朱嘉林，張佳宇，鄧 君，譚凱元，孫振忠

（東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523000）

0 引言

近些年來青少年近視問題越來越嚴(yán)重，據(jù)國家衛(wèi)健委最新數(shù)據(jù)，2020年我國兒童青少年總體近視率是52.7%，幼兒園近視率達(dá)14.3%，小學(xué)階段35.6%，初中階段71.1%，而高中階段達(dá)80.5%[1]。閱讀時(shí)姿勢(shì)不正確是引起青少年近視的原因之一，而成年人則可能因?yàn)閼猩⒍鴽]有保持正確坐姿，這些習(xí)慣會(huì)對(duì)身體健康造成長期損害，例如引起駝背、頸痛、斜視、擾亂睡眠、背疼等問題[2]。

針對(duì)不良讀書坐姿問題，目前國內(nèi)外的研究方向多為穿戴式矯正方式[3-4]，如以壓力傳感器的方式[5]對(duì)坐姿分類識(shí)別，并未能將壽命更長，成本更低的機(jī)器視覺技術(shù)與產(chǎn)品結(jié)合。目前有關(guān)機(jī)器視覺坐姿識(shí)別算法的研究可歸納為兩類：單攝像頭的方法[6-7]和多攝像頭的方法，單攝像頭的模型大多數(shù)要求整個(gè)人在畫面中可見，這為在閱讀支架上的使用增加了難度。若能使用單一攝像頭識(shí)別出使用者的坐姿，將更加節(jié)省成本[8]。因此如果設(shè)計(jì)一款糾正不良坐姿的單一USB攝像頭閱讀支架，將有助于解決上述問題。

該款閱讀支架基于樹莓派平臺(tái)，使用由Google Research開發(fā)并開源的多媒體機(jī)器學(xué)習(xí)模型應(yīng)用框架進(jìn)行坐姿識(shí)別，并搭載WS2812彩燈、8歐揚(yáng)聲器音頻模塊和光敏電阻傳感器模塊等，除了實(shí)現(xiàn)主要功能分類矯正坐姿外，還能實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈自適應(yīng)調(diào)光、放置不同大小厚度的書籍、播放眼保健操等功能[9]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的閱讀支架是一種置于臥室書桌上便于輕松閱讀大、中、小各種規(guī)格的書籍的支架，它由箱底座、LED燈、伸縮機(jī)構(gòu)等模塊組成，各模塊大小合理，工作協(xié)調(diào)，為使用者提供一個(gè)舒適的閱讀體驗(yàn)。

本設(shè)計(jì)的閱讀支架除了實(shí)現(xiàn)矯正坐姿的主要功能外，也滿足了作為閱讀支架的基本功能[10]。設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)擋位自由調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)，可選擇合適自己的閱讀角度；獨(dú)特的伸縮夾書機(jī)構(gòu)，可放置不同大小，不同厚度的書籍，同時(shí)也能輕松翻書，提高效率；結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 閱讀支架模型

1.1 整體結(jié)構(gòu)

箱底座主要由6塊亞克力板組合而成，考慮到該閱讀支架的語音提示功能，前面的亞克力板鏤空安裝一個(gè)揚(yáng)聲器，為了更好地檢測(cè)使用者周圍的光線亮度，在前面的亞克力板安裝一個(gè)光敏電阻傳感器；底部的亞克力板與桌面接觸，添加4個(gè)橡膠片，增大摩擦，使閱讀支架更加穩(wěn)定的擺放；后面的亞克力板設(shè)計(jì)了與蛇形管連接的端口，以及留了幾個(gè)散熱口；上方的亞克力板則設(shè)計(jì)了幾個(gè)縱向整齊排列的突起結(jié)構(gòu)，與支持件共同工作，使閱讀支架可在不同擋位調(diào)整高度。箱底座內(nèi)部用于放置樹莓派、Arduino Mega2560控制板、電池、Micro SD卡模塊各種電子元器件，同時(shí)起到保護(hù)作用。

底座后部伸出一根蛇形管，上端連接一個(gè)圓環(huán)led燈模塊，可以調(diào)整蛇形管改變led燈的照射方向、照射高度，同時(shí)蛇形管也可有效地保護(hù)電線不被破環(huán)。

1.2 伸縮夾書機(jī)構(gòu)

