CN110762411A - 一种基于机器识别的智能学习灯 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于机器识别的智能学习灯，涉及学习用具技术领域。其技术要点包括灯架；灯体；变光组件，其包括活动连接于灯体上的变光板以及驱动所述变光板遮挡或不遮挡于灯体下的驱动件；当灯体的灯光经过变光板后将变色；摄像头，安装于灯架中部，用于拍摄获取进入摄像区域的人脸图像信息；姿态检测模块，基于人脸图像信息，构建人脸特征三角形；当人脸发生姿态变化时，利用该人脸特征三角形的位置变化进行姿态参数的估计，获得检测姿态参数：姿态比较模块，用于比较检测姿态参数与标准姿态参数，并使驱动件驱动所述变光板遮挡或不遮挡于灯体下的驱动件方向运动，本发明具有姿态提示且提示影响小的优点。

Description

一种基于机器识别的智能学习灯
技术领域
本发明涉及学习用具技术领域，更具体地说，它涉及一种基于机器识别的智能学习灯。
背景技术
台灯是一种居家生活常用的生活用品，主要放置在书桌或卧室，提供照明让学习和阅读。现今青少年近视的比例居高不下，其中写字时姿势不正确，用眼时间长是目前导致青少年近视的重要原因。同时，写字姿势不正确，也会导致脊柱弯曲等问题。
公告号为CN206018362U的中国专利公开了一种可矫正坐姿的台灯，其包括底座、灯杆和用于提供照明光线的灯光组件，所述灯杆的一端转动连接在所述底座上，另一端与所述灯光组件转动连接，该台灯还包括用于实时监测使用者坐姿、并能够提供矫正信息的坐姿监测组件和用于处理数据信息的处理组件，所述坐姿监测组件与所述处理组件电连接，所述灯光组件的上连接有用于过滤照射光线中蓝光光线的防蓝光件。
现有的类似于上述的台灯，仅通过检测坐姿是否正确，通常采用语音播报的方式进行提醒，而采用声音提醒的方式，对写字和阅读中的青少年影响较大。
发明内容
针对现有的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于机器识别的智能学习灯，其具有姿态提示且提示影响小的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于机器识别的智能学习灯，包括：
灯架；
灯体，安装灯架上端，用于提供灯光；
变光组件，其包括活动连接于灯体上的变光板以及驱动所述变光板遮挡或不遮挡于灯体下的驱动件；当灯体的灯光经过变光板后将变色；
摄像头，安装于灯架中部，用于拍摄获取进入摄像区域的人脸图像信息；
姿态检测模块，基于人脸图像信息，定位人脸特征点并利用获得的人脸特征点，并构建人脸特征三角形；当人脸发生姿态变化时，利用该人脸特征三角形的位置变化进行姿态参数的估计，获得检测姿态参数：
姿态比较模块，用于比较检测姿态参数与标准姿态参数，并根据比较结果输出对应的执行信号至驱动件，使驱动件驱动所述变光板遮挡或不遮挡于灯体下的驱动件方向运动。
通过采用上述技术方案，智能学习灯通过摄像头获取人脸图像，基于人脸特征的三角形的检测姿态和标准姿态进行比较，获得学生坐姿是否标准的判断信号；在学生坐姿不标准的情况下驱动件会带动变光板移动至灯体的下方，使得灯体发出来的灯光颜色发生改变，起到了警示作用。而改变灯光颜色的方式相比于发出声音的提示方式，对认真学习中的学生影响小，且能够起到稳定的提示作用。
本发明进一步设置为：还包括：
读本数据库，其存储读本的语音数据；
扬声器，其用于播放语音；
读本扫描模块，基于读本图像，定位读本特征点，从读本数据库中获取相对应的读本数据至扬声器中播放。
通过采用上述技术方案，读本主要针对较小年龄段的同学，在其父母较忙没时间帮助时，能够为小年龄段的同学提供阅读，提示小年龄段同学的阅读兴趣。
本发明进一步设置为：所述变光板包括外框以及固定于外框内的变光膜。
通过采用上述技术方案，由外框和变光膜的结构，使得变光板整体材质相比于较轻，且在外框的定型下也较容易实现活动。
本发明进一步设置为：所述变光膜包括变色部和透明部，当所述变光膜遮挡于灯体时，灯体照射的包括穿射变色部的变色区和穿射透明部的原色区，所述读本扫描模块的基于变色区获取读本图像。
