CN110568928A - 一种利用多目3d视觉传感技术防控儿童近视的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用多目3D视觉传感技术防控儿童近视的系统及方法，包括测距单元、控制器、多目3D视觉单元、人脸特征匹配单元和屏幕背光控制模块。本发明先进行距离测量，在发现“用户”与电子设备之间距离较近时则通过多目3D视觉单元对“用户”进行3D建模并输出点云模型，再后续对输出的点云模型进行是否为人脸的识别。若判断为人脸时则主动降低屏幕的亮度，离开后则自行恢复亮度；若判断为非人脸时则表示靠在屏幕前的不是人脸而是其它物，不改变屏幕亮度。

Description

一种利用多目3D视觉传感技术防控儿童近视的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种利用多目3D视觉传感技术防控儿童近视的系统及方法，属于电子信息技术领域。

背景技术

这是数字化时代特有的场景——伴随婴儿呱呱坠地，身边就有手机和平板，久而久之，就成了生活习惯。低龄段儿童是一个特殊的群体，强烈的模仿欲望，与生俱来对世界的好奇，以及尚不健全的自我控制能力，这些都注定了，在成人眼里习以为常的事物，对他们的影响可能是多方面的。

国家卫健委调查显示，2018年全国儿童青少年总体近视率高达53.6%，其中6岁儿童为14.5%，小学生为36%，初中生为71.6%，高中生为81%，近视的低龄化趋势开始显现。一个重要的原因是不科学使用电子产品，同时建议，6岁以下儿童应当避免使用电子产品。即便如此，哪怕避免过多接触电子产品能解决问题，但落到操作层面依旧千差万别，以至于最终效果难以预料。

多去户外，鼓励活动，类似放之四海而皆准的方式，并不能解决特定问题。如今，要从无处不在的电子产品中抽离，为儿童创造“返璞归真”的原生态生活，显然不现实。当电子产品逐步演化为生活必须品时，社会、校园和家庭的多方面耳濡目染下，儿童与电子产品的关联，不可能做到设想中的隔绝。

换句话说，哪怕尽可能避免电子产品是对的，如果缺乏足够的综合措施，也难免好心办坏事。与其设法让低龄段儿童少接触电子产品，不如多些逆向思维，既不去妖魔化电子产品，也没必要弱化其固有危害，更多通过技术手段使得儿童能够养成健康的用眼习惯，才能在适度的前提下，让低龄段儿童得到更多保护。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，传统系统中单纯通过测距进行屏幕背光控制的方法或系统具有以下缺点：

1、误控率高，若在人眼与设备之间存在有其它障碍物时，因其不能识别障碍物的种类，典型的如：测距单元因错误地检测到使用者手掌（使用者需要通过手对设备进行触摸操作）与屏幕之间距离小于预设值时，错误地主动采取防控措施从而降低使用感受。便即其能够通过二维的图像传感器配合人脸识别技术也不能准确区别当前障碍物是带人脸图案的平面印刷品还是真正的人脸。

2、不能识别不同的使用者，从而无法完美地通过控制用户的使用时长和休息时长来缓解用眼过度（比如有两个以上的用户轮流持续使用电子产品时，设备不能检测到这种情况只会机械地以倒计时的方式锁定或解锁）。

本发明提供一种利用多目3D视觉传感技术防控儿童近视的系统及方法，用于设置在设备端，主动防控儿童因不能及时意识到其与电子产品之间使用距离过近而被引起近视的系统。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种利用多目3D视觉传感技术防控儿童近视的系统，其特征在于：包括测距单元、控制器、多目3D视觉单元、人脸特征匹配单元和屏幕背光控制模块；

