基于RealSense的坐姿檢測(cè)技術(shù)

摘要：針對(duì)越來(lái)越多的年輕人使用電腦進(jìn)行辦公的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，坐姿不正確導(dǎo)致的頸肩腰部疾病發(fā)病率及視力下降的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種不需要額外佩戴智能硬件的坐姿檢測(cè)技術(shù)。該方案使用Intel最新的RealSense 3D攝像頭進(jìn)行畫(huà)面采集，通過(guò)對(duì)三維數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，準(zhǔn)確的判斷出用戶(hù)的坐姿情況，相對(duì)于智能硬件的解決方案可以大幅度提高準(zhǔn)確度，市場(chǎng)上新出的筆記本電腦中帶有RealSense的型號(hào)也較多，具有較好的應(yīng)用前景。

引言

　　計(jì)算機(jī)的飛速普及，讓人們將越來(lái)越多的工作放在計(jì)算機(jī)上去完成，各行各業(yè)，尤其是程序開(kāi)發(fā)人員、文字工作者，在計(jì)算機(jī)上的工作時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，這種情況下不良的坐姿對(duì)頸肩腰椎都會(huì)產(chǎn)生很大影響，容易導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生。青少年接觸計(jì)算機(jī)的年齡越來(lái)越小，保持良好的坐姿對(duì)于青少年的成長(zhǎng)發(fā)育以及保護(hù)視力都大有裨益。調(diào)查顯示肩部腰部疾病的發(fā)病率越來(lái)越高，發(fā)病年齡越來(lái)越小，跟長(zhǎng)期坐著工作有關(guān)，我們還發(fā)現(xiàn)有一些奇特的辦公是站立辦公甚至在跑步機(jī)上辦公。這些問(wèn)題都說(shuō)明，坐姿正確與否對(duì)健康有很大影響。在工作強(qiáng)度越來(lái)越大、休息鍛煉時(shí)間越來(lái)越少的今天，如何保持正確坐姿就變得非常有必要了。

　　本文首先介紹英特爾RealSense實(shí)感設(shè)備^[1]的組成結(jié)構(gòu)以及該設(shè)備是如何獲得現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下的三維數(shù)據(jù)。針對(duì)本課題，利用英特爾RealSense官方SDK提取出用戶(hù)面部大約70個(gè)特征點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)。這些特征點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)是本文坐姿檢測(cè)算法的基礎(chǔ)。在得到用戶(hù)面部70多個(gè)點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)之后，計(jì)算出用戶(hù)此時(shí)頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)及俯仰角度、頭部與計(jì)算機(jī)顯示屏之間的距離，并使用支持向量機(jī)(SVM) ^[2]進(jìn)行訓(xùn)練和識(shí)別實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“歪頭”“駝背”“仰視過(guò)大”“俯視過(guò)大”“距離屏幕過(guò)近”等不良坐姿的判定，并經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)與MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)^[3] 結(jié)合，將坐姿特征、每日不同坐姿的時(shí)間長(zhǎng)度記錄下來(lái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，生成報(bào)表給用戶(hù)，從而達(dá)到完整的檢測(cè)、提醒、矯正的目的。

1 實(shí)時(shí)坐姿檢測(cè)算法

1.1 硬件及開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　RealSense是英特爾推出的深度攝像頭，最新一代設(shè)備是全VGA分辨率(640 x 480 60fps)的深度攝像頭，以及1080p分辨率的RGB攝像頭，在拍攝1080p畫(huà)面的時(shí)候傳輸速率為30fps。檢測(cè)范圍在0.2米至1.2米之間，根據(jù)不同的使用場(chǎng)景和使用的算法，檢測(cè)的距離也不一樣的。目前已經(jīng)有多款筆記本電腦默認(rèn)配備RealSense實(shí)感攝像頭，本文采用的是開(kāi)發(fā)版本的RealSense攝像頭，用于開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行開(kāi)發(fā)，如圖1。

　　開(kāi)發(fā)款的基本尺寸是150mm x 30mm x 58mm，根據(jù)官方介紹，需要的環(huán)境配置如下，需要具備USB3.0接口，根據(jù)實(shí)際測(cè)試，臺(tái)式機(jī)最好使用后置USB3.0接口，保證足夠穩(wěn)定的供電。官方聲稱(chēng)需要使用Intel 第四代以及之后的酷睿系列CPU才能夠完成開(kāi)發(fā)，在本文開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用的是第三代的Core i5 CPU同樣能夠正常使用。

