基于閱讀姿態(tài)視覺(jué)識(shí)別與自適應(yīng)調(diào)整的智能閱讀架①

張永亮,安超群,潘必超,陳榕福,李 凌

1(廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信學(xué)院,廣州 510515)

2(蘇州先進(jìn)技術(shù)研究院,蘇州 215123)

根據(jù)最新調(diào)查顯示,目前小學(xué)生、初中生、高中生的近視率分別達(dá)到了39.05%、64.3%和72.8%,我國(guó)青少年近視率居世界之首[1].而讀寫(xiě)姿勢(shì)不正確、視距過(guò)近是造成青少年近視的主要原因;同時(shí)中小學(xué)階段是孩子成長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期,坐姿和讀寫(xiě)姿勢(shì)不正確,會(huì)影響到孩子骨骼的健康成長(zhǎng),容易造成駝背等不良后果.國(guó)內(nèi)外有很多企業(yè)在研究并已投入生產(chǎn)視力保護(hù)儀,大部分基于紅外傳感器、超聲波測(cè)距的原理實(shí)現(xiàn)[2-4],產(chǎn)品功能比較單一,不能從多個(gè)角度保護(hù)青少年的視力.

除了保護(hù)視力以外,糾正坐姿也是預(yù)防近視的有效辦法.目前,市場(chǎng)上用于矯正學(xué)生坐姿的產(chǎn)品主要有坐姿矯正器、背背佳等.首先,這類(lèi)產(chǎn)品需要用戶(hù)將儀器設(shè)備穿戴在身上,從使用者的舒適性、方便性等方面來(lái)講具有很差的用戶(hù)體驗(yàn).其次,市場(chǎng)上的該類(lèi)產(chǎn)品在功能上具有局限性和單一性等缺點(diǎn),其功能已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+”的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展形式,以及人們對(duì)智能化產(chǎn)品的需要和追求.

因此,本文提出了一種基于閱讀姿態(tài)視覺(jué)識(shí)別與自適應(yīng)調(diào)整的智能閱讀架,該閱讀架能夠利用采集的圖像信息實(shí)現(xiàn)對(duì)讀者閱讀姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與識(shí)別,并根據(jù)識(shí)別到的閱讀姿態(tài)智能調(diào)控閱讀架的高低、傾斜、角度等參量,自適應(yīng)用戶(hù)的坐姿.此外,智能閱讀架能夠?qū)⒂脩?hù)使用時(shí)間、閱讀姿態(tài)等信息上傳云端服務(wù)器,組建用戶(hù)檔案庫(kù),供用戶(hù)訪問(wèn).調(diào)研發(fā)現(xiàn),該智能閱讀架不僅能夠幫助閱讀者端正坐姿,挺直腰背,養(yǎng)成良好的讀寫(xiě)習(xí)慣,提高學(xué)習(xí)效率,還能有效防止駝背、脊椎彎曲,保護(hù)青少年的身心健康.

1 系統(tǒng)硬件及功能設(shè)計(jì)

智能閱讀架主要由閱讀架終端、云端服務(wù)器和應(yīng)用端用戶(hù)平臺(tái)3 部分構(gòu)成,整機(jī)架構(gòu)如圖1所示.其中,閱讀架終端采用ARM Cortex-A53 樹(shù)莓派微型電腦平臺(tái)架構(gòu),搭載四核高性能處理器,運(yùn)行主頻可達(dá) 1.2 GHz,運(yùn)行Raspbian系統(tǒng),擴(kuò)展攝像頭、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,實(shí)現(xiàn)攝像頭模塊實(shí)時(shí)采集并處理讀者的閱讀姿態(tài),并通過(guò)3 組步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)讀書(shū)架前后、左右、上下調(diào)節(jié),以適應(yīng)讀者前傾、后仰、左偏、右偏、抬頭、低頭等坐姿.擴(kuò)展LED 照明模塊、光線(xiàn)傳感器,以調(diào)節(jié)LED 照明亮度到合適閱讀亮度.此外,擴(kuò)展4G、WiFi 模塊,將閱讀狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)送到云端,建立讀者閱讀檔案,供用戶(hù)訪問(wèn).

圖1 智能閱讀架整機(jī)架構(gòu)圖

智能閱讀架的工作流程主要包括訓(xùn)練、工作、休眠、上傳4 個(gè)階段.

