基于圖像采集的兒童視力保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁小一 呂 菲

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230000）

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們使用電子產(chǎn)品的頻率越來(lái)越高，尤其是孩子，他們對(duì)于電子產(chǎn)品沒(méi)有任何的抵抗力。電子產(chǎn)品的使用，可以讓孩子增長(zhǎng)見(jiàn)識(shí)，但同時(shí)也會(huì)讓孩子不喜歡運(yùn)動(dòng)，更為嚴(yán)重的是，長(zhǎng)時(shí)間的看電子產(chǎn)品則會(huì)讓孩子視力受到影響。有研究表明，幼兒連續(xù)玩20 分鐘電子產(chǎn)品，如手機(jī)或iPad，視力平均下降到42 度左右的近視狀態(tài)[1]。兒童在利用電子產(chǎn)品進(jìn)行一些娛樂(lè)活動(dòng)時(shí)，建議每次不要超過(guò)15 分鐘，每天不要超過(guò)4次；如果學(xué)習(xí)需要，建議使用屏幕較大的電子產(chǎn)品，如iPad，而且在學(xué)習(xí)30 到40 分鐘以后，至少休息10 分鐘[2]。眾所周知，兒童讀書寫字的時(shí)候，眼睛與書本之間的距離不要超過(guò)33 厘米，使用電子產(chǎn)品時(shí)候，也可參照這個(gè)值。為了監(jiān)測(cè)兒童長(zhǎng)時(shí)間或近距離使用電子產(chǎn)品，本文設(shè)計(jì)了一款基于圖像采集的兒童視力保護(hù)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于圖像采集的兒童視力保護(hù)系統(tǒng)主要是為了監(jiān)測(cè)兒童長(zhǎng)時(shí)間或近距離使用電子產(chǎn)品，如手機(jī)、iPad 等。它主要由六部分組成：電源模塊、主控模塊、顯示屏模塊、圖像采集模塊、預(yù)警模塊、光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 兒童視力保護(hù)系統(tǒng)總體框圖

其中，電源模塊給兒童視力保護(hù)系統(tǒng)提供各種電壓值；圖像采集模塊采集兒童臉的圖像，進(jìn)而確定兒童眼的位置；當(dāng)前環(huán)境的光照強(qiáng)度，可以用光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊進(jìn)行檢測(cè)；主控模塊采集光照強(qiáng)度傳感器的信號(hào)和攝像頭的圖像，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器或LED 閃爍報(bào)警模塊；對(duì)于圖像采集模塊的原始圖像，可以在顯示屏上顯示，以備查看及分析。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主 控 模 塊 采 用 恩 智 浦 NXP 微 控 制 芯 片MK66FX1M0VLQ18，該芯片主頻可以達(dá)到180MHz 含1.25MB Flash、256KB SRAM、4 個(gè)I2C、兩通道16bit ADC 等[3]，充分滿足設(shè)計(jì)需求。通過(guò)采集傳感器的信號(hào)和攝像頭的圖像，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器或LED 閃爍報(bào)警模塊。

2.2 圖像采集模塊

圖像采集模塊采用ONsemi 公司的MT9V034，該模塊利用Global Shutter 技術(shù)，同時(shí)曝光整幀像素[4]，具有全局快門、高動(dòng)態(tài)成像、紅外透視以及超低功耗等特點(diǎn)。圖像采集模塊使用一根20pin 的FPC 排線加轉(zhuǎn)接板，利用I2C 總線與主控模塊相連接，具體如下圖2 所示。其中，D2-D9 為八位數(shù)據(jù)口（PTD0-PTD7）；LINE 為行中斷；FRM 為場(chǎng)中斷；SCL 為I2C 總線SCL；SDA 為I2C 總線SDA；PIX 為像素時(shí)鐘。

圖2 圖像采集模塊的原理圖

MK66FX1M0VLQ18 芯片是通過(guò)行中斷、場(chǎng)中斷和DMA 來(lái)采集圖像的，當(dāng)攝像頭開(kāi)始發(fā)送一幀新圖像時(shí)，攝像頭的FRM管腳會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿，將單片機(jī)和攝像頭FRM管腳連接的IO 口配置為外部中斷模式，產(chǎn)生中斷時(shí)，說(shuō)明來(lái)了一幀新圖像。攝像頭發(fā)送一幀圖像是按行發(fā)送的，每當(dāng)攝像頭開(kāi)始發(fā)送一行圖像時(shí)，攝像頭的LINE 管腳就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿，將單片機(jī)和攝像頭LINE 管腳連接的IO 口配置為外部中斷模式，中斷發(fā)生時(shí)，單片機(jī)就知道了有一行新圖像要來(lái)了，并且在中斷里面開(kāi)啟DMA 傳輸，傳輸?shù)絹?lái)的像素點(diǎn)。攝像頭和單片機(jī)之間的同步就由PIX 來(lái)實(shí)現(xiàn)，每當(dāng)單片機(jī)和PIX 相連接的IO 口檢測(cè)到一個(gè)上升沿，DMA 就傳輸一次，直到所有的傳輸結(jié)束。

