一種矯正坐姿的智能書桌及其矯正方法
2023-05-03 07:47:06
一種矯正坐姿的智能書桌及其矯正方法
【專利摘要】本發明涉及一種矯正坐姿的智能書桌，該智能書桌包括桌面和桌腿，桌面上為讀寫區域，還包括用於投射結構光並進行主動式紅外成像及三維深度信息測定的紅外線發射器、用於拍攝人體坐姿下紅外結構光形態變化的紅外線攝像頭、控制盒以及用於顯示坐姿的顯示面板，紅外線攝像頭將紅外結構光形態變化的攝像結果傳輸至控制盒中進行圖像處理，再經過紅外結構光測量以及三維重建後，分析用戶的坐姿圖像信息，最後將坐姿圖像信息發送至顯示面板。本發明還提供一種基於上述智能書桌矯正坐姿的方法。本發明通過信息技術和圖像建模處理技術來實現矯正坐姿，不但不會跟用戶帶來不適，而且能夠有效和精確地矯正人們的坐姿，避免因坐姿不正確而降低視力。
【專利說明】一種矯正坐姿的智能書桌及其矯正方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及智能醫療領域，更具體的，涉及一種結合電子信息與圖像處理技術矯正坐姿的智能書桌及其矯正方法。
【背景技術】
[0002]目前，根據調查，近視眼的主要誘因有兩個，一是坐姿不當，二是用眼過度。現如今，市場上也出現了一些矯正坐姿的書桌，大體可分為強制矯正和傳感監測兩大類。
[0003]所謂強制矯正坐姿的書桌，是通過在座椅靠背上設置坐姿固定組件，通過機械地固定人體來實現矯正坐姿的目的。這種書桌不僅結構複雜，而且強制矯正坐姿的方式容易給用戶帶來不適感，且對於不同體型的用戶，坐姿固定組件可能不能有效地發揮作用，例如公開發明專利「多功能智能正姿桌椅-201210411424.8」。
[0004]所謂傳感監測坐姿的書桌，一般通過超聲波傳感器、紅外傳感器、距離傳感器等監測用戶頭部到桌巖的距離。由於人體與書桌距離很近，這類監測方式對傳感器的精度要求極高，而且還不能監測到人體整體坐姿，不能整體判斷坐姿是否正確。同時傳感器容易受到手、書本等的影響，從而引起誤判。例如下面兩件公開實用新型專利「智能學習桌-201020571032.4」和「防近視智能課桌-200920109095.5」，前者就是採用的超聲波傳感器和紅外傳感器，後者採用的是距離傳感器。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於克服現有技術的缺陷和不足，提供了一種矯正坐姿的智能書桌，該書桌通過信息技術和圖像建模處理技術來實現矯正坐姿，不但不會跟用戶帶來不適，而且能夠有效和精確地矯正人們的坐姿，避免因坐姿不正確而降低視力。
[0006]本發明的另一個目的還在於提供一種矯正坐姿的智能書桌及其矯正方法。
[0007]為了達到上述目的，本發明提供一種矯正坐姿的智能書桌，包括桌面和桌腿，所述桌面上為讀寫區域，所述智能書桌還包括用於投射結構光並進行主動式紅外成像及三維深度信息測定的紅外線發射器、用於拍攝人體坐姿下紅外結構光形態變化的紅外線攝像頭、控制盒以及用於顯示坐姿的顯示面板，所述紅外線攝像頭將紅外結構光形態變化的攝像結果傳輸至所述控制盒中進行圖像處理，再經過紅外結構光測量以及三維重建後，分析用戶的坐姿圖像信息，最後將所述坐姿圖像信息發送至所述顯示面板。
[0008]根據本發明的一個實施例，所述控制盒包括用於圖像處理的微處理器以及與所述微處理器相連接的電源模塊和開關，所述紅外線發射器以及紅外線攝像頭的輸出端均接入所述微處理器，所述顯示面板的輸入端接入所述微處理器。