(1)訓(xùn)練:閱讀架首次開(kāi)機(jī)時(shí),根據(jù)系統(tǒng)提示,讀者在閱讀架單目攝像頭前保持標(biāo)準(zhǔn)及前傾、后仰、左偏、右偏、抬頭、低頭這7 種主要坐姿,機(jī)器將各種姿態(tài)的特征參數(shù)存儲(chǔ)到閱讀架系統(tǒng)模板庫(kù),完成訓(xùn)練.

(2)工作:在智能閱讀架工作時(shí),攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控讀者的坐姿,當(dāng)讀者身體前傾、后移姿態(tài)變化時(shí),攝像頭捕捉并識(shí)別到讀者姿態(tài),并通知系統(tǒng)控制前后步進(jìn)電機(jī)1 動(dòng)作,智能閱讀架向前或后移動(dòng),保持讀者與閱讀架之間的健康距離;同樣,當(dāng)讀者抬頭或低頭閱讀時(shí),攝像頭也會(huì)通過(guò)識(shí)別讀者姿態(tài),通知系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)2 動(dòng)作,智能閱讀架向上或向下轉(zhuǎn)動(dòng),保持讀者與閱讀架之間的健康角度.當(dāng)讀者出現(xiàn)左偏、右偏等不正確的坐姿時(shí),系統(tǒng)將控制步進(jìn)電機(jī)3 動(dòng)作,智能閱讀架向左或向右,保持讀者與閱讀架之間的健康角度.

(3)休眠:如果系統(tǒng)檢測(cè)到長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人使用實(shí)時(shí),自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài).

(4)上傳:智能閱讀架實(shí)時(shí)將讀者的閱讀時(shí)間、閱讀姿態(tài)等信息上傳到云端數(shù)據(jù)庫(kù),建立讀者閱讀檔案,用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)進(jìn)行訪問(wèn)和控制,方便家長(zhǎng)或老師對(duì)學(xué)生閱讀姿勢(shì)的監(jiān)控、提醒和糾正.

1.1 閱讀架終端設(shè)計(jì)

1.1.1 樹(shù)莓派主控系統(tǒng)

智能閱讀架終端基于樹(shù)梅派/Raspberry Pi 3B 平臺(tái)設(shè)計(jì),運(yùn)行Raspbian 操作系統(tǒng).樹(shù)莓派3 相比樹(shù)莓派2 在CPU 上做了全方位的升級(jí),從32 位A7 升級(jí)到64 位A53 BCM2837 芯片,主頻從900 MHz 升級(jí)到1.2 GHz;GPU 主頻從250 MHz 提升到400 MHz;功能上增加了WiFi/BLE,方便對(duì)智能產(chǎn)品的開(kāi)發(fā);供電電路升級(jí)到2.5A@5V,增加了擴(kuò)展更多模塊的可能性.支持浮點(diǎn)計(jì)算,BCM2837 核心電路核心電路如圖2所示.

圖2 BCM2837 核心電路

1.1.2 攝像頭電路

Raspberry Pi 3B 擴(kuò)展索尼IMX219 800 萬(wàn)像素?cái)z像頭,靜態(tài)圖片分辨率為3280×2464,支持1080p 30,720p 60 以及640×480p 90 視頻錄像,并具有夜視功能,可以實(shí)時(shí)檢測(cè)并識(shí)別閱讀者前傾、后仰、左偏、右偏、抬頭、低頭以及標(biāo)準(zhǔn)的閱讀坐姿.攝像頭模組通過(guò)CSI 接口與樹(shù)梅派連接如圖3所示.

1.1.3 擴(kuò)展GPIO 接口

Raspberry Pi 3B 擴(kuò)展了40 個(gè)引腳接口,其端口明細(xì)如圖4所示.通過(guò)安裝Wiring Pi 庫(kù)函數(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)GPIO 管腳的控制,此外,Wiring Pi 中包含了I2C、SPI、UART 庫(kù),可以配置并使用樹(shù)莓派上的特殊功能接口.

由圖4可見(jiàn),樹(shù)莓派擴(kuò)展的40 個(gè)引腳中,有13 個(gè)普通輸入和輸出管腳,一個(gè)I2C、兩個(gè)SPI 和一個(gè)UART 接口.如果不使用I2C,SPI 和UART 等復(fù)用接口,那么樹(shù)莓派總共具有26 個(gè)普通IO.

