一种基于智能移动终端矫正坐姿预防近视系统及其方法与流程

本发明涉及一种声波探测感知技术领域，特别是涉及一种基于智能移动终端矫正坐姿预防近视系统及其方法。

背景技术：

目前，我国是全球近视人口最多的国家，并且近视的发生呈低龄化趋势。我国青少年近视患病率逐年增加，在发达城市在校青少年中已经达到了50％～60％，有的重点高中更是达到了80％～90％。大量的流行病学研究表明，影响学生视力，造成学生近视的主要行为因素就是不正确的读写姿势，主要原因在于，在写字或者读书时，大多数人姿势会变成低头前倾，低头会减少读写距离，距离越近，越容易形成近视。由于中小学生的学习任务重，自控能力弱，在读书或写字时常常不自觉的使头部距离书本过近，容易养成近距离用眼或姿势歪斜等不良习惯，这是造成广大中小学生眼睛近视的一个重要原因，特别是随着移动互联网时代的到来，手机、电视、电脑这些多媒体工具的使用日益频繁，如何有效预防近视愈发重要。

目前利用外置装置预防近视的方法主要有四类：

(1)利用机械结构进行外力矫正的方法。例如利用矫正书写姿势的书桌、预防近视纸夹、矫正带等预防近视，这类方法通常涉及机械结构部件，通过与青少年身体的直接接触来测量青少年读写姿势是否正确，其缺点是长期使用易使佩戴者生厌，而且测量准确率较低。例如目前市面上常见的防近视学习桌主要就是通过改变桌腿高度或桌面倾斜角度及增加防近视架等结构，来实现帮助学生预防近视的功能，但是这种防近视学习桌难以控制学生写字姿势及头部距离书本近等不良习惯，并且这种桌椅不便于移动，很难同时满足学生学校和家庭同时使用的情况。此外，矫正带使用户的活动受限；限位板、限位杆需要安装固定，不便于携带；同时这种接触式的装置不容易形成习惯，没有装置时很容易恢复不正确姿势；

(2)通过声、光、电等方式检测距离、头部姿态或坐姿的电子装置。例如在眼镜等地方加装定位或者检测传感器的方法，或者利用压力传感器获得人体施加在座椅上的压力分布情况进而判断坐姿。现有一些产品通过在眼镜或头戴支架上加装特别的定位或者检测传感器，判断使用者的坐姿或者与书本距离，缺点是长时间佩戴时鼻子、耳朵会有不适，使用者尤其是儿童比较抗拒，另外还存在结构复杂、成本较高、容易误判等问题。

(3)陀螺仪、加速度计等惯性传感器件

目前出现了利用惯性传感器的坐姿检测预防近视的方法,主要是通过在头部或胸前佩戴集成了陀螺仪、重力传感器、加速度和角速度传感器芯片的传感器来实现对坐姿改变的检测。但是单一传感器的姿态检测容易因惯性传感器的漂移和累计误差导致测量精度的下降，并且不能测量用眼距离。

(4)视频图像处理的方法

这类方法属于计算机视觉技术领域，利用摄像仪器记录用户动态姿态，从视频流中识别用户特征并运用不同的算法进行坐姿判断。例如根据人体处于书写状态时的视频,在该视频中按一定的时间规律分析某几帧图像人体的头像定位从而判断是何种坐姿。这类方法或装置最大的问题是容易泄露使用者的隐私。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于智能移动终端矫正坐姿预防近视系统及其方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于智能移动终端矫正坐姿预防近视系统，包括移动智能终端及与所述移动智能终端相适配的耳机；

所述移动智能终端内设置的音频收发模块(分别对应麦克风与耳机接口)的信号收发端与移动智能终端控制器的信号收发端相连；

所述耳机包括左声道耳机和右声道耳机；在左、右声道耳机内分别设置有扬声器单元模块，并通过耳机与移动智能终端耳机接口相连接；

所述系统工作时，移动智能终端发射音频信号至耳机接口，然后通过有线或无线的方式将信号传送至左、右声道耳机，耳机将音频信号转换为声波信号并发射，移动智能终端利用麦克风接收声波信号后进行数据分析处理。

