学生健康学习姿势提醒系统及方法
【专利摘要】本发明提供学生健康学习姿势提醒系统，包括数据采集模块，用于采集相机和学生身上识别标志的位置；距离计算模块，用于计算头部与肩部的距离；数据设置模块，用于设置不同身高及性别理想姿势下对应的头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值；角度计算模块，用于计算头部相对变化角度■’姿势判断模块，用于将头部相对变化角度与预设的头部相对变化角度范围进行比较，判断姿势正确与否；报警模块，用于在姿势错误时输出报警信号。本发明将立体视觉技术应用于学生健康学习姿势提醒，可以实时地监督学生的学习姿势并进行提醒，可应用于广大的学生群体。
【专利说明】学生健康学习姿势提醒系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于学生用姿势提醒系统，具体为一种学生健康学习姿势提醒系统及方 法。
【背景技术】
[0002] 学生的健康学习姿势至关重要，可以降低近视眼，斜视眼，驼背，含胸，腰椎间盘突 出等疾病的发生，帮助学生轻松学习、健康生活。目前促进学生健康学习姿势主要有三种方 式：1.家长（教师）人为提醒，2.健康学习桌椅，能一定程度使学生保持坐姿，3.纠正读写 姿势产品，如背背佳、坐姿矫正椅等。
[0003] 学习桌椅主要通过调节椅子、桌子的高度和倾斜度，辅以辅助照明以促进学生保 持学习姿势，该方式属于模具式，缺少人文关怀，并且桌椅也不能随学习姿势的变化而自动 调节。背背佳、坐姿矫正椅等产品主要针对已有不良学习姿势的学生矫正用。背背佳遵循 人体生物力学中"脊柱三维整体活动模式"的整体稳定性特点，利用"三维一体"矫姿原理 研制而成。坐姿矫正椅包括椅座、椅背和椅腿，椅背正面设有肩部约束带。学生坐立时，通 过肩部约束带将学生的上半身约束，这样学生坐姿得以控制，有效防保持正确的读写姿势。 以上两种产品借助外部器件对坐姿进行固定，强行矫正，见效快，但存在易反复的问题。坐 姿矫正器有耳挂式、佩戴式两种，设计小巧，方便佩戴。学生在头部姿势不正确时，坐姿矫正 器马上奏响音乐轻声提醒，纠正不良读写姿势。该产品仅是监控头部姿势，而健康学习姿势 包括身躯（脊椎、颈部、肩部、头部）的姿势，所以该产品难以保证健康学习姿势。随着现代 科技的不断发展，相关技术却没有应用到健康学习姿势产品中去。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是：提供一种学生健康学习姿势提醒系统及方法，可以 实时地监督学生的学习姿势（头部、肩部）并进行提醒，可应用于广大的学生群体。
[0005] 本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种学生健康学习姿势提醒系 统，其特征在于：它包括
[0006] 数据采集模块，用于采集相机和学生身上识别标志的位置，利用三角法计算学生 身上识别标志的坐标，相机为2个，学生身上的识别标志包括左肩标志、右肩标志和头部标 志，其中2个相机和学生身上的任何一个识别标志均不在同一条直线上；
[0007] 距离计算模块，用于根据相机和学生身上识别标志的坐标计算头部与肩部的距 离；
[0008] 数据设置模块，用于设置不同身高及性别理想姿势下对应的头部与肩部的距离预 设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值；
[0009] 角度计算模块，用于根据数据模块得到的学生身上识别标志的坐标、以及数据设 置模块中相机和学生身上识别标志的坐标预设值，计算头部相对变化角度，包括左右变化 角度和前倾后仰变化角度；
[0010] 姿势判断模块，用于将角度计算模块计算的头部相对变化角度与预设的头部相对 变化角度范围进行比较，当计算的头部相对变化角度在头部相对变化角度范围内，则判断 姿势正确，反之则判断姿势错误；
[0011] 报警模块，用于在姿势错误时输出报警信号。
[0012] 一种利用上述学生健康学习姿势提醒系统实现的学生健康学习姿势提醒方法，其 特征在于：它包括以下步骤：
[0013] S1、设置不同身高及性别理想姿势下对应的头部与肩部的距离预设值、相机和学 生身上识别标志的坐标预设值；
[0014] S2、选择待测学生的身高和性别，选择对应的头部与肩部的距离预设值、相机和学 生身上识别标志的坐标预设值；
[0015] S3、采集相机和学生身上识别标志的位置，利用三角法计算学生身上识别标志的 坐标，相机为2个，学生身上的识别标志包括左肩标志、右肩标志和头部标志，其中2个相机 和学生身上的任何一个识别标志均不在同一条直线上；
[0016] S4、根据相机和学生身上识别标志的坐标计算头部与肩部的距离；
[0017] S5、根据学生身上识别标志的坐标、以及相机和学生身上识别标志的坐标预设值， 计算头部相对变化角度，包括左右变化角度和前倾后仰变化角度；
[0018] S6、将头部相对变化角度与预设的头部相对变化角度范围进行比较，当计算的头 部相对变化角度在头部相对变化角度范围内，则判断姿势正确，反之则判断姿势错误；
