機構,聯手發表「創新科技專案」超過 80 項研發成果。手法結合狂想與探索,包括高度感官互動的主題式「奇想樂園」區,以及分享科技新知與願景的「解密寶藏」區。驚奇、專業與創新,激發您對未來的想像與憧憬!

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不用靠心電感應!只要專心「聽故事」,你的心率也能和他人同步
Bonnie_96
・2021/10/10 ・2026字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

想像一下,你只是在專心聽故事,即使其他人不在同個空間一起聽。但你們的心率卻會不自覺地同步,你相信有這麼神奇的事嗎?

圖/Pexels

在過去研究中 [1],科學家就發現當人們在同個空間,一起看電影或現場表演等共同體驗活動,大家的心律和呼吸等身體機能就會不自覺地同步。甚至,只要和另個人交談 [2],你和對方的大腦活動、心率也會同步。

最新發表在細胞報導(Cell Reports)的研究 [3],就發現參與者們只是聆聽故事,甚至不在同個空間,他們的心率也會同步。要能引發心率同步的狀況,有個前提:參與者必須非常專心。

只要靠聽故事,心率就能同步?

人們彼此會傳遞共同情緒等共感現象,長期以來科學家假設是源於我們大腦的社交天性。紐約市立學院教授、論文共同作者帕拉(Lucas Parra)就表示,過去有很多文獻指出,人們的生理機能會相互同步。但人要在以某種方式互動,並實際出現在同個地方。

但是帕拉也提到,我們的研究發現「這種現象要廣泛得多」,當人們只是專心聽故事、大腦處理這些刺激的同時,心率就會出現相似的變化。共同作者之一的西特(Jacobo Sitt)也補充,這是認知功能所驅動人的心率上升/下降,反而和故事情節所引發的情緒並不相關。

而心率同步的前提,就取決於參與者是否專注聽故事,並思考接下來會發生什麼。因為我們的心率波動,有部分是由意識處理所驅動的,而大腦會對這些刺激做出反應。

圖/Pexels

「注意力」是真正影響心率的因素

研究者進行一系列四項實驗,來探索意識和注意力在同步參與者心率中的作用。首先,研究者讓參與者們(彼此之間沒有互動),聆聽法國小說家凡爾納(Jules Verne)的科幻作品《海底兩萬里》(Twenty Thousand Leagues Under the Sea)的有聲書。

「他們的心率會根據故事劇情而變化」研究者也透過心電圖(EKG)的測量發現,當參與者聆聽故事時,大多數參與者在故事到達特定劇情時,都會表現出心率增加/減少。

你可能會覺得,欸!這個實驗打臉前面論文作者西特所說,心率和情緒變化不相關的說法。於是,他們進行第二項實驗,讓參與者觀看具有教育意義的教學影片,這基本上就不會引發情感變化。

去除情感變化的因素後,發現注意力是真正影響心率的因素。一開始,研究者先讓參與者專心觀看教學影片,大家的心率表現出類似的變化。有專心的情況,那也要測測看參​​與者在不專心時看影片,心率會不會同步。結果,幾乎所有參與者的心率同步情況都下降了。

光看心率是否同步,可以預測植物人的預後狀況嗎?

為了進一步測試注意力和記憶力的關係。在第三個實驗中,參與者分別要在專心、不專心的情況下,聆聽故事,並回想剛剛故事中的細節。結果發現參與者心率波動的情況,可以預測他們在回答有關故事問題時的表現。這也說明心率的變化,正是反映大腦是有意識地處理故事的訊號。

在最後一項實驗和第一個實驗類似,但不同的是,研究者找來有意識障礙的患者(像是昏迷或是處於植物人狀態)參與。多年來,這些患者可能是處在沒有反應的狀態。

然而,研究者想透過播放有聲書,測量 19 位患者們的心跳,來預測他們的預後情況。雖然患者的心率同步狀況明顯遠低於健康對照組,但有趣的是,其中只有 2 名患者表現和音檔同步的能力。

研究結果指出,心率的變化,是反映大腦正在處理故事的訊號。 圖/Pexels

研究者在六個月後回訪,其中一位已經去世,另一名則完全恢復了意識和語言能力。剩下的 17 名患者中,只有 1 名非同步患者醒來,但他們無法說話。

西特也提到,雖然這項研究仍在非常初步的階段,但能夠想像這是個非常簡單的測試。可以運用實驗來測量大腦功能。而且實驗也不需要太多設備,甚至可以在救護車上進行。當然,這還需要對更多處於不同意識下的病患,進行實驗,並和 EEG、fMRI 等進行比較與驗證。

帕拉則表示,這項研究發現故事可以透過大腦功能,來影響我們的生理。不僅展示大腦與身體兩者的聯繫是多麼密切之外,且未來這類研究也能夠幫助我們更廣泛地理解大腦是如何影響身體,同時對於理解正念(mindfulness )是如何和大腦與身體聯繫的,都是可以深入研究的議題。

參考資料

  •  Hasson, U., Nir, Y., Levy, I., Fuhrmann, G., & Malach, R. (2004). Intersubject synchronization of cortical activity during natural vision. Science (New York, N.Y.), 303(5664), 1634–1640. https://doi.org/10.1126/science.1089506
  •  Zhang, J.R., Sherwin, J., Dmochowski, J., Sajda, P., & Kender, J.R. (2014). Correlating speaker gestures in political debates with audience engagement measured via EEG. In Proceedings of the 22nd ACM international conference on multimedia (pp. 387–396). ACM, 2654909.https://dl.acm.org/doi/10.1145/2647868.2654909
  •  Pérez P, Madsen J, Banellis L, et al. Conscious processing of narrative stimuli synchronizes heart rate between individuals. Cell Rep. 2020;36.  doi:10.1016/j.celrep.2021.109692
Bonnie_96
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