1.1.4 電機(jī)控制及角度檢測(cè)電路

Raspberry Pi 3B 通過(guò)9 個(gè)IO 口連接步進(jìn)電機(jī)控制器,控制3 組步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),分別實(shí)現(xiàn)對(duì)閱讀架前后、左右、上下等姿態(tài)的精確控制.其中,步進(jìn)電機(jī)采用山社SS1102A10A 型號(hào),尺寸為28 mm 的二相電機(jī),靜力矩150 mNm,定位精度高,動(dòng)態(tài)特性好;驅(qū)動(dòng)器采用山社MD-2522 型號(hào),內(nèi)置有PID 電流控制算法,具有過(guò)壓、欠壓,相電流過(guò)流保護(hù)功能.每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的STEP+,DIR+,EN+與樹(shù)梅派的3 個(gè)IO 連接,如圖5所示.其中,GPIO5、6、12 連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1;GPIO13、16、19 連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2;GPIO20、21、26 連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3.

圖3 擴(kuò)展攝像頭模塊接口電路

圖4 擴(kuò)展GPIO 口的連接關(guān)系

采用ADXL345 三軸加速度傳感器,實(shí)現(xiàn)加速度的測(cè)量,并通過(guò)計(jì)算得到X、Y、Z 3 個(gè)方向的傾角值,與步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng).ADXL345 三軸加速度傳感器具有在16 GB 下高分辨率(13 Bit)測(cè)量能力,允許測(cè)量小于1 度的傾角.ADXL345 模塊上電后,加速度使慣性質(zhì)量偏轉(zhuǎn)、差分電容失衡,使傳感器輸出與加速度成正比的電壓值.模塊對(duì)得到的電壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)字濾波,再存入FIFO 存儲(chǔ)器,最后根據(jù)中斷指令將數(shù)字信號(hào)通過(guò)4 線(xiàn)SPI 接口輸出,如圖6所示.這里,ADXL345 通過(guò)SPI 總線(xiàn)連接到樹(shù)梅派SPI 接口.

1.1.5 LED 智能照明電路

為了實(shí)時(shí)采集閱讀架工作環(huán)境的光線(xiàn)強(qiáng)度,并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)照明功能.采用BH1750FVI 進(jìn)行環(huán)境光強(qiáng)度測(cè)量,該芯片是日本RHOM 推出的一款內(nèi)置16 Bit AD 轉(zhuǎn)換器的不區(qū)分環(huán)境光源的光電轉(zhuǎn)換芯片,具有接近于視覺(jué)靈敏度的分光特性,分辨率可達(dá)1 LX,采用標(biāo)準(zhǔn)IIC 通信接口,連接至樹(shù)莓派SDA1(GPIO2)、SCL1(GPIO3),如圖7所示.

LED 照明調(diào)節(jié)電路采用LED 大功率照明恒流驅(qū)動(dòng)芯片AMC7150,AMC7150 具有4～40 V 的寬工作電壓,驅(qū)動(dòng)電流最高可達(dá)1.5 A,可以驅(qū)動(dòng)24 W 的高功率LED.AMC7150 內(nèi)建PWM(脈沖寬度調(diào)變)與功率晶體管,只需5 顆外部零件,工作頻率由外部電容控制可達(dá)200 KHz.LED 照明調(diào)節(jié)電路電路圖8所示,AMC750 芯片5 腳,即LED_Ctrl 信號(hào)連接至樹(shù)莓派GPIO25,如圖8所示.當(dāng)輸出為高電平(2-3.3 V)時(shí),芯片內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器被關(guān)斷;當(dāng)輸出為低電平時(shí),芯片內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通.因此,通過(guò)調(diào)節(jié)GPIO25 控制信號(hào)的占空比,則可以調(diào)節(jié)LED 的亮度,滿(mǎn)足閱讀架智能照明的需求.

圖5 樹(shù)梅派與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口電路

圖6 ADXL345 與樹(shù)莓派接口電路

圖7 BH1750FVI 與樹(shù)莓派接口

1.2 云服務(wù)器功能設(shè)計(jì)

云服務(wù)器軟件能接收讀者的閱讀狀態(tài)數(shù)據(jù),并建立讀者閱讀檔案,供用戶(hù)訪問(wèn).為了方便移動(dòng)端用戶(hù)的高并發(fā)訪問(wèn),有效利用Web 服務(wù)器的,防止服務(wù)器線(xiàn)程阻塞,云服務(wù)器采用Memcached 高效內(nèi)存緩存技術(shù)+RabbitMQ 作為消息隊(duì)列服務(wù),提供更快的訪問(wèn)速度和更高的并發(fā)訪問(wèn)能力.以Web API 的形式同時(shí)面向設(shè)備上傳與數(shù)據(jù)下載,提供基于Restful API 的接口,如圖9所示.