通过采用上述技术方案，变色区除了能够起到提示的作用外，还能起到指示作用，有利于读本扫描模块读取读本内容。
本发明进一步设置为：所述灯体的下侧设置有供外框滑移滑道，所述驱动件为设置于滑道内抵接带动于所述外框的主动轮。
通过采用上述技术方案，通过滑道和主动轮的配合，实现变色板在灯体下的滑移，且整体滑移结构简单。
本发明进一步设置为：所述外框面向主动轮的一侧设置有摩擦层。
通过采用上述技术方案，摩擦层增大主动轮和变色板外框之间的摩擦，使得主动轮驱动外框滑移时，不易打滑。
本发明进一步设置为：所述滑道内转动连接有若干滚动抵接于所述外框上从动轮。
通过采用上述技术方案，从动轮减小外框在滑道中滑移的摩擦，使得外框在滑道中滑移流畅。
本发明进一步设置为：所述变光膜可拆卸连接于所述外框上，所述外框朝外的一侧设置有缺口。
通过采用上述技术方案，变光膜可更换，可以基于需求更换不同的颜色。
本发明进一步设置为：所述灯架包括灯座和固定于灯座上的灯杆，所述灯杆沿竖直方向设置有滑移区，所述摄像头安装于滑移区内。
通过采用上述技术方案，摄像头安装在灯杆滑移区上，使得摄像头安装位置可以调整至需求位置。
本发明进一步设置为：所述人脸特征点包括两个眼角和鼻尖。
通过采用上述技术方案，眼角和鼻尖的三角结构，能够实现对人脸的精准定位，便于计算学生坐姿是否存在问题。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）通过区别于声音提示的灯光效果进行姿态的提示，提示影响小；
（2）同时具有阅读读本和姿态提示功能，有利于青少年建立良好的阅读以及坐姿习惯。
附图说明
图1为本实施例凸显整体结构的结构示意图；
图2为本实施例凸显灯体的结构示意图；
图3为本实施例凸显灯体内部的剖视结构示意图；
图4为本实施例中变光板的结构示意图；
图5为本实施例中控制器的***框图。
附图标记：1、灯架；2、灯体；3、变光组件；4、摄像头；5、扬声器；6、控制器；7、灯座；8、灯杆；9、安装部；10、光源部；11、LED灯板；12、滑道；13、变光板；14、驱动件；15、外框；16、变光膜；17、变色部；18、透明部；19、驱动电机；20、主动轮；21、从动轮；22、摩擦层；23、姿态检测模块；24、姿态比较模块；25、读本数据库；26、读本扫描模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
实施例，一种基于机器识别的智能学习灯，其一般固定于学生的学习桌上。智能学习灯能够获取学生学习的读本信息以及学生阅读时的姿态信息，并能够基于获取的读本信息朗读相应的读本内容，同时基于获取姿态信息判断学生姿态是否正常，并在不正常时，为学生提供提醒。
具体的，如图1所示，智能学习灯包括灯架1、灯体2、变光组件3、摄像头4、扬声器5和控制器6。灯体2安装在灯架1的上端，且灯体2的发光源朝下，能够发射向下方扩散的灯光。变光组件3安装在灯体2上，能够将发光源发出的灯光变色后输出。摄像头4安装于灯架1的竖直中部，且摄像头4朝向灯体2发光的一侧，使得摄像头4既能够获取到灯光下读本的图像，也能够获取到学习桌前学生的姿态图像。扬声器5设置于灯架1的下侧，用于播放朗读的读本内容。
具体的，如图1所示，灯架1包括底部的灯座7和竖直固定于灯座7中部的灯杆8。灯座7呈圆盘状，且其端面上设置有开关智能学习灯的开关。灯杆8可以为塑料或者金属材质的空心杆，且灯杆8的顶部为波纹的变形杆，使得用户可以根据需求调节灯体2的相对位置；灯杆8下侧沿竖直方向设置有光滑的滑移区，摄像头4安装于滑移区上，并可以根据实际需求进行调节。
具体的，如图2所示，灯体2固定连接在灯杆8端部，灯体2大致呈板状，包括远离灯架1一侧的光源部10和临近灯架1一侧的安装部9。灯体2的光源部10的底面上安装有若干的LED灯板11，LED灯板11作为光源提供灯管。同时灯体2的底部端面的两侧设置有连通安装部9和光源部10的滑道12。
