CN105046893B - 一种坐姿监测仪及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种坐姿监测仪及控制方法，监测仪是底座上通过支架支撑有摄像头壳体，底座内设置有控制电路，摄像头壳体上分别设置有位于两侧的构成双目摄像头的第一摄像头和第二摄像头，位于中部的扬声器，第一摄像头、第二摄像头和扬声器分别通过依次贯穿摄像头壳体、支架和底座的导线连接控制电路，壳体上设置有用于外部电源与控制电路相连的电源开关以及SET键。方法包括进行摄像头内外参数标定和系统控制。标定是利用双目摄像头同步拍摄若干组棋盘格标定板图像，设定标定参数并保存到保存到存储器。系统控制是进行系统初始后，同时进入主控制流程、初始参数设置流程和工作参数设置流程。本发明可以帮助用户纠正错误坐姿，达到预防近视和保护骨骼健康的作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种坐姿监测仪。特别是涉及一种具有自动检测用户坐姿和联网功能的坐姿监测仪及控制方法。
背景技术
中国青少年的近视率常年居于世界前列，根据国家教育部、卫生部的调查表明：目前我国有4亿多近视患者，其中青少年已成“重灾区”：小学生中近视率在30％以上，中学生达70％，大学生达到90％。“写字姿势不正确，用眼时间长”是导致近视的重要原因。同时，写字姿势不正确，也会导致脊柱弯曲等问题。根据2012年发布的《北京市西城区、石景山区14所小学学生形体健康检测分析报告》，在调查的近万学生中，写字姿势问题人数比例达77.6％。
目前市场上尚未有专门检测青少年坐姿从而预防近视和骨骼畸形的专业设备，有一种和普通台灯相结合的“智能防近视台灯”，其基本原理是在桌子边缘固定超声波传感器，探测头部与传感器的距离，如果太靠近，台灯发出警告纠正坐姿。然而这种方案存在先天的缺点，例如：对人体有辐射，不能测量头部偏离身体中轴线的角度，以及传感器易被遮挡。本发明中的坐姿监测仪采用双目立体视觉技术，弥补了常规超声波测距技术的缺陷，抗干扰能力强，识别率高，填补同类产品的空白。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过双目立体匹配和人脸识别等技术，自动检测用户的坐姿，并对错误坐姿进行提示，从而保护用户视力和骨骼健康的坐姿监测仪及控制方法。
本发明所采用的技术方案是：一种坐姿监测仪，包括有底座，所述的底座上通过支架支撑有摄像头壳体，所述的底座内设置有控制电路，所述的摄像头壳体上分别设置有位于两侧的构成双目摄像头的第一摄像头和第二摄像头，以及位于中部的扬声器，所述第一摄像头、第二摄像头和扬声器分别通过依次贯穿摄像头壳体、支架和底座的导线连接所述控制电路，所述壳体上设置有用于外部电源与控制电路相连的电源开关以及SET键。
所述的控制电路包括：CPU中央处理器，分别与所述的CPU中央处理器相连用于提供直流电源的DC－DC电源模块、存储器、Wi-Fi模块和音频编解码模块，其中，所述AC－DC电源模块的电源输入端通过设置在底座上的电源开关连接外部电源，所述Wi-Fi模块连接内置天线，所述的音频编解码模块的音频输出端通过功率放大模块连接扬声器，所述的第一摄像头和第二摄像头分别连接所述的CPU中央处理器，所述SET键连接CPU中央处理器的信号输入端。
所述音频编解码模块的外部音频输入端连接麦克风。
一种坐姿监测仪的控制方法，包括进行摄像头内外参数标定和系统控制，其中：
所述的摄像头标定，包括：
(1)在摄像头前方0.5m～2m处设置棋盘格标定板；
(2)利用双目摄像头同步拍摄若干组棋盘格标定板图像，利用基于平面的双目立体标定算法，标定出两个摄像头的内参数矩阵K1和K2，及外参数即第二摄像头相对第一摄像头的平移T1和旋转变换R1，设定第一摄像头的外参数是单位阵I和〔0，0，0〕T，则第二摄像头的外参数是R1和T1；
(3)利用第一摄像头拍摄垂直摆放的棋盘格标定板，基于已标定内参数K1和K2通过PnP算法，标定出摄像头坐标系相对于垂直面的旋转变换R2；
(4)将标定参数保存到保存到存储器；
所述的系统控制包括如下步骤：
