CN103426024B - 一种人体头部转动检测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种人体头部转动的检测装置和方法，包括：高速摄像机、图像采集卡、上位机、位置标记模块和显示屏；高速摄像机通过视频信号线与图像采集卡连接，图像采集卡的输出端与上位机连接，位置标记模块包括帽子、上衣以及三个标记色块，三个标记模块分别位于帽子和上衣的左右肩膀处，上位机中的主控程序处理得到的视频，从中提取出标记色块对应的象素块并计数，当人体头部转动超过45度时，图像中的象素块由3个变为2个，通过象素块数目的变化，得到人体头部转动的次数，并将检测结果显示在显示屏上。本发明提出的识别人体头部运动的装置和方法，可以运用到很多领域之中，如生物学，运动学，养生学等方面。

Description

一种人体头部转动检测的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种运动检测装置，尤其涉及一种人体头部转动的检测装置。本发明还涉及一种人体头部转动的检测方法。

背景技术

近年来颈椎病的发病率成上升趋势，发病情况与人们的职业因素有着密切的关系，且表现出低龄化趋势。这种职业因素的显现可能与社会竞争压力越来越大，人们每日活动时间缩短，伏案工作或学习的时间延长，加之保健意识薄弱，使颈部肌肉、韧带长期处于紧张状态有关。颈椎病，轻者转动不灵活，重者会导致其他系统一些疾病，如动脉硬化、高血压、冠心病等，甚至可能出现瘫痪，严重影响着人们的正常工作与身心健康。所以，保护好你的颈椎可以提高生活质量，预防很多疾病。

有研究表明，当脖子扭动超过45度，可以很好的促进颈部的血液循环，松解粘连和痉挛的软组织，重复此项动作多次，可以保持颈椎、脊柱的肌张力和韧带的弹性、脊椎关节的灵活性，有利于增强骨质新陈代谢，增强颈椎、脊柱的代偿功能，既不损伤椎体，又可预防椎骨和韧带的退化。

而颈椎的扭动如果单纯的去重复机械性的运动，往往会比较枯燥而让人难以坚持下去，故可以将通过参加一些体育锻炼活动来达到活动颈椎，娱乐身心的目的，本发明采取的实验环境是基于一个人在乒乓球运动中的颈椎运动，而目前关于在运动中检测颈椎运动的方法多较繁琐，使用不便。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种人体头部转动的检测装置和方法，可以很有效并且准确的来判定人在运动中的头部转动达到一定程度以上的次数。

本发明采用了以下装置和方法。

本发明提供一种人体头部转动的检测装置，其特征在于，包括：检测装置包括摄像机、图像采集卡、上位机、显示器以及位置标记模块。其中，摄像机位于人体头部的正上方。图像采集卡与摄像机连接，上位机与图像采集卡的输出端连接，图像采集卡将视频即时传入上位机中。上位机内部具有主控程序，该主控程序处理视频后得到人体头部的转动次数，显示器实时显示来自上位机的视频以及人体头部的转动次数。

位置标记模块包括帽子，标记上衣及标记色块，标记色块有三个，分别是位于帽子的帽檐或帽子顶部的头部标记色块，以及分别位于标记上衣两侧肩膀部的左肩标记色块和右肩标记色块。帽檐的形状为鸭舌帽帽檐的形状，并且帽檐的宽度满足当人体头部向左或向右转动45度以上时能够完全遮挡左肩标记色块或右肩标记色块。

另外，在本发明的人体头部转动的检测装置中，还可以具有这样的特征：其中，标记色块的灰度值应小于60，以头部标记色块的几何中心为圆心做圆，得到目标区域(Regionofinterest,ROI)，该目标区域的大小应将三个标记色块均包含在内，除标记色块以外的部分灰度值均应大于60。

本发明提供一种人体头部转动的检测方法，其特征在于：数据处理过程包括以下步骤：

初始化：主控程序初始化；

判断是否有视频导入：如果有视频导入主控程序则进入主控程序，否则回到步骤初始化；

提取图片：当有视频导入主控程序时，主控程序将导入的视频每帧的图片依次提取出来；

二值化：首先将每张图片的RGB通道分别分离出来，得到3张单通道的图片，将3张单通道的图片中RGB值在60以上的象素都设为黑色，RGB值在60以下的象素都设为白色，再将3张处理后的图片合并，得到一张二值化图片；

去除不相关色素块：将二值化图片进行一定量的形态学处理中的膨胀和腐蚀，去掉一些不相关的像素块；

象素块计数：使用主控程序中的查找函数查找出图片中的标记色块对应的像素块，并将该像素块的数目存入函数中给定的变量s中；

设置检测区域：计算标记色块对应的像素块的面积，取出面积最大的像素块，然后找出该像素块的中心点，接着以该中心点为圆心，以a个像素点为半径作圆，将该圆设置为目标区域(Regionofinterest,ROI)，目标区域的大小应包括左肩标记色块和右肩标记色块，将二值化图片中除目标区域之外的其它部分的RGB值设为0，其中，a的数值可以根据摄像头距离人体的距离设置；

