一种基于智能识别与检测的视力保护方法

1.本发明涉及视力保护领域，具体是一种基于智能识别与检测的视力保护方法。


背景技术：

2.中国是世界上近视人口最多的国家，相关数据显示，我国学生的近视率达到88.5％，其中大学生近视率达到90.29％，高中生近视率达到81.89％，初中生近视率达到71.89％；导致近视的原因有很多，除了长时间的近距离作业，如读书、写字、看电视、玩游戏机等外，在昏暗的光线下看书以及不正确的看书姿势也是重要原因之一。近年来，随着智能手机迅速普及，近视者的数量越发上升，而使用智能手机诱发近视的主要原因之一是眼睛与屏幕距离过近。
3.目前市面上有各种各样的保护视力的方面方法，如护眼设备、按摩手法等，虽然这些方法在一定程度上可以起到一些作用，但是不能存在针对人眼与手机屏幕过近时通过手机智能提醒的方法，因此无法从根本上解决手机使用者因人眼与手机屏幕过近造成的近视问题。
4.针对上述背景技术中的问题，本发明旨在提供一种基于智能识别与检测的视力保护方法；通过精确地测量人与手机屏幕之间的距离，实现在人与屏幕距离不恰当时的提醒效果，从而达到保护使用者的视力的目的。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于智能识别与检测的视力保护方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供的技术方案包括：
7.(1)相机标定：使用手机摄像头对于8*6标准棋盘图进行8-10次不同角度的拍摄，利用python-opencv对棋盘格图像进行标定处理，获得内参矩阵，并消除相机畸变。
8.(2)图像预处理：每隔0.5-1min对人脸进行一次拍摄，然后对获得图像进行中值滤波处理，消除可能存在的噪声。
9.(3)人脸识别：利用训练器对人脸进行级联检测，识别出人脸所在位置。
10.(4)人眼提取：先对图像中人脸部分使用三庭五眼法进行粗提取，再对所提取的图像采用最大类间方差阈值分割法进行二值化处理，获得最合适的二值化图像，最后对所得二值化图像采用clahe均衡化后进行水平投影与垂直投影，进一步定位人眼准确位置。
11.(5)瞳孔定位：对提取出的左右眼图像使用canny边缘检测得到眼睛轮廓，并利用最小二乘法对轮廓进行椭圆拟合，得出椭圆圆心即可认为是瞳孔位置，
12.(6)人眼和屏幕之间距离的计算方式的提出：
13.①
根据针孔成像原理，得到人眼离屏幕的距离就可以表示为：
[0014][0015]
其中r为图像中两瞳孔中心的像素距离；单位为mm，在对人眼瞳孔精确定位后可以
得到瞳孔中心位置，从而可以得到图像中两眼之间的距离r值；r表示实际瞳距，单位为mm，可以从实际生活中测得；d表示我们要测得的人眼离摄像机的距离，单位为mm，f为焦距，单位为mm；
[0016]
②
利用标定时得到的沿x轴和y轴尺度因子fx和fy，再结合实际焦距，可以得到摄像头每个单元沿x轴和y轴的距离sx和sy，如式(1-2)和(1-3)所示：
[0017][0018][0019]
其中f
x
、fy分别为沿x轴和y轴的尺度因子，单位均为单元；f为焦距；单位为mm；sx和sy的单位均为mm/单元；
[0020]
这样，根据相机坐标系和图像坐标系的关系，就可以得到沿x轴和y轴的像素尺寸d
x
和dy，dx和dy的单位均为mm/像素单元；如式(1-4)和(1-5)所示：
[0021][0022][0023]
③
利用定位的两瞳孔的中心坐标，可以得到两瞳孔沿x轴和y轴的像素差δx和δy，δx和δy的单位均为像素单元；
[0024]
再结合公式(1-4)和(1-5)可以得到图像中两眼沿x轴和y轴的距离r
x
和ry，rx和ry的单位为均mm，如(1-6)和(1-7)所示：
[0025][0026][0027]
这样，根据式(1-6)和(1-7)，可以得到图像中两眼的距离r，r的单位为mm，如(1-8)所示：
[0028][0029]
④
结合式(1-1)和(1-8)可以得出人眼和摄像头的距离，即人眼和屏幕的距离d，d的单位为mm，如公式(1-9)：
[0030][0031]
式中：r表示实际瞳距，单位为mm；δx和δy分别为两瞳孔沿x轴和y轴的像素差，单位为像素单元；fx、fy分别为沿x轴和y轴的尺度因子，单位为单元。
[0032]
(7)应用程序制作：利用跨平台软件对程序进行处理，使程序能在手机上运行；
[0033]
(8)人与屏幕距离不恰当时的提醒：当检测到测量人与手机屏幕之间的距离小于合适距离时，手机会进行提示。
[0034]
作为本发明进一步的方案：所述中值滤波，其原理是利用中心像素周围或其本身
的值来取代它，以消除可能的噪声。
[0035]
作为本发明进一步的方案：所述分割的区域为人脸从左到右1/5到2/5、3/5到4/5，从上到下1/4到2/4的部分，这一区域为人眼大致位置。
[0036]
