本發(fā)明涉及一種坐姿評價系統(tǒng)，尤其涉及一種用于牙醫(yī)操作姿勢評估的方法。

背景技術(shù)：

坐姿是現(xiàn)代職業(yè)人群工作中最常見的姿勢。尤其是牙科醫(yī)生，長時間不良坐姿使頸椎和腰椎持續(xù)失衡，增加了頸椎病和腰椎病的風險；加上操作過程中保持上臂張開的姿勢，使的肩旋轉(zhuǎn)肌肌腱炎的患病幾率增加。良好的操作姿勢習慣對牙科醫(yī)生的健康尤其重要。但是良好姿勢的養(yǎng)成需要監(jiān)督和提示，目前市場上缺乏專門針對牙科醫(yī)生操作姿勢監(jiān)控和評估的設(shè)備。

傳統(tǒng)的姿勢評價的方法使用動作捕捉器實現(xiàn)，但是這種方法必須要在接收評價的個體上安裝相應的傳感器設(shè)備，用戶體驗差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于牙醫(yī)操作姿勢評估的方法，專門針對牙醫(yī)的坐姿進行評估，可有效降低牙醫(yī)職業(yè)病的患病風險。

為此，本發(fā)明公開了一種用于牙醫(yī)操作姿勢評估的方法，包括如下步驟：

S1、使用傳感器獲取場景的彩色圖、3D深度圖和重力方向向量，并通過USB3.0數(shù)據(jù)線將這些數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)诫娔X；

S2、使用多人體檢測算法，結(jié)合彩色圖和3D深度圖檢測出人體所在的區(qū)域坐標，并根據(jù)這些區(qū)域的三維坐標，鎖定靠近傳感器視野中間部分的人體信息；

S3、提取出目標人體所在的三維區(qū)域，根據(jù)3D深度圖中灰度表示像素與傳感器距離的特點，使用閾值門限的方法和形態(tài)學的方法分割出區(qū)域中的人體；

S4、使用隨機森林的方法，以大量的分割出人體的深度圖片和相應的人體三維關(guān)節(jié)點坐標為樣本進行訓練，將任意初始像素帶入，經(jīng)N次循環(huán)得到可以用來提取關(guān)節(jié)點坐標的數(shù)學模型，提取的關(guān)節(jié)點包括：頭部、頸部、胸部、腰部、左肩膀、右肩膀、左肘部、右肘部的關(guān)節(jié)點坐標；

S5、根據(jù)關(guān)節(jié)點坐標計算出頸部、背部、左上臂和右上臂的空間方向向量V1、V2、V3、V4，根據(jù)空間方向向量V1、V2、V3、V4夾角公式計算頸部與地面垂線的夾角a1、背部與地面垂線的夾角a2、左上臂與背部的夾角a3、右上臂與背部的夾角a4；

S6、根據(jù)夾角a1、a2、a3、a4對牙醫(yī)操作時的頸部、背部和左右手臂姿勢分別進行分等級評價，若角度在0～20度范圍內(nèi)為優(yōu)秀，角度在20～30度范圍內(nèi)為良好，當角度>30度時給出姿勢需要校正的提示。

優(yōu)選地，所述傳感器設(shè)于人體背后的斜上方，包括信號連接的高清彩色攝像頭、紅外3D成像模塊、九軸加速度傳感器。

所述步驟S4中：

訓練樣本為其中I表示分離出人體的深度圖像，q表示深度圖上采樣的像素，為像素點q到所訓練關(guān)節(jié)點的方向向量；

隨機森林訓練的目標函數(shù)為：其中Q是所有樣本的集合，Q_s是集合的子集，

訓練過程中要將集合不斷的分裂成左右兩個子集合Q_l和Q_r，訓練的目標是使E(Q)取得最小值；

左右子集的分離函數(shù)為：

$f_{\mathrm{\θ}}(I,x)=d_I(x+\frac{t_1}{d_I\left(x\right)})-d_I(x+\frac{t_2}{d_I\left(x\right)});$

Q_l(φ)＝{S_i|f_θ(I,x)＜τ}，Q_r(φ)＝Q\Q_l(φ)；其中φ為要訓練模型的參數(shù)，且φ＝(t₁,t₂,τ)。

所述步驟S5中，計算公式如下：

$a1=acos(V1\·V0/(\left|V1\right|\·\left|V0\right|\left)\right);$

$a2=acos(V2\·V0/(\left|V2\right|\·\left|V0\right|\left)\right);$

$a3=acos(V3\·V1/(\left|V3\right|\·\left|V1\right|\left)\right);$

$a4=acos(V4\·V1/(\left|V4\right|\·\left|V1\right|\left)\right);$

其中V0為地面垂線方向向量。

進一步地，還包括步驟S7、評價結(jié)果的展示，包括實時評估結(jié)果和評估的統(tǒng)計結(jié)果，實時評估結(jié)果通過界面顯示和語音提醒給出，且語音提醒部分可根據(jù)需求進行選擇，評估的統(tǒng)計結(jié)果通過統(tǒng)計每個等級占總體評估時間的比例來表示。

進一步地，還包括步驟S8、對場景進行實時錄像和視頻回放，在實時錄像的同時對姿勢判別指標和評估結(jié)果進行保存，在視頻回放時同步顯示評估結(jié)果，并在視頻的進度條上標記出有問題的幀以方便查看。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

