《一种儿童观影距离及环境检测控制系统的研究与实现》-工学论文，科技论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

一种儿童观影距离及环境检测控制系统的研究与实现

范文

郭新刘买花张洁刘俊豪

摘? 要：该文主要结合红外测距和计算机视觉技术，解决儿童长时间近距离观影的问题，是智能家居的一个组成部分。其中的面部识别模块对是否是幼童进行识别后，把相应的测量数据进行处理，让观影儿童远离电视机或超过提醒次数后，在WiFi环境下，与智能家居结合起来，通过红外学习功能实现强制关机或者屏幕亮度、观影环境亮度的调节，发送到移动终端，父母也可在手机等终端进行远程控制，达到有效保护儿童视力的目的。

关键词：红外测距? 计算机视觉? 智能家居? 面部识别? ?红外学习

中图分类号：TU855? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1672-3791（2021）02（c）-0026-05

Research and Implementation of a Child Viewing Distance and Environment Detection and Control System

GUO Xin? LIU Maihua*? ZHANG Jie? LIU Junhao

（Guangdong Communication Polytechnic， Guangzhou， Guangdong Province， 510800 China）

Abstract： This article mainly combines infrared distance measurement and computer vision technology to solve the problem of children watching movies at close range for a long time. It is an integral part of smart home. After the facial recognition module recognizes whether it is a young child， the corresponding measurement data is processed so that the child can watch the movie away from the TV or it can realize the forced shutdown or adjust the brightness of the screen and the viewing environment and send it to the parents' mobile phones after the number of reminders exceeds， in the wifi environment， combined with the smart home， through the infrared learning function. The parents can also remotely control the mobile phones to effectively protect their children's eyesight.

Key Words： Infrared ranging; Computer vision; Smart home; Facial recognition; Infrared learning

随着电子产品的逐渐普及，儿童在学校、在家、在公共场合都随时可以接触到电子设备，尤其近距离的观看习惯使得眼疲劳，更容易发生用眼问题。电子产品伤害大，且蓝光危害是不可逆的，儿童观看电视动画片的机会较多，LED电视在两个方面可能存在危害：一是蓝光含量比较多，伤害视网膜;二是可能形成眩光，LED电视的蓝光危害比较严重。

《2017中国婴幼儿视力调查分析蓝皮书》第一手数据也显示，近9成儿童偶尔或经常接触电子产品，其中近5成每天使用电子产品时间达30 min以上，电子产品的蓝光危害是不可逆的。而让孩子不接触或少接触电子产品也不容易，毕竟现在很多作业是要在电子产品上完成，学校也是用电子屏幕进行授课，所以父母对于孩子的视力问题非常重视。同时，父母工作繁忙，无暇去监控孩子的观影时间，所以限制观看距离和时间成了家长们亟待解决的问题。

目前市面上用于视力保护的产品，大多基于人体红外感应的，其精度差、受温度影响大、可靠性不稳定。该项目中的产品是基于人脸识别和摄像头测距，有效提高了产品的稳定性和精准性，优化了产品性能，可使用户在使用过程中建立对产品的认可度，建立良好的口碑，为产品的后期市场推广打下扎实的技术基础。

该文旨在研发一款基于儿童人脸识别的、可根据周围环境的光线变化和观影距离智能识别并发出提示语音，并且在多次提醒无效的情况下，采取自动关机措施的产品，以达到保护儿童视力的目的。

1? 基本组成

该系统是由面部识别模块（摄像头）、测距模块、环境模块等组成。单片机是系统总控制器，观影的距离由摄像头进行人脸识别和测距并传递到单片机，单片机经过与设定值对比判断后决定是否发出警告，通过红外多功能遥控对环境和LED电视做出处理措施，运行的数据还可以通过网络发送给终端手机，以实施远程实时监控。

2? 硬件环境

该文的装置观影环境模块是通过亮度调整模块采集光照信号，判断当前的观影环境是否符合设定，如若不符合则通过红外学习遥控调整灯或者电视屏幕的亮度，以达到设定值。测距部分就使用测距模块采集数据，与设定范围相对比，将对比结果输入到语音模块来进行语音的提示。远程控制就是手机或者终端通过互聯网来进行远程监控，查看观影数据进行远程的控制。

3? 关键技术

该文产品设计的关键技术包括测距模块、人脸检测、人脸识别、红外学习等的特点，其特点如下。

3.1 测距模块

目前常用的测距技术有红外激光测距、摄像头测距和超声波测距，各自优缺点如表1所示。

该文使用技术：摄像头测距。摄像系统测距方式是一种用来模拟人眼的光电探测器，被称为激光三角法测距。它是通过一组镜头不同的参数下所拍摄的两幅图片，就可以得出物体到摄像头的距离信息，具有精度高、速度快、适用范围广等特点。

激光三角法原理如图4所示，基本结构有激光器、光敏传感器（摄像机）和成像系统。激光源照射到物体上的亮光点，成像系统则把该光点据集到传感器上形成一个像点。当所测距离Y不同时，像点会在传感器上移动，那么光点像位置X也随之不同。在基线长度已知、光源和传感器及透镜的相对位置确定的前提下，就可确定被测物体与仪器之间的距离[1]。

关系式为：

其中X与Y的关系式为：

式中：X为该被测距离在光敏接收器上与已知距离在光敏接收器上像点的距离;