如图3所示，变光组件3包括滑移连接在滑道12上的变光板13以及驱动变光板13在安装部9和光源部10之间滑移的驱动件14，因此在驱动件14的带动下变光板13可以置于安装部9或者是光源部10的下方；当变光板13置于光源部10下方时，变光板13将遮挡在LED灯板11下方，LED灯板11发出的光源会先经过变光板13变色后再向下射出；而当变光板13置于安装部9下方时，变光板13将不遮挡LED灯板11，LED灯板11发出的光源正常射出。
具体的，如图3、4所示，变光板13包括匚形的外框15以及平铺安装于外框15内壁之间的变光膜16。外框15的开口朝向远离灯杆8的一侧，外框15的相对两侧侧壁嵌入两侧的滑道12内。变光膜16可拆卸连接外框15上，具体的变光膜16可以通过在外框15的内壁上中部开槽嵌入固定在连接外框15内，也可以通过胶水粘接在外框15的内壁中。变光膜16为透光材质且包括具有颜色的变色部17和无色的透明部18，其中变色部17一般为红色用于警示，变色部17设置于变光膜16的中部，透明部18环设于透明部18的外侧；值得一体的是，变色部17的形状和颜色均能够根据自身需求改变。
如图3、4所示，因此当变光板13置于光源部10下方时，在LED灯板11照射下，照射区域会包括穿射变色部17的变色区和穿射透明部18的原色区，而由于变色部17设置于变光膜16的中部，变色区位于原色区中心位置处。而灯光的中心处，一般为学生放置读本的位置，因此能够起到最明显的警示作用。同时摄像头4拍摄的读本也在中心位置处拍摄的效果最好，因此变色区还能起到提示读本位置的作用。
如图3、4所示，驱动件14包括沿滑道12方向均匀布置且转动连接在滑道12上侧的滚轮以及安装在灯体2顶部的驱动电机19，滚轮的底部滚动抵接在外框15两侧外壁的上端面上。其中，滚轮包括由驱动电机19带动的主动轮20和其他的从动轮21，两侧滑道12中均设置有一个主动轮20，主动轮20设置于滑道12的中部，使得外框15在滑道12中滑移的过程中主动轮20会始终抵接在外框15上，并通过摩擦带动外框15由安装部9向光源部10一侧滑移或由光源部10向安装部9一侧滑移。而从动轮21在外框15滑移后会在外框15的带动下滚动起到定位和提升外框15滑移流畅性的作用。两个主动轮20之间通过连接轴连接在一起，驱动电机19安装于灯体2的顶部且驱动电机19位于主动轮20所在连接轴的上方，且驱动电机19的输出轴和连接轴之间通过啮合的齿轮实现联动。而进一步的，为了提升主动轮20和外框15之间的摩擦，主动轮20和外框15的上端面上均设置有硅胶材质的摩擦层22。
如图5所示，控制器6内包括姿态检测模块23、姿态比较模块24、读本数据库25和读本扫描模块26。
姿态检测模块23基于人脸图像信息，定位人脸特征点并利用获得的人脸特征点，并构建由两个眼角和鼻尖构成的人脸特征三角形；值得一提的是，人脸特征三角形也可以构建由两个肩部点和鼻尖构成的人脸特征三角形；当人脸发生姿态变化时，利用该人脸特征三角形的位置变化进行姿态参数的估计，获得检测姿态参数：姿态比较模块24用于比较检测姿态参数与标准姿态参数，并根据比较结果输出对应的执行信号至驱动件14。
具体的。几何特征的人脸识别方法 ：几何特征可以是眼、鼻、嘴等的形状和它们之间的几何关系（如相互之间的距离）。 这些算法识别速度快，需要的内存小，但识别率较低。基于特征脸（PCA） 的人脸识别方法 ：特征脸方法是基于 KL 变换的人脸识别方法，KL 变换是图像压缩的一种最优正交变换。 高维的图像空间经过 KL 变换后得到一组新的正交基，保留其中重要的正交基，由这些基可以张成低维线性空间。 如果假设人脸在这些低维线性空间的投影具有可分性，就可以将这些投影用作识别的特征矢量，这就是特征脸方法的基本思想。 这些方法需要较多的训练样本，而且完全是基于图像灰度的统计特性的。 目前有一些改进型的特征脸方法。
上述人脸识别方案，总能够提取出人脸的特征值，而在实时对坐姿进行判断之前，需要获得一个标准坐姿的特征值作为后续判断的参考值。 这个参考值因为人的身高差异，桌椅比例差异，人脸大小差异，台灯在桌子位置不定，造成人到摄像头4距离不定，所以每当其中的元素有较大变化或移动时，都需要校准一次。 例如在台灯前，在获取标准坐姿的特征值的过程中，先提醒用户在台灯前坐正，利用图像识别的人脸识别算法，提取出坐姿对象的人脸特征值，两眼间距 L，以及对应的倾斜角 θ（两眼连接直线长度和鼻子到两眼直线距离的比值），人脸在图像中的相对位置 h。 因为本次采集为正确坐姿采集，所以首先要保证倾斜角 θ 符合要求，当采集到的 θ 不在正确范围内时，提醒重新采集。直到获得正确坐姿状态下的两眼间距L1，倾斜角 θ1 和相对位置 H1。
