自动识别读写场景中读写元素位置的智能装置及应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种对青少年读书写字时的姿势正确与否进行自动判断的提醒装置， 特别涉及一种通过二维图像传感器采集的二维图像信息对青少年读写姿势进行智能识别 的预警装置。
【背景技术】
[0002] 我国现有近视患者已超过3亿人，占世界近视人数的33%，远远高于世界平均值 22%的比例。我国每年会出现低视力135万，即约每分钟就会出现三个低视力患者。如果 不采取有力措施，到2020年我国视力残疾人数将为目前的4倍。全世界每年视力损害的花 费已高达250亿美元。综上所述，视力损害已成为我国乃至全球的严重公共卫生问题。我 国8~12岁的小学生近视发病率约为23%，中学生约为55%，大学生约为76%，全国近视 眼约为3亿人，其中青少年约为2亿人。全国近视眼发病人数位居世界首位。
[0003] 青少年近视眼的形成原因包括先天遗传和后天环境因素。前者占20%，后者占 80%。青少年处于生长发育旺盛时期，眼的生理功能和组织结构有与其他时期不同的特点， 易受环境不良影响而形成近视眼。不正确的看书、写作业姿势是造成青少年近视的重要原 因。
[0004] 现有技术中，人们想出多种方法，使青少年在看书或写字时，其眼睛距书本保持一 定的距离，这些方法包括机械方法、电子方法等。
[0005] 通常，机械方法是在人的头部或肩部，佩戴复杂的机械部件，其需与身体直接接 触，增加佩戴者的体力负担，由此受到了限制（主要是佩戴者不喜欢使用）。
[0006] 电子方法是以超声波或红外线做为测试媒介，将其对准人的头面部，或者将超声 波或红外线测试装置佩戴在头部或耳部，并将测量传感器对准书本。这两种方法，传感器位 置在安装时都需要事先校准，其只能测量传感器到头部（或传感器到书本）的单点距离，并 进行几何推算，估算出头部到书本的距离。不能精确测量人眼到书本的距离。由于基于单 点测量，所以，测量精度会随头部在读写过程中的摇动而降低。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种能在青少年读写场景中与青少年身体无任 何接触的状态下，自动、准确判断青少年读写姿势正确与否的自动识别读写场景中读写元 素位置的智能装置及应用。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0009] 本发明的自动识别读写场景中读写元素位置的智能装置，其由至少一个二维图像 传感器、与该二维图像传感器连接的微处理器、报警模块和电源模块构成，其中，
[0010] 二维图像传感器，将以不同位置或视角获取至少二幅青少年读写场景中包括读写 人貌姿、读写的书本和/或依托该书本的桌面为读写元素在内的二维原始图像传送给所述 微处理器；
[0011] 微处理器，针对获取的所述原始图像，采用立体匹配方法获得与至少一幅原始图 像对应的深度图像并获得所述读写元素中任一目标读写元素的三维坐标；存储所述图像传 感器实时采集的图像信息；实时计算所述读写元素中目标读写元素的三维坐标和具有关联 性的二个目标读写元素之间的动态距离或动态时差并保存；
[0012] 报警模块，当读写场景中的某个读写元素的三维坐标或所述的动态距离偏离设定 的正常值时发出报警信号；
[0013] 电源模块，为图像传感器、微处理器和报警模块提供工作电压。
[0014] 所述的图像传感器为二个黑白或彩色图像传感器。
[0015] 所述读写元素的三维坐标包括读写场景中读写人双眼和置于读写状态下的书本 的三维坐标，所述动态距离为由所述微处理器动态跟踪并自动读出读写人双眼到所述书本 的直线距离。
[0016] 所述读写元素的三维坐标包括读写人处于标准读写状态时对应的标准身姿的三 维坐标，所述动态距离为由所述微处理器动态跟踪并获取读写人动态读写姿势时对应的动 态身姿的三维坐标与所述标准身姿的三维坐标偏离值。
[0017] 所述读写元素的三维坐标包括读写人处于标准读写状态时对应的标准身姿的三 维坐标，所述动态时差为由微处理器动态跟踪并获取读写人处于该标准身姿下的连续累积 时间。
[0018] 所述报警模块还包括读写场景中环境光线亮度报警和WIFI通信连接模块。
[0019] 本发明的智能防近视台灯，包括光源、灯杆和灯座，在灯杆或灯座上安装有一个本 发明的所述的自动识别读写场景中读写元素位置的智能装置。