考慮到閱讀支架的放置范圍為書桌等位置，占用面積不會(huì)太大，但是又考慮到書籍的大小有不同規(guī)格，因此設(shè)計(jì)體積較小且可夾持不同大小書籍的伸縮機(jī)構(gòu)，使用者可以通過調(diào)節(jié)伸縮機(jī)構(gòu)，放置自己想讀的書籍，可以靈活調(diào)節(jié)，適應(yīng)性強(qiáng)。伸縮機(jī)構(gòu)由10個(gè)伸縮構(gòu)件組裝而成，中間兩個(gè)伸縮構(gòu)件通過一顆螺絲與亞克力板安裝在一起，其他伸縮構(gòu)件通過M5螺栓連接，再通過引導(dǎo)槽限制其上下移動(dòng)，使伸縮結(jié)構(gòu)只能左右伸縮。圖書夾用于夾持書籍，同時(shí)不會(huì)遮擋到書籍內(nèi)容，可靠實(shí)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)

上位機(jī)采用樹莓派4B平臺(tái)，樹莓派4B的BCM2711芯片采用四核Cortex A72架構(gòu)，28 nm工藝，主頻1.5 GHz，GPU 500 MHz，是一臺(tái)計(jì)算能力強(qiáng)大的嵌入式微型工控機(jī)。下位機(jī)采用Arduino Mega 2560單片機(jī)，Arduino Mega 2560是基于ATmega2560的微控制板，有54路數(shù)字輸入/輸出端口（其中15個(gè)可以作為PWM輸出），16路模擬輸入端口，4路UART串口，16 MHz的晶振，USB連接口，電池接口，ICSP頭和復(fù)位按鈕。簡單地用USB連接電腦或者用交直流變壓器就能使用。其沒用FTDI USB-to-serial驅(qū)動(dòng)芯片，而是用ATmega16U2編程作為USB-to-serial傳輸器（V1版本使用8U2）[11]。上位機(jī)樹莓派接收攝像頭傳來數(shù)據(jù)后輸送給下位機(jī)Arduino，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，樹莓派運(yùn)行OpenCV調(diào)用攝像頭開始收集圖像數(shù)據(jù)，如果畫面中檢測(cè)不到人物，臺(tái)燈及其他元件保持關(guān)閉狀態(tài)。人物圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過Media Pipe處理后得到姿勢(shì)地標(biāo)模型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過機(jī)器學(xué)習(xí)模型后得到相應(yīng)的坐姿類別，最后使用語音模塊提醒矯正。整個(gè)閱讀支架運(yùn)行算法系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)流程

2.2 自適應(yīng)臺(tái)燈裝置

臺(tái)燈裝置包括WS2812燈環(huán)和光敏電阻傳感器兩部分。通過光敏電阻傳感器采集光照亮度后輸出的PWM脈沖寬度經(jīng)過Arduino單片機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，由WS2812模塊運(yùn)用Fast LED庫控制臺(tái)燈亮度的變化，實(shí)現(xiàn)根據(jù)環(huán)境光照的強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度[12]。同時(shí)根據(jù)攝像頭判斷如若當(dāng)前區(qū)域無人，自動(dòng)關(guān)閉臺(tái)燈裝置。起到環(huán)保以及保護(hù)眼睛的作用。

Fast LED是一款功能強(qiáng)大、快速高效、簡單易用的控制WS2812、LPD8806、Neopixel等LED光帶的實(shí)用工具。此外，F(xiàn)ast LED還支持完整的HSV顏色模型和經(jīng)典的RGB顏色系統(tǒng)，以高效的計(jì)算效率實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的控制。

光敏傳感器（電路圖如圖3所示）的原理是隨著光照強(qiáng)度的升高，電阻值迅速降低，由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。其在無光照時(shí)，幾乎呈高阻狀態(tài)，暗電阻很大。

圖3 光敏電阻電路

2.3 語音播放裝置

語音裝置包括8歐揚(yáng)聲器音頻模塊、Micro SD卡模塊、SD卡、BD139三極管和100μF電解電容。Micro SD卡模塊可以將SD卡中已經(jīng)轉(zhuǎn)換好的WAV格式的PCM音頻輸入到單片機(jī)中，經(jīng)過100μF電容后在8歐揚(yáng)聲器模塊輸出。實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤坐姿提醒和播放眼保健操。

BD139三極管主要用來控制電流的大小，起到電流放大作用。其實(shí)質(zhì)是能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。集電極電流隨基極電流的變化而變化，并且基極電流很小的變化可以引起集電極電流很大的變化。