读本数据库25其存储读本的语音数据，读本数据库可以直接采用百度云端读本数据库，使得读本的语音数据可以直接从百度云端下载，存储量大。读本扫描模块26基于读本图像，定位读本特征点，从读本数据库25中获取相对应的读本数据至扬声器5中播放，当然当读本数据库25中不存在对应读本数据时，该读本内容将无法被播放。
本发明的工作过程和有益效果如下：
智能学习灯通过摄像头4获取人脸图像，基于人脸特征的三角形的检测姿态和标准姿态进行比较，获得学生坐姿是否标准的判断信号；在学生坐姿不标准的情况下驱动件14会带动变光板13移动至灯体2的下方，会在读本放置的位置处逐渐有无色区进入到变色区，直至整体灯光变红照射在读本上，起到警示的作用。而改变灯光颜色的方式相比于发出声音的提示方式，对认真学习中的学生影响小，且能够起到稳定的提示作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于机器识别的智能学习灯，其特征在于：包括：
灯架(1)；
灯体(2)，安装灯架(1)上端，用于提供灯光；
变光组件(3)，其包括活动连接于灯体(2)上的变光板(13)以及驱动所述变光板(13)遮挡或不遮挡于灯体(2)下的驱动件(14)；当灯体(2)的灯光经过变光板(13)后将变色；
摄像头(4)，安装于灯架(1)中部，用于拍摄获取进入摄像区域的人脸图像信息；
姿态检测模块(23)，基于人脸图像信息，定位人脸特征点并利用获得的人脸特征点，并构建人脸特征三角形；当人脸发生姿态变化时，利用该人脸特征三角形的位置变化进行姿态参数的估计，获得检测姿态参数：
姿态比较模块(24)，用于比较检测姿态参数与标准姿态参数，并根据比较结果输出对应的执行信号至驱动件(14)，使驱动件(14)驱动所述变光板(13)遮挡或不遮挡于灯体(2)下的驱动件(14)方向运动。
2.根据权利要求1所述的基于机器识别的智能学习灯，其特征在于：还包括：
读本数据库(25)，其存储读本的语音数据；
扬声器(5)，其用于播放语音；
读本扫描模块(26)，基于读本图像，定位读本特征点，从读本数据库(25)中获取相对应的读本数据至扬声器(5)中播放。
3.根据权利要求1所述的基于机器识别的智能学习灯，其特征在于：所述变光板(13)包括外框(15)以及固定于外框(15)内的变光膜(16)。
4.根据权利要求3所述的基于机器识别的智能学习灯，其特征在于：所述变光膜(16)包括变色部(17)和透明部(18)，当所述变光膜(16)遮挡于灯体(2)时，灯体(2)照射的包括穿射变色部(17)的变色区和穿射透明部(18)的原色区，所述读本扫描模块(26)的基于变色区获取读本图像。
5.根据权利要求3所述的基于机器识别的智能学习灯，其特征在于：所述灯体(2)的下侧设置有供外框(15)滑移滑道(12)，所述驱动件(14)为设置于滑道(12)内抵接带动于所述外框(15)的主动轮(20)。
6.根据权利要求5所述的基于机器识别的智能学习灯，其特征在于：所述外框(15)面向主动轮(20)的一侧设置有摩擦层(22)。
7.根据权利要求5所述的基于机器识别的智能学习灯，其特征在于：所述滑道(12)内转动连接有若干滚动抵接于所述外框(15)上从动轮(21)。
8.根据权利要求3所述的基于机器识别的智能学习灯，其特征在于：所述变光膜(16)可拆卸连接于所述外框(15)上，所述外框(15)朝外的一侧设置有缺口。
9.根据权利要求1所述的基于机器识别的智能学习灯，其特征在于：所述灯架(1)包括灯座(7)和固定于灯座(7)上的灯杆(8)，所述灯杆(8)沿竖直方向设置有滑移区，所述摄像头(4)安装于滑移区内。
10.根据权利要求1所述的基于机器识别的智能学习灯，其特征在于：所述人脸特征点包括两个眼角和鼻尖。
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