智能眼部護理系統(tǒng)

吳向星++胡文磊++李雯雯++林旭珠++莫怡燦

摘要：針對目前市場上基于圖像識別的人機交互設備在使用過程中普遍存在的問題，如人臉識別準確率低、算法執(zhí)行效率低，功能簡單且分散等，本文提出一種智能信息化設備的實現(xiàn)方法。該設備以STM32單片機為管理核心，組建以wifi通信協(xié)議為主的無線傳感網(wǎng)絡，使用多種信息化，智能化如語音控制、體感測試、智能定位算法、數(shù)據(jù)采集等手段達到精準、使用舒適的目的。

關(guān)鍵詞：定位算法；stm32；體感測試

中圖分類號：TM301 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）10-0066-01

隨著計算機科學技術(shù)的發(fā)展和人們?nèi)找嬖鲩L的需求刺激，近年來，基于圖像識別的人機交互技術(shù)走進了人們的生活。為了適應人們逐漸轉(zhuǎn)變的眼部護理習慣，適應物聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展下的商品要求，研發(fā)高智能化、精準便攜、使用舒適的眼部護理產(chǎn)品，對實現(xiàn)改變?nèi)藗兊淖o眼習慣、智能便捷的護理眼睛具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)由眼部按摩器模塊、Kinect體感測視力模塊、云服務系統(tǒng)模塊、APP顯示模塊、放松娛樂模塊組成。本系統(tǒng)通過“智能控制中心”對整個眼部護理系統(tǒng)進行控制，該“智能控制中心”由STM32主控模塊和APP顯示模塊構(gòu)成。在本系統(tǒng)中，“智能控制中心”主要負責連接互聯(lián)網(wǎng)，收集其他模塊信息和發(fā)送控制指令。為了使系統(tǒng)更加貼近用戶需求，本系統(tǒng)采用了wifi協(xié)議進行通訊。由于該協(xié)議的特性，當部分模塊損壞時，系統(tǒng)的其他功能不會受影響。另外，系統(tǒng)還設有檢查模塊能否正常工作的功能，主要由“智能控制中心”發(fā)送檢查指令給其他模塊，其他模塊接收指令后進行回應。若“智能控制中心”沒收到回應，則表明該模塊處于非正常狀態(tài)，相應信息將會直接顯示在用戶的APP上。

2 項目基本功能及流程

2.1 主控芯片的選取

本系統(tǒng)采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103xx芯片作為主控芯片。該芯片以Cortex-M3為內(nèi)核，提供開發(fā)所需的低成本的平臺、縮減的管腳數(shù)、降低的系統(tǒng)功耗，卓越的計算性能和先進的中斷系統(tǒng)響應，是一款高性能的32位芯片[1]。該芯片豐富的外設配置，可用于本系統(tǒng)硬件電路的搭建以及實現(xiàn)相應的控制功能，能夠滿足本系統(tǒng)設計所需。

2.2 電源模塊的設計

本系統(tǒng)的各個模塊需要不同的供電電壓，主要由常見的LM7812和LM7805三端穩(wěn)壓芯片構(gòu)成的電路提供。具體為，使用變壓器及相關(guān)電路，將220V交流電進行降壓。降壓電路輸出端接整流濾波電路，使交流電變?yōu)槠街钡闹绷麟姟４藭r輸出的直流電經(jīng)過LM7812模塊、LM7805模塊后，即可給各模塊提供合適的電壓。

2.3 眼睛的精定位

眼睛的定位是在人臉區(qū)域檢測出來的結(jié)果上進行的。主要分為眼睛區(qū)域的定位以及眼睛的精確定位。眼睛區(qū)域的定位可根據(jù)人臉的“三庭五眼”和眼睛灰度較小的特點實現(xiàn)。根據(jù)人臉結(jié)構(gòu)具有“三庭五眼”的特點，可把人臉從發(fā)際線到下頦三等分；從左到右分為五等分，其中長度約為人眼長度。根據(jù)人臉眼部灰度比其他部位小的特點，可通過基于積分圖的計算，尋找滿足條件的兩個區(qū)域，這兩個區(qū)域即包含眼睛的區(qū)域。其中，這兩個區(qū)域必須滿足灰度接近，且灰度小于中間區(qū)域的條件。