Y为被测距离，测出X就能测出Y;

l为发光点中心到透镜中心的水平距离，即基线长度;

f为成像系统焦距;

L为某一已知距离，在该距离处所成像正好位于 CMOS的中心。

3.2 人脸检测技术

人脸检测对于人来说非常简单，但是对于机器来说却相当复杂。人脸检测作为人脸识别的基础，是人脸识别中非常重要且具有挑战性的环节，其主要内容是检测目标图像或者视频中是否存在人脸，且主要目标就是在低计算复杂度的前提下保证高的准确率。

目前，会影响人脸检测准确度因素主要有：（1）人脸角度。相机成像时的位置会影响人脸图像的面部姿态，人脸的角度不同也会导致五官位置的重叠等问题。（2）遮掩物。对于单人脸图像来说，可能被遮挡;而对于多人脸图像来说，人脸图像会存在面部相互遮挡或被其他所遮挡。（3）光照强度。拍摄时不同的光照强度将使得人脸图像的灰度图分布不均，从而影响人脸检测的效果。（4）面部表情。人的面部表情将直接影响人脸检测效果。所以，如何解决这些问题，成为人脸检测研究的重点[2]。

在人脸检测领域内，有几种常见的检测方法，如：基于表象的人脸检测方法、基于知识的方法、基于特征的方法等。其中基于表象的人脸检测方法中的方法或具有优良的泛化特性或可以避免提取复杂的面部特征，但是也存在需要大量训练样本和长时间训练时间的弊端;基于知识的方法适合在单一背景下使用;基于特征的方法应用广泛，但是对拍摄背景和光照有较高的要求，岁色度要求高，对于复杂环境的检测则不如人意。

3.3 人脸识别

常见的生物识别特征主要包括指纹识别、虹膜识别、语音识别和人脸识别。与其他识别方式相比，人脸识别技术数据采集简单，使用对象更容易接受，使用设备也比较多样。虽然相对于虹膜识别而言，人脸识别的唯一性较差，但由于其低成本、易操作、稳定性高等优势，仍在市场应用中广泛使用，尤其是对于安全性要求一般的身份验证和鉴别系统而言，人脸识别技术已经足够[3]。

人脸识别需要有人脸检测和人脸识别两部分。人脸检测是对于输入的图像数据，通过相应的算法以确定图像中是否含有人脸。人脸识别将给定图像中的人脸部分与已有数据库中的进行匹配和比较，利用已知的人脸身份数据库来鉴别认定被测图像中人脸的身份[3]。

人脸识别的过程是将输入的图像进行预处理，如灰度化、二值化，然后进行面部特征的提取进行特征工程的工作，接着利用机期学习的分类算法，如支持向量机、线性回归算法等进行分类判别，最后将识别的结果输出，如图5所示。

人脸识别也要通过图像或者视频先将人脸轮廓进行提取或者根据面部特征进行人脸识别的过程。

3.4 红外学习

基于对于智能家居的追求，现有家电都带有遥控功能。该文突出了用学习型红外模块来有效整合已有各种家电方便、快捷、低价安全的优点。

红外线遥控器内置有动态的编码库，编码库内存放用户编码，是目前使用最广泛的一种遥控装置。如图6所示。

若是完成手机终端与单片机的蓝牙通讯，则要完成相应的手机APP的开发，这样便于利用手机终端控制红外信号的发送，真正实现数字智能化家居生活，市场前景极为广阔。

该项目产品设计了基于STM32F0的红外控制系统，红外学习系统结构图如图7所示。

该文采用定时器中断与单片机轮询方式运行。运行机理如下：当串口输入数据序列检测为空闲时，控制系统指示灯则显示为规律闪烁，系统则处于等待状态。当串口检测到有接收数据时，该系统则处于发送模式或者学习模式，系统会调用对应的程序完成红外发送任务，总体流程如图8所示[4]。

4? 结语

该文研制的装置具有人脸识别、距离测量、环境检测和语音提示功能，经过多次实验改进，装置能够基本准确完成以上功能，人脸检测和识别的正确率达99.2%，距离测量的误差约5%，环境检测的精确率约86%，基本达到应用的要求。

此外，该装置还具有远程控制功能，监护人可以在手机端实时观测观影数据，为下一步决策提供扎实的数据支撑。

但是该文中装置也存在一个缺陷，就是不能区别采集图像中是否为活体人脸，在活体检测这个方面还需要改进算法。

参考文献

[1] 林小倩，林斌，潘泰才.基于CMOS单点激光三角法测距系统设计[J].光学仪器，2006（2）：27-30.

[2] 游清清，谌海云，骆俊，等.人脸检测技术综述[J].无线互联科技，2017（10）：137-140.

[3] 马宁.基于图像的人脸识别中关键技术研究[D].吉林大学，2016.

[4] 张赛，刘达，姚国栋.基于STM32的软件载波红外学习系统设计[J].电气自动化，2018（2）：33-36.

[5] 张彦宇.基于单片机的超声波视力保护器设计与研究[J].自动化技术与应用，2019（10）：74-76.

[6] 王敏刚.基于智能电视感知的儿童视力保护系统设计与实现[D].哈尔滨工业大学，2016.

[7] 刘亚洲.嵌入式人脸活体檢测算法的设计与实现[D].电子科技大学，2020.

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。