1.3 用戶(hù)端手機(jī)功能設(shè)計(jì)

用戶(hù)移動(dòng)端APP 功能包括注冊(cè),登陸、信息瀏覽、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)查詢(xún)、互動(dòng)討論等.在用戶(hù)使用過(guò)程中,手機(jī)APP 通過(guò)監(jiān)聽(tīng)云服務(wù)器的信息,實(shí)時(shí)顯示用戶(hù)信息、設(shè)備信息、閱讀時(shí)間、閱讀姿態(tài)等閱讀信息,以方便用戶(hù)體驗(yàn),監(jiān)測(cè)和分析用戶(hù)的閱讀習(xí)慣.智能閱讀架使用一段時(shí)間后,系統(tǒng)將自動(dòng)的給出整體的評(píng)價(jià)參數(shù)、注意事項(xiàng),建立用戶(hù)閱讀習(xí)慣檔案,供用戶(hù)查閱.

圖8 LED 照明調(diào)節(jié)電路與樹(shù)莓派接口

圖9 云服務(wù)器框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于Wiring Pi 庫(kù)函數(shù)的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要包括3 組步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、閱讀架XYZ 方向三軸角度檢測(cè)、閱讀架光強(qiáng)度信息采集、LED 控制照明等4 部分.通過(guò)安裝WiringPi 控制庫(kù)函數(shù),基于C 語(yǔ)言編程,調(diào)用樹(shù)莓派板載的 GPIO、UART、IIC、SPI 等資源的驅(qū)動(dòng),由gcc 編譯器生成文件,并用sudo 調(diào)用執(zhí)行文件,實(shí)現(xiàn)閱讀架控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),具體流程如圖10所示.

樹(shù)莓派默認(rèn)是將SPI 和I2C 功能關(guān)閉的,因此需要先開(kāi)啟SPI 和IIC 接口功能.然后,通過(guò)輪詢(xún)方式每隔一個(gè)固定時(shí)間,查詢(xún)讀者的閱讀坐姿,閱讀架三軸的角度,并根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù),控制3 組步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng),適應(yīng)讀者坐姿的要求.同時(shí),查詢(xún)環(huán)境光強(qiáng)度,通過(guò)GPIO25 控制LED 照明裝置,實(shí)現(xiàn)閱讀架亮度的智能調(diào)節(jié).

2.2 基于OpenCV 視覺(jué)庫(kù)的閱讀姿態(tài)訓(xùn)練和分類(lèi)識(shí)別

OpenCV 是一個(gè)基于發(fā)行的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù),可以運(yùn)行在Linux、Windows 和Mac OS 操作系統(tǒng)上,由一系列 C 函數(shù)和少量 C++ 類(lèi)構(gòu)成.這里,采用OpenCV 及其Python 接口實(shí)時(shí)讀取攝像頭數(shù)據(jù),并完成閱讀姿態(tài)訓(xùn)練和分類(lèi)算法移植和軟件系統(tǒng)搭建.首先在樹(shù)莓派中安裝OpenCV 庫(kù),為了能夠利用VideoCapture、cvtColor、imshow 等命令調(diào)用CSI 接口的攝像頭,需要打開(kāi)/etc/下面的modules-load.d/ rpicamera.conf,在最后添加一行bcm2835-v4l2,即在系統(tǒng)啟動(dòng)之后加載bcm2835-v4l2 這個(gè)模塊.

圖10 控制系統(tǒng)軟件流程

為了保證智能閱讀架可靠、穩(wěn)定的工作,讀者閱讀姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與識(shí)別是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),其系統(tǒng)框圖如圖11所示.

閱讀架的單目攝像頭實(shí)時(shí)收集閱讀者的標(biāo)準(zhǔn)、前傾、后仰、左偏、右偏、抬頭、低頭等姿態(tài)數(shù)據(jù),并對(duì)收集到的實(shí)時(shí)圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行灰度二值化處理,提取特征參數(shù),構(gòu)建讀者基本姿態(tài)模板庫(kù),最后將讀者的姿態(tài)和模板庫(kù)姿態(tài)實(shí)時(shí)對(duì)比,進(jìn)行讀者姿態(tài)動(dòng)作的識(shí)別.