作为本发明进一步的方案：所述clahe均衡化的具体步骤是将图像分割为许多小块，再对每个小块进行直方图均衡化，如果直方图中的bin超过对比度上限，就把其中的像素点均匀分散到其他的bins中，最后使用双线性差值去除小块边界，其目的是去除光影对图像造成的影响。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0038]
使用三庭五眼法对拍摄人脸图像中的人脸部分进行粗提取后采用最大类间方差阈值分割法和clahe均衡化方法进行处理，可以准判断人眼位置；对提取出的左右眼图像使用canny边缘检测以及最小二乘法对轮廓进行椭圆拟合，可以准确地得到瞳孔位置；在此基础上，创新地提出了人眼和屏幕之间距离的计算方法，从而能够精确地得到人眼与手机屏幕之间的距离，进而可以实现在人与屏幕距离过近时的有效提醒效果，达到保护使用者视力的目的；本技术设计方法合理，实用性强，可以有效解决电子产品应用中由于眼睛与屏幕距离过近诱发的近视问题，值得在视力保护领域推广与使用。
附图说明
[0039]
图1为智能识别与检测的视力保护方法中的流程图。
[0040]
图2为三庭五眼法对人脸进行分割示意图。
[0041]
图3为瞳孔进行测距时测距模型示意图。
具体实施方式
[0042]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0043]
结合图1-3所示，本方法提供的具体实施方式为：
[0044]
(1)事先使用手机摄像头对于8*6标准棋盘图进行8-10次不同角度的拍摄，程序会对棋盘图进行标定，得出相机内参矩阵，并消除相机畸变。
[0045]
(2)在启动软件后每隔30s-1min对于人脸进行一次拍摄，对所得图片使用中值滤波，其原理是利用中心像素周围或其本身的值来取代它，以消除可能的噪声。
[0046]
(3)接着利用三庭五眼法对人脸进行分割，分割区域为人脸从左到右1/5到2/5、3/5到4/5，从上到下1/4到2/4的部分，这一区域为人眼大致位置，再对所得图像进行最大类间方差阈值分割法进行二值化处理，这一步的目的是获得最合适的二值化图像。
[0047]
(4)然后使用clahe均衡化，这一步的具体步骤是将图像分割为许多小块，对每个小块进行直方图均衡化，如果直方图中的bin超过对比度上限，就把其中的像素点均匀分散到其他的bins中，再使用双线性差值去除小块边界，这一步的目的是去除光影对图像造成的影响。
[0048]
(5)然后对图片进行水平投影与垂直投影进一步精确定位人眼。对提取出的左右眼使用canny边缘检测得到眼睛轮廓，并利用最小二乘法对轮廓进行椭圆拟合，得出椭圆圆
心即可认为是瞳孔位置。
[0049]
(6)然后提出人眼和屏幕之间距离的计算方式，具体推导如下：
[0050]
①
根据针孔成像原理，对瞳孔进行测距时采用如图所述的测距模型，其中r为图像中两瞳孔中心的像素距离；单位为mm，在对人眼瞳孔精确定位后可以得到瞳孔中心位置，从而可以得到图像中两眼之间的距离r值；r表示实际瞳距，单位为mm，可以从实际生活中测得；d表示我们要测得的人眼离摄像机的距离，单位为mm，f为焦距，单位为mm，这样人眼离屏幕的距离就可以表示为：
[0051][0052]
②
利用标定时得到的沿x轴和y轴尺度因子fx和fy，再结合实际焦距，可以得到摄像头每个单元沿x轴和y轴的距离sx和sy，如式(1-2)和(1-3)所示：
[0053][0054][0055]
其中f
x
、fy分别为沿x轴和y轴的尺度因子，单位均为单元；f为焦距；单位为mm；sx和sy的单位均为mm/单元；
[0056]
这样利用上述s
x
和sy，这样，根据相机坐标系和图像坐标系的关系，就可以得到沿x轴和y轴的像素尺寸d
x
和dy，dx和dy的单位均为mm/像素单元；如式(1-4)和(1-5)所示：
[0057][0058][0059]
③
利用定位的两瞳孔的中心坐标，可以得到两瞳孔沿x轴和y轴的像素差δx和δy，δx和δy的单位均为像素单元；
[0060]
再结合公式(1-4)和(1-5)可以得到图像中两眼沿x轴和y轴的距离r
x
和ry，rx和ry的单位为均mm，如(1-6)和(1-7)所示：
[0061][0062][0063]
这样，根据式(1-6)和(1-7)，可以得到图像中两眼的距离r，r的单位为mm，如(1-8)所示：
[0064][0065]
④
结合式(1-1)和(1-8)可以得出人眼和摄像头的距离，即人眼和屏幕的距离d，d的单位为mm，如公式(1-9)：
[0066][0067]
(7)最后采用应用程序进行处理，当检测到测量人与手机屏幕之间的距离小于合
适距离时，手机会进行提示，实现人与屏幕距离不恰当提醒。
[0068]
以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制发明，凡在发明的精神和原则之内作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。