[0019] S7、在姿势错误时输出报警信号。
[0020] 按上述方法，所述的S1理想姿势下头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识 别标志的坐标预设值由人为设置，或者以待测学生正确姿势下采集到的数据作为对应的预 设值。
[0021] 按上述方法，所述的三角法计算学生身上识别标志的坐标具体为：
[0022] 头部标志：通过相机参数计算头部标志在2个相机的相平面上的投影坐标，根据2 个相机的坐标和头部标志坐标形成一个三角形，依据2个相机与头部标志在该相机的相平 面上的投影的连线的交点即为头部标志的坐标；
[0023] 左肩标志和右肩标志的坐标同理可得。
[0024] 按上述方法，设Q、C2为两个相机，Q、C2的坐标分别为（ Xel，yel，zj和 (Xc2，yc2，z c2)，I" 12为Q、C2的相平面，头部标志Bjx^z)在(^、C2的相平面上的投影 Bm (u" vj、B1I2 (u2, v2)的坐标根据公式⑴获得：
【权利要求】
1. 一种学生健康学习姿势提醒系统，其特征在于：它包括 数据采集模块，用于采集相机和学生身上识别标志的位置，利用三角法计算学生身上 识别标志的坐标，相机为2个，学生身上的识别标志包括左肩标志、右肩标志和头部标志， 其中2个相机和学生身上的任何一个识别标志均不在同一条直线上； 距离计算模块，用于根据相机和学生身上识别标志的坐标计算头部与肩部的距离； 数据设置模块，用于设置不同身高及性别理想姿势下对应的头部与肩部的距离预设 值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值； 角度计算模块，用于根据数据模块得到的学生身上识别标志的坐标、以及数据设置模 块中相机和学生身上识别标志的坐标预设值，计算头部相对变化角度，包括左右变化角度 和前倾后仰变化角度； 姿势判断模块，用于将角度计算模块计算的头部相对变化角度与预设的头部相对变化 角度范围进行比较，当计算的头部相对变化角度在头部相对变化角度范围内，则判断姿势 正确，反之则判断姿势错误； 报警模块，用于在姿势错误时输出报警信号。
2. -种利用权利要求1所述的学生健康学习姿势提醒系统实现的学生健康学习姿势 提醒方法，其特征在于：它包括以下步骤： 51、 设置不同身高及性别理想姿势下对应的头部与肩部的距离预设值、相机和学生身 上识别标志的坐标预设值； 52、 选择待测学生的身高和性别，选择对应的头部与肩部的距离预设值、相机和学生身 上识别标志的坐标预设值； 53、 采集相机和学生身上识别标志的位置，利用三角法计算学生身上识别标志的坐标， 相机为2个，学生身上的识别标志包括左肩标志、右肩标志和头部标志，其中2个相机和学 生身上的任何一个识别标志均不在同一条直线上； 54、 根据相机和学生身上识别标志的坐标计算头部与肩部的距离； 55、 根据学生身上识别标志的坐标、以及相机和学生身上识别标志的坐标预设值，计算 头部相对变化角度，包括左右变化角度和前倾后仰变化角度； 56、 将头部相对变化角度与预设的头部相对变化角度范围进行比较，当计算的头部相 对变化角度在头部相对变化角度范围内，则判断姿势正确，反之则判断姿势错误； 57、 在姿势错误时输出报警信号。
3. 根据权利要求2所述的学生健康学习姿势提醒方法，其特征在于：所述的S1理想姿 势下头部与肩部的距离预设值、相机和学生身上识别标志的坐标预设值由人为设置，或者 以待测学生正确姿势下采集到的数据作为对应的预设值。
4. 根据权利要求2所述的学生健康学习姿势提醒方法，其特征在于：所述的三角法计 算学生身上识别标志的坐标具体为： 头部标志：通过相机参数计算头部标志在2个相机的相平面上的投影坐标，根据2个相 机的坐标和头部标志坐标形成一个三角形，依据2个相机与头部标志在该相机的相平面上 的投影的连线的交点即为头部标志的坐标； 左肩标志和右肩标志的坐标同理可得。
5. 根据权利要求4所述的学生健康学习姿势提醒方法，其特征在于：设(；、C2为两个 相机，Cp C2的坐标分别为（xel，yel，zel)和（x e2, ye2, ζ?)，Ip 12为Cp C2的相平面，头部标志 Bi (x，y，z)在Q、C2的相平面上的投影Bm (Ul，Vl)、B1I2 (u2, v2)的坐标根据公式⑴获得：
(1), 式中，K、W为相机的内部参数矩阵和外部参数矩阵，且
其中：f为相机的焦距，Pw是相平面横向的像素尺寸，Ph是相平面纵向的像素尺寸， μ 〇、ν〇是相平面的投影中心，R，t为相机的旋转矩阵和平移矩阵； 依据
和1
的交点即为头部标志的坐标，依据公式（2)计算出头部标志 的坐标（xB1, yB1, zB1):
⑵，
式中，
，由相机内外参数和 构成。
【文档编号】G08B21/24GK104217554SQ201410481795
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】吴迎峰, 刘雪锋 申请人:武汉理工大学