基于Kinect的青少年坐姿监测技术的研究

摘要

现代生活使越来越多的人成为了“久坐族”，但长期的不良坐姿习惯会对人体健康造成极大的危害。尤其对于处在身体发育阶段的青少年群体，长时间的保持不良坐姿会造成视距过近、脊椎承受过量的压力，长此以往，就会导致罹患近视、颈椎病甚至脊椎畸形等疾病。所以通过坐姿监测进而帮助青少年们及时纠正错误坐姿甚至养成良好的坐姿习惯具有重大的意义。针对这一问题，本文对青少年坐姿监测相关技术进行了研究。相比起传统的穿戴式物理矫正器或基于加速度传感器、水平传感器的简易的电子矫正器，基于机器视觉技术对青少年的不规范坐姿进行识别的方法具有更加精确、灵活的优点。而且相比起传统的基于二维图像的视觉技术，三维图像具有不易受到光照、遮挡的影响，故本文选用Kinect深度传感器进行对青少年的坐姿监测、通过关节点信息的处理对坐姿进行识别。本文的主要研究工作如下： （1）设计并实现了一套基于Microsoft Kinect的坐姿监测系统，通过测算用户相关联关节点间连线的夹角对比用户在各标准坐姿下的角度，实现对用户坐姿的判断并给出错误的原因。通过实验验证了该系统对用户坐姿判断的准确性。 （2）针对Kinect在观测条件不理想的情况下容易出现对用户关节点定位不准的情况，本文对Kinect关节点信息的修复方法进行了研究。根据人体结构以及运动连续性的原理对从Kinect获取的关节点信息进行可信度判断，并对其中的不可信信息进行修复，有效地提高了坐姿监测系统的准确度。 （3）通过对人体姿态和动作识别方法的研究，实现了利用关节点角度测量的姿态识别功能以及基于隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model，HMM）算法对用户坐姿行为过程中的常见动作（喝水动作、接听电话）的识别功能。通过姿态识别，系统可以自动根据用户所处于的坐姿行为状态切换坐姿判断的标准，这些功能大大提高了系统的实用性。 （4）制定了一个积极有效的劝导策略以促使用户及时意识到坐姿问题，分别使用信息告知式劝导法以及潜移默化式劝导法帮助他们养成健康的坐姿习惯，从而起到避免不良坐姿对身体带来危害的作用，达到保护视力、促进身体正常生长发育的目的，并通过实验验证了坐姿劝导策略的有效性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景与意义

1.2.1 不良坐姿的健康危害

1.2.2 青少年坐姿特点分析

1.2.3 课题的研究意义

1.3 国内外研究现状及分析

1.3.1 基于视频的坐姿识别

1.3.2 基于深度图像的人体行为感知

1.3.3 基于Kinect的人体行为感知和人机交互

1.4 本文研究内容

1.5 本文结构安排

第2章 人体检测与追踪技术研究

2.1 传统的人体检测和追踪技术

2.1.1 人体检测技术

2.1.2 人体追踪技术

2.2 Kinect的基本介绍

2.3 Kinect深度信息测量

2.4 基于Kinect的人体检测与追踪

2.4.1 基于模型的人体检测

2.4.2 基于Kinect的人体关节点识别

2.5 本章小结

第3章 关节点信息处理

3.1关节点信息获取

3.2 关节点坐标转换

3.3关节点信息可信度判断

3.3.1基于部位长度初步判断相邻关节点可信度

3.3.2基于运动的连续性进行再次判断

3.3.3 改进的运动连续性判断方法

3.4 关节点信息修复

3.4.1中间关节点信息修复

3.4.2 末端关节点修复

3.4.3 关节点信息修复实验结果

3.5本章小结

第4章 人体姿态与常见动作识别

4.1 人体姿态识别

4.1.1 基于均值Hausdorff距离的人体姿态识别

4.1.2 基于关节点角度测量的姿态识别

4.2 基于HMM的人体常见动作的识别

4.3 HMM的原理

4.3.1 估计问题

4.3.2 解码问题

4.3.3 训练

4.4 常见动作的建模

4.4.1 常见动作数据获取

4.4.2 HMM初始参数确定

4.5 参数的训练

4.6 动作的分类

4.7 动作识别实验及结果

4.8本章小结

第5章 青少年坐姿监测系统设计与实现

5.1坐姿原理

5.1.1坐姿与脊椎生理曲度

5.1.2坐姿与视距

5.1.3 不同坐姿行为下的标准坐姿

5.2坐姿监测原理

5.2.1 倾角的求取

5.2.2坐姿行为状态判断方法

5.3青少年坐姿监测系统的设计与实现

5.4青少年坐姿劝导模块的设计

5.4.1信息告知式劝导法

5.4.2潜移默化式劝导法

5.5 实验及结果分析

5.5.1坐姿监测系统准确性

5.5.2 坐姿劝导模块有效性

5.6本章小结

第6章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果