2.2.1 姿態(tài)圖像加權(quán)灰度處理

攝像頭獲取的讀者姿態(tài)實(shí)時(shí)RGB 圖像,具有豐富的形變,運(yùn)動(dòng)以及紋理特征,因此,為了降低識(shí)別的復(fù)雜度,減小計(jì)算工作量,保證識(shí)別的正確率,需要進(jìn)行灰度化處理.這里采用加權(quán)平均進(jìn)行灰度化處理,如式(1)所示.

大量的實(shí)驗(yàn)表明,取Wr=0.30,Wg=0.59,Wb=0.11 時(shí),能得到最合適的灰度圖像.

圖11 閱讀姿態(tài)識(shí)別流程圖

2.2.2 姿態(tài)圖像二值化

讀者姿態(tài)的邊緣分割是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵技術(shù)之一[5,6],這里采用分塊自適應(yīng)閾值設(shè)定法,即對(duì)圖像按區(qū)域分成16×16 小塊,然后取每一小塊灰度平均值的1/8 作為閾值進(jìn)行二值化,實(shí)驗(yàn)表明,采用分塊自適應(yīng)閾值設(shè)定法,讀者姿態(tài)圖像邊緣提取效果好,能滿(mǎn)足識(shí)別的要求.

2.2.3 特征提取和姿態(tài)識(shí)別

姿態(tài)圖像經(jīng)二值化后,閱讀姿態(tài)輪廓已經(jīng)基本呈現(xiàn)出來(lái).觀察分析發(fā)現(xiàn),左偏、右偏閱讀姿態(tài)圖中,主要邊緣成分具有明顯的偏離中心線(xiàn)的特征,因此,為了保證識(shí)別的效果,采用兩級(jí)識(shí)別法,第一級(jí)先識(shí)別左右偏閱讀姿態(tài);第二級(jí)再識(shí)別其他閱讀姿態(tài).

第一級(jí)識(shí)別過(guò)程如下:

(1)以二值圖片中心點(diǎn)為界,將圖片分為左右兩側(cè);

(2)分別統(tǒng)計(jì)二值圖像左、右兩側(cè)的黑色像素點(diǎn)的總數(shù)量;

(3)若左側(cè)像素點(diǎn)明顯大于右側(cè)像素點(diǎn),則讀者閱讀姿態(tài)為左偏;反之,讀者閱讀姿態(tài)為右偏.

大量的實(shí)驗(yàn)表明,步驟3 中,左右兩側(cè)黑色像素點(diǎn)差異超過(guò)20%,能保證識(shí)別的精度.

第二級(jí)識(shí)別采用模板匹配技術(shù)[7,8],即將待識(shí)別閱讀者的二值姿態(tài)圖與預(yù)先存儲(chǔ)的各種姿態(tài)模板進(jìn)行匹配,通過(guò)測(cè)量?jī)烧咧g的歐式距離,如式(2)所示,最小距離值所對(duì)應(yīng)的模板姿態(tài)即為當(dāng)前閱讀姿態(tài).

2.3 云服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

服務(wù)器軟件主要負(fù)責(zé)讀者閱讀姿態(tài)數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ),閱讀姿態(tài)分析等功能.包含3 個(gè)功能模塊:Web API接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和閱讀姿態(tài)統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái).Web API使用 Java 語(yǔ)言、Tomcat 容器、MyBatis-Spring 技術(shù)框架來(lái)構(gòu)建.用戶(hù)的智能手機(jī) APP 和閱讀習(xí)慣分析平臺(tái)均通過(guò) Web API 來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù).此外,與 Web API 的通訊采用 HTTPS 加密通道,以確保數(shù)據(jù)的安全性.閱讀數(shù)據(jù)在服務(wù)器后臺(tái)采用MySQL+MongoDB 數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能.閱讀架終端數(shù)據(jù)上傳后,MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)主要保存讀者的個(gè)人基本信息、閱讀時(shí)間,閱讀次數(shù)、7 種閱讀姿態(tài)時(shí)間統(tǒng)計(jì),MongoDB 用于在線(xiàn)坐姿特征分析的存儲(chǔ)等,閱讀數(shù)據(jù)E-R 圖如圖12所示.