计算头部转动次数：主控程序中的检测函数检测目标区域，当人体头部没有转动时s的值为3，当人体头部转动超过45度以上时，s的值为2，当s的值从2变到3或者从3变到2时，主控程序中的计数器的值加1，计数器的初值设为0；

显示结果：主控程序将处理过的视频图像以及计数器的值输出，并实时显示在显示屏上；

判断转动是否结束：如果人体头部的转动还在继续，则返回提取图片的步骤，如果转动结束，则整个程序结束。

附图说明

图1为本发明实施例中检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中摄像头安放的位置示意图；以及

图3为本发明主控程序的检测流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施方式。

图1为本发明实施例中检测装置的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种基于图像的人体头部转动的检测装置，包括高速摄像机1、图像采集卡2、上位机3和显示屏4。高速摄像机1通过视频信号线与图像采集卡2连接，图像采集卡2的输出端与上位机3连接。显示屏4与上位机3相连接，用以显示检测结果。

高速摄像机1能满足拍摄高清画面，每帧无拖影即可。图像采集卡2采用与高速摄像机匹配的图像采集卡即可。上位机3采用目前市场主流任意PC架构的计算机均可满足设计要求，系统采用WINDOWSXP操作系统，软件编制以microsoftvisualstudio2008为开发平台，并以opencv为开发环境。上位机中具有主控程序模块，可以对采集到的视频中的每帧图片进行处理。

图2为本发明实施例中摄像头安放的位置示意图。如图2所示，高速摄像机架需架设在被测者头顶上方，能同时拍到三个标记色块。

本实施例采用乒乓球运动环境做为检测环境，以乒乓球运动员为检测对像。运动员穿戴好贴上色块的鸭舌帽和左右肩膀顶部各贴一个色块的衣服，鸭舌帽帽檐的宽度可以保证当扭头角度大于45度时帽檐会挡住其中一个色块。

高速摄像机拍下视频后通过图像采集卡传送入上位机中，上位机在microsoftvisualstudio2008中运行程序后，显示模块同时显示视频中运动员扭头次数，以及运动员扭头视频。

图3为本发明主控程序的检测流程图。如图3所示，拍摄到的视频数据，将被传送到上位机中的主控程序中，数据处理过程主要包括以下几个步骤：

初始化：系统初始化。

判断是否有视频导入：判断是否有视频导入，有视频导入则开始进入主控程序，否则回到步骤初始化。

提取图片：进入主控程序中，先将导入的视频用循环的方法将每帧图片依次提取出来，放在所要调试的debug文件夹里。

二值化：首先将每张所述图片的RGB通道分别分离出来，得到3张单通道的图片，将所述3张单通道的图片中RGB值在60以上的象素都设为黑色，RGB值在60以下的象素都设为白色，再将3张处理后的图片合并，得到一张二值化图片。

去除不相关色块：将得到的单通道图片其进行一定量的形态学处理中的膨胀和腐蚀，以去掉一些小的不相关的像素块，由此可以找出在衣服和帽子上作的标记。

目的象素块计数：利用opencv中的查找函数查找出图片中的白色的像素块，并将查找到像素块的数目存入函数中给定的变量s中。

设置检测区域：根据上一步查找出的像素块，可以通过函数计算出各个像素块的面积，并取出最大面积的那个像素块。然后找出该像素块的中心点，接着以此中心点为圆心，以a个像素点为半径作圆，将该圆设置为ROI(Regionofinterest)区域，即感兴趣的区域。此区域应包括标记在衣服和帽子上的三个像素块，此后检测函数可以只需检测设置的该ROI区域，而将图片中除了ROI区域中的地方的RGB值设为0，即为黑色，其中，a的数值可以根据高速摄像头离人体的距离在函数中自行设置数值，此种方法主要适用于在高速摄像机离人体距离较远时使用。

计算头部转动次数：根据步骤S6中得到的s的值，可知当运动员脖子没有扭动的时候s的值为3，当运动员脖子扭动超过45度以上，由于帽檐将其中一个标记块给挡住了，故只能查找出2个白色像素块，所以s的值为2，由此可以设定当s的值从2到3或者从3到2时，函数中计数器num即运动员脖子扭动次数的值加1，计数器num的初值设为0。

显示结果：将处理完的每帧图片以30ms的速度依次显示在显示屏上，即给人的视觉上是以视频的方式播放出来处理完的图片，从而完成即时输出高速摄像机拍到视频并将其处理后得到视频的任务，得到更加完整的结果。并将num的值显示在显示屏上。

