CN105135265B - 一种智能台灯及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种智能台灯及其控制方法，智能台灯有通过支架与底座相连的灯罩，灯罩内安装有用于照明的LED灯，LED灯通过贯穿支架内的导线连接设置在底座内的控制电路，底座上分别设置有电源开关和亮度调节开关，底座上还设置有分别与内部的控制电路相连的姿态检测开关、图像采集装置和SET键。控制方法包括进行摄像头内外参数标定和系统控制。系统控制有：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；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。本发明可以自动识别出错误的坐姿，给予语音提示，起到预防近视保护骨骼健康的作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种台灯。特别是涉及一种具有普通桌面照明、自动检测用户坐姿和联网功能的智能台灯及其控制方法。
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％。
台灯是中国学生家庭必备的小电器，中国学生与国外学生的显著不同是学习压力大，学习时间长，“挑灯夜读”对许多学子是家常便饭，选用不合适的台灯或使用不当也成为导致近视的重要“罪魁”。多年以来，台灯的功能仍然仅仅局限于照明，差异性主要体现在光源，如白炽灯、卤钨灯、荧光灯和LED灯等。近年来市场上出现一种“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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种采用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智能台灯及其控制方法。
本发明所采用的技术方案是：一种智能台灯，包括有底座，通过支架与所述底座相连的灯罩，所述的灯罩内安装有用于照明的LED灯，所述LED灯通过贯穿支架内的导线连接设置在所述底座内的控制电路，所述的底座上分别设置有电源开关和亮度调节开关，所述的底座上还设置有分别与内部的控制电路相连的姿态检测开关、图像采集装置和SET键。
所述的图像采集装置是两个水平设置在所述的底座的前侧或设置在所述支架与底座连接处上的结构相同的第一摄像头和第二摄像头构成。
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、LED驱动模块、Wi-Fi模块和音频编解码模块，其中，所述的DC－DC电源模块和LED驱动模块的电源输入端分别连接AC－DC电源模块的电源输出端，所述的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，所述的LED驱动模块的输出端连接设置在灯罩内的LED灯，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，所述构成图像采集装置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。
所述音频编解码模块的外部音频输入端连接麦克风。
一种智能台灯的控制方法，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台灯状态控制流程；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，实现台灯与无线路由器以及手机的连接；
(3)绑定用户手机号码；
(4)设置台灯名称。
所述的工作参数设置流程包括：
(1)台灯与手机进行通信；
(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)。
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、姿态检测功能是否启动。
所述的图像处理和台灯状态控制流程，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；根据设定的台灯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，然后判断台灯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)增加台灯的亮度，并将台灯前设置为有人的状态，启动时长计时器后进入下一步骤；
(5)判断姿态检测功能是否打开，是执行姿态检测流程后再延时设定的时间后返回步骤(1)，否则延时设定的时间后返回步骤(1)；
(6)判断台灯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)减小台灯亮度，将台灯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台灯底面的距离，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台灯状态控制流程继续，否则，直接返回图像处理和台灯状态控制流程继续。
本发明的一种智能台灯及其控制方法，图像采集装置可以采集台灯用户的上半身图像，处理板对图像进行计算得到用户眼睛到桌面的距离，以及头部和肩部的姿态信息，从而自动识别出错误的坐姿，并给予语音提示。处理板还集成有音频和网络接口，具备语音合成和联网等功能。本发明可以帮助青少年用户纠正错误坐姿，达到预防近视或保护骨骼健康的作用。
附图说明
图1是本发明智能台灯第一实施例的外部结构示意图；
图2是本发明智能台灯第二实施例的外部结构示意图；
图3是本发明智能台灯控制电路的构成框图；
图4是本发明控制方法中摄像头标定的流程图；
图5是本发明控制方法中系统初始化流程图；
图6是本发明控制方法中初始参数设置流程图；
图7是本发明控制方法中工作参数设定流程图；
图8是本发明控制方法中图像处理和台灯状态控制流程图；
图9是图8中的姿态检测流程图。
图中
1：底座 2：支架
3：灯罩 4：电源开关
5：亮度调节开关 6：姿态检测开关
7：图像采集装置 8：LED灯
9：CPU中央处理器 10：DC－DC电源模块
11：存储器 12：LED驱动模块
13：Wi-Fi模块 14：内置天线
15：音频编解码模块 16：功率放大模块
17：扬声器 18：麦克风
19：AC－DC电源模块 71：第一可见光摄像头
72：第二可见光摄像头
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种智能台灯及其控制方法做出详细说明。
如图1、图2所示，本发明的一种智能台灯，包括有底座1，通过支架2与所述底座1相连的灯罩3，所述的灯罩3内安装有用于照明的LED灯8，所述LED灯8通过贯穿支架2内的导线连接设置在所述底座1内的控制电路，所述的底座1上分别设置有电源开关4和亮度调节开关5，所述的底座1上还设置有分别与内部的控制电路相连的姿态检测开关6、图像采集装置7和SET键。
所述的图像采集装置7是两个水平设置在所述的底座1的前侧或设置在所述支架2与底座1连接处上的结构相同的第一摄像头71和第二摄像头72构成。
如图2所示，所述的控制电路包括：CPU中央处理器9，所述的CPU中央处理器9采用型号为全志A20或全志A33的芯片。分别与所述的CPU中央处理器9相连用于提供直流电源的DC－DC电源模块10、存储器11、LED驱动模块12、Wi-Fi模块13和音频编解码模块15，其中，所述的DC－DC电源模块10和LED驱动模块12的电源输入端分别连接AC－DC电源模块19的电源输出端，所述的AC－DC电源模块19的电源输入端通过设置在底座1上的电源开关4连接外部电源，所述的LED驱动模块12的输出端连接设置在灯罩3内的LED灯8，所述Wi-Fi模块13连接内置天线14，所述的音频编解码模块(15)的音频输出端通过功率放大模块16连接扬声器17，所述音频编解码模块15的外部音频输入端连接麦克风18，所述构成图像采集装置7的第一摄像头71和第二摄像头72分别连接所述的CPU中央处理器9。