得到包含眼睛的區(qū)域后，還需要進行眼睛的精確定位，該操作實際是對虹膜進行定位。虹膜定位需要確定虹膜的邊界，即虹膜與鞏膜的邊界，虹膜與瞳孔的邊界，是虹膜信息提取的關(guān)鍵步驟。具體為，使圖像中虹膜的邊界像素點的灰度盡可能趨向一致，但不能消除邊界的灰度差異，從而利用在確定邊界時，將虹膜和鞏膜之間、虹膜和瞳孔之間的模糊邊帶剔除[2]。

2.4 Kinect體感測視力

Kinect是微軟公布的XBOX360體感周邊外設，具有3D體感攝影、即時動態(tài)捕捉、影像辨識、麥克風輸入、語音辨識、社群互動等功能。Kinect可以捕捉三維空間中運動軌跡、辨識人臉，辨認聲音和接受命令。并且可以設計程序去識別、記憶、分析處理這些動作，同時還有一個傳感器負責探測力度和深度、四個麥克風負責采集聲音，形成一個綜合的控制系統(tǒng)[3]。

Kinect基礎源程序是開源的，非常適合開發(fā)者的二次開發(fā)。本項目設計將使用kinect作為采集人體基本信息和實時動作的硬件平臺。測視力分為裸眼測試和矯正測試（帶上眼鏡），APP逐個顯示視力表“E”，Kinect獲取肢體動作，識別是否正確，數(shù)據(jù)發(fā)至云端，測試結(jié)束后，發(fā)回測試結(jié)果。APP顯示結(jié)果和提出的建議（用眼建議、視力變化、是否需要更換眼鏡等），Kinect采集人體的基本信息和實時動作，根據(jù)用戶的習慣通過視力表來測試視力，增加測試數(shù)據(jù)的可靠性。同時，語音播報，將各項數(shù)據(jù)存到云端，通過APP可查詢，可統(tǒng)計多次視力測試結(jié)果，生成報表或圖表。

2.5 提醒

根據(jù)用戶按摩時間、測視力時間，智能提醒用戶按摩或測視力。能定期提醒用戶做眼保健操，播放眼保健操視頻，將時間和次數(shù)等數(shù)據(jù)存到云端，通過APP可查詢，可統(tǒng)計多次數(shù)據(jù)，生成報表或圖表。

2.6 放松娛樂

為了增加生活的趣味性，并且達到放松的目的，應用平臺增加了基于Kinect的體感小游戲，用戶可以在按摩完眼部后適當?shù)胤潘?。此外，還可以播放讓人舒適的輕音樂，護眼的圖片以及播報保護眼睛愛護眼睛的小知識，在放松娛樂的過程中，也不忘養(yǎng)護眼睛、增進知識。為了更加符合眼睛的醫(yī)療保健，還可以增加眼控的小游戲，通過游戲鍛煉眼睛，讓疲勞的眼睛“動”起來。

3 結(jié)語

經(jīng)過試驗驗證該項目切實可行，該系統(tǒng)不但可以有效的對用戶的眼部進行按摩，測試視力，還可以將每次測試的數(shù)據(jù)以報表的形式反饋到用戶的手機，用戶下載一款APP就能查看自己的眼部健康情況，極大地改善了用戶對眼部護理的方式。

本項目開發(fā)受到2017年“攀登計劃”廣東省大學生科技創(chuàng)新培育專項資金資助，在此項目全體成員表示衷心的感謝。

參考文獻

[1]鐘科.基于STM32的溫度測量系統(tǒng).微處理機，2015，（2）：64-66.

[2]郭永彩，徐梅宣，高潮.一種快速虹膜定位算法[J].光電工程，2005，07：33-37.

[3]石曼銀.Kinect技術(shù)與工作原理的研究[J].哈爾濱師范大學自然科學學報，2013，03：83-86.