在本发明的一种优选实施方式中，所述移动智能终端为手机、平板电脑、笔记本、智能手表、可穿戴设备等；

所述耳机为有线或无线耳机。

本发明还公开了一种基于智能移动终端矫正坐姿预防近视方法。在坐姿佩戴耳机的情况下通过声波测量耳机与移动智能终端间的距离，检验左、右声道耳机与移动智能终端之间的距离变化，反映头部与阅读物之间的距离(用眼距离)，从而判断正确坐姿或不良坐姿，对不良的姿态发出警报提醒，进而有效预防近视的形成。该方法包括以下步骤：

s1，初始化，将移动智能终端置于阅读目标位置附近(或者移动智能终端本身即是阅读目标)，坐姿佩戴左、右声道耳机，获取正确坐姿的状态数据；

s2，保持佩戴耳机和移动智能终端位置，实时获取左、右两个声道的声波数据并测量移动智能终端与左、右声道耳机之间的距离；

s3，对两个声道的声波数据进行数据处理，并根据处理后的数据进行分类检测识别：识别正确坐姿和不良坐姿；

s4，对不良坐姿警报提醒。

在本发明的一种优选实施方式中，步骤s1中，获取正确坐姿的状态信息包括以下步骤：

s11，在正确坐姿用眼的情况下佩戴耳机并将移动智能终端置于阅读目标位置附近，移动智能终端向耳机左、右声道发送正交电磁波信号q1、q2，时刻分别记为t0、并且信号q1、q2携带了正交的音频信号；

s12，左声道耳机接收到电磁波信号q1的时刻为t1；右声道耳机接收到电磁波信号q2的时刻为t2；

s13，左声道耳机接收到电磁波信号q1后，左声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s1，左声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s1的时刻为t3；右声道耳机接收到电磁波信号q2后，右声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s2，右声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s2的时刻为t4；声波信号s1与声波信号s2正交；

s14，移动智能终端接收到左声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s1的时刻为t5；移动智能终端接收到右声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s2的时刻为t6；

s15，计算初始化正确坐姿状态下移动智能终端分别与左声道耳机和右声道耳机的初始化距离。

在本发明的一种优选实施方式中，在步骤s15中，计算初始化距离的方法包括：

s151，移动智能终端接收到左声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s1时，左声道耳机与移动智能终端的距离计算方法为：

l1＝v(t5-t3)，

耳机接收到电信号后即转变为声波信号，所以可以认为t3＝t1，因此：

其中l0为电磁波在移动智能终端和左声道耳机之间的传播距离，c为电磁波的传播速度，并且由于v＜＜c所以使用了近似

s152，移动智能终端接收到右声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s2时，右声道耳机与移动智能终端的距离计算方法为：

l2＝v(t6-t4)，

其中，v为声波在空气中传播的速度，耳机接收到电信号后即转变为声波信号，所以可以认为t4＝t2，因此：

其中为电磁波在移动智能终端和右声道耳机之间的传播距离，并且由于v＜＜c所以使用了近似

s16，根据步骤s11～s15获取正确坐姿情况下左、右声道耳机与移动智能终端的距离值l1、l2。

在本发明的一种优选实施方式中，步骤s2包括以下步骤：

s21，保持移动智能终端位置不变并进行坐姿用眼，移动智能终端每隔t秒向耳机左、右声道发送正交电磁波信号q1、q2，信号q1、q2携带了正交的音频信号，所述t为正数；其移动智能终端向左、右声道耳机发送第n次测距信号的时刻分别为t0(nt)、并且

s22，左声道耳机接收到电磁波信号q1的时刻为t1(nt)；右声道耳机接收到电磁波信号q2的时刻为t2(nt)；

s23，左声道耳机接收到电磁波信号q1后，左声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s1，左声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s1的时刻为t3(nt)；

