CN104217554A - 学生健康学习姿势提醒系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供学生健康学习姿势提醒系统，包括数据采集模块，用于采集相机和学生身上识别标志的位置；距离计算模块，用于计算头部与肩部的距离；数据设置模块，用于设置不同身高及性别理想姿势下对应的头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值；角度计算模块，用于计算头部相对变化角度；姿势判断模块，用于将头部相对变化角度与预设的头部相对变化角度范围进行比较，判断姿势正确与否；报警模块，用于在姿势错误时输出报警信号。本发明将立体视觉技术应用于学生健康学习姿势提醒，可以实时地监督学生的学习姿势并进行提醒，可应用于广大的学生群体。

Description

学生健康学习姿势提醒系统及方法

技术领域

本发明属于学生用姿势提醒系统，具体为一种学生健康学习姿势提醒系统及方法。

背景技术

学生的健康学习姿势至关重要，可以降低近视眼，斜视眼，驼背，含胸，腰椎间盘突出等疾病的发生，帮助学生轻松学习、健康生活。目前促进学生健康学习姿势主要有三种方式：1.家长(教师)人为提醒，2.健康学习桌椅，能一定程度使学生保持坐姿，3.纠正读写姿势产品，如背背佳、坐姿矫正椅等。

学习桌椅主要通过调节椅子、桌子的高度和倾斜度，辅以辅助照明以促进学生保持学习姿势，该方式属于模具式，缺少人文关怀，并且桌椅也不能随学习姿势的变化而自动调节。背背佳、坐姿矫正椅等产品主要针对已有不良学习姿势的学生矫正用。背背佳遵循人体生物力学中“脊柱三维整体活动模式”的整体稳定性特点，利用“三维一体”矫姿原理研制而成。坐姿矫正椅包括椅座、椅背和椅腿，椅背正面设有肩部约束带。学生坐立时，通过肩部约束带将学生的上半身约束，这样学生坐姿得以控制，有效防保持正确的读写姿势。以上两种产品借助外部器件对坐姿进行固定，强行矫正，见效快，但存在易反复的问题。坐姿矫正器有耳挂式、佩戴式两种，设计小巧，方便佩戴。学生在头部姿势不正确时，坐姿矫正器马上奏响音乐轻声提醒，纠正不良读写姿势。该产品仅是监控头部姿势，而健康学习姿势包括身躯(脊椎、颈部、肩部、头部)的姿势，所以该产品难以保证健康学习姿势。随着现代科技的不断发展，相关技术却没有应用到健康学习姿势产品中去。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种学生健康学习姿势提醒系统及方法，可以实时地监督学生的学习姿势(头部、肩部)并进行提醒，可应用于广大的学生群体。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种学生健康学习姿势提醒系统，其特征在于：它包括

数据采集模块，用于采集相机和学生身上识别标志的位置，利用三角法计算学生身上识别标志的坐标，相机为2个，学生身上的识别标志包括左肩标志、右肩标志和头部标志，其中2个相机和学生身上的任何一个识别标志均不在同一条直线上；

距离计算模块，用于根据相机和学生身上识别标志的坐标计算头部与肩部的距离；

数据设置模块，用于设置不同身高及性别理想姿势下对应的头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值；

角度计算模块，用于根据数据模块得到的学生身上识别标志的坐标、以及数据设置模块中相机和学生身上识别标志的坐标预设值，计算头部相对变化角度，包括左右变化角度和前倾后仰变化角度；

姿势判断模块，用于将角度计算模块计算的头部相对变化角度与预设的头部相对变化角度范围进行比较，当计算的头部相对变化角度在头部相对变化角度范围内，则判断姿势正确，反之则判断姿势错误；

报警模块，用于在姿势错误时输出报警信号。

一种利用上述学生健康学习姿势提醒系统实现的学生健康学习姿势提醒方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、设置不同身高及性别理想姿势下对应的头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值；

S2、选择待测学生的身高和性别，选择对应的头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值；

S3、采集相机和学生身上识别标志的位置，利用三角法计算学生身上识别标志的坐标，相机为2个，学生身上的识别标志包括左肩标志、右肩标志和头部标志，其中2个相机和学生身上的任何一个识别标志均不在同一条直线上；

S4、根据相机和学生身上识别标志的坐标计算头部与肩部的距离；

S5、根据学生身上识别标志的坐标、以及相机和学生身上识别标志的坐标预设值，计算头部相对变化角度，包括左右变化角度和前倾后仰变化角度；

S6、将头部相对变化角度与预设的头部相对变化角度范围进行比较，当计算的头部相对变化角度在头部相对变化角度范围内，则判断姿势正确，反之则判断姿势错误；

S7、在姿势错误时输出报警信号。

按上述方法，所述的S1理想姿势下头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值由人为设置，或者以待测学生正确姿势下采集到的数据作为对应的预设值。

