基于多维度监控的学生书写姿势纠正方法与系统与流程

本发明涉及智能教育的技术领域，特别涉及基于多维度监控的学生书写姿势纠正方法与系统。

背景技术：

学生的书写姿势会影响学生的脊柱健康，若学生长期处于不正确的书写姿势，会对脊柱产生压迫，进一步会使脊柱发生弯曲形变。虽然，目前已经存在相应的穿戴式脊柱纠正设备来在学生书写过程中进行相应的姿势纠正，但是这种设备不仅价格昂贵和体形笨重，并且在每次书写过程中都需要学生穿戴在身上，其无疑增加了这种设备的使用繁复性。可见，在不需要对学生进行接触式检测的情况下可以对学生的书写姿势进行多维度的随时随地进行准确和及时纠正的方式。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供基于多维度监控的学生书写姿势纠正方法与系统，其包括拍摄学生在书写过程中的头部区域图像和手部区域图像，并对头部区域图像和手部区域图像进行预处理后，分析头部区域图像和手部区域图像，从而确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态，接着根据握笔姿势状态和坐姿姿势状态，确定学生纠正当前书写姿势中头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值，最后根据距离调整值和倾角调整值，生成相应的灯光形式提示信号，从而提示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离和头部相对于书写平面的倾角；可见，该基于多维度监控的学生书写姿势纠正方法与系统通过对学生的头部区域和手部区域进行多维度的拍摄监控，并对拍摄得到的图像进行滤波和分析识别，以此确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态，接着从握笔姿势和坐姿姿势这两个方面确定纠正书写姿势时对应的头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值，再根据距离调整值和倾角调整值生成相应的可视化的提示信号，从而提示学生进行准确和及时的距离和倾角调整，以此通过非接触的方式对学生的书写姿势进行监测和调整和在较低的监控成本下能够随时随地进行快速有效的书写姿势纠正。

本发明提供基于多维度监控的学生书写姿势纠正方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤s1，拍摄学生在书写过程中的头部区域图像和手部区域图像，并对所述头部区域图像和所述手部区域图像进行预处理后，分析所述头部区域图像和所述手部区域图像，从而确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态；

步骤s2，根据所述握笔姿势状态和所述坐姿姿势状态，确定学生纠正当前书写姿势中头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值；

步骤s3，根据所述距离调整值和所述倾角调整值，生成相应的灯光形式提示信号，从而提示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离和头部相对于书写平面的倾角；

进一步，在所述步骤s1中，拍摄学生在书写过程中的头部区域图像和手部区域图像，并对所述头部区域图像和所述手部区域图像进行预处理后，分析所述头部区域图像和所述手部区域图像，从而确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态具体包括：

步骤s101，在相同的视角方向拍摄学生在书写过程中的头部区域图像和手部区域图像，并对所述头部区域图像和所述手部区域图像进行灰度化处理和卡尔曼滤波处理，从而去除所述头部区域图像和所述手部区域图像的背景噪声；

步骤s102，识别所述手部区域图像中学生在书写时手指指尖与手掌中心位置之间的相对位置，并利用下面公式(1)，确定学生当前的握笔姿势是否属于预设握笔姿势，

在上述公式(1)中，f表示确定学生当前的握笔姿势是否属于预设握笔姿势的判定值，当f＝0时，学生当前的握笔姿势不属于预设握笔姿势，当f＝1时，学生当前的握笔姿势属于预设握笔姿势，以手掌中心为原点，以垂直穿过手掌中心向右的射线设为x轴，以与手指长度方向一致且穿过手掌中心向指尖延伸的射线设为y轴构建相应的手部坐标系，(xi，yi)表示学生第i个手指指尖在手部坐标系中的坐标，μ()表示阶跃函数，当括号内的数值大于0时，阶跃函数的取值为1，当括号内的数值小于或等于0时，阶跃函数的取值为0，δ()表示单位冲激函数，当括号内的数值等于0时，单位冲激函数的取值为1，当括号内的数值不等于0时单位冲激函数的取值为0，θi，min表示学生处于预设握笔姿势时第i个手指指尖的延伸方向与手掌中穿过手掌中心的方向之间最小预设角度值，；θi，max表示学生处于预设握笔姿势时第i个手指指尖的延伸方向与手掌中穿过手掌中心的方向之间最大预设角度值，n表示学生当前的握笔姿势中握持笔的手指的个数；