右声道耳机接收到电磁波信号q2后，右声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s2，右声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s2的时刻为t4(nt)；声波信号s1与声波信号s2正交；

s24，移动智能终端接收到左声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s1的时刻为t5(nt)；移动智能终端接收到右声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s2的时刻为t6(nt)；

s25，分别测量移动智能终端与左声道耳机和右声道耳机之间的距离。

在本发明的一种优选实施方式中，在步骤s25中，测量移动智能终端与左声道耳机和右声道耳机之间的距离的方法包括：

s251，移动智能终端接收到左声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s1时，左声道耳机与移动智能终端的距离计算方法为：

l1(nt)＝v(t5(nt)-t3(nt))，

其中，v为声波在空气中传播的速度，耳机接收到电信号后即转变为声波信号，所以可以认为t3(nt)＝t1(nt)，因此：

其中l0(nt)＝c(t1(nt)-t0(nt))，为电磁波在移动智能终端和左声道耳机之间的传播距离，并且由于v＜＜c，所以使用了近似

s252，移动智能终端接收到右声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s2时，右声道耳机与移动智能终端的距离计算方法为：

l2(nt)＝v(t6(nt)-t4(nt))，

其中，v为声波在空气中传播的速度，耳机接收到电信号后即转变为声波信号，所以可以认为t4(nt)＝t2(nt)，因此：

其中为电磁波在移动智能终端和右声道耳机之间的传播距离，并且由于v＜＜c，所以使用了近似

根据步骤s21～s25获取任意时刻t0(nt)、左、右声道耳机与移动智能终端的距离值l1(nt)、l2(nt)。

在本发明的一种优选实施方式中，步骤s3包括以下步骤：

s31，计算并记录任意时刻t0(nt)时，左、右声道耳机距离偏移值d1(nt)、d2(nt)，以及总偏移值d(nt)：

d1(nt)＝l1(nt)-l1

d2(nt)＝l2(nt)-l2

d(nt)＝d1(nt)+d2(nt)

s32，计算m次连续测量值d((n-m+1)t),d((n-m+2)t),…d(nt)的平均值，所述m为小于或者等于n的正整数，并记为

s33，对任意时刻的m次连续测量值进行检验，检验左、右声道耳机与移动智能终端之间的距离变化，反映了头部与阅读物之间的距离(即用眼距离)，进而通过分类判断正确坐姿或不良坐姿。

在本发明的一种优选实施方式中，步骤s33包括以下步骤：

s331，检验假设η0:μ≤μ0,η1:μ＞μ0，其中η0为原假设，即假设在当前坐姿下用眼距离过近，η1为备选假设，即假设在当前坐姿下用眼距离正常，μ0为距离差的总体均值，μ为距离差的样本均值，与使用者身高h相关，根据经验有μ0＝-h/8；在原假设η0成立的条件下，检验的拒绝域为：

其中为计算得到的样本均值μ，并且s为样本标准差，并且α为一类风险显著水平；

s332，对于给定的显著水平α，根据t分布分位数表查表，确定统计量对应于显著水平α的临界值t1-α(m-1)；

s333，计算统计量的观测值如果拒绝原假设η0，即认为坐姿正确，否则接受原假设η0，即认为坐姿不良；

s334，坐姿不良情况下，移动智能终端记录当前左、右声道耳机距离偏移值坐标x＝(d1(nt),d2(nt))，类别标签记为label＝-1；坐姿正确情况下，记录当前左、右声道耳机距离偏移值坐标x＝(d1(nt),d2(nt))，类别标签记为label＝1。

利用二次规划求解工具求解最优化目标函数其中α＝(α1,…αl)为一系列拉格朗日乘子，αi为第i个拉格朗日乘子，αj为第j个拉格朗日乘子，l为样本个数，x⁽ⁱ⁾、x^(j)分别为第i、第j个样本的坐标，label⁽ⁱ⁾、label^(j)分别为第i、第j个样本的类别标签，约束条件为αi≥0，i＝1,…l，并且为高斯径向基核函数，σ是函数值跌落到0的速度参数。

计算得到分类超平面f(x)＝w^tx+b，其中斜率w^t是w的转置，截距将当前实时测量结果x＝(d1(nt),d2(nt))带入f(x)计算，如果f(x)＞0，则确认坐姿不良。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明能够对不良坐姿进行报警提醒，具有使用便捷、准确度高、实用性强、易于获取、不需要专门传感器设备等特点，可以直接放置在桌上、安装于书本或置于显示器屏幕上使用，不需要配合眼镜或其它特殊设备使用，可以用于已近视人群和未近视人群，适用面广，特别适合日常工作、生活中的近视预防应用。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是正确坐姿时本发明示意图。

