董建成 蔣樂天

摘要：針對(duì)越來越多的年輕人使用電腦進(jìn)行辦公的時(shí)間越來越長，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ReaISense 3D攝像頭進(jìn)行畫面采集，通過對(duì)三維數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，準(zhǔn)確的判斷出用戶的坐姿情況，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ReaISense的型號(hào)也較多，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：坐姿檢測(cè)；實(shí)感攝像頭；ReaISense；三維數(shù)據(jù)

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.021

引言

計(jì)算機(jī)的飛速普及，讓人們將越來越多的工作放在計(jì)算機(jī)上去完成，各行各業(yè)，尤其是程序開發(fā)人員、文字工作者，在計(jì)算機(jī)上的工作時(shí)間越來越長，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)的年齡越來越小，保持良好的坐姿對(duì)于青少年的成長發(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)病率越來越高，發(fā)病年齡越來越小，跟長期坐著工作有關(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。這些問題都說明，坐姿正確與否對(duì)健康有很大影響。在工作強(qiáng)度越來越大、休息鍛煉時(shí)間越來越少的今天，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ReaISense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ReaISense官方SDK提取出用戶面部大約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)。在得到用戶面部70多個(gè)點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)之后，計(jì)算出用戶此時(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”“口視過大”“俯視過大”“距離屏幕過近”等不良坐姿的判定，并經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過與MySQL數(shù)據(jù)庫^[3]的結(jié)合，將坐姿特征、每日不同坐姿的時(shí)間長度記錄下來，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，生成報(bào)表給用戶，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硬件及開發(fā)環(huán)境

ReaISense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（640x480 60fps）的深度攝像頭，以及1080p分辨率的RGB攝像頭，在拍攝1080p畫面的時(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ReaISense實(shí)感攝像頭，本文采用的是開發(fā)版本的ReaISense攝像頭，用于開發(fā)人員進(jìn)行開發(fā)，如圖1。

開發(fā)款的基本尺寸是150mmx30mmx58mm，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。官方聲稱需要使用Intel第四代以及之后的酷睿系列CPU才能夠完成開發(fā)，在本文開發(fā)過程中使用的是第三代的Core i5CPU同樣能夠正常使用。

需要注意的是，目前Intel ReaISense SDK僅支持Windows8.1以及之后的Windows 64位搡作系統(tǒng)、暫不支持MacOS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ReaISense，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)滿足一定指標(biāo)，則判定該用戶的坐姿是端正的，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)為用戶頭部左右歪頭幅度過大，是錯(cuò)誤的坐姿，需要進(jìn)行提醒，更準(zhǔn)確來說，當(dāng)ROLL值為正的10度以上時(shí)，用戶頭部向右傾斜角度過大，當(dāng)值小于負(fù)10度時(shí)，用戶頭部向左傾斜角度過大；當(dāng)歐拉角的YAW的絕對(duì)值大于18度，可以認(rèn)為用戶頭部的左右轉(zhuǎn)頭扭頭的幅度過大，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，用戶與顯示器之間距離過近，在觀看顯示器的時(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)，用戶頭部向右旋轉(zhuǎn)幅度過大，當(dāng)YAW值小于負(fù)18度時(shí)，用戶頭部向左旋轉(zhuǎn)的幅度過大：當(dāng)歐拉角的PITCH值加5之后的絕對(duì)值大于25度，則可以判定用戶的頭部俯仰程度過大，屬于不正確坐姿，通常情況下，用戶在使用電腦的時(shí)候顯示器都會(huì)略低于用戶的頭部高度，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，較適合長時(shí)間的工作，更準(zhǔn)確地說，當(dāng)歐拉角的PITCH值大于20度，用戶是在仰起頭在看顯示器畫面，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)，用戶低頭幅度過大，可以判定用戶坐姿不正確，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；

另外一種典型的錯(cuò)誤坐姿就是距離顯示器過近，通過ReaISense的深度信息，可以快速地獲得到用戶的頭部、肩部相對(duì)于攝像頭的距離，并且可以精確地獲得到用戶眼睛到攝像頭的距離信息，因此可以快速地判斷用戶是否距離顯示器過近，本文實(shí)驗(yàn)的顯示器尺寸是1 7寸，用戶與顯示器的最佳距離在70厘米至80厘米，小于70厘米時(shí)距離顯示器過近，通常這樣的情況都是因?yàn)轳劚吃斐傻?，而且反過來距離顯示器過近，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。正確坐姿如圖一6。

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，通過對(duì)測(cè)試同學(xué)的身高、視力等信息的咨詢，還發(fā)現(xiàn)另外一個(gè)重要因素，用戶平時(shí)使用的桌子大小、座椅高低對(duì)用戶的坐姿會(huì)造成很大影響，一套合適的座椅書桌對(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 ReaISense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，綜合分析用戶頭部、眼部的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確的判斷出用戶當(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ReaISense簡(jiǎn)介[EB/OL].http：//www.intel.com/content/www/us/en/architecture-and— teChnOIOgy，reaISenSe—OVerview.htmI

[2]瓦普尼克（Vapnlk，VIadlmlr N）統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論StatisticaI leamlng 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.InteI Edlson智能硬件開發(fā)指南基于Yocto Project[M]北京：人民郵電出版社2015