所述测距单元，用于定时对屏幕前方的特定物进行距离测量，当特定物与屏幕之间距离小于设定值时，发送测距信号给所述控制器；

所述多目3D视觉单元，用于在所述控制器的控制下对该特定物进行图像采集并进行3D建模，输出具有3D意义上的点云模型；

所述人脸特征匹配单元，用于对所述点云模型进行是否属于人脸的识别，并将识别结果输出给所述控制器；

所述控制器用于将控制信号发送给屏幕背光控制模块；

所述屏幕背光控制模块用于根据控制信号调节屏幕亮度。

进一步的，所述多目3D视觉单元包括：多目摄像头模块和3D建模模块，所述多目摄像头模块包括至少三个间隔设置的摄像传感器。

进一步的，所述多目摄像头模块用于采集的图像输出到所述3D建模模块。

进一步的，所述3D建模模块用于通过被输入的多张图像依据SFM算法生成稀疏点云进而通过三维稠密重建PMVS算法生成稠密点云模型。

进一步的，所述测距单元将测得的特定物与屏幕的距离d输出给多目摄像头模块，所述多目摄像头模块根据距离d向摄像传感器内的音圈马达发出调焦指令进行主动对焦。

进一步的，所述测距单元包括双目测距计算模块，所述多目摄像头模块中的两只摄像传感器被配置成，一只在测距时，间隔采集图像并发送给双目测距计算模块；另一只在进行3D建模时，采集图像发送给3D建模模块；所述双目测距计算模块用于对输入的两张图像先进行立体匹配找寻到两张图像中共有的任一点，再结合该点在两张图像中的不同位置计算出视差信息，最后根据视差信息计算出深度距离d。

一种利用多目3D视觉传感技术防控儿童近视的方法，包括如下步骤：

步骤1、通过测距单元定时对屏幕前方的特定物进行距离测量；

步骤2、当特定物与屏幕之间距离小于设定值时，多目3D视觉单元对该特定物进行图像采集并建立3D建模，输出3D点云模型；

步骤3、人脸特征匹配单元对点云模型进行识别；

步骤4、当人脸特征匹配单元输出为人脸时，屏幕背光控制模块将屏幕亮度降低为预设值；当人脸特征匹配单元输出为非人脸时，屏幕背光控制模块不改变屏幕亮度；

步骤5、当测距单元再次检测到特定物与屏幕之间距离大于或等于设定值时，屏幕背光控制模块将屏幕亮度恢复为用户设定值。

进一步的，步骤3包括：

3a：根据稠密点云模型配准生成多边形网格化的3D流形模型；

3b：与预置人脸3D模型库中的多个典型人脸3D模型分别进行匹配计算；

3c：最后根据匹配计算出的相关系数判断该特定物是否属于人脸。

进一步的，还包括步骤6，预设使用时长间隔，当使用时间超过使用时长间隔，对比使用前与当前建立的人脸点云模型，若两者相似性高于阈值时，锁定当前设备。

进一步，还包括步骤7，若未达到预设的冷却时长，设备被解锁，在解锁后一定时间内，对使用者建立人脸点云模型，并与设备锁定前建立的人脸点云模型进行比对，若比对判定相似，则再次锁定当前设备，且冷却时长翻倍。

有益效果：本发明提供的一种利用多目3D视觉传感技术防控儿童近视的系统及方法，通过本发明中的系统可以实现先进行距离测量，在发现“用户”与电子设备之间距离较近时则通过多目3D视觉单元对“用户”进行3D建模并输出点云模型，再后续对输出的点云模型进行是否为人脸的识别。若判断为人脸时则主动降低屏幕的亮度——离开后则自行恢复亮度；若判断为非人脸时则表示靠在屏幕前的不是人脸而是其它物体——不改变屏幕亮度。极大的改善了设备的智能性和使用好感度。

另外，通过本发明中的系统，还可以实现对持续使用时长的控制。通过设定的时长进行先后两次的采集建立，如果判断为同一人，则自动锁定设备。在强行解锁设备后的一定时间区间内的随机时刻进行检测，这样能够避免使用者通过他人解锁欺骗设备以获得新的设定使用时长。

附图说明

图1为本系统的结构示意图；

图2为测距单元与摄像传感器布置结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1-2所示，一种利用多目3D视觉传感技术防控儿童近视的系统，在本实施例中基于具有触控屏的电子设备（如学习机、手机或平板电脑等）实现。包括测距单元1、控制器、多目3D视觉单元、人脸特征匹配单元和屏幕背光控制模块。其中：

测距单元1，适于定时对屏幕前方的特定物进行距离测量，当特定物与屏幕之间距离小于设定值时，发送测距信号给控制器。

多目3D视觉单元，适于在控制器的控制下对该特定物进行图像采集并进行3D建模，输出具有3D意义上的点云模型。

人脸特征匹配单元，适于对点云模型进行是否属于人脸的识别，并将识别结果输出给控制器。

在当且仅当点云模型与人脸特征匹配时，控制器通过控制屏幕背光控制模块将屏幕亮度降低为预设值。

一种利用多目3D视觉传感技术防控儿童近视的方法，包括如下步骤：

步骤1、通过测距单元1定时对屏幕前方的特定物进行距离测量。

测距单元1设置在该电子设备在触控屏上方，优选的是为红外测距单元，当然出于不同目的及情况可以设置为激光测距单元。在使用者手持电子设备时红外测距单元有规律地间隔地进行测量屏幕前方最接近的物体，当测量到有特定物低于设定的间距时，进入下一步步骤。