所述的亮度调节开关5、姿态检测开关6和SET键分别连接控制电路中的CPU中央处理器9，所述的SET键设置在所述底座1的后侧。
本发明的智能台灯的控制方法，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，如图4所示，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中。
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，如图5所示，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台灯状态控制流程；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。
如图6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，实现台灯与无线路由器以及手机的连接；
(3)绑定用户手机号码；
(4)设置台灯名称。
如图7所示，所述的工作参数设置流程包括：
(1)台灯通过TCP/IP协议与手机进行通信；
(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；
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、姿态检测功能是否启动等。
(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8所示，所述的图像处理和台灯状态控制流程，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；根据设定的台灯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，然后判断台灯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)增加台灯的亮度，并将台灯前设置为有人的状态，启动时长计时器后进入下一步骤；
(5)判断姿态检测功能是否打开，是执行姿态检测流程后再延时设定的时间后返回步骤(1)，否则延时设定的时间后返回步骤(1)；
(6)判断台灯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)减小台灯亮度，将台灯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9所示，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，为了检测人头部歪斜状态，将图像间隔5度左右旋转直到检测人脸，此旋转角度即为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台灯底面的距离，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台灯状态控制流程继续，否则，直接返回图像处理和台灯状态控制流程继续。
Claims (6)
1.一种智能台灯，包括有底座（1），通过支架（2）与所述底座（1）相连的灯罩（3），所述的灯罩（3）内安装有用于照明的LED灯（8），所述LED灯（8）通过贯穿支架（2）内的导线连接设置在所述底座（1）内的控制电路，所述的底座（1）上分别设置有电源开关（4）和亮度调节开关（5），其特征在于，所述的底座（1）上还设置有分别与内部的控制电路相连的姿态检测开关（6）、图像采集装置（7）和SET键，所述的图像采集装置（7）是两个水平设置在所述的底座（1）的前侧或设置在所述支架（2）与底座（1）连接处上的结构相同的第一摄像头（71）和第二摄像头（72）构成，所述的控制电路包括：CPU中央处理器（9），分别与所述的CPU中央处理器（9）相连用于提供直流电源的DC－DC电源模块（10）、存储器（11）、LED驱动模块（12）、Wi-Fi模块（13）和音频编解码模块（15），其中，所述的DC－DC电源模块（10）和LED驱动模块（12）的电源输入端分别连接AC－DC电源模块（19）的电源输出端，所述的AC－DC电源模块（19）的电源输入端通过设置在底座（1）上的电源开关（4）连接外部电源，所述的LED驱动模块（12）的输出端连接设置在灯罩（3）内的LED灯（8），所述Wi-Fi模块（13）连接内置天线（14），所述的音频编解码模块（15）的音频输出端通过功率放大模块（16）连接扬声器（17），所述构成图像采集装置（7）的第一摄像头（71）和第二摄像头（72）分别连接所述的CPU中央处理器（9）。
2.根据权利要求1所述的一种智能台灯，其特征在于，所述音频编解码模块（15）的外部音频输入端连接麦克风（18）。
3.一种权利要求1－2任一项所述的一种智能台灯的控制方法，其特征在于，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台灯状态控制流程；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；
所述的图像处理和台灯状态控制流程，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；根据设定的台灯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，然后判断台灯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）增加台灯的亮度，并将台灯前设置为有人的状态，启动时长计时器后进入下一步骤；
（5）判断姿态检测功能是否打开，是执行姿态检测流程后再延时设定的时间后返回步骤（1），否则延时设定的时间后返回步骤（1）；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台灯底面的距离，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台灯状态控制流程继续，否则，直接返回图像处理和台灯状态控制流程继续；
（6）判断台灯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）减小台灯亮度，将台灯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）。
4.根据权利要求3所述的智能台灯的控制方法，其特征在于，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，实现台灯与无线路由器以及手机的连接；
（3）绑定用户手机号码；
（4）设置台灯名称。
5.根据权利要求3所述的智能台灯的控制方法，其特征在于，所述的工作参数设置流程包括：
（1）台灯与手机进行通信；
（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）。
6.根据权利要求5所述的智能台灯的控制方法，其特征在于，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、姿态检测功能是否启动。
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