　　需要注意的是，目前Intel RealSense SDK僅支持Windows 8.1以及之后的Windows 64位操作系統(tǒng)，暫不支持Mac OS 以及Linux。

1.2 坐姿檢測(cè)算法

1.2.1 坐姿檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　整套坐姿檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖2。

　　坐姿檢測(cè)系統(tǒng)包括五個(gè)主要部分，分別是用戶(hù)信息的錄入，設(shè)備初始化以及圖像預(yù)處理，實(shí)時(shí)坐姿檢測(cè)、坐姿信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、內(nèi)容結(jié)果展示與提醒。其中實(shí)時(shí)坐姿檢測(cè)模塊是本文的重點(diǎn)研究，設(shè)計(jì)流程如圖3。

　　在實(shí)時(shí)坐姿檢測(cè)當(dāng)中，如果開(kāi)啟目光跟蹤技術(shù)，則利用目光跟蹤技術(shù)進(jìn)行校正，進(jìn)行輔助判斷，以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

1.2.2 算法判定

　　用戶(hù)的頭部運(yùn)動(dòng)以及頭部狀態(tài)是主要的特征提取空間，通過(guò)RealSense，在三維坐標(biāo)中，對(duì)頭部的仰角(PITCH，繞X軸旋轉(zhuǎn))、偏航角(YAW，繞Y軸旋轉(zhuǎn))、翻滾角(ROLL，繞Z軸旋轉(zhuǎn))、高度信息、空間位置信息進(jìn)行坐標(biāo)變換提取，將轉(zhuǎn)換過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波^[4]，獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐姿比對(duì)，如果頭部信息各項(xiàng)參數(shù)滿(mǎn)足一定指標(biāo)，則判定該用戶(hù)的坐姿是端正的，如下圖4。

　　當(dāng)歐拉角^[5]的翻滾角ROLL的絕對(duì)值大于10度時(shí)，可以認(rèn)為用戶(hù)頭部左右歪頭幅度過(guò)大，是錯(cuò)誤的坐姿，需要進(jìn)行提醒，更準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，當(dāng)ROLL值為正的10度以上時(shí)，用戶(hù)頭部向右傾斜角度過(guò)大，當(dāng)值小于負(fù)10度時(shí)，用戶(hù)頭部向左傾斜角度過(guò)大;當(dāng)歐拉角的YAW的絕對(duì)值大于18度，可以認(rèn)為用戶(hù)頭部的左右轉(zhuǎn)頭扭頭的幅度過(guò)大，這樣的錯(cuò)誤坐姿經(jīng)常出現(xiàn)在程序員群體中，因?yàn)楹芏喑绦騿T都是使用兩臺(tái)顯示器或更多臺(tái)顯示器，由于桌子不足夠大，用戶(hù)與顯示器之間距離過(guò)近，在觀(guān)看顯示器的時(shí)候需要大幅度的扭頭，對(duì)頸部肩部造成了額外的負(fù)擔(dān)，也屬于不良坐姿，更確切的描述，當(dāng)YAW值大于正18度時(shí)，用戶(hù)頭部向右旋轉(zhuǎn)幅度過(guò)大，當(dāng)YAW值小于負(fù)18度時(shí)，用戶(hù)頭部向左旋轉(zhuǎn)的幅度過(guò)大;當(dāng)歐拉角的PITCH值加5之后的絕對(duì)值大于25度，則可以判定用戶(hù)的頭部俯仰程度過(guò)大，屬于不正確坐姿，通常情況下，用戶(hù)在使用電腦的時(shí)候顯示器都會(huì)略低于用戶(hù)的頭部高度，而且最適宜的坐姿也不是頭部一定要平視顯示器，而是稍微低一點(diǎn)點(diǎn)頭，這樣有助于減輕肩部脊椎等的壓力，較適合長(zhǎng)時(shí)間的工作，更準(zhǔn)確地說(shuō)，當(dāng)歐拉角的PITCH值大于20度，用戶(hù)是在仰起頭在看顯示器畫(huà)面，這種情況的典型錯(cuò)誤坐姿就是手托下巴抬頭看顯示器，如圖5，在閱讀長(zhǎng)段文字或者瀏覽視頻內(nèi)容的時(shí)候經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這樣的坐姿，而當(dāng)歐拉角的PITCH值小于負(fù)30度時(shí)，用戶(hù)低頭幅度過(guò)大，可以判定用戶(hù)坐姿不正確，這種情況下對(duì)脊柱的損傷較為嚴(yán)重，出現(xiàn)這種不良坐姿的多為佩戴眼睛的用戶(hù);