[0020] 本发明的防近视智能平板，包括触摸式液晶屏和中央处理器，在其上还设有一个 本发明的所述的自动识别读写场景中读写元素位置的智能装置，所述中央处理器为该智能 装置中的微处理器。
[0021] 本发明的智能装置由至少一个二维图像传感器、与该二维图像传感器连接的微处 理器、报警模块和电源模块构成。其通过采用成本较低且结构简单的二维图像传感器，以不 同位置或视角获取二幅青少年读写场景中涉及读写元素（该读写元素可涵盖该读写场景 中与青少年读写时相关的物理点，如青少年的身体姿态、头面部状态、读写的书本、依托该 书本的桌面、光线明暗度等）在内的原始图像，再将原始图像信息存入微处理器，由微处理 器基于该图像传感器标定参数，采用立体匹配方法获得与原始图像对应的深度图像，之后， 获取读写元素中任一目标读写元素的三维坐标。本发明通过合理设置图像信息采集的频 度，通过微处理器的计算可以精确获知该读写场景中任意二个读写元素之间静态或动态情 况下的距离以及某一读写元素处于一种状态维持的时间长短和判断某一读写元素所处状 态是否正常。本发明简单、快捷、准确，而且投资成本较低。
[0022] 本发明的装置可有效获取青少年读书写字时的体态和姿势并对不正确的体态或 姿势予以提示。该装置还具有如下优点：1)非接触式，无需穿戴在身上，无身体负担。2)能 精确测量人眼到书本的距离，测量误差〈lcm。3)测量装置可安装在读写人前方1~3米范 围，测量范围大，且无需校准。4)算法具有基于人脸三维坐标进行跟踪测量，读写中的头部 和肩部无意的摇动，不会影响测量精度。5)能以影像的方式保存图像与对应的测量结果，对 近视的预防具有积极意义。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明装置的方框示意图。
[0024] 图2为图像获取原理图。
[0025] 图3为头面部三维定位流程图。
[0026] 图4为读写元素的三维坐标定位流程图。
【具体实施方式】
[0027] 如图1所示，本发明的自动识别读写场景中读写元素位置的智能装置，由至少一 个二维图像传感器、与该二维图像传感器连接的微处理器、报警模块和电源模块构成，其 中，
[0028] 二维图像传感器，将以不同位置或视角获取至少二幅青少年读写场景中包括读写 人貌姿、读写的书本和/或依托该书本的桌面为读写元素在内的二维原始图像传送给所述 微处理器。
[0029] 微处理器，针对获取的所述原始图像，采用立体匹配方法获得与至少一幅原始图 像对应的深度图像并获得所述读写元素中任一目标读写元素的三维坐标；存储所述图像传 感器实时采集的图像信息；实时计算所述读写元素中目标读写元素的三维坐标和具有关联 性的二个目标读写元素之间的动态距离或动态时差并保存。
[0030] 报警模块，当读写场景中的某个读写元素的三维坐标或所述的动态距离偏离设定 的正常值时发出报警信号。所述报警模块还包括读写场景中环境光线亮度报警和WIFI通 信连接模块。
[0031] 电源模块，为图像传感器、微处理器和报警模块提供工作电压。
[0032] 将本发明的装置设置于台灯上，即可构成一部智能防近视台灯，由于其所用的二 维图像传感器、微处理器及其它模块体积均小，因此整个装置体积小重量轻，可将其随意安 装于台灯的灯杆、灯座或灯罩上均可。
[0033] 将本发明的装置设置于平板电脑上，即可构成一部防近视智能平板。在此情况下， 本发明的智能装置可与平板电脑共用一个中央处理器。
[0034] 本发明的智能装置对读写场景中读写元素的空间位置能够自动识别主要采用如 下的方法：
[0035] 其采用由成本较低、结构简单的二维图像传感器，获得青少年（也称读写人）读书 时所在的读写场景中的原始图像信息，之后再将该信息存入计算机（包括电脑、嵌入式的 微处理器或含CPU的单片机等中央处理器，下同）。通过对图像传感器标定相机参数、立体 匹配获得与原始图像对应的深度图像，继而获取所述读写场景中包括读写人貌姿、读写的 书本、依托该书本的桌面等与青少年读写时相关的任一物理点（即所述的读写元素，对这 些读写元素中指定的某个读写元素简称为目标读写元素，下同）的三维坐标。
[0036] 该方法可使计算机自动精确识别所获得的二维原始图像信息中各读写元素之间 的空间位置关系、目标读写元素的实时三维状态与设定的该读写元素的标准三维