基于Kinect的體感交互技術的坐姿檢測方法

許運程+王榮榮+劉勛

摘 要：本研究提出了一種基于Kinect的坐姿檢測方法。該方法使用Kinect體感傳感器，實時監測使用者的身體動作，將捕捉到的關節位置信息輸入計算機，計算機對關節位置信息進行處理，應用坐姿識別算法，判斷使用者坐姿，并對不正確的坐姿進行警告。

關鍵詞：體感交互；坐姿檢測；方法

1 背景

現代社會中，隨著計算機技術的迅速發展，越來越多的人群在工作生活中長時間處于坐姿。現代人33%以上的時間都坐著生活、學習和工作。長時間的不正確坐姿會導致許多疾病，比如近視、頸椎病、頸椎畸形、腰疼等。如在保持坐姿中脊椎彎曲，會對腰部造成較大負荷[1]。對于兒童，坐姿不正確會導致左右眼屈光度數不一致，并且左右眼度數增長情況也不一致[2]。對于青少年，不良坐姿加重頸部肌肉和韌帶的負擔，長期下去是引發頸椎病的重要原因，而采用標準坐姿能夠減少頸椎部的負荷[3]。據調查統計[4]，某城市6.89%中小學生患有頸椎病，中學生比例已經達到9.07%，其重要原因之一就是坐姿不當。由此可見，保持正確的坐姿對于維持健康的身體狀態有著重要的作用。

對人體行為進行識別是判定坐姿的關鍵。目前，國內外行為識別的方式主要有兩種：基于傳感器的行為識別和基于機器視覺的行為識別，還有兩者混合的方法存在[5]。在坐姿檢測方面，Alejandro James等人2005年提出通過頭部中心軸、左右肩和水平的角度來判斷人體坐姿[6]。LanMu等人2010年提出根據人臉大小和位置進行判斷的方法[7]。武松林、崔榮一等人在2010年通過PCA算法對常見坐姿進行識別[8]。可以看出，目前對于坐姿檢測的研究尚處于初期階段，還需深入研究。

2 原理與方法

Kinect傳感器是由微軟公司開發的、用于Xbox主機的設備。它讓玩家不需要手持或踩踏控制器，而使用語音指令和手勢來操作Xbox系統界面。它也能捕捉使用者全身的動作，讓使用者用身體動作與系統進行交互。

Kinect傳感器有三個攝像頭，分別是是RGB彩色攝影機、紅外線發射器、CMOS攝影機。紅外攝影機投射紅外光譜，紅外攝像頭分析紅外光譜，創建可視范圍內的人體、物體深度圖像，彩色攝像頭用于拍攝視角范圍內的彩色視頻圖像。紅外線發射器和CMOS攝影機構成了3D結構光深度感應器。Kinect還搭配了追焦技術，底部馬達會隨著對焦物體的移動而轉動。Kinect也內建陣列式麥克風，由多組麥克風同時收音，比對后消除雜音。

Kinect使用紅外攝影機和紅外攝像頭，通過發射近紅外光，使用Light Coding技術給需要測量的空間編碼，來獲取深度圖。獲取深度圖像后，分析深度圖像，逐點掃描像素，區別出人體各個部位，通過特征值將人體部位分類，將人體從背景環境中分離出來。根據骨骼追蹤的20個關節點，生成一幅骨架系統，評估出人體所處的位置。

本研究在使用Kinect檢測使用者坐姿時，將Kinect置于使用者的正前方，由KinectSDK提供的API函數獲取使用者全身20個關節點的空間位置信息。在計算角度時，由于傳感器正對使用者，可以將空間位置化簡為與使用者和傳感器連線相垂直的平面位置，設計算法使用橫縱坐標檢測使用者的姿勢。其中，在平面中，設由Kinect傳感器得到的兩個關節點坐標分別為（X1，Y1）和（X2，Y2），則兩個關節點之間的夾角為

（1）

本研究設計了四個算法，分別用于檢測頭部傾斜、肩部傾斜、身體前傾、脊椎前曲四種不正確的坐姿。在判斷使用者是否頭部傾斜時，通過API函數獲取使用者頭部關節點位置和肩膀左部關節點位置。通過公式（1）計算出兩點之間夾角？茲1。設定閾值？茲0角度為65°，如果|？茲1|<？茲0，說明使用者的頭部傾斜，頭部偏向右側，此時判定使用者處于不正確的坐姿，系統會向使用者進行警報。此算法同樣適用于肩膀右部關節點，用以檢測使用者頭部傾斜，頭部偏向左部的情況。肩部傾斜的檢測算法同樣通過檢測頭部關節點位置和肩部關節點位置確定，判定方法與檢測頭部傾斜的方法相同。

3 結果

根據上述坐姿檢測原理與方法，設計開發了坐姿檢測系統.首先， 測試者正對Kinect傳感器，并處于正確的坐姿。圖中上方為骨骼模型顯示窗口，實時顯示測試者的骨骼模型和身體的姿態。下方為輸出窗口，實時輸出測試者的狀態信息。當使用者存在坐姿不正確的情況，即頭部前傾、肩部傾斜、身體前傾、脊椎前曲時，輸出窗口會顯示坐姿不正確的信息，同時通過播放聲音警告使用者。

經過測試可知本研究設計的基于Kinect的坐姿檢測方法識別率良好，可以大體判斷出使用者不正確的坐姿。但本方法目前只適用于使用者正對傳感器的一種情況，對使用者的位置有要求，具有一定局限性。下一步研究將針對使用者處于不同位置時的坐姿檢測。

本研究的檢測方法成本較低，只需一臺Kinect傳感器和一臺計算機即可完成對使用者坐姿的檢測，并能夠較好的檢測出不正確的坐姿，具有良好的應用前景。

參考文獻

[1]王琨.不同坐姿下腰部負荷及豎脊肌活動的生物力學研究[Z].

[2]兒童握筆姿勢及坐姿不正確引起近視及屈光參差3 例[Z].

[3]不良坐姿對可能引起頸椎病的生物力學分析及運動預防矯正[Z].

[4]羅智鴻.論正確坐姿——即效“坐力”養生法[Z].

[5]鄭澤銘.人的坐姿檢測方法及行為勸導研究[Z].

[6]Sit straight （and tell me what I did today）： a human posture alarm and activity summarization system[Z].

[7]A Sitting Posture Surveillance System Based on Image Processing Technology[Z].

[8]基于 PCA的坐姿行為識別[Z].

[9]Kinect技術與工作原理的研究[Z].

[10]Kinect體感交互技術及其在醫療康復領域的應用[Z].

[11]基于Kinect體感交互技術的上肢關節活動度測量方法[Z].

[12]王春陽.基于圖像技術的人體坐姿監測研究[Z].