[0009]根據本發明的一個實施例，所述控制盒還包括蜂鳴器，所述蜂鳴器用於當用戶坐姿不正確的時候發出報警提示，所述蜂鳴器與所述微處理器相連接。
[0010]根據本發明的一個實施例，所述控制盒還包括用於設置智能書桌參數的輸入面板，所述輸入面板與所述微處理器相連接。[0011]根據本發明的一個實施例，所述桌腿為可調節桌面高度的桌腿。
[0012]本發明還提供一種基於上述的智能書桌坐姿矯正方法，所述方法包括以下步驟:
[0013]Al、紅外線發射器開始發射紅外結構光，同時紅外線攝像頭採集所述紅外結構光形態變化的結構光圖像，並將該結構光圖像傳輸至控制盒中；
[0014]A2、通過控制盒中的微處理器對紅外線攝像頭採集到的結構光圖像序列依次進行去噪、均衡化、銳化處理，並提取結構光的特徵點信息；
[0015]A3、根據步驟A2提取結構光的特徵點信息，測定特徵點的深度信息，復原對象輪廓，完成圖像的三維重建，並根據對象輪廓信息進行圖像分割，正確識別出各個對象，提取人體脊椎的骨骼模型；
[0016]A4、根據步驟A3中完成的三維重建，確定各對象的空間位置坐標；
[0017]A5、根據各對象的空間坐標信息算出坐距、視距，通過比對用戶的脊椎骨骼模型與標準坐姿下的脊椎骨骼模型，分析用戶當前的坐姿是否正確，如果坐姿不正確，發出警報信息，並重複Al?A4步驟，直到坐姿矯正正確。
[0018]根據本發明的一個實施例，所述主要對象包括人眼、胸部、關節、桌面。
[0019]根據本發明的一個實施例，當用戶離開攝像頭拍攝範圍後，所拍攝的圖像序列中即無人體存在；通過檢測圖像序列中連續無人體存在的幀，計算出用戶離開的時長；當用戶離開的時間超過預設值時，按正常關機程序關閉控制盒。
[0020]本發明相對於現有技術，具有以下有益效果:
[0021]本發明一種矯正坐姿的智能書桌通過紅外線發射器發出紅外結構光以及單個紅外線攝像頭進行主動式紅外成像，並經過三維圖像重建，對比用戶的脊椎骨骼模型與標準坐姿下的脊椎骨骼模型，分析用戶當前的坐姿是否正確，以實現矯正用戶坐姿的目的。該書桌既沒有通過機械強制用戶改變坐姿也不需要高精度的傳感器實現，能夠有效的讓用戶養成良好的坐姿習慣以及提醒適當的讀寫時間。且該書桌結構簡單，成本較低，適合推廣應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明矯正坐姿的智能書桌的結構示意圖；
[0023]圖2是本發明所述控制盒的原理框圖；
[0024]圖3是本發明實施例中的控制盒原理框圖；
[0025]圖4是本發明實施例中三維重建復原的人體坐姿輪廓圖；
[0026]圖5是本發明實施例中人體骨骼模型示意圖；
[0027]圖6是本發明矯正坐姿方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。
[0029]如圖1所示，為本發明矯正坐姿的智能書桌的結構示意圖，該智能書桌包括桌腿I和桌面2，其中，桌面2上為讀寫區域，本發明實施例中，讀寫區域可以是水平、或有一固定傾斜角度、或傾斜角度可以自由調整的桌面。為了方便讀寫，還可以在桌面前端設置一直立書本夾(類似於鋼琴的琴譜夾)，該直立書本夾可以是垂直的、或有一固定傾斜角度的、或者傾斜角度可以自由調整乃至完全放平到桌面的。