1.專門針對牙科醫(yī)生操作姿勢進行評估并提醒，評價指標非常有針對性，可有效降低牙醫(yī)職業(yè)病的患病風險；

2.使用的傳感器設(shè)于人體背后的斜上方，無須使用任何穿戴式傳感設(shè)備，提升了用戶體驗；

3.對場景進行實時錄像和視頻回放，方便對評估過程進行回顧。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中傳感器的安裝位置示意圖；

圖2為人體所在三維區(qū)域中的示意圖；

圖3為需提取的關(guān)節(jié)點的分布示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳述。

請參閱圖1至圖3，本發(fā)明提供一種用于牙醫(yī)操作姿勢評估的方法，包括如下步驟：

S1、使用傳感器10獲取場景的彩色圖、3D深度圖和重力方向向量，并通過USB3.0數(shù)據(jù)線將這些數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)诫娔X，其中傳感器10設(shè)于人體20背后的斜上方，保證使用時人體在傳感器10視野靠中間的位置；且傳感器10包括信號連接的高清彩色攝像頭、紅外3D成像模塊、九軸加速度傳感器。

S2、使用快速且魯棒性強的多人體檢測算法，結(jié)合彩色圖和3D深度圖檢測出人體所在的區(qū)域坐標，并根據(jù)這些區(qū)域的三維坐標，鎖定靠近傳感器視野中間部分的人體信息。

S3、提取出目標人體所在的三維區(qū)域，根據(jù)3D深度圖中灰度表示像素與傳感器距離的特點，使用閾值門限的方法和形態(tài)學的方法分割出區(qū)域中的人體。人體所在三維區(qū)域請參閱圖2。

S4、使用隨機森林的方法，以大量的分割出人體的深度圖片和相應的人體三維關(guān)節(jié)點坐標為樣本進行訓練，將任意初始像素帶入，經(jīng)N次循環(huán)得到可以用來提取關(guān)節(jié)點坐標的數(shù)學模型，提取的關(guān)節(jié)點包括：頭部1、頸部2、胸部3、腰部4、左肩膀5、右肩膀6、左肘部7、右肘部8的關(guān)節(jié)點坐標，具體請參閱圖3。

訓練樣本為其中I表示分離出人體的深度圖像，q表示深度圖上采樣的像素，為像素點q到所訓練關(guān)節(jié)點的方向向量；

隨機森林訓練的目標函數(shù)為：其中Q是所有樣本的集合，Q_s是集合的子集，

訓練過程中要將集合不斷的分裂成左右兩個子集合Q_l和Q_r，訓練的目標是使E(Q)取得最小值；

左右子集的分離函數(shù)為：

$f_{\mathrm{\θ}}(I,x)=d_I(x+\frac{t_1}{d_I\left(x\right)})-d_I(x+\frac{t_2}{d_I\left(x\right)});$

Q_l(φ)＝{S_i|f_θ(I,x)＜τ}，Q_r(φ)＝Q\Q_l(φ)；其中φ為要訓練模型的參數(shù)，且φ＝(t₁,t₂,τ)。

S5、根據(jù)關(guān)節(jié)點坐標計算出頸部、背部、左上臂和右上臂的空間方向向量V1、V2、V3、V4，根據(jù)空間方向向量V1、V2、V3、V4夾角公式計算頸部與地面垂線的夾角a1、背部與地面垂線的夾角a2、左上臂與背部的夾角a3、右上臂與背部的夾角a4。

計算公式如下：

$a1=acos(V1\·V0/(\left|V1\right|\·\left|V0\right|\left)\right);$

$a2=acos(V2\·V0/(\left|V2\right|\·\left|V0\right|\left)\right);$

$a3=acos(V3\·V1/(\left|V3\right|\·\left|V1\right|\left)\right);$

$a4=acos(V4\·V1/(\left|V4\right|\·\left|V1\right|\left)\right);$

其中V0為地面垂線方向向量。

S6、根據(jù)夾角a1、a2、a3、a4對牙醫(yī)操作時的頸部、背部和左右手臂姿勢分別進行分等級評價，若角度在0～20度范圍內(nèi)為優(yōu)秀，角度在20～30度范圍內(nèi)為良好，當角度>30度時給出姿勢需要校正的提示。

S7、評價結(jié)果的展示，包括實時評估結(jié)果和評估的統(tǒng)計結(jié)果，實時評估結(jié)果通過界面顯示和語音提醒給出，且語音提醒部分可根據(jù)需求進行選擇，評估的統(tǒng)計結(jié)果通過統(tǒng)計每個等級占總體評估時間的比例來表示。

S8、對場景進行實時錄像和視頻回放，在實時錄像的同時對姿勢判別指標和評估結(jié)果進行保存，在視頻回放時同步顯示評估結(jié)果，并在視頻的進度條上標記出有問題的幀以方便查看。

本發(fā)明專門針對牙科醫(yī)生操作姿勢進行評估并提醒，評價指標非常有針對性，可有效降低牙醫(yī)職業(yè)病的患病風險；使用的傳感器設(shè)于人體背后的斜上方，無須使用任何穿戴式傳感設(shè)備，提升了用戶體驗；對場景進行實時錄像和視頻回放，方便對評估過程進行回顧。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。