按上述方法，所述的三角法计算学生身上识别标志的坐标具体为：

头部标志：通过相机参数计算头部标志在2个相机的相平面上的投影坐标，根据2个相机的坐标和头部标志坐标形成一个三角形，依据2个相机与头部标志在该相机的相平面上的投影的连线的交点即为头部标志的坐标；

左肩标志和右肩标志的坐标同理可得。

按上述方法，设C₁、C₂为两个相机，C₁、C₂的坐标分别为(x_c1,y_c1,z_c1)和(x_c2,y_c2,z_c2)，I₁、I₂为C₁、C₂的相平面，头部标志B₁(x,y,z)在C₁、C₂的相平面上的投影B_1I1(u₁,v₁)、B_1I2(u₂,v₂)的坐标根据公式(1)获得：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{ui}\\ \mathrm{vi}\\ 1\end{array}\right]=\mathrm{KW}\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right](i=\mathrm{1,2})---\left(1\right),$

式中，K、W为相机的内部参数矩阵和外部参数矩阵，且

$K=\left[\begin{array}{cccc}f/{\mathrm{\ρ}}_w& 0& {\mathrm{\μ}}_0& 0\\ 0& f/{\mathrm{\ρ}}_h& v_0& 0\\ 0& 0& 1/f& 0\end{array}\right],W=\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0& 0\end{array}\right]$

其中：f为相机的焦距，ρ为相平面的像素尺寸(ρ_w是横向的像素尺寸，ρ_h是纵向的像素尺寸)，μ₀、v₀是相平面的投影中心，R，t为相机旋转矩阵和平移矩阵；

依据和的交点即为头部标志B₁的坐标，依据公式(2)计算出头部标志B₁的坐标(x_B1,y_B1,z_B1)：

PX_B1-Q＝0       (2)，

式中，X_B1＝(x_B1,y_B1,z_B1)P∈R^4,3，Q∈R^4,1，由相机内外参数和B_1I1(u₁,v₁)、B_1I2(u₂,v₂)构成。

本发明的有益效果为：采用了三角法获得学生身上识别标志的坐标，将立体视觉技术应用于学生健康学习姿势提醒，可以实时地监督学生的学习姿势(头部、肩部)并进行提醒，可应用于广大的学生群体。

附图说明

图1为本发明一实施例的硬件结构示意图。

图2为三角法原理图。

图3为左右变化角度示意图。

图4为前倾后仰变化角度示意图。

图5为本发明一实施例的方法流程图。

图中：1-红外相机，2-相机支架，3-学习桌，4-学生，5-电脑，6-识别标志，7-椅子。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

图1为本发明一实施例的硬件结构示意图，基于立体视觉的定位原理，采用2个红外相机1结合学习桌3设计了学生健康学习姿势提醒系统。系统硬件由红外相机1、识别标志6、电脑等组成。红外相机1与电脑5通过蓝牙(或数据线)连接。2个红外光源分别安装在2个相机外缘构成红外相机1，相机固定在相机支架2上，相机支架2放在学习桌3的合适位置保证学生4在相机视场内，学生坐在椅子7上，识别标志6粘贴在学生4的头部和肩部。

本实施例提供一种学生健康学习姿势提醒系统，包括

数据采集模块，用于采集相机和学生身上识别标志的位置，利用三角法计算学生身上识别标志的坐标，相机为2个，学生身上的识别标志包括左肩标志、右肩标志和头部标志，其中2个相机和学生身上的任何一个识别标志均不在同一条直线上；

距离计算模块，用于根据相机和学生身上识别标志的坐标计算头部与肩部的距离；

数据设置模块，用于设置不同身高及性别理想姿势下对应的头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值；

角度计算模块，用于根据数据模块得到的学生身上识别标志的坐标、以及数据设置模块中相机和学生身上识别标志的坐标预设值，计算头部相对变化角度，包括左右变化角度和前倾后仰变化角度；

姿势判断模块，用于将角度计算模块计算的头部相对变化角度与预设的头部相对变化角度范围进行比较，当计算的头部相对变化角度在头部相对变化角度范围内，则判断姿势正确，反之则判断姿势错误；

报警模块，用于在姿势错误时输出报警信号。

如图5所示，一种利用上述学生健康学习姿势提醒系统实现的学生健康学习姿势提醒方法包括以下步骤：

S1、设置不同身高及性别理想姿势下对应的头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值；理想姿势下头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值可以由人为设置，也可以待测学生正确姿势下采集到的数据作为对应的预设值。

进行系统标定，获取相机的内外参数K、W。

S2、选择待测学生的身高和性别，选择对应的头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值。

S3、采集相机和学生身上识别标志的位置，利用三角法计算学生身上识别标志的坐标，相机为2个，学生身上的识别标志包括左肩标志、右肩标志和头部标志，其中2个相机和学生身上的任何一个识别标志均不在同一条直线上。