1)系统上电后进行系统初始化，包括依次进行的：
初始化异常向量表和存储系统；初始化堆栈；初始化设备和特殊端口及应用程序；设置处理器模式；调用应用程序；
2)同时进入主控制流程、初始参数设置流程和工作参数设置流程；
其中，所述的主控制流程包括图像处理和坐姿监测仪状态控制流程；所述的初始参数设置流程，是在主程序运行的同时系统随时判断是否有SET键触动，当有SET键触动时，对系统初始参数进行重新设置后，继续循环进行判断是否有SET键触动，否则继续循环进行判断是否有SET键触动。
所述的初始参数设置流程是在有SET键触动时进行如下步骤：
(1)摄像头扫描手机所显示的Wi-Fi的SSID和密码二维码图片；
(2)解析并配置Wi-Fi的SSID和密码，实现坐姿监测仪与无线路由器以及手机的连接；
(3)绑定用户手机号码；
(4)设置坐姿监测仪名称。
所述的工作参数设置流程包括：
(1)坐姿监测仪与手机进行通信；
(2)判断是否有手机APP的设置参数信息，有进入下一步骤，否则返回上一步骤；
(3)接收手机APP的设置参数信息，并将参数信息写入flash；
(4)固件是否升级，是进入下一步骤，否则进入步骤(1)；
(5)从远程服务器下载最新固件，写入flash；
(6)重新启动系统，安装下载的新固件后，返回步骤(1)。
步骤(3)所述的参数信息包括眼睛与桌面的允许垂直距离、头部允许偏离垂直中线的角度。
所述的图像处理和坐姿监测仪状态控制流程，包括：
(1)第一摄像头和第二摄像头采集图像：
(2)进行双目立体匹配，根据第一摄像头和第二摄像头标定参数和设定参数再结合匹配结果重建现场空间点云；根据设定的坐姿监测仪与人之间的距离和设定的人体空间大小约束，分割出人体部位点云，判断所采集的图像是否在检测范围内，是进入步骤(3)，否则进入步骤(6)；
(3)将无人计数器清零，然后判断坐姿监测仪前原先是否处于有人的状态，是进入步骤(5)，否则进入步骤(4)；
(4)将坐姿监测仪前设置为有人的状态，启动时长计时器后进入下一步骤；
(5)执行姿态检测流程后再延时设定的时间后返回步骤(1)；
(6)判断坐姿监测仪前原先是否处于有人的状态，是将无人计数器加1，进入步骤(7)，否则延时设定的时间后返回步骤(1)；
(7)判断无人计数器的值是否大于设定值，是进入步骤(8)，否则延时设定的时间后返回步骤(1)；
(8)将坐姿监测仪前设置为无人的状态，暂停时长计时器，延时设定的时间后返回步骤(1)。
步骤(5)所述的姿态检测流程包括：
(51)将分割出的人体部位点云投影到所采集的图像中，确定出人在所述的图像中的区域，并在所述的区域中进行人脸和眼睛的检测，得出头部偏离垂直中线的角度；
(52)通过眼睛附近的点云，根据已标定摄像头的外参数，计算出眼睛到摄像头的垂直距离，加上系统设定的摄像头到坐姿监测仪底面的距离，计算出眼睛到桌面的垂直距离；
(53)判断步骤(51)得到的角度是否在设定的范围内，是则将角度错误计数器清零后进入步骤(55)，否则将角度错误计数器加1后进入步骤(54)；
(54)判断角度错误计数器的计数是否大于设定值，是则通过语音报警角度错误后进入步骤(55)，否则直接进入步骤(55)；
(55)判断步骤(52)得到的距离值是在设定的范围内，是则将距离错误计数器清零后进入步骤(57)，否则将距离错误计数器加1后进入步骤(56)；
(56)判断距离错误计数器的计数是否大于设定值，是由通过语音报警距离错误后进入步骤(57)，否则直接进入步骤(57)；
(57)判断距离错误计数器和角度错误计数器的计数是否均为零，是则延长设定的时间后返回图像处理和坐姿监测仪状态控制流程继续，否则，直接返回图像处理和坐姿监测仪状态控制流程继续。
本发明的一种坐姿监测仪及控制方法，通过双目立体匹配和人脸识别等技术，自动检测用户的坐姿，并对错误坐姿进行提示，从而保护用户视力和骨骼的健康。本发明可以帮助青少年用户纠正错误坐姿，达到预防近视和保护骨骼健康的作用。
附图说明
图1是本发明坐姿监测仪的外部结构示意图；
图2是本发明坐姿监测仪的控制电路原理框图；
图3是本发明摄像头标定流程图；
图4是本发明控制方法中系统初始化流程图；
图5是本发明控制方法中初始参数设置流程图；