步骤s103，识别所述头部区域图像中学生鼻尖位置和学生手腕位置，并利用下面公式(2)，确定学生当前的坐姿姿势是否属于预设坐姿姿势，

在上述公式(2)中，w表示确定学生当前的坐姿姿势是否属于预设坐姿姿势的判定值，当w＝0时，学生当前的坐姿姿势不属于预设握坐姿姿势，当w＝1时，学生当前的坐姿姿势属于预设坐姿姿势，以学生的鼻尖为原点，以平行学生面部且向右的方向为x轴，以平行学生面部且向上的方向为y轴构建相应的头部坐标系，(xt，yt)表示在学生书写过程的t时刻学生手腕中心在头部坐标系中的坐标，μ()表示阶跃函数，当括号内的数值大于0时，阶跃函数的取值为1，当括号内的数值小于或等于0时，阶跃函数的取值为0，δ()表示单位冲激函数，当括号内的数值等于0时，单位冲激函数的取值为1，当括号内的数值不等于0时单位冲激函数的取值为0，αmin表示学生处于预设坐姿姿势时学生头部与手腕中心之间最小预设距离，αmax表示学生处于预设坐姿姿势时学生头部与手腕中心之间最大预设距离，t表示学生书写过程对应的持续总时间长度；

进一步，在所述步骤s2中，根据所述握笔姿势状态和所述坐姿姿势状态，确定学生纠正当前书写姿势中头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值具体包括：

利用下面公式(3)，根据评定值f和评定值w，确定学生纠正当前书写姿势中头部与书写平面之间的距离调整值g和头部相对于书写平面的倾角调整值r，

在上述公式(3)中，π表示圆周率，μ()表示阶跃函数，当括号内的数值大于0时，阶跃函数的取值为1，当括号内的数值小于或等于0时，阶跃函数的取值为0，δ()表示单位冲激函数，当括号内的数值等于0时，单位冲激函数的取值为1，当括号内的数值不等于0时单位冲激函数的取值为0，l表示预设评定上限值，评定值f和评定值w具有相同的预设评定上限值，表示线上取整运算；

进一步，在所述步骤s3中，根据所述距离调整值和所述倾角调整值，生成相应的灯光形式提示信号，从而提示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离和头部相对于书写平面的倾角具体包括：

步骤s301，根据所述距离调整值g，生成用于驱动黄色光源阵列进行发光的第一灯光驱动信号；根据所述倾角调整值r，生成用于驱动红色光源阵列进行发光的第二灯光驱动信号；

步骤s302，根据所述第一灯光驱动信号，驱动黄色光源阵列显示与所述距离调整值g相一致的数值，从而提示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离；

步骤s303，根据所述第二灯光驱动信号，驱动红色光源阵列显示与所述倾角调整值r相一致的数值，从而提示学生调整自身在书写过程中头部相对于书写平面的倾角。

本发明还提供基于多维度监控的学生书写姿势纠正系统，其特征在于，其包括书写过程拍摄与预处理模块、图像分析模块、书写姿势参数调整值确定模块和书写姿势调整提示模块；其中，

所述书写过程拍摄与预处理模块用于拍摄学生在书写过程中的头部区域图像和手部区域图像，并对所述头部区域图像和所述手部区域图像进行预处理后；

所述图像分析模块用于分析所述头部区域图像和所述手部区域图像，从而确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态；

所述书写姿势参数调整值确定模块用于根据所述握笔姿势状态和所述坐姿姿势状态，确定学生纠正当前书写姿势中头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值；

所述书写姿势调整提示模块用于根据所述距离调整值和所述倾角调整值，生成相应的灯光形式提示信号，从而提示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离和头部相对于书写平面的倾角；

进一步，所述书写过程拍摄与预处理模块拍摄学生在书写过程中的头部区域图像和手部区域图像，并对所述头部区域图像和所述手部区域图像进行预处理后具体包括：

在相同的视角方向拍摄学生在书写过程中的头部区域图像和手部区域图像，并对所述头部区域图像和所述手部区域图像进行灰度化处理和卡尔曼滤波处理，从而去除所述头部区域图像和所述手部区域图像的背景噪声；

以及，

所述图像分析模块分析所述头部区域图像和所述手部区域图像，从而确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态具体包括：

