一种自动跟踪头部姿态的智能显示器系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种自动跟踪头部姿态的智能显示器系统，该系统能够实时捕获人体头部姿态，并使显示器跟随头部随动，使得显示器始终与头部保持最佳位置，可以缓解眼部疲劳与预防近视。该系统包括图像采集模块、视觉算法处理模块及显示器控制模块。图像采集模块用于对人体头部图像进行实时采集；视觉算法模块首先对图像进行预处理，使头部在图像中始终保持竖直位置，然后利用ASM主动形状模型算法提取图像中人脸部的特征点，最后根据三角测量原理获得头部的空间姿态，即俯仰角度与侧倾角度。头部姿态信息传至舵机控制模块后，经过单片机解算后形成PWM信号控制舵机使显示器在俯仰与侧倾两个自由度上跟随头部姿态。
【专利说明】一种自动跟踪头部姿态的智能显示器系统【技术领域】[0001]本发明涉及一种智能显示器系统，具体涉及一种自动跟踪头部姿态的智能显示器 系统，属于智能识别【技术领域】。【背景技术】[0002]显示器作为计算机不可或缺的人机交互终端，在我们工作生活中随处可见。现在 的显示器姿态(即可视角度)仅能手动调节，不能根据使用者的头部姿态变化而自动调整。 人眼横向清晰的视线区域为35°，纵向清晰视线区域为20°。头部姿态的改变，使清晰视 线区域改变；此时若显示器姿态不变，则很难有清晰视觉且容易造成眼部疲劳。但频繁进行 手动调节不仅麻烦，还不能保证显示器能够正好位于清晰视线区域内。[0003]要想实现显示器自动跟随头部姿态调整，必须保证头部姿态构建的精确度。在头 部姿态构建过程中，人脸特征点定位是一个极其关键的步骤。人脸特征点定位为人脸图像 的处理与分析提供了重要的几何信息，计算机在一幅人脸图像中自动地定位出人脸各个器 官的准确位置以及人脸外轮廓等。特征点定位是人脸识别技术中的不可缺少的预处理环 节，定位的准确与否直接关系到后续工作的可靠性。基于人脸图像特征的识别通常抽取人 脸器官如眼睛、眉毛、鼻子和嘴巴等器官的位置、尺度以及彼此间的比率作为特征，进一步 地可以用几何形状拟合人脸器官，从而以几何参数作为描述人脸的特征。[0004]目前依据检测的信息类型，人脸特征点定位方法大致可分为以下6类:(1)基于 灰度信息的方法；(2)基于先验规则的方法；(3)基于统制的方法；(4)基于小波的方法；[5]3D方法；(6)基于几何形状的方法。[0005]总体来说，基于先验规则的方法准确率较低，对图像质量要求高，受表情姿态光照 影响大，但有时也有运算量小的优势，适合与其他方法结合进行特征点定位。基于统计模型 和小波的方法的共同优点是对图像质量要求低，受表情姿态光照影响小，而且准确率高，对 样本的训练等方面也使得运算量大大提高，但该类方法是特征点定位方法的发展趋势和方 向。3D方法是在处理视频序列中的人脸特征点定位方法，还不太成熟，有待进一步研究。基 于几何形状的方法虽然也对图像质量要求高，受表情姿态光照影响大，但准确率较高，是目 前为止该领域的主流算法。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明提供一种自动跟踪头部姿态的智能显示器系统，通过该系统能 够依据头部姿态的变化自动改变显示器姿态，让其始终与头部保持最佳位置，可以有效缓 解眼部疲劳与预防近视。[0007]所述自动跟踪头部姿态的智能显示器系统包括图像采集模块、视觉算法处理模块 和显示器控制模块；所述图像采集模块包括单目摄像机，显示器控制模块包括显示器、舵机 控制模块和侧倾舵机。[0008]所述单目摄像机位于显示器后上方的中间位置，单目摄像按照设定频率采集显示器前方使用者的头部图像，并将采集到的图像实时发送给视觉算法处理模块。所述视觉算法处理模块对接收到的头部图像数进行畸变校正，得到校正后的单目图像。所述视觉算法处理模块对校正后的单目图像进行人脸识别并提取脸部特征点，所述单目图像中的脸部特征点为左眼特征点和右眼特征点。[0009]所述视觉算法处理模块中建立有图像坐标系o' -X' ;所述图像坐标系以单目摄像机成像平面左上角的像素为原点，水平方向为X轴，竖直方向为y轴；由此所述左眼特征点在图像坐标系V -X, r下的坐标为(X' a，y' a)，右眼特征点在图像坐标系