[0030]本發明的智能書桌還包括用於投射結構光並進行主動式紅外成像及三維深度信息測定的紅外線發射器F1、用於拍攝人體坐姿下紅外結構光形態變化的紅外線攝像頭S1、控制盒3以及用於顯示坐姿的顯示面板4，所述紅外線攝像頭SI將紅外結構光形態變化的攝像結果傳輸至所述控制盒3中進行圖像處理，再經過紅外結構光測量以及三維重建後，分析用戶的坐姿圖像信息，最後將所述坐姿圖像信息發送至所述顯示面板4。
[0031]本發明實施例中，紅外線發射器Fl用於將紅外結構光投射到空間中，用於進行主動式的紅外成像及三維深度信息的測定，本實施例中，紅外結構光可以是點結構光、線結構光或面結構光，其編碼方法可以是光柵編碼、時間編碼或空間編碼。紅外線發射器Fl應被安裝在能夠將結構光投射到人上半身或上半身大部分的位置，且不易被其他物體(如燈具、書本)遮擋，並儘量處於人體坐姿時的中心對稱線上，使得人體各部位均勻給光。優選地，在桌面讀寫區域的前上方不被遮擋的地方固定攝像頭。
[0032]本發明實施例中，紅外線攝像頭SI用於為主動式紅外成像，用於拍攝人體坐姿下的紅外結構光形態變化，結構光圖像序列將參與到圖像處理及人體識別、骨骼模型提取計算中。紅外線攝像頭SI應被安裝在能夠拍攝到人上半身(或上半身大部分)的位置，且不易被其他物體(如燈具、書本)遮擋，並儘量處於對人體的良好的拍攝位置上，優選地，在桌面讀寫區域的前上方不被遮擋的地方固定攝像頭。例如，可以在直立書本夾上方不被遮擋的地方安裝攝像頭。本發明的顯示面板4用於顯示當前人體坐姿信息，優選地，使用液晶顯示面板，顯示面板4可以安裝在在桌面2讀寫區域周邊，或者安裝在直立書本夾上方，當人體坐姿正常時，顯示正常坐姿信息；當人體坐姿異常時，顯示相應的異常項目，如視距過近、坐距過近、含胸、歪斜坐姿等信息。
[0033]如圖2所示，為本發明控制盒3工作原理結構示意圖，該控制盒3包括用於圖像處理的微處理器以及與微處理器相連接的電源模塊和開關，紅外線發射器Fl以及紅外線攝像頭SI的輸出端均接入微處理器，顯示面板4的輸入端接入微處理器。本發明的電源模塊可以使用民用交變電源，也可以使用電池、蓄電池，當使用交變電源時可能需要整流器等、當使用電池時可能需要低電檢測，當使用蓄電池時需要電壓檢測及充電模塊。本發明的開關可以安裝在桌體上，或者是遙控開關，當人離開書桌時關閉開關，紅外線發射器F1、紅外線攝像頭S1、控制盒3、顯示面板4等停止工作，斷開電源，可節約資源，減少器件損耗。
[0034]如圖3所示，本發明實施例中的控制盒3還可以包括用於當用戶坐姿不正確的時候發出報警提示的蜂鳴器以及用於設置智能書桌參數的輸入面板，蜂鳴器和輸入面板均與微處理器相連接。用戶可以在這個輸入面板上設定相關的參數，如連續讀寫的時間閾值等，輸入面板可以安裝在桌體上，也可以是遙控器形式，還可以是和輸出設備中的顯示面板合為一體，即具有用戶交互界面的觸控面板，可輸入又可輸出。
[0035]本發明實施例中，桌腿I為可以調節桌面2高度的桌腿1，可以是手動調節方式，通過手動地調整安裝在桌腿2上的活動卡扣、齒輪等(需要卡扣固定)結構來改變桌腿的長度，調節桌面高度；也可以是電子調節方式，用戶選擇並按下高度調節按鈕(需至少包括「升高」、「降低」按鈕，按鈕安裝在桌體上，不限於桌面，可以是桌身任一合適的位置)，通過控制盒3解析高度調節按鈕的電信號，向桌腿I上的長度調節模塊發出相應的指令，從而一致地、精確地調整各桌腿I的長度(可以避免手動調節時可能出現的四條腿長短不一的問題)，調節桌面2高度。