判断转动是否结束：判断头部转动是否结束，如果头部转动还在继续进行则返回提取图片的步骤，如果运动结束，则整个程序结束，上位机中停止视频输入，视频画面停止，显示屏显示的num值即为运动员打球过程中头部转动的总次数。

由于此种方法是基于标记和图像颜色的，故要求在实验环境中除了给定的标记其他地方均不出现与标记大小相似或者面积更大的黑色区域。出于同样原因，在目标区域中的三个标记色块的灰度值应小于60，即越接近黑色越好，除标记色块以外的部分灰度值均应大于60，即颜色越浅越好。

二值化的步骤中的阈值选取是多次试验之后，发现当阈值取60时，背景的影响最小。

实施例作用与效果

根据本发明的人体头部转动的检测装置，由于本发明采用色素块的数量变化来表示头部转动的情况，方法简便易行，图像信息量小，因此减少了图像处理的工作量，提高了检测速度。

由于设置了ROI区域，因此只对给定的范围进行处理，给定范围之外的干扰图像对检测的影响变小，这一方面减少了程序的工作量，另一方面也提高了程序的准确性。

由于将得到的单通道图片其进行了形态学处理中的膨胀和腐蚀，可以去掉一些小的不相关的像素块。

另外，由于将采集到的图片先进行了二值化，使得标记的目的像素为白色，其它区域为黑色，方便了数据的后续分析。

Claims (3)

1.一种人体头部转动的检测装置，其特征在于，包括：

摄像机、图像采集卡、上位机、显示器以及位置标记模块，

其中，所述摄像机位于所述人体头部的正上方，

所述图像采集卡与所述摄像机连接，

所述上位机与所述图像采集卡的输出端连接，所述图像采集卡将视频即时传入所述上位机中，

所述上位机内部具有主控程序，该主控程序处理所述视频后得到所述人体头部的转动次数，

所述显示器实时显示来自上位机的视频以及所述人体头部的转动次数，

所述位置标记模块包括帽子，标记上衣及标记色块，所述标记色块有三个，分别是位于所述帽子的帽檐或帽子顶部的头部标记色块，以及分别位于所述标记上衣两侧肩膀部的左肩标记色块和右肩标记色块，所述帽檐的形状为鸭舌帽帽檐的形状，并且所述帽檐的宽度满足当所述人体头部向左或向右转动45度以上时能够完全遮挡所述左肩标记色块或右肩标记色块。

2.如权利要求1所述的人体头部转动的检测装置，其特征在于：

其中，所述标记色块的灰度值应小于60，以所述头部标记色块的几何中心为圆心做圆，得到目标区域(Regionofinterest,ROI)，该目标区域的大小应将三个标记色块均包含在内，除所述标记色块以外的部分灰度值均应大于60。

3.一种人体头部转动的检测方法，其特征在于，数据处理过程包括以下步骤：

初始化：主控程序初始化；

判断是否有视频导入：如果有视频导入主控程序则进入主控程序，否则回到步骤初始化；

提取图片：当有视频导入主控程序时，所述主控程序将导入的视频每帧的图片依次提取出来；

二值化：首先将每张所述图片的RGB通道分别分离出来，得到3张单通道的图片，将所述3张单通道的图片中RGB值在60以上的象素都设为黑色，RGB值在60以下的象素都设为白色，再将3张处理后的图片合并，得到一张二值化图片；

去除不相关色素块：将所述二值化图片进行一定量的形态学处理中的膨胀和腐蚀，去掉一些不相关的像素块；

象素块计数：使用主控程序中的查找函数查找出图片中的标记色块对应的像素块，并将该像素块的数目存入函数中给定的变量s中；

设置检测区域：计算所述标记色块对应的像素块的面积，取出面积最大的像素块，然后找出该像素块的中心点，接着以该中心点为圆心，以a个像素点为半径作圆，将该圆设置为目标区域(Regionofinterest,ROI)，所述目标区域的大小应包括左肩标记色块和右肩标记色块，将所述二值化图片中除所述目标区域之外的其它部分的RGB值设为0，其中，a的数值可以根据摄像头距离人体的距离设置；

计算头部转动次数：主控程序中的检测函数检测所述目标区域，当人体头部没有转动时所述s的值为3，当人体头部转动超过45度以上时，所述s的值为2，当所述s的值从2变到3或者从3变到2时，所述主控程序中的计数器的值加1，所述计数器的初值设为0；

显示结果：所述主控程序将处理过的视频图像以及所述计数器的值输出，并实时显示在显示屏上；

判断转动是否结束：如果所述人体头部的转动还在继续，则返回提取图片的步骤，如果所述转动结束，则整个程序结束。