识别所述手部区域图像中学生在书写时手指指尖与手掌中心位置之间的相对位置，并利用下面公式(1)，确定学生当前的握笔姿势是否属于预设握笔姿势，

在上述公式(1)中，f表示确定学生当前的握笔姿势是否属于预设握笔姿势的判定值，当f＝0时，学生当前的握笔姿势不属于预设握笔姿势，当f＝1时，学生当前的握笔姿势属于预设握笔姿势，以手掌中心为原点，以垂直穿过手掌中心向右的射线设为x轴，以与手指长度方向一致且穿过手掌中心向指尖延伸的射线设为y轴构建相应的手部坐标系，(xi，yi)表示学生第i个手指指尖在手部坐标系中的坐标，μ()表示阶跃函数，当括号内的数值大于0时，阶跃函数的取值为1，当括号内的数值小于或等于0时，阶跃函数的取值为0，δ()表示单位冲激函数，当括号内的数值等于0时，单位冲激函数的取值为1，当括号内的数值不等于0时单位冲激函数的取值为0，θi，min表示学生处于预设握笔姿势时第i个手指指尖的延伸方向与手掌中穿过手掌中心的方向之间最小预设角度值，；θi，max表示学生处于预设握笔姿势时第i个手指指尖的延伸方向与手掌中穿过手掌中心的方向之间最大预设角度值，n表示学生当前的握笔姿势中握持笔的手指的个数；

识别所述头部区域图像中学生鼻尖位置和学生手腕位置，并利用下面公式(2)，确定学生当前的坐姿姿势是否属于预设坐姿姿势，

在上述公式(2)中，w表示确定学生当前的坐姿姿势是否属于预设坐姿姿势的判定值，当w＝0时，学生当前的坐姿姿势不属于预设握坐姿姿势，当w＝1时，学生当前的坐姿姿势属于预设坐姿姿势，以学生的鼻尖为原点，以平行学生面部且向右的方向为x轴，以平行学生面部且向上的方向为y轴构建相应的头部坐标系，(xt，yt)表示在学生书写过程的t时刻学生手腕中心在头部坐标系中的坐标，μ()表示阶跃函数，当括号内的数值大于0时，阶跃函数的取值为1，当括号内的数值小于或等于0时，阶跃函数的取值为0，δ()表示单位冲激函数，当括号内的数值等于0时，单位冲激函数的取值为1，当括号内的数值不等于0时单位冲激函数的取值为0，αmin表示学生处于预设坐姿姿势时学生头部与手腕中心之间最小预设距离，αmax表示学生处于预设坐姿姿势时学生头部与手腕中心之间最大预设距离，t表示学生书写过程对应的持续总时间长度。

进一步，所述书写姿势参数调整值确定模块根据所述握笔姿势状态和所述坐姿姿势状态，确定学生纠正当前书写姿势中头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值具体包括：

利用下面公式(3)，根据评定值f和评定值w，确定学生纠正当前书写姿势中头部与书写平面之间的距离调整值g和头部相对于书写平面的倾角调整值r，

在上述公式(3)中，π表示圆周率，μ()表示阶跃函数，当括号内的数值大于0时，阶跃函数的取值为1，当括号内的数值小于或等于0时，阶跃函数的取值为0，δ()表示单位冲激函数，当括号内的数值等于0时，单位冲激函数的取值为1，当括号内的数值不等于0时单位冲激函数的取值为0，l表示预设评定上限值，评定值f和评定值w具有相同的预设评定上限值，表示线上取整运算。

进一步，所述书写姿势调整提示模块根据所述距离调整值和所述倾角调整值，生成相应的灯光形式提示信号，从而提示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离和头部相对于书写平面的倾角具体包括：

根据所述距离调整值g，生成用于驱动黄色光源阵列进行发光的第一灯光驱动信号；根据所述倾角调整值r，生成用于驱动红色光源阵列进行发光的第二灯光驱动信号；

根据所述第一灯光驱动信号，驱动黄色光源阵列显示与所述距离调整值g相一致的数值，从而提示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离；

根据所述第二灯光驱动信号，驱动红色光源阵列显示与所述倾角调整值r相一致的数值，从而提示学生调整自身在书写过程中头部相对于书写平面的倾角。

相比于现有技术，该基于多维度监控的学生书写姿势纠正方法与系统包括拍摄学生在书写过程中的头部区域图像和手部区域图像，并对头部区域图像和手部区域图像进行预处理后，分析头部区域图像和手部区域图像，从而确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态，接着根据握笔姿势状态和坐姿姿势状态，确定学生纠正当前书写姿势中头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值，最后根据距离调整值和倾角调整值，生成相应的灯光形式提示信号，从而提示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离和头部相对于书写平面的倾角；可见，该基于多维度监控的学生书写姿势纠正方法与系统通过对学生的头部区域和手部区域进行多维度的拍摄监控，并对拍摄得到的图像进行滤波和分析识别，以此确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态，接着从握笔姿势和坐姿姿势这两个方面确定纠正书写姿势时对应的头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值，再根据距离调整值和倾角调整值生成相应的可视化的提示信号，从而提示学生进行准确和及时的距离和倾角调整，以此通过非接触的方式对学生的书写姿势进行监测和调整和在较低的监控成本下能够随时随地进行快速有效的书写姿势纠正。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于多维度监控的学生书写姿势纠正方法的流程示意图。