图2是不良坐姿时本发明示意图。

图3是本发明流程框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1～3所示，首先佩戴一副通用耳机并将移动智能终端置于眼前阅读目标位置附近，在正确坐姿下初始化，获取正确坐姿的状态数据。在本实施例中，包括以下步骤：

s11，移动智能终端向耳机左、右声道发送正交电磁波信号q1、q2，时刻分别记为t0、t0+0.15s，信号q1、q2携带了声波测距信号s，本实施例中声波测距信号s选择为线性调频信号，频率范围为15khz～20khz，其波形表达式为：

其中

t为时间变量，单位是s；e为欧拉常数，j为虚数单位；fc＝18khz为载波频率，是调频斜率，为矩形窗函数，tc为矩形窗函数的宽度；信号的瞬时频率为fc+kt，-tc/2≤t≤tc/2。本实施例中频率范围对应fc＝17.5khz，b＝5khz，矩形窗函数的宽度设置为tc＝0.1s。

s12，左声道耳机接收到电磁波信号q1的时刻为t1；右声道耳机接收到电磁波信号q2的时刻为t2；

s13，左声道耳机接收到电磁波信号q1后，左声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s1，左声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s1的时刻为t3，并且其波形表达式为：

s1(t)＝s(t-t3)

经过脉冲压缩后的信号为：

同理，对右声道信号进行高分辨测距。右声道耳机接收到电磁波信号q2后，右声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s2，右声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s2的时刻为t4，并且其波形表达式为：

s2(t)＝s(t-t4)

经过脉冲压缩后的信号为：

s14，根据sc1(t)进行高分辨测距，得到移动智能终端接收到左声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s1的时刻t5；根据sc2(t)进行高分辨测距，移动智能终端接收到右声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s2的时刻t6；

s15，计算初始化正确坐姿状态下移动智能终端分别与左声道耳机和右声道耳机的初始化距离，在本实施例中，步骤s15包括以下步骤：

s151，计算左声道耳机与移动智能终端的距离：

l1＝v(t5-t0)，

其中，v为声波在空气中传播的速度，取v＝340m/s。

s152，计算右声道耳机与移动智能终端的距离：

l2＝v(t6-t0)，

l1、l2就是正确坐姿情况下左、右声道耳机与移动智能终端的距离值。在本实施例中通过测距计算得到l1＝0.45米，l2＝0.51米。

在本实施例中，步骤s2包括以下步骤：

s21，保持移动智能终端位置不变并进行坐姿用眼，移动智能终端每隔t＝1秒向耳机左、右声道发送正交电磁波信号q1、q2，信号q1、q2携带了正交的音频信号，所述t为正数；其移动智能终端向左、右声道耳机发送第n次测距信号的时刻分别为t0(nt)、t0(nt)+0.15s；

s22，左声道耳机接收到电磁波信号q1的时刻为t1(nt)；右声道耳机接收到电磁波信号q2的时刻为t2(nt)；

s23，左声道耳机接收到电磁波信号q1后，左声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s1，左声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s1的时刻为t3(nt)；

右声道耳机接收到电磁波信号q2后，右声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s2，右声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s2的时刻为t4(nt)；声波信号s1与声波信号s2正交；

s24，移动智能终端接收到左声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s1的时刻为t5(nt)；移动智能终端接收到右声道耳机向移动智能终端发送声波测距信号s2的时刻为t6(nt)；

s25，判断移动智能终端分别与左声道耳机和右声道耳机的距离，若距离未发生显著变化，则判断该坐姿作为正确坐姿。

本实施例步骤s25中，判断正确坐姿的方法包括：

s251，计算左声道耳机与移动智能终端的距离：

l1(nt)＝v(t5(nt)-t0(nt))，

其中，v＝340m/s为声波在空气中传播的速度。

s252，计算右声道耳机与移动智能终端的距离：

l2(nt)＝v(t6(nt)-t0(nt)-0.15)，

l1(nt)、l2(nt)就是正确坐姿情况下左、右声道耳机与移动智能终端的距离值。

根据步骤s21～s25获取任意时刻t0(nt)、t0(nt)+0.15s左、右声道耳机与移动智能终端的距离值l1(nt)、l2(nt)。

在本实施例中，步骤s3包括以下步骤：

s31，计算并记录任意时刻t0(nt)、t0(nt)+0.15s时，左、右声道耳机距离偏移值d1(nt)、d2(nt)，以及总偏移值d(nt)：

d1(nt)＝l1(nt)-l1

d2(nt)＝l2(nt)-l2

d(nt)＝d1(nt)+d2(nt)