步骤2、通过多目3D视觉单元对该特定物进行图像采集并建立3D建模，输出具有3D意义上的点云模型。

具体的为：

经第一步测得的特定物与屏幕之间距离小于设定值时，经过设置在电子设备上的多目3D视觉单元进行对该特定物进行图像采集并建立3D建模输出具有3D意义上的点云模型。其中3D视觉单元包括多目摄像头模块和3D建模模块，所述多目摄像头模块是由至少三个间隔设置的摄像传感器2构成。本实施例中多目摄像头模块包括四个摄像传感器2，四个摄像传感器2设置在电子设备的四个边界处，当然摄像传感器2也可以为六个或更多。

所述多目摄像头模块采集的多张关于特定物的图像输出到所述3D建模模块，所述3D建模模块适于通过被输入的多张图像依据SFM算法生成稀疏点云进而通过三维稠密重建PMVS（Patch-based Multi-view Stereo）算法生成稠密点云模型。

步骤3、对所述点云模型进行是否属于人脸的识别。

当且仅当所述点云模型与人脸特征匹配时，表示与屏幕近距离的特定物实际上是人的脸，间接的表示人眼与屏幕之间的距离已经低于合理安全的距离，儿童过近的观看电子设备则易导致近视。此时通过屏幕背光控制模块将屏幕亮度降低为预设值。该预设值可以为0，为0时屏幕无亮光，通过改变屏幕亮度的方式以阻止继续以当前坐姿使用该电子设备。

具体的，在对所述点云模型进行是否属于人脸的识别时，

a、先根据稠密点云模型配准生成多边形网格化的3D流形模型；

b、再与预置人脸3D模型库中的多个典型人脸3D模型分别进行匹配计算；

c、最后根据匹配计算出的相关系数判断该特定物是否属于人脸。

同理，当所述点云模型与人脸特征不匹配时，表示当前特定物并不是人的脸部，而可能是其它物体（比如铅笔或操作的手指等任何可能的物品）。在判断特定物并不是人的脸部后不改变屏幕亮度，以免影响电子设备的正常使用。

在步骤3后，还可以包括，

步骤4、亮度恢复。

在将屏幕亮度降低为预设值后，当通过测距单元1再次检测到特定物与屏幕之间距离大于或等于设定值时，通过屏幕背光控制模块将屏幕亮度恢复为用户设定值。

在本实施例中，为使得测距和建模衔接的更加流畅系统完成度更高，将测距后多目摄像头模块的成像速度与成像精度进行折中。具体的将测距单元1测得的特定物与屏幕的距离d输出给多目摄像头模块，多目摄像头模块以该距离d向摄像传感器2内的音圈马达发出调焦指令进行主动对焦。通过这种方式可以直接地进行对焦，而不用通过软件对成像结果进行是否对焦成功的边界判断，进而提高采集速度。若采集不及时，则有可能测距单元1测得的物体是使用者的手，但因手快速掠过后，多目摄像头模块较慢采集到的却是人的脸，因而作出错误的判断。

本实施例中列举出的测距单元1为红外光或激光作为工作介质的。为了充分提高硬件单元的利用度并简化系统，可以作为优选的是：

所述测距单元1包括双目测距计算模块。所述多目摄像头模块中的两只摄像传感器2被配置成，a、在测距时，间隔采集图像并发送给双目测距计算模块；b、在进行3D建模时，采集图像发送给3D建模模块。前述不同的图像输出目的的配置可以通过设置一个转发芯片实现，也可以单纯通过软件层面实现，该技术是本领域技术人员的惯用手段，无需要付出创造性劳动即可实现。

在此优选方案中，后续所述双目测距计算模块适于对输入的两张图像先进行立体匹配找寻到两张图像中共有的任一点，立体匹配时opencv中提供的多种立体匹配算法实现，如局部的BM，全局的SGBM等等；再结合该点在两张图像中的不同位置计算出视差信息，最后根据视差信息计算出深度距离d。

在本实施例中，为实现有限使用时长的控制（即便于家长设置某儿童单次最长的持续使用时长，如1小时等）可以作为优选的是：

以预设的时长间隔（如1小时零5分，可以在最后5分钟前对使用者提示，5分钟时间留给使用者去结束打开的相关应用）为划分，在1小时零5分倒计时开始时和结束时，先后两次采集并建立起关于使用者的点云模型，若这两次建立的点云模型相似性高于阈值时，锁定当前设备。

在点云模型的相似性计算时，通过模糊算法分析先后两个点云模型中整体色彩的分部趋势，通过比较两个分部趋势值的相关性。相关性高于阈值时，判断先后两次采集的对象为同一使用者。