　　另外一種典型的錯(cuò)誤坐姿就是距離顯示器過(guò)近，通過(guò)RealSense的深度信息，可以快速地獲得到用戶(hù)的頭部、肩部相對(duì)于攝像頭的距離，并且可以精確地獲得到用戶(hù)眼睛到攝像頭的距離信息，因此可以快速地判斷用戶(hù)是否距離顯示器過(guò)近，本文實(shí)驗(yàn)的顯示器尺寸是17寸，用戶(hù)與顯示器的最佳距離在70厘米至80厘米，小于70厘米時(shí)距離顯示器過(guò)近，通常這樣的情況都是因?yàn)轳劚吃斐傻?，而且反過(guò)來(lái)距離顯示器過(guò)近，不但會(huì)對(duì)視力造成嚴(yán)重?fù)p傷，也會(huì)加重駝背的情況。正確坐姿如圖-6。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　實(shí)驗(yàn)組數(shù)為4組，每組一名同學(xué)，共四人，實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表1-表4。

　　通過(guò)對(duì)不同同學(xué)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，算法的準(zhǔn)確率在90%以上，相比于傳統(tǒng)的智能硬件識(shí)別方法40%的準(zhǔn)確率有了大幅度的提升，但是在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，第二組的檢測(cè)準(zhǔn)確率較低，通過(guò)對(duì)測(cè)試同學(xué)的身高、視力等信息的咨詢(xún)，還發(fā)現(xiàn)另外一個(gè)重要因素，用戶(hù)平時(shí)使用的桌子大小、座椅高低對(duì)用戶(hù)的坐姿會(huì)造成很大影響，一套合適的座椅書(shū)桌對(duì)健康也是非常有必要的。

2 總結(jié)

　　本文設(shè)計(jì)了一種利用Intel RealSense攝像頭完成的實(shí)時(shí)坐姿檢測(cè)算法，適用人群主要針對(duì)需要長(zhǎng)時(shí)間坐在電腦前進(jìn)行工作的白領(lǐng)或者程序員群體，綜合分析用戶(hù)頭部、眼部的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確的判斷出用戶(hù)當(dāng)前坐姿是否端正，相比于傳統(tǒng)的智能硬件[6]解決方案，省去了單獨(dú)佩戴智能硬件設(shè)備的繁瑣，并且極大地提高了檢測(cè)準(zhǔn)確度，達(dá)到了90%以上的準(zhǔn)確率，同時(shí)極低的誤警率也保證了在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中不會(huì)干擾到用戶(hù)的正常工作。在算法和整體系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)上仍有一定的優(yōu)化改進(jìn)空間，在對(duì)圖像信息進(jìn)行處理之前可以采用更好的圖像降噪算法，用戶(hù)面部特征數(shù)據(jù)在處理的時(shí)候可以進(jìn)行濾波處理，以減少采集數(shù)據(jù)誤差及跳變對(duì)檢測(cè)造成的影響。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]英特爾.RealSense簡(jiǎn)介[EB/OL] .http://www.intel.com/content/www/us/en/architecture-and-technology/realsense-overview.html

　　[2]瓦普尼克 (Vapnik, Vladimir N.) 統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論Statistical learning theory[M].北京： 電子工業(yè)出版社 2015

　　[3]鄭阿奇. MySQL教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社.2015

　　[4]黃小平;王巖. 卡爾曼濾波原理及應(yīng)用MATLAB仿真[M]. 北京：電子工業(yè)出版社. 2015

　　[5]雷穆祿; 郁永熙. 衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社. 1996

　　[6]陳士凱;程晨;藏海波. Intel Edison智能硬件開(kāi)發(fā)指南 基于Yocto Project[M].北京：人民郵電出版社 2015

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第76頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。