下面以头部标志的坐标为例，具体阐述三角法计算学生身上识别标志的坐标。

通过相机参数计算头部标志在2个相机的相平面上的投影坐标，根据2个相机的坐标和头部标志坐标形成一个三角形，依据2个相机与头部标志在该相机的相平面上的投影的连线的交点即为头部标志的坐标。

如图2所示，设C₁、C₂为两个相机，C₁、C₂的坐标分别为(x_c1,y_c1,z_c1)和(x_c2,y_c2,z_c2)，I₁、I₂为C₁、C₂的相平面，头部标志B₁在C₁、C₂的相平面上的投影B_1I1(u₁,v₁)、B_1I2(u₂,v₂)的坐标根据公式(1)获得：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{ui}\\ \mathrm{vi}\\ 1\end{array}\right]=\mathrm{KW}\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right](i=\mathrm{1,2})---\left(1\right),$

式中，K、W为相机的内部和外部参数矩阵，且

$K=\left[\begin{array}{cccc}f/{\mathrm{\ρ}}_w& 0& {\mathrm{\μ}}_0& 0\\ 0& f/{\mathrm{\ρ}}_h& v_0& 0\\ 0& 0& 1/f& 0\end{array}\right],W=\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0& 0\end{array}\right]$

其中：f为相机的焦距，ρ为相平面的像素尺寸(ρ_w是横向的像素尺寸，ρ_h是纵向的像素尺寸)，μ₀、v₀是相平面的投影中心，R，t为相机旋转矩阵和平移矩阵。

依据和的交点即为头部标志B₁的坐标，依据公式(2)计算出头部标志B₁的坐标(x_B1,y_B1,z_B1)：

PX_B1-Q＝0      (2)，

式中，X_B1＝(x_B1,y_B1,z_B1)P∈R^4,3，Q∈R^4,1，由相机内外参数和B_1I1(u₁,v₁)、B_1I2(u₂,v₂)构成。

左肩标志和右肩标志的坐标同理可得。

S4、根据相机和学生身上识别标志的坐标计算头部与肩部的距离。

如图3所示。

S5、根据学生身上识别标志的坐标、以及相机和学生身上识别标志的坐标预设值，计算头部相对变化角度，包括左右变化角度和前倾后仰变化角度。

B₁′和B′₁′均为头部移动后的位置，已知B₁、B₂、B₃以及B₁′的坐标分别为 和，可将平面B₁B₂B₃和B₁′B₂B₃为：

a1X+b1Y+c1Z+d1＝0

a2X+b2Y+c2Z+d2＝0

其中，a1＝y_B1z_B2-y_B1z_B3-y_B2z_B1+y_B2z_B3+y_B3z_B1-y_B3z_B2

b1＝-x_B1z_B2+x_B1z_B3+x_B2z_B1-x_B2z_B3-x_B3z_B1+x_B3z_B2

c1＝x_B1y_B2-x_B1y_B3-x_B2y_B1+x_B2y_B3+x_B3y_B1-x_B3y_B2

d1＝x_B1y_B2z_B3-x_B1y_B3z_B2-x_B2y_B1z_B3+x_B3y_B1z_B2+x_B2y_B3z_B1-x_B3y_B2z_B1

a2＝y_B′₁z_B2-y_B′₁z_B3-y_B2z_B′₁+y_B2z_B3+y_B3z_B′₁-y_B3z_B2

b2＝-x_B′₁z_B2+x_B′₁z_B3+x_B2z_B′₁-x_B2z_B3-x_B3z_B′₁+x_B3z_B2

c2＝x_B′₁y_B2-x_B′₁y_B3-x_B2y_B′₁+x_B2y_B3+x_B3y_B′₁-x_B3y_B2

d2＝x_B′₁y_B2z_B3-x_B′₁y_B3z_B2-x_B2y_B′₁z_B3+x_B3y_B′₁z_B2+x_B2y_B3z_B′₁-x_B3y_B2z_B′₁

由此，可得到平面B₁B₂B₃和B₁′B₂B₃之间夹角α为：

$\mathrm{\α}=\arccos (a1a2+b1b2+c1c2)/[\sqrt{({a1}^2+{b1}^2+{c1}^2)}\·\sqrt{({a2}^2+{b2}^2+{c2}^2}]$

如图3和图4所示。

S6、将头部相对变化角度与预设的头部相对变化角度范围进行比较，当计算的头部相对变化角度在头部相对变化角度范围内，则判断姿势正确，反之则判断姿势错误；

S7、在姿势错误时输出报警信号。

具体实施时，系统启动后，识别标志反射红外光源发出的红外光，相机实时拍摄(30ms拍一次)获取粘贴在学生身上的识别标志的坐标位置(B₁、B₂、B₃……)，获得的数据经过蓝牙传输给计算机，计算机进行数据处理及计算获得学生学习姿态数据(头部与肩部的距离、头部相对变化角度)。计算出的学生学习姿态数据与设定值进行比较判断出学生当前学习姿势是否正确，如不正确则进行相应的语音提醒。