2.4 手機(jī)APP 設(shè)計(jì)

用戶(hù)Android 手機(jī)或平板可以通過(guò)Wifi 或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入因特網(wǎng)來(lái)訪問(wèn)閱讀架云端服務(wù)器.Android 版采用Java 語(yǔ)言、Android Studio 工具開(kāi)發(fā).手機(jī)或平板APP 由注冊(cè)/登錄、用戶(hù)信息、閱讀信息、閱讀姿態(tài)統(tǒng)計(jì)、閱讀分析報(bào)告5 個(gè)模塊構(gòu)成.APP 的數(shù)據(jù)接口采用JSON 技術(shù)與數(shù)據(jù)接口交換數(shù)據(jù).訪問(wèn)前,讀者首先通過(guò)智能手機(jī) APP 注冊(cè)用戶(hù)賬號(hào),注冊(cè)成功并登錄后,可以修改用戶(hù)信息、瀏覽閱讀時(shí)間、閱讀姿態(tài)等信息,查看閱讀姿態(tài)統(tǒng)計(jì)圖等閱讀習(xí)慣檔案.

3 測(cè)試結(jié)果及分析

用戶(hù)閱讀姿態(tài)的正確識(shí)別是確保整個(gè)系統(tǒng)可靠工作的關(guān)鍵.因此,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,選取了50 個(gè)讀者,每個(gè)讀者的7 種閱讀姿態(tài)各拍攝了10 次,建立了讀者姿態(tài)庫(kù),其中,姿態(tài)庫(kù)中的圖片大小均為320×180 像素,RGB 格式.圖13所示為某一讀者的閱讀姿態(tài)圖.

圖12 閱讀數(shù)據(jù)E-R 圖

圖13 閱讀姿態(tài)圖

將圖13中RGB 圖,按照式(1)進(jìn)行加權(quán)灰度處理以及分塊二值化處理,結(jié)果如圖14所示.

對(duì)比圖13、圖14可見(jiàn),圖像二值化后,背景圖像得到了有效的過(guò)濾,讀者的7 種閱讀姿態(tài)凸顯出來(lái).由于讀者坐在閱讀架的正中間,左偏和右偏具有明顯的偏離中心線(xiàn)的特征,另外5 種閱讀姿態(tài)邊緣輪廓清晰,肉眼可以直觀的進(jìn)行辨別.

隨機(jī)選取25 人進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)、前傾、后仰、抬頭、低頭、左偏、右偏7 種閱讀姿態(tài)訓(xùn)練;剩余的25 人,采用兩級(jí)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行讀者閱讀姿態(tài)識(shí)別,其中攝像頭每隔2 s 捕捉一次讀者的坐姿,其識(shí)別正確率如表1所示.

分析表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),標(biāo)準(zhǔn)、前傾、后仰、抬頭、低頭5 種閱讀姿態(tài)識(shí)別率在90%以上,但是左偏和右偏識(shí)別率稍低于90%,究其原因發(fā)現(xiàn),由于攝像頭每隔2 s 采集一次讀者的坐姿,在采集該坐姿瞬間,可能處于姿態(tài)過(guò)渡階段,因此造成了識(shí)別的誤判.此外,采集讀者閱讀姿態(tài)的時(shí)候,個(gè)別讀者沒(méi)有坐到閱讀架的正中間,也造成了左偏和右偏的識(shí)別稍微偏低.但是,7 種閱讀姿態(tài)的識(shí)別率整體在88%以上,仍然能夠滿(mǎn)足智能閱讀架日常使用的要求.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的智能閱讀架通過(guò)集成視頻模組,利用圖像識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)對(duì)人體姿態(tài)的監(jiān)控,在用戶(hù)不需要可穿戴設(shè)備的情況下就可以對(duì)使用者的姿態(tài)進(jìn)行識(shí)別.通過(guò)識(shí)別到的用戶(hù)姿態(tài),智能閱讀架可以進(jìn)行智能調(diào)節(jié),主動(dòng)滿(mǎn)足使用者的姿態(tài)需求.同時(shí),閱讀架與云端數(shù)據(jù)庫(kù)相連,能夠?qū)⒂脩?hù)的使用時(shí)間、閱讀姿態(tài)等信息實(shí)時(shí)上傳組建用戶(hù)信息檔案庫(kù),用戶(hù)可以隨時(shí)通過(guò)手機(jī)APP 訪問(wèn)檔案庫(kù),了解相關(guān)信息或進(jìn)行遠(yuǎn)程控制.

該設(shè)計(jì)產(chǎn)品可以廣泛推廣到幼兒園及中小學(xué)、高校、圖書(shū)館閱覽室、普通家庭,幫助閱讀者端正坐姿,挺直腰背,養(yǎng)成良好的閱讀習(xí)慣,提高學(xué)習(xí)效率,有效防止駝背、脊椎彎曲,保護(hù)青少年的身心健康,社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著.

圖14 灰度二值化后圖

表1 各閱讀姿態(tài)下系統(tǒng)的識(shí)別正確率