s32，计算m＝5次连续测量值d((n-4)t),d((n-3)t),…d(nt)的平均值，并记为μ，在本实施例中，对三组时刻段t0(6),t0(7),t0(8),t0(9),t0(10)、t0(21),t0(22),t0(23),t0(24),t0(25)、t0(31),t0(32),t0(33),t0(34),t0(35)(分别对应正确坐姿、不良坐姿、不良坐姿)测量距离值，三组测量值分别为：[d(6),d(7),…d(10)]＝[-0.20,-0.18,-0.12,0.08,0.10]，[d(21),d(22),…d(25)]＝[-0.16,-0.20,-0.22,-0.25,-0.25][d(21),d(22),…d(25)]＝[-0.20,-0.18,-0.21,-0.23,-0.15]

s33，对任意时刻的m＝5次连续测量值进行检验，检验左、右声道耳机与移动智能终端之间的距离变化，反映了头部与阅读物之间的距离(即用眼距离)，从而分类判断正确坐姿或不良坐姿。

在本发明的一种优选实施方式中，步骤s33包括以下步骤：

s331，检验假设η0:μ≤μ0,η1:μ＞μ0，其中η0为原假设，即假设在当前坐姿下用眼距离过近(坐姿不良)，η1为备选假设，即假设在当前坐姿下用眼距离正常(坐姿正确)，μ0为距离差的总体均值，使用者身高h＝1.6米，有μ0＝-h/8＝-0.2米。在原假设η0成立的条件下，检验的拒绝域为：

其中为样本均值，并且s为样本标准差，并且α为一类风险显著水平，设置显著水平α＝0.1。

s332，对于给定的显著水平α＝0.1，根据t分布分位数表查表，确定统计量对应于显著水平α＝0.1的临界值t0.9(4)。

s333，查表根据t分布分位数表查表t1-α(m-1)＝t0.9(4)＝1.5332，计算统计量的观测值

对三个时刻t0(10)、t0(25)、t0(36)，分别计算得到因此在这三个时刻检验的结果分别为拒绝原假设η0、接受原假设η0、接受原假设η0。

s334，坐姿不良情况下，移动智能终端记录当前左、右声道耳机距离偏移值坐标x＝(d1(nt),d2(nt))，类别标签记为label＝-1；坐姿正确情况下，记录当前左、右声道耳机距离偏移值坐标x＝(d1(nt),d2(nt))，类别标签记为label＝1。

利用二次规划求解工具求解最优化目标函数其中α＝(α1,…αl)为一系列拉格朗日乘子，αi为第i个拉格朗日乘子，αj为第j个拉格朗日乘子，l为样本个数，x⁽ⁱ⁾、x^(j)分别为第i、第j个样本的坐标，label⁽ⁱ⁾、label^(j)分别为第i、第j个样本的类别标签，约束条件为αi≥0，i＝1,…l，并且为高斯径向基核函数，σ是函数值跌落到0的速度参数，设置为1。

计算得到分类超平面f(x)＝w^tx+b，其中斜率截距将t0(25)测量结果x＝(d1(25),d2(25))带入f(x)计算得到f(x)＞0，则确认t0(25)时刻坐姿不良；将t0(36)测量结果x＝(d1(36),d2(36))带入f(x)计算得到f(x)＞0，则确认t0(36)时刻坐姿不良。

s4，三个时刻t0(10)、t0(25)、t0(36)的判断结果分别为坐姿正确、坐姿不良、坐姿不良，该结果与实际情况一致。对t0(25)、t0(36)两个时刻的坐姿进行警报提醒。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。