以上实施例仅用于说明本发明的计算思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种学生健康学习姿势提醒系统，其特征在于：它包括

数据采集模块，用于采集相机和学生身上识别标志的位置，利用三角法计算学生身上识别标志的坐标，相机为2个，学生身上的识别标志包括左肩标志、右肩标志和头部标志，其中2个相机和学生身上的任何一个识别标志均不在同一条直线上；

距离计算模块，用于根据相机和学生身上识别标志的坐标计算头部与肩部的距离；

数据设置模块，用于设置不同身高及性别理想姿势下对应的头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值；

角度计算模块，用于根据数据模块得到的学生身上识别标志的坐标、以及数据设置模块中相机和学生身上识别标志的坐标预设值，计算头部相对变化角度，包括左右变化角度和前倾后仰变化角度；

姿势判断模块，用于将角度计算模块计算的头部相对变化角度与预设的头部相对变化角度范围进行比较，当计算的头部相对变化角度在头部相对变化角度范围内，则判断姿势正确，反之则判断姿势错误；

报警模块，用于在姿势错误时输出报警信号。

2.一种利用权利要求1所述的学生健康学习姿势提醒系统实现的学生健康学习姿势提醒方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、设置不同身高及性别理想姿势下对应的头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值；

S2、选择待测学生的身高和性别，选择对应的头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值；

S3、采集相机和学生身上识别标志的位置，利用三角法计算学生身上识别标志的坐标，相机为2个，学生身上的识别标志包括左肩标志、右肩标志和头部标志，其中2个相机和学生身上的任何一个识别标志均不在同一条直线上；

S4、根据相机和学生身上识别标志的坐标计算头部与肩部的距离；

S5、根据学生身上识别标志的坐标、以及相机和学生身上识别标志的坐标预设值，计算头部相对变化角度，包括左右变化角度和前倾后仰变化角度；

S6、将头部相对变化角度与预设的头部相对变化角度范围进行比较，当计算的头部相对变化角度在头部相对变化角度范围内，则判断姿势正确，反之则判断姿势错误；

S7、在姿势错误时输出报警信号。

3.根据权利要求2所述的学生健康学习姿势提醒方法，其特征在于：所述的S1理想姿势下头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值由人为设置，或者以待测学生正确姿势下采集到的数据作为对应的预设值。

4.根据权利要求2所述的学生健康学习姿势提醒方法，其特征在于：所述的三角法计算学生身上识别标志的坐标具体为：

头部标志：通过相机参数计算头部标志在2个相机的相平面上的投影坐标，根据2个相机的坐标和头部标志坐标形成一个三角形，依据2个相机与头部标志在该相机的相平面上的投影的连线的交点即为头部标志的坐标；

左肩标志和右肩标志的坐标同理可得。

5.根据权利要求4所述的学生健康学习姿势提醒方法，其特征在于：设C₁、C₂为两个相机，C₁、C₂的坐标分别为(x_c1,y_c1,z_c1)和(x_c2,y_c2,z_c2)，I₁、I₂为C₁、C₂的相平面，头部标志B₁(x,y,z)在C₁、C₂的相平面上的投影B_1I1(u₁,v₁)、B_1I2(u₂,v₂)的坐标根据公式(1)获得：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{ui}\\ \mathrm{vi}\\ 1\end{array}\right]=\mathrm{KW}\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right](i=\mathrm{1,2})---\left(1\right),$

式中，K、W为相机的内部参数矩阵和外部参数矩阵，且

$K=\left[\begin{array}{cccc}f/{\mathrm{\ρ}}_w& 0& {\mathrm{\μ}}_0& 0\\ 0& f/{\mathrm{\ρ}}_h& v_0& 0\\ 0& 0& 1/f& 0\end{array}\right],W=\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0& 0\end{array}\right]$

其中：f为相机的焦距，ρ_w是相平面横向的像素尺寸，ρ_h是相平面纵向的像素尺寸，μ₀、v₀是相平面的投影中心，R，t为相机的旋转矩阵和平移矩阵；

依据和的交点即为头部标志B₁的坐标，依据公式(2)计算出头部标志B₁的坐标(x_B1,y_B1,z_B1)：

PX_B1-Q＝0       (2)，

式中，X_B1＝(x_B1,y_B1,z_B1)，P∈R^4,3，Q∈R^4,1，由相机内外参数和B_1I1(u₁,v₁)、B_1I2(u₂,v₂)构成。