基于双摄像头的坐姿实时检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种坐姿实时检测方法。特别是涉及一种利用双目立体匹配、三维重建及人脸识别等技术对人体坐姿是否端正给出自动判别的基于双摄像头的坐姿实时检测方法。
【背景技术】
[0002]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》(参见下表)，在调查的近万学生中，写字姿势问题人数比例达77.6%。
[0003]目前上市场上有关人体坐姿检测通常是利用超声波传感器，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】
[0004]本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够弥补常规超声波测距技术的缺陷，抗干扰能力强，判别正确率高的基于双摄像头的坐姿实时检测方法。
[0005]本发明所采用的技术方案是:一种基于双摄像头的坐姿实时检测方法，是对设置在桌面上的由两个同款摄像头构成的双目摄像头所采集的图像进行处理，具体包括如下步骤:
[0006]I)进行摄像头内外参数标定；
[0007]2)通过双目摄像头采集人体坐姿立体图像；
[0008]3)对采集的立体图像对进行立体匹配，根据已标定的摄像头内外参数和匹配结果重建现场空间点云，并根据设定参数，对重建的现场三维点云，保留设定范围的点云作为潜在的人体部分点云；
[0009]4)将步骤3)分割出的人体部位点云投影到步骤2)所采集的图像中，确定出人在图像中的区域，并在所述的区域中进行基于图像的人脸和人眼检测；
[0010]5)判断是否检测到人脸，没有则返回步骤2)，有则进入步骤6);
[0011]6)判断图像旋转角度是否大于设定阈值，如果图像旋转角度大于设定阈值，则人头部不端正，判定为姿态错误，返回步骤2)，否则进入步骤7);
[0012]7)判断是否检测到人眼，检测到则进入步骤8)，否则设定检测到的人脸区域中心点为人眼位置，进入步骤8);
[0013]8)调入已标定的摄像头坐标系相对于垂直面的旋转变换R2，通过人眼附近的三维点云，计算出人眼到摄像头的垂直距离；
[0014]9)将设定的双目摄像头到桌面的距离与人眼到摄像头的距离相加，得出人眼到桌面的垂直距离；
[0015]10)判断步骤9)计算出的人眼到桌面的垂直距离是否大于设定的人眼到桌面的垂直距离阈值，是则判定姿态正确，返回步骤2)，否则判定人眼到桌面距离太近，姿态错误则输出错误结果，返回步骤2)。
[0016]所述的两个摄像头通过支架水平固定在桌面上，两个摄像头之间间隔为8.5?
11.5cm，调节摄像头的仰角为能够将人体坐姿位于图像中部的角度。
[0017]步骤I)所述的摄像头标定，包括:
[0018](I)在摄像头前方0.5m?2m处设置棋盘格标定板；
[0019](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Kl和K2，及外参数即第二个摄像头相对第一个摄像头的平移Tl和旋转变换R1，设定第一个摄像头的外参数是单位阵I和〔0，0，0〕τ，则第二个摄像头的外参数是Rl和Tl ;
[0020](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Kl和Κ2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 ;
[0021](4)将所有标定出的参数存储到系统文件中。
[0022]步骤3)所述的设定参数，包括:设定人与摄像头之间的距离范围为0.5?1.5m ;人体部分点云范围，即长宽高均为0.7m的立方体范围内；摄像头位置到桌面的距离。
[0023]步骤4)中进行基于图像的人脸和人眼检测时，为了检测人头部歪斜状态，在图像检测不到人脸时，将图像间隔5?10度左右旋转，直至检测到人脸，或者将图像间隔左右旋转角度大于90度为止。
[0024]步骤4)所述的人脸和人眼检测，是通过调用训练好的瀑布级联分类器cascade来进行模式匹配完成。
[0025]步骤8)所述的计算出人眼到摄像头的垂直距离，是由于重建点云建立在摄像头坐标系下，利用摄像头与垂直面的旋转变换将点云变换到垂直状态，点云沿垂直方向的坐标即为人眼到摄像头的距离。
[0026]本发明的基于双摄像头的坐姿实时检测方法，通过基于双目立体视觉、三维重建、人脸及眼睛检测算法结合，综合利用二维图像和三维空间点云的信息，以及图像旋转，能够对坐姿中常见的歪脑袋、眼睛离书本(桌面)太近等错误姿态进行实时检测，自动检测人体的坐姿，对坐姿的正确与否给出判断。算法鲁棒、实时性强，设备简单，抗干扰能力强，判别正确率高。在初始标定后，检测过程全自动完成，无需任何人工交互。而且可以通过参数阈值调节，满足儿童和成人等不同身高人的使用。
【附图说明】
[0027]图1摄像头的安装及拍摄标定板示意；
[0028]其中:1:支架2:摄像头3:棋盘格标定板
[0029]图2是坐姿实时检测的基本流程。
【具体实施方式】
[0030]下面结合实施例和附图对本发明的基于双摄像头的坐姿实时检测方法做出详细说明。
[0031]如图2所示，本发明的基于双摄像头的坐姿实时检测方法，是对设置在桌面上的由两个同款摄像头构成的双目摄像头所采集的图像进行处理，所述的两个摄像头通过支架水平固定在桌面上，两个摄像头之间间隔为8.5?11.5cm，调节摄像头的仰角为能够将人体坐姿位于图像中部的角度，即使图像中人体部分尽可能居中。所述的处理包括如下步骤:
[0032]I)进行摄像头内外参数标定；
[0033]所述的摄像头标定，始图1所示，包括:
[0034](I)在摄像头前方0.5m?2m处设置棋盘格标定板；
[0035](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Kl和K2，及外参数即第二个摄像头相对第一个摄像头的平移Tl和旋转变换R1，设定第一个摄像头的外参数是单位矩阵I和〔0，0，0〕τ，则第二个摄像头的外参数是Rl和Tl ;
[0036](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Kl和Κ2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 ;
[0037](4)将所有标定出的参数存储到系统文件中。
[0038]然后如图2所示:
[0039]2)通过双目摄像头采集人体坐姿立体图像；
[0040]将固定好的摄像头摆放于桌面的合适位置，距离人约0.5m第一右，且端坐的人在摄像头中成像尽可能位于图像中间。
[0041]3)对采集的立体图像对进行立体匹配，根据已标定的摄像头内外参数和匹配结果重建现场空间点云，并根据设定参数，对重建的现场点云进行处理，保留设定范围的点云作为潜在的人体部分点云；所述的设定参数，包括:设定人与摄像头之间的距离范围为0.5?1.5m ;人体部分点云范围，即长宽高均为0.7m的立方体范围内；摄像头位置到桌面的距离。
[0042]双摄像头实时同步采集坐姿图像，假设第一、第二摄像头分别拍摄图像为I