[0036]如圖6所示，為本發明矯正坐姿方法的流程示意圖，該方法具體包括以下步驟:
[0037]Al、紅外線發射器開始發射紅外結構光，同時紅外線攝像頭採集所述紅外結構光形態變化的結構光圖像，並將該結構光圖像傳輸至控制盒中；
[0038]A2、通過控制盒中的微處理器對紅外線攝像頭採集到的結構光圖像序列依次進行去噪、均衡化、銳化處理，並提取結構光的特徵點信息；
[0039]A3、根據步驟A2提取結構光的特徵點信息，測定特徵點的深度信息，復原對象輪廓，如圖4所示，完成圖像的三維重建，並根據對象輪廓信息進行圖像分割，正確識別出各個對象，提取人體脊椎的骨骼模型，如圖5所示；
[0040]A4、根據步驟A3中完成的三維重建，確定各對象的空間位置坐標；
[0041]A5、根據各對象的空間坐標信息算出坐距、視距，通過比對用戶的脊椎骨骼模型與標準坐姿下的脊椎骨骼模型，分析用戶當前的坐姿是否正確，如果坐姿不正確，發出警報信息，並重複Al?A4步驟，直到坐姿矯正正確。
[0042]本發明實施例中，對於步驟A2的圖像處理，具體為首先對紅外線攝像頭SI採集到的結構光圖像序列中的每一幀進行去噪，本實施例中的去噪方式包括平滑濾波、中值濾波、高斯低通濾波等方式，去噪後，進行均衡化(直方圖均衡化，彩色圖像需要修正色差色偏，調整色彩飽和度、對比度)、銳化(如拉普拉斯算子、canny等邊緣檢測)等預處理，再提取結構光的特徵信息(如Harris角點檢測等)等,提取出來的結構光特徵點將參與下一步的三維重建步驟；
[0043]本發明實施例中，對於步驟A3，具體為:根據步驟A2中得到的紅外結構光特徵點信息以及紅外結構光的編碼方式，復原人眼、胸部、主要關節、桌面等對象的輪廓，正確識別出人眼、胸部、主要關節、桌面等對象，這部分模式識別算法可以通過支持向量機等方式來完成(模式識別的方式繁多，且各有所長，此處不加以贅述)，通過機器學習的方法，可以將人體脊椎的骨骼模型提取出來。
[0044]本發明實施例中，在三維模型重建中，已經得到了眼睛、胸部、桌沿、脊椎骨骼模型等部位的坐標信息。從這些坐標中，可算出坐距(胸部與桌沿間的距離)、視距(眼睛離書本的距離)。通過比對用戶的脊椎骨骼模型與標準坐姿下的脊椎骨骼模型，可以分析用戶當前的坐姿是否正確，是否含胸、歪斜等。最後，需要將相應的坐姿處理結果發送至輸出設備如顯示面板4上，並顯示相應的提醒信息。
[0045]本發明是實施例中，還可以通過坐姿矯正的方法計算用戶連續讀寫時間的，微處理器通過檢測圖像序列中人體連續保持坐姿的幀，可以計算出人體連續讀寫的時長，當連續讀寫的時長超過預設的閾值時，向顯示面板4發出信號，提醒用戶適當休息。除此之外，當用戶離開過長時候，可以自動關機並切斷電源，具體為微處理器可以通過檢測圖像序列中人體形態、位置的變化，來判斷用戶的動作，因此用戶離開書桌的動作可以被檢測；當用戶離開攝像頭拍攝範圍後，所攝的圖像序列中即無人體存在；通過檢測圖像序列中連續無人體存在(或無人體存在於座位上)的幀，可以計算出用戶離開的時長；當用戶離開的時間超過預設值時，按正常關機程序關閉系統，斷開電源。
[0046]綜上所述，本發明提供的一種矯正坐姿的智能書桌通過紅外線發射器發出紅外結構光以及單個紅外線攝像頭進行主動式紅外成像，並經過三維圖像重建，對比用戶的脊椎骨骼模型與標準坐姿下的脊椎骨骼模型，分析用戶當前的坐姿是否正確，以實現矯正用戶坐姿的目的。該書桌既沒有通過機械強制用戶改變坐姿也不需要高精度的傳感器實現，能夠有效的讓用戶養成良好的坐姿習慣以及提醒適當的讀寫時間。且該書桌結構簡單，成本較低，適合推廣應用。