當(dāng)采集到圖像信息，可以使用TFT1.8 寸顯示屏來(lái)查看原始圖像，如果原始圖像不清晰，可以轉(zhuǎn)動(dòng)鏡頭，調(diào)節(jié)焦距。攝像頭模塊、FPC 及FPC 轉(zhuǎn)接母座實(shí)物如圖3 所示。

圖3 攝像頭及FPC 轉(zhuǎn)接母座實(shí)物圖

2.3 光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊

本模塊主要采用光敏電阻R2 和電阻R1（阻值為10K）進(jìn)行串聯(lián)，R2 的分壓處接到主控單片機(jī)管腳PTB0，具體如圖4 所示。當(dāng)光線強(qiáng)弱發(fā)生變化時(shí)，光敏電阻R2 的阻值也會(huì)隨之發(fā)生變化，進(jìn)而，R2 分壓值發(fā)生變化，最終實(shí)現(xiàn)了光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換[5]。

圖4 檢測(cè)光照強(qiáng)度的電路圖

3 兒童視力保護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體思路

當(dāng)兒童在使用電子產(chǎn)品時(shí)，兒童視力保護(hù)系統(tǒng)的MT9V034模塊采集圖像，通過(guò)算法計(jì)算出兒童眼睛離電子產(chǎn)品的直線距離，如果距離小于33CM 或者使用時(shí)間超過(guò)30 分鐘，就開(kāi)啟蜂鳴器預(yù)警模塊，給兒童以提示；主控芯片通過(guò)光線強(qiáng)度檢測(cè)模塊檢測(cè)當(dāng)前光線強(qiáng)度，利用設(shè)置閾值的方式來(lái)判斷當(dāng)前的光線是否過(guò)強(qiáng)或者過(guò)弱，如果不在設(shè)置的范圍內(nèi)，開(kāi)啟LED 閃爍預(yù)警模塊，給兒童以提示，從而有效的保護(hù)兒童的視力。

3.2 人眼定位及算法程序流程圖

兒童在使用電子產(chǎn)品時(shí)，攝像頭采集的均為兒童的正面。相對(duì)于兒童眼睛而言，兒童的臉要大的多，易于定位。

YCbCr 顏色空間具有與人的視覺(jué)感知相接近、膚色聚類效果好、色度和亮度相互獨(dú)立等特點(diǎn)，所以本文選擇YCbCr 空間（Y 代表亮度、Cr、Cb 描述顏色的飽和度和色調(diào)）[6]。去除Y 分量后，利用Cr、Cb 分量（二維互相獨(dú)立）構(gòu)造坐標(biāo)平面。利用最常見(jiàn)的參數(shù)模型高斯模型，其概率密度函數(shù)可表示為：

其中m=E（x）為膚色類像素的均值；C=E[（x-m）（x-m）T]是膚色類像素的協(xié)方差矩陣；x 是色度向量。通過(guò)概率密度函數(shù)得出每個(gè)像素的膚色概率，優(yōu)選閾值將概率圖轉(zhuǎn)化為二值圖，實(shí)現(xiàn)圖像分割，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兒童臉定位[7]，具體效果圖如圖5 所示。

圖5 人臉定位效果圖

兒童的臉定位之后，進(jìn)行二值化處理，可分割出臉的特征點(diǎn)，如嘴巴、鼻子、眉毛、眼睛，再利用積分投影找到眼睛的位置。設(shè)圖像區(qū)域[x1，x2]的垂直積分投影為V[y]，圖像區(qū)域[y1，y2]的水平積分投影為H[x]，圖像[x，y]的灰度值為G[x，y]，則有：

結(jié)合人臉的結(jié)構(gòu)特征，利用水平和垂直灰度積分投影曲線找到眼睛的位置坐標(biāo)，具體效果圖如圖6 所示。

圖6 人眼定位效果圖

定位兒童眼睛之后，可以采用小孔成像中的三角形相似原理確定兒童眼睛與電子產(chǎn)品的直線距離。

3.3 光照強(qiáng)度檢測(cè)程序流程圖

當(dāng)前環(huán)境中光照強(qiáng)度的檢測(cè)，由模塊中的光敏電阻R2 來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后利用主控芯片的ADC，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。通過(guò)設(shè)置閾值的方式，判斷光線是否過(guò)暗或過(guò)強(qiáng)，如果光線過(guò)弱或過(guò)強(qiáng)則LED 閃爍提醒。如果適中，光敏電阻R2 則持續(xù)檢測(cè)光照強(qiáng)度，具體如圖7 所示。

圖7 檢測(cè)光照強(qiáng)度的程序流程圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有狀況的分析，提出了基于圖像采集的兒童視力保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，從硬件框圖以及軟件設(shè)計(jì)流程給出了兒童視力保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。長(zhǎng)時(shí)間或近距離使用電子產(chǎn)品，或者處在光照強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)或者過(guò)弱的環(huán)境下，都會(huì)對(duì)兒童的視力產(chǎn)生影響，通過(guò)本系統(tǒng)的使用，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兒童是否長(zhǎng)時(shí)間或近距離使用電子產(chǎn)品，或者處于光照強(qiáng)度不合適的環(huán)境下，并給予提醒，有效保護(hù)兒童視力。當(dāng)然，由于系統(tǒng)的功能比較單一，人眼測(cè)距的精度有待于進(jìn)一步提高，使兒童視力保護(hù)系統(tǒng)的功能更加完善。