并且进一步的优选的是：若没有经过预设的冷却时长后设备就被解锁时（直观表现为该儿童没有在足够长冷却时间后再次解锁设备进行使用，冷却时间可以为2小时，也可以为12小时）。

那么为了阻止这种情况，可以作为优选的是：在解锁后20分钟区间内的任一随机时刻对使用者进行第三次采集并建立点云模型，将第三次建立的点云模型与设备锁定前最后一次建立的点云模型进行比对，若仍比对判定相似，则再次锁定当前设备且所述冷却时长翻倍（翻倍或不做任何改变视不同情况而定，在此不作任何限定）。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用多目3D视觉传感技术防控儿童近视的系统，其特征在于：

包括测距单元、控制器、多目3D视觉单元、人脸特征匹配单元和屏幕背光控制模块；

所述测距单元，用于定时对屏幕前方的特定物进行距离测量，当特定物与屏幕之间距离小于设定值时，发送测距信号给所述控制器；

所述多目3D视觉单元，用于在所述控制器的控制下对该特定物进行图像采集并进行3D建模，输出具有3D意义上的点云模型；

所述人脸特征匹配单元，用于对所述点云模型进行是否属于人脸的识别，并将识别结果输出给所述控制器；

所述控制器用于将控制信号发送给屏幕背光控制模块；

所述屏幕背光控制模块用于根据控制信号调节屏幕亮度。

2.根据权利要求1所述的一种利用多目3D视觉传感技术防控儿童近视的系统，其特征在于：所述多目3D视觉单元包括：多目摄像头模块和3D建模模块，所述多目摄像头模块包括至少三个间隔设置的摄像传感器。

3.根据权利要求2所述的一种利用多目3D视觉传感技术防控儿童近视的系统，其特征在于：所述多目摄像头模块用于采集的图像输出到所述3D建模模块。

4.根据权利要求2所述的一种利用多目3D视觉传感技术防控儿童近视的系统，其特征在于：所述3D建模模块用于通过被输入的多张图像依据SFM算法生成稀疏点云进而通过三维稠密重建PMVS算法生成稠密点云模型。

5.根据权利要求1所述的一种利用多目3D视觉传感技术防控儿童近视的系统，其特征在于：所述测距单元将测得的特定物与屏幕的距离d输出给多目摄像头模块，所述多目摄像头模块根据距离d向摄像传感器内的音圈马达发出调焦指令进行主动对焦。

6.根据权利要求2所述的一种利用多目3D视觉传感技术防控儿童近视的系统，其特征在于：所述测距单元包括双目测距计算模块，所述多目摄像头模块中的两只摄像传感器被配置成，一只在测距时，间隔采集图像并发送给双目测距计算模块；另一只在进行3D建模时，采集图像发送给3D建模模块；所述双目测距计算模块用于对输入的两张图像先进行立体匹配找寻到两张图像中共有的任一点，再结合该点在两张图像中的不同位置计算出视差信息，最后根据视差信息计算出深度距离d。

7.根据权利要求1至6任一项所述系统的防控方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、通过测距单元定时对屏幕前方的特定物进行距离测量；

步骤2、当特定物与屏幕之间距离小于设定值时，多目3D视觉单元对该特定物进行图像采集并建立3D建模，输出3D点云模型；

步骤3、人脸特征匹配单元对点云模型进行识别；

步骤4、当人脸特征匹配单元输出为人脸时，屏幕背光控制模块将屏幕亮度降低为预设值；当人脸特征匹配单元输出为非人脸时，屏幕背光控制模块不改变屏幕亮度；

步骤5、当测距单元再次检测到特定物与屏幕之间距离大于或等于设定值时，屏幕背光控制模块将屏幕亮度恢复为用户设定值。

8.根据权利要求7所述的防控方法，其特征在于：所述步骤3包括：

3a：根据稠密点云模型配准生成多边形网格化的3D流形模型；

3b：与预置人脸3D模型库中的多个典型人脸3D模型分别进行匹配计算；

3c：最后根据匹配计算出的相关系数判断该特定物是否属于人脸。

9.根据权利要求7所述的防控方法，其特征在于：还包括步骤6，预设使用时长间隔，当使用时间超过使用时长间隔，对比使用前与当前建立的人脸点云模型，若两者相似性高于阈值时，锁定当前设备。

10.根据权利要求9所述的防控方法，其特征在于：还包括步骤7，若未达到预设的冷却时长，设备被解锁，在解锁后一定时间内，对使用者建立人脸点云模型，并与设备锁定前建立的人脸点云模型进行比对，若比对判定相似，则再次锁定当前设备，且冷却时长翻倍。