图6是本发明控制方法中工作参数设置流程图；
图7是本发明控制方法中图像处理和坐姿监测仪状态控制流程图；
图8是图7中姿态检测流程图。
图中
1：第一摄像头 2：第二摄像头
3：摄像头壳体 4：支架
5：底座 6：电源开关
7：扬声器 8：CPU中央处理器
9：存储器 10：DC－DC电源模块
11：Wi-Fi模块 12：内置天线
13：音频编解码模块 14：功率放大模块
15：接麦克风
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种坐姿监测仪及控制方法做出详细说明。
如图1所示，本发明的一种坐姿监测仪，包括有底座5，所述的底座5上通过支架4支撑有摄像头壳体3，所述的底座5内设置有控制电路，所述的摄像头壳体3上分别设置有位于两侧的构成双目摄像头的第一摄像头1和第二摄像头2，以及位于中部的扬声器7，所述第一摄像头1、第二摄像头2和扬声器7分别通过依次贯穿摄像头壳体3、支架4和底座5的导线连接所述控制电路，所述壳体5上设置有用于外部电源与控制电路相连的电源开关6以及SET键。
如图2所示，所述的控制电路包括：CPU中央处理器8，分别与所述的CPU中央处理器8相连用于提供直流电源的DC－DC电源模块10、存储器9、Wi-Fi模块11和音频编解码模块13，其中，所述AC－DC电源模块10的电源输入端通过设置在底座5上的电源开关6连接外部电源，所述Wi-Fi模块11连接内置天线12，所述的音频编解码模块13的音频输出端通过功率放大模块14连接扬声器7，所述音频编解码模块13的外部音频输入端连接麦克风15。所述的第一摄像头11和第二摄像头12分别连接所述的CPU中央处理器8，所述SET键连接CPU中央处理器8的信号输入端。
本发明所述的坐姿监测仪的控制方法，包括进行摄像头内外参数标定和系统控制，其中：
如图3所示，所述的摄像头标定，是在产品出厂前，对摄像头进行标定，并将标定出的参数存储在系统文件，具体包括：
(1)在摄像头前方0.5m～2m处设置棋盘格标定板；
(2)利用双目摄像头同步拍摄若干组棋盘格标定板图像，利用基于平面的双目立体标定算法，标定出两个摄像头的内参数矩阵K1和K2，及外参数即第二摄像头相对第一摄像头的平移T1和旋转变换R1，设定第一摄像头的外参数是单位阵I和〔0，0，0〕T，则第二摄像头的外参数是R1和T1；
(3)利用第一摄像头拍摄垂直摆放的棋盘格标定板，基于已标定内参数K1和K2通过PnP算法，标定出摄像头坐标系相对于垂直面的旋转变换R2；
(4)将标定参数保存到保存到存储器；
所述的系统控制包括如下步骤：
1)系统上电后进行系统初始化，即对中央处理器、处理器周边硬件和操作系统进行初始化，系统上电后运行启动代码即bootloader(系统引导加载程序)，将系统的软硬环境设定在合适状态，并最终加载操作系统内核，为运行应用程序准备好环境。
包括依次进行的：
初始化异常向量表，将中断向量表放置在从0x00地址开始的连续8×4字节的空间内，初始化存储系统；初始化堆栈；初始化设备和特殊端口及应用程序；设置处理器模式；调用应用程序；
2)同时进入主控制流程、初始参数设置流程和工作参数设置流程；
其中，所述的主控制流程包括图像处理和坐姿监测仪状态控制流程。
如图4所示，所述的初始参数设置流程，是在主程序运行的同时系统随时判断是否有SET键触动，当有SET键触动时，对初始化参数进行配置，包括：Wi-Fi账号、绑定手机号码、设备名称等，对系统初始参数进行重新设置后，继续循环进行判断是否有SET键触动，否则继续循环进行判断是否有SET键触动。如图5所示，所述的初始参数设置流程是在有SET键触动时进行如下步骤：
(1)摄像头扫描手机所显示的Wi-Fi的SSID和密码二维码图片；
(2)解析并配置Wi-Fi的SSID和密码，实现坐姿监测仪与无线路由器以及手机的连接；
(3)绑定用户手机号码；
(4)设置坐姿监测仪名称。
如图6所示，所述的工作参数设置流程是在设备与手机建立连接时，可以通过手机APP设置工作参数或升级固件，具体包括：
(1)坐姿监测仪与手机进行通信；
(2)判断是否有手机APP的设置参数信息，有进入下一步骤，否则返回上一步骤；