2.4 坐姿識(shí)別

坐姿識(shí)別方案是一種基于Media Pipe的機(jī)器視覺模型，與大多數(shù)的坐姿識(shí)別模型不同，該方案無需要求整體可見，適合在閱讀支架上使用。

Media Pipe的核心框架由C++實(shí)現(xiàn)，并提供Java以及Objective C等語言的支持。Media Pipe的主要概念包括數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)流、計(jì)算單元、圖以及子圖。數(shù)據(jù)包是最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)單位，一個(gè)數(shù)據(jù)包代表了在某一特定時(shí)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，例如一幀圖像或一小段音頻信號(hào)；數(shù)據(jù)流是由按時(shí)間順序升序排列的多個(gè)數(shù)據(jù)包組成，一個(gè)數(shù)據(jù)流的某一特定時(shí)間戳只允許至多一個(gè)數(shù)據(jù)包的存在；而數(shù)據(jù)流則是在多個(gè)計(jì)算單元構(gòu)成的圖中流動(dòng)。Media Pipe圖是有向的——數(shù)據(jù)包從數(shù)據(jù)源流入圖直至在匯聚結(jié)點(diǎn)離開[13]。

具體方案為采用OpenCV調(diào)取USB攝像頭采集姿勢(shì)地標(biāo)模型數(shù)據(jù)，將采集到的22種數(shù)據(jù)和66個(gè)數(shù)據(jù)特征在樹莓派中逐一進(jìn)行分類整合。一旦圖形已經(jīng)被初始化，就可以開始處理數(shù)據(jù)，并且可以處理分組的流，直到每個(gè)流是封閉的或圖形被取消。然后圖形可以被銷毀或重新啟動(dòng)。之后針對(duì)坐姿分為6類：正常坐姿、左傾、右傾、前傾、后仰、托手。使用USB攝像頭實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶坐姿如圖4所示，并通過語音播放裝置提醒。

圖4 實(shí)時(shí)檢測(cè)坐姿

模型使用了檢測(cè)器，管道首先在幀內(nèi)定位人/姿勢(shì)感興趣區(qū)域（ROI）。跟蹤器隨后使用ROI裁剪幀作為輸入來預(yù)測(cè)ROI內(nèi)的姿勢(shì)標(biāo)志和分割掩碼。處理發(fā)生在一個(gè)圖中，它定義了節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)包流路徑。圖可以有任意數(shù)量的輸入和輸出，數(shù)據(jù)流可以分支和合并。通常數(shù)據(jù)向前流動(dòng)，但反向循環(huán)也是可能的[14]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證該閱讀支架的實(shí)際使用效果，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)制作了實(shí)物（圖5），并選擇中午12點(diǎn)和晚上9點(diǎn)兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)在不同房間以及對(duì)不同使用者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此外，還在實(shí)驗(yàn)中增加了一些額外因素，例如多人出現(xiàn)在鏡頭前方、光線不足等情況。

圖5 閱讀支架實(shí)物

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，閱讀支架矯正坐姿的準(zhǔn)確率能達(dá)到理想要求，某一位使用者的姿勢(shì)地標(biāo)數(shù)據(jù)如圖6所示。除此之外，本樣品也能滿足大部分使用者的閱讀需求，可放置不同大小厚度的書籍。對(duì)于光線不足的情況，LED燈自動(dòng)調(diào)節(jié)的亮度能夠滿足閱讀需求。

圖6 姿勢(shì)地標(biāo)數(shù)據(jù)集

4 結(jié)束語

本文主要完成了一種基于機(jī)器視覺的閱讀姿態(tài)矯正系統(tǒng)的總體功能設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上滿足了閱讀支架的基本需求，并通過樹莓派與USB攝像頭連接后實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前區(qū)域人物的姿勢(shì)地標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)過機(jī)器視覺模型分類后由語音播放模塊提醒矯正。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該閱讀支架具有較高的坐姿分類準(zhǔn)確率和較好的讀書使用體驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)上需要繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，往成本更低，占用面積更小方向研究發(fā)展。

在當(dāng)今社會(huì)，保持日常閱讀習(xí)慣有助于身心健康發(fā)展。該作品將坐姿識(shí)別技術(shù)與閱讀支架結(jié)合，能夠滿足人們對(duì)閱讀習(xí)慣培養(yǎng)的需要，具有實(shí)際的效益。