O' -X' y'下的坐标为(X' b，y' b);则当前头部侧倾角Θ为:
【权利要求】
1.一种自动跟踪头部姿态的智能显示器系统，其特征在于，包括图像采集模块、视觉算法处理模块和显示器控制模块；所述图像采集模块包括单目摄像机，显示器控制模块包括显示器、舵机控制模块和侧倾舵机；所述单目摄像机位于显示器后上方的中间位置，单目摄像按照设定频率采集显示器前方使用者的头部图像，并将采集到的图像实时发送给视觉算法处理模块；所述视觉算法处理模块对接收到的头部图像数进行畸变校正，得到校正后的单目图像；所述视觉算法处理模块对校正后的单目图像进行人脸识别并提取脸部特征点，所述单目图像中的脸部特征点为左眼特征点和右眼特征点；所述视觉算法处理模块中建立有图像坐标系O' -X' Y';所述图像坐标系以单目摄像机成像平面左上角的像素为原点，水平方向为X轴，竖直方向为y轴；由此所述左眼特征点在图像坐标系V -X , y'下的坐标为(X' a，y' a)，右眼特征点在图像坐标系P tO' -X' I'下的坐标为(X' b，y' b);则当前头部侧倾角
2.如权利要求1所述的自动跟踪头部姿态的智能显示器系统，其特征在于，所述图像采集模块中还包括由相同型号的左目摄像机和右目摄像形成的双目摄像机对，所述显示器控制模块中还包括俯仰舵机；所述左目摄像机和右目摄像机位于单目摄像机下方的左右两边，三个摄像机呈“品”字形摆放；所述左目摄像机和右目摄像机的光轴平行，左目摄像机和右目摄像机同时按照设定的频率采集显示器前方使用者的头部图像，并将同一时刻采集的两幅图像实时发送给视觉算法处理模块；所述视觉算法处理模块对同时接收到的两幅图像进行畸变校正，得到校正后的双目图像对，分别为校正后的左目图像和校正后的右目图像；所述视觉算法处理模块对校正后的双目图像对分别进行人脸识别并分别提取脸部特征点，所述双目图像对中的脸部特征点为左眼特征点、右眼特征点和嘴部中点；所述视觉算法处理模块中建立有左目摄像机的图像坐标系O1-Xiy1、右目摄像机的图像坐标系Or-X1Jr及三维空间立体坐标系Ο-XyZ ;其中所述图像坐标系OfXA、图像坐标系的建立方法与图像坐标系V -Xi I'的建立方法相同；所述三维空间立体坐标系0-xyz以左目摄像机的投影中心为原点，xyz三坐标轴成右手坐标系，且z轴为双目摄像机对的主光轴方向；选取校正后的左目图像或右目图像中的一幅，以其三个特征点为基准进行俯仰角的计算:以选取校正后的左目图像为例，在三维空间立体坐标系o-xyz下，所述校正后的左目图像中左眼特征点的坐标为
3.如权利要求1所述的自动跟踪头部姿态的智能显示器系统，其特征在于，当第i次检测后经视觉算法处理模块处理得到的实际侧倾角91在[-5°，+5° ]之间时，将实际侧倾角发送给舵机控制模块，并将当前状态作为初始状态，令Θ ^0，然后进入以下工作循环，直至再次出现实际侧倾角在[-5°，+5° ]之间的情况；(a)若视觉算法处理模块计算得到的侧倾角0」在[-15°，-5°) U (+5°，+15° ]范围内时，令当前实际侧倾角，并将实际侧倾角0s发送给舵机控制模块，然后进入步骤(b)；若视觉算法处理模块无法完成人脸识别，则向舵机控制模块发送等待指令，侧倾舵机不动作，显示器保持当前姿态不变，然后进入步骤(C);若视觉算法处理模块计算得到的侧倾角9」在[-5°，+5° ]之间，则令当前实际侧倾角Qs=Qfetl，并将实际侧倾角0s发送给舵机控制模块，然后进入步骤(c);(b)令初始侧倾角Θ0= Θ J+ Θ ^，视觉算法处理模块将下次接收到的头部图像侧倾-Θ j, 然后进行人脸识别、特征点的提取及侧倾角的计算；(C)视觉算法处理模块对接收到的头部图像直接进行人脸识别、特征点的提取及侧倾角的计算。
4.根据权利要求1或2所述的自动跟踪头部姿态的智能显示器系统，其特征在于，所述单目摄像机和双目摄像机对的俯仰角和高度均可调节。
【文档编号】G05D3/00GK103558910SQ201310487330
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年10月17日
【发明者】付梦印, 陈尧, 宋文杰, 陈芃润, 唐弘毅 申请人:北京理工大学