(3)接收手机APP的设置参数信息，并将参数信息写入flash，这里所述的参数信息包括眼睛与桌面的允许垂直距离、头部允许偏离垂直中线的角度；
(4)固件是否升级，是进入下一步骤，否则进入步骤(1)；
(5)从远程服务器下载最新固件，写入flash；
(6)重新启动系统，安装下载的新固件后，返回步骤(1)。
如图7所示，所述的图像处理和坐姿监测仪状态控制流程，是通过双目摄像头采集图像，检测是否有人状态，如果为有人状态，则计算人体姿态数据，并对错误姿态进行提示。具体包括：
(1)第一摄像头和第二摄像头采集图像：
(2)进行双目立体匹配，根据第一摄像头和第二摄像头标定参数和设定参数再结合匹配结果重建现场空间点云；根据设定的坐姿监测仪与人之间的距离和设定的人体空间大小约束，分割出人体部位点云，判断所采集的图像是否在检测范围内，是进入步骤(3)，否则进入步骤(6)；
(3)将无人计数器清零，然后判断坐姿监测仪前原先是否处于有人的状态，是进入步骤(5)，否则进入步骤(4)；
(4)将坐姿监测仪前设置为有人的状态，启动时长计时器后进入下一步骤；
(5)执行姿态检测流程后再延时设定的时间后返回步骤(1)；
(6)判断坐姿监测仪前原先是否处于有人的状态，是将无人计数器加1，进入步骤(7)，否则延时设定的时间后返回步骤(1)；
(7)判断无人计数器的值是否大于设定值，是进入步骤(8)，否则延时设定的时间后返回步骤(1)；
(8)将坐姿监测仪前设置为无人的状态，暂停时长计时器，延时设定的时间后返回步骤(1)。
如图8所示，步骤(5)所述的姿态检测流程包括：
(51)将分割出的人体部位点云投影到所采集的图像中，确定出人在所述的图像中的区域，并在所述的区域中进行人脸和眼睛的检测，得出头部偏离垂直中线的角度；
(52)通过眼睛附近的点云，根据已标定摄像头的外参数，计算出眼睛到摄像头的垂直距离，加上系统设定的摄像头到坐姿监测仪底面的距离，计算出眼睛到桌面的垂直距离；
(53)判断步骤(51)得到的角度是否在设定的范围内，是则将角度错误计数器清零后进入步骤(55)，否则将角度错误计数器加1后进入步骤(54)；
(54)判断角度错误计数器的计数是否大于设定值，是则通过语音报警角度错误后进入步骤(55)，否则直接进入步骤(55)；
(55)判断步骤(52)得到的距离值是在设定的范围内，是则将距离错误计数器清零后进入步骤(57)，否则将距离错误计数器加1后进入步骤(56)；
(56)判断距离错误计数器的计数是否大于设定值，是由通过语音报警距离错误后进入步骤(57)，否则直接进入步骤(57)；
(57)判断距离错误计数器和角度错误计数器的计数是否均为零，是则延长设定的时间后返回图像处理和坐姿监测仪状态控制流程继续，否则，直接返回图像处理和坐姿监测仪状态控制流程继续。
Claims (5)
1.一种坐姿监测仪的控制方法，坐姿监测仪，包括有底座（5），其特征在于，所述的底座（5）上通过支架（4）支撑有摄像头壳体（3），所述的底座（5）内设置有控制电路，所述的摄像头壳体（3）上分别设置有位于两侧的构成双目摄像头的第一摄像头（1）和第二摄像头（2），以及位于中部的扬声器（7），所述第一摄像头（1）、第二摄像头（2）和扬声器（7）分别通过依次贯穿摄像头壳体（3）、支架（4）和底座（5）的导线连接所述控制电路，所述壳体（5）上设置有用于外部电源与控制电路相连的电源开关（6）以及SET键，其特征在于，方法包括进行摄像头内外参数标定和系统控制，其中：
所述的摄像头标定，包括：
（1）在摄像头前方0.5m～2m处设置棋盘格标定板；
（2）利用双目摄像头同步拍摄若干组棋盘格标定板图像，利用基于平面的双目立体标定算法，标定出两个摄像头的内参数矩阵K1和K2，及外参数即第二摄像头相对第一摄像头的平移T1和旋转变换R1，设定第一摄像头的外参数是单位阵I和〔0，0，0〕T，则第二摄像头的外参数是R1和T1；
（3）利用第一摄像头拍摄垂直摆放的棋盘格标定板，基于已标定内参数K1和K2通过PnP算法，标定出摄像头坐标系相对于垂直面的旋转变换R2；
（4）将标定参数保存到存储器；
所述的系统控制包括如下步骤：
1）系统上电后进行系统初始化，包括依次进行的：
