婴幼儿睡眠监控系统及方法

摘要

婴幼儿睡眠监控系统及方法，涉及计算机视觉监控领域。红外激光器和数字CCD摄像机组成视觉感知系统，红外激光器通过传感器支架固定在CCD摄像机的下方；婴幼儿睡眠的床上置有被褥，红外激光器投射的线激光投射在被褥上，线激光位于婴幼儿下半身的位置，线激光的方向与婴幼儿躯干方向垂直；红外激光器投射到被褥上形成光带，光带被数字CCD摄像机采集成像；CCD摄像机在传感器支架上可调整俯仰角度，使得所述的狭长的光带出现在CCD摄像机的视场；CCD摄像机捕获的狭长的光带的数字图像通过1394图像采集卡由传输电缆传输至计算机，完成信息处理判别是否有婴幼儿蹬被的发生，即通过视觉测量软件检测光带并判别是否有婴幼儿蹬被的发生。

主权项

一种基于红外结构光视觉的婴幼儿睡眠监控方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：建立激光平面和床平面；①在A3页面的白纸上打印黑白方格图案，粘贴于平整的木板上，做成一个平面靶标；②将①中所述的靶标放置在CCD摄像机(1)前面，关闭激光器，使得靶标在CCD摄像机(1)中成清晰、完整的图像，采集该图像；在保持靶标不动的前提下，打开激光器，线激光投射在靶标平面上，此时采集投射有激光的靶标图像；接下来，连续变换5次靶标的位置和方向，注意使其中一个位置在床平面上；该过程共采集6幅无激光投射的靶标图像(I₁,I₂,…I₆)和6幅投射有激光的靶标图像(L₁,L₂,…L₆)；③在6个不同位置的靶标上，建立局部世界坐标系O_i‑x_iy_iz_i(i＝1,2,…,6)；该坐标系的原点位于左上角黑色方块的左上角，x_i轴沿靶标最上方的一条横向直线指向右，y_i轴沿最左方的一条纵向直线指向下，根据右手螺旋法则确定z_i轴的方向；在摄像机上建立摄像机坐标系O_c‑x_cy_cz_c，其坐标原点位于镜头光心，x_c轴平行于成像平面的横轴，y_c轴平行于成像平面的纵轴，根据右手螺旋法则确定z_c轴的方向；④根据张正友提出的基于平面靶标的摄像机标定方法确定出CCD摄像机(1)的内部参数，包括归一化焦距(f_x,f_y)，主点坐标(u₀,v₀)，图像坐标轴倾斜因子γ，镜头的二阶径向畸变系数k_d＝(k₁,k₂)；该标定过程能够确定出③中所述的每个局部世界坐标系相对于摄像机坐标系O_c‑x_cy_cz_c的位置关系(R_i，T_i)(i＝1,2,…,6)，满足X_c＝R_iX+T_i       (1)式(1)中，X表示空间一个点在局部世界坐标系下的坐标，X_c表示该点在摄像机坐标系O_c‑x_cy_cz_c下的坐标，R_i为局部世界坐标系与摄像机坐标系之间的旋转矩阵，T_i为局部世界坐标系与摄像机坐标系之间的平移向量；由于其中一个靶标位置在床平面上，记录其相应的(R_i，T_i)(i＝1,2,…,6)为(R_b,T_b)，通过(R_b,T_b)可描述床平面的位置；⑤利用一种基于交比不变的方法建立起激光平面的方程Ax+By+Cz+1＝0，A，B，C为描述该平面位置与方向几何信息的数学参数；S2：采集图像；连接硬件，系统上电，利用CCD摄像机(1)的软件驱动程序采集当前图像；S3：图像处理；利用C.Steger提出的方法，在图像(L₁,L₂,…L₆)上分别提取线激光的中心线，并根据如下步骤求取线点对应的三维坐标；①利用内参矩阵将以像素为单位的图像点坐标(u，v)，图像坐标系的原点位于图像的左上角，u轴沿水平方向，v轴沿垂直方向；转化为以毫米为单位的规一化像点坐标(x_nd，y_nd)，规一化图像坐标系的原点位于CCD成像面的光学中心，x轴沿水平方向，y轴沿垂直方向：$\left[\begin{array}{c}{x}_{nd}\\ y_{nd}\\ 1\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}{f}_x& \gamma & C_x\\ 0& f_y& C_y\\ 0& 0& 1\end{array}\right]}^{-1}.\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]---\left(2\right)$②利用式(2)校正像点(x_nd，y_nd)的畸变，得到规一化图像坐标系下的校正后的像点坐标(x_nu，y_nu)$\left\{\begin{array}{c}{X}_{nu}=X_{nd}(1+k_1{r}^2+k_2{r}^4)\\ Y_{nu}=Y_{nd}(1+k_1{r}^2+k_2{r}^4)\end{array}\right.---\left(3\right)$(k₁,k₂)标定出的镜头二阶径向畸变系数,r为像点到主点的距离；③建立摄像机坐标系下三维激光点的坐标方程x_nu＝X_c/Z_c x_nu＝X_c/Z_c     (4)④假定拟合得到的摄像机坐标系下的线结构光的平面方程为：Ax+By+Cz+1＝0    (5)则在摄像机中成像的空间激光点同时满足式(4)和(5)；因此，摄像机坐标系下的三维激光点坐标表示为：$X_c=x_{nu}·Z_c,Y_c=y_{nu}·Z_c,Z_c=\frac{-D}{{\mathrm{Ax}}_{nu}+{\mathrm{By}}_{nu}+C}---\left(6\right)$S4：将已经求取的三维坐标转换至世界坐标系，判定婴幼儿的被褥是否盖好；上式(6)得到的三维坐标，带入(7)，计算出世界坐标(X_w,Y_w,Z_w)；根据Z_w的大小判定婴幼儿的被褥是否盖好；$\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{R}_b& T_b\\ 0_3^T& 1\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{X}_c\\ Y_c\\ Z_c\\ 1\end{array}\right]---\left(7\right)$S5：根据判定结果，选择是否报警；如果出现一定量的点，满足Z_w<10mm，且点的个数N>100，说明红外线激光打在了床平面上，婴幼儿被褥未盖好，计算机控制报警器报警，通知监护人照看婴幼儿。