[0047]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未違背本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種矯正坐姿的智能書桌，包括桌面和桌腿，所述桌面上為讀寫區域，其特徵在於，所述智能書桌還包括用於投射結構光並進行主動式紅外成像及三維深度信息測定的紅外線發射器、用於拍攝人體坐姿下紅外結構光形態變化的紅外線攝像頭、控制盒以及用於顯示坐姿的顯示面板，所述紅外線攝像頭將紅外結構光形態變化的攝像結果傳輸至所述控制盒中進行圖像處理，再經過紅外結構光測量以及三維重建後，分析用戶的坐姿圖像信息，最後將所述坐姿圖像信息發送至所述顯示面板。
2.根據權利要求1所述的一種矯正坐姿的智能書桌，其特徵在於，所述控制盒包括用於圖像處理的微處理器以及與所述微處理器相連接的電源模塊和開關，所述紅外線發射器以及紅外線攝像頭的輸出端均接入所述微處理器，所述顯示面板的輸入端接入所述微處理器。
3.根據權利要求2所述的一種矯正坐姿的智能書桌，其特徵在於，所述控制盒還包括蜂鳴器，所述蜂鳴器用於當用戶坐姿不正確的時候發出報警提示，所述蜂鳴器與所述微處理器相連接。
4.根據權利要求2所述的一種矯正坐姿的智能書桌，其特徵在於，所述控制盒還包括用於設置智能書桌參數的輸入面板，所述輸入面板與所述微處理器相連接。
5.根據權利要求1所述的一種矯正坐姿的智能書桌，其特徵在於，所述桌腿為可調節桌面高度的桌腿。
6.基於權利要求1?5任意一項所述的智能書桌提供的一種坐姿矯正方法,其特徵在於，所述方法包括以下步驟: Al、紅外線發射器開始發射紅外結構光，同時紅外線攝像頭採集所述紅外結構光形態變化的結構光圖像，並將該結構光圖像傳輸至控制盒中； A2、通過控制盒中的微處理器對紅外線攝像頭採集到的結構光圖像序列依次進行去噪、均衡化、銳化處理，並提取結構光的特徵點信息； A3、根據步驟A2提取結構光的特徵點信息，測定特徵點的深度信息，復原對象輪廓，完成圖像的三維重建，並根據對象輪廓信息進行圖像分割，正確識別出各個對象，提取人體脊椎的骨骼模型； A4、根據步驟A3中完成的三維重建，確定各對象的空間位置坐標； A5、根據各對象的空間坐標信息算出坐距、視距，通過比對用戶的脊椎骨骼模型與標準坐姿下的脊椎骨骼模型，分析用戶當前的坐姿是否正確，如果坐姿不正確，發出警報信息，並重複Al?A4步驟，直到坐姿矯正正確。
7.根據權利要求6所述的一種坐姿矯正方法，其特徵在於，所述主要對象包括人眼、胸部、關節、桌面。
8.根據權利要求6所述的一種坐姿矯正方法，其特徵在於，當用戶離開攝像頭拍攝範圍後，所拍攝的圖像序列中即無人體存在；通過檢測圖像序列中連續無人體存在的幀，計算出用戶離開的時長；當用戶離開的時間超過預設值時，按正常關機程序關閉控制盒。
【文檔編號】G06T17/00GK103908065SQ201410134765
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月3日 優先權日:2014年4月3日
【發明者】陳志華, 呂春玲 申請人:安徽海聚信息科技有限責任公司