初始化异常向量表和存储系统；初始化堆栈；初始化设备和特殊端口及应用程序；设置处理器模式；调用应用程序；
2）同时进入主控制流程、初始参数设置流程和工作参数设置流程；
其中，所述的主控制流程包括图像处理和坐姿监测仪状态控制流程；所述的初始参数设置流程，是在主程序运行的同时系统随时判断是否有SET键触动，当有SET键触动时，对系统初始参数进行重新设置后，继续循环进行判断是否有SET键触动，否则继续循环进行判断是否有SET键触动；
所述的初始参数设置流程是在有SET键触动时进行如下步骤：
（1）摄像头扫描手机所显示的Wi-Fi的SSID和密码二维码图片；
（2）解析并配置Wi-Fi的SSID和密码，实现坐姿监测仪与无线路由器以及手机的连接；
（3）绑定用户手机号码；
（4）设置坐姿监测仪名称。
2.根据权利要求1所述的坐姿监测仪的控制方法，其特征在于，所述的工作参数设置流程包括：
（1）坐姿监测仪与手机进行通信；
（2）判断是否有手机APP的设置参数信息，有进入下一步骤，否则返回上一步骤；
（3）接收手机APP的设置参数信息，并将参数信息写入flash；
（4）固件是否升级，是进入下一步骤，否则进入步骤（1）；
（5）从远程服务器下载最新固件，写入flash；
（6）重新启动系统，安装下载的新固件后，返回步骤（1）。
3.根据权利要求2所述的坐姿监测仪的控制方法，其特征在于，第（3）步所述的参数信息包括眼睛与桌面的允许垂直距离、头部允许偏离垂直中线的角度。
4.根据权利要求1所述的坐姿监测仪的控制方法，其特征在于，所述的图像处理和坐姿监测仪状态控制流程，包括：
（1）第一摄像头和第二摄像头采集图像：
（2）进行双目立体匹配，根据第一摄像头和第二摄像头标定参数和设定参数再结合匹配结果重建现场空间点云；根据设定的坐姿监测仪与人之间的距离和设定的人体空间大小约束，分割出人体部位点云，判断所采集的图像是否在检测范围内，是进入步骤（3），否则进入步骤（6）；
（3）将无人计数器清零，然后判断坐姿监测仪前原先是否处于有人的状态，是进入步骤（5），否则进入步骤（4）；
（4）将坐姿监测仪前设置为有人的状态，启动时长计时器后进入下一步骤；
（5）执行姿态检测流程后再延时设定的时间后返回步骤（1）；
（6）判断坐姿监测仪前原先是否处于有人的状态，是将无人计数器加1，进入步骤（7），否则延时设定的时间后返回步骤（1）；
（7）判断无人计数器的值是否大于设定值，是进入步骤（8），否则延时设定的时间后返回步骤（1）；
（8）将坐姿监测仪前设置为无人的状态，暂停时长计时器，延时设定的时间后返回步骤（1）。
5.根据权利要求4所述的坐姿监测仪的控制方法，其特征在于，第（5）步所述的姿态检测流程包括：
（51）将分割出的人体部位点云投影到所采集的图像中，确定出人在所述的图像中的区域，并在所述的区域中进行人脸和眼睛的检测，得出头部偏离垂直中线的角度；
（52）通过眼睛附近的点云，根据已标定摄像头的外参数，计算出眼睛到摄像头的垂直距离，加上系统设定的摄像头到坐姿监测仪底面的距离，计算出眼睛到桌面的垂直距离；
（53）判断步骤（51）得到的角度是否在设定的范围内，是则将角度错误计数器清零后进入步骤（55），否则将角度错误计数器加1后进入步骤（54）；
（54）判断角度错误计数器的计数是否大于设定值，是则通过语音报警角度错误后进入步骤（55），否则直接进入步骤（55）；
（55）判断步骤（52）得到的距离值是在设定的范围内，是则将距离错误计数器清零后进入步骤（57），否则将距离错误计数器加1后进入步骤（56）；
（56）判断距离错误计数器的计数是否大于设定值，是由通过语音报警距离错误后进入步骤（57），否则直接进入步骤（57）；
（57）判断距离错误计数器和角度错误计数器的计数是否均为零，是则延长设定的时间后返回图像处理和坐姿监测仪状态控制流程继续，否则，直接返回图像处理和坐姿监测仪状态控制流程继续。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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