图2为本发明提供的基于多维度监控的学生书写姿势纠正系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，为本发明实施例提供的基于多维度监控的学生书写姿势纠正方法的流程示意图。该基于多维度监控的学生书写姿势纠正方法包括如下步骤：

步骤s1，拍摄学生在书写过程中的头部区域图像和手部区域图像，并对该头部区域图像和该手部区域图像进行预处理后，分析该头部区域图像和该手部区域图像，从而确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态；

步骤s2，根据该握笔姿势状态和该坐姿姿势状态，确定学生纠正当前书写姿势中头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值；

步骤s3，根据该距离调整值和该倾角调整值，生成相应的灯光形式提示信号，从而提示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离和头部相对于书写平面的倾角。

上述技术方案的有益效果为：该基于多维度监控的学生书写姿势纠正方法通过对学生的头部区域和手部区域进行多维度的拍摄监控，并对拍摄得到的图像进行滤波和分析识别，以此确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态，接着从握笔姿势和坐姿姿势这两个方面确定纠正书写姿势时对应的头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值，再根据距离调整值和倾角调整值生成相应的可视化的提示信号，从而提示学生进行准确和及时的距离和倾角调整，以此通过非接触的方式对学生的书写姿势进行监测和调整和在较低的监控成本下能够随时随地进行快速有效的书写姿势纠正。

优选地，在该步骤s1中，拍摄学生在书写过程中的头部区域图像和手部区域图像，并对该头部区域图像和该手部区域图像进行预处理后，分析该头部区域图像和该手部区域图像，从而确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态具体包括：

步骤s101，在相同的视角方向拍摄学生在书写过程中的头部区域图像和手部区域图像，并对该头部区域图像和该手部区域图像进行灰度化处理和卡尔曼滤波处理，从而去除该头部区域图像和该手部区域图像的背景噪声；

步骤s102，识别该手部区域图像中学生在书写时手指指尖与手掌中心位置之间的相对位置，并利用下面公式(1)，确定学生当前的握笔姿势是否属于预设握笔姿势，

在上述公式(1)中，f表示确定学生当前的握笔姿势是否属于预设握笔姿势的判定值，当f＝0时，学生当前的握笔姿势不属于预设握笔姿势，当f＝1时，学生当前的握笔姿势属于预设握笔姿势，以手掌中心为原点，以垂直穿过手掌中心向右的射线设为x轴，以与手指长度方向一致且穿过手掌中心向指尖延伸的射线设为y轴构建相应的手部坐标系，(xi，yi)表示学生第i个手指指尖在手部坐标系中的坐标，μ()表示阶跃函数，当括号内的数值大于0时，阶跃函数的取值为1，当括号内的数值小于或等于0时，阶跃函数的取值为0，δ()表示单位冲激函数，当括号内的数值等于0时，单位冲激函数的取值为1，当括号内的数值不等于0时单位冲激函数的取值为0，θi，min表示学生处于预设握笔姿势时第i个手指指尖的延伸方向与手掌中穿过手掌中心的方向之间最小预设角度值，；θi，max表示学生处于预设握笔姿势时第i个手指指尖的延伸方向与手掌中穿过手掌中心的方向之间最大预设角度值，n表示学生当前的握笔姿势中握持笔的手指的个数；

步骤s103，识别该头部区域图像中学生鼻尖位置和学生手腕位置，并利用下面公式(2)，确定学生当前的坐姿姿势是否属于预设坐姿姿势，

在上述公式(2)中，w表示确定学生当前的坐姿姿势是否属于预设坐姿姿势的判定值，当w＝0时，学生当前的坐姿姿势不属于预设握坐姿姿势，当w＝1时，学生当前的坐姿姿势属于预设坐姿姿势，以学生的鼻尖为原点，以平行学生面部且向右的方向为x轴，以平行学生面部且向上的方向为y轴构建相应的头部坐标系，(xt，yt)表示在学生书写过程的t时刻学生手腕中心在头部坐标系中的坐标，μ()表示阶跃函数，当括号内的数值大于0时，阶跃函数的取值为1，当括号内的数值小于或等于0时，阶跃函数的取值为0，δ()表示单位冲激函数，当括号内的数值等于0时，单位冲激函数的取值为1，当括号内的数值不等于0时单位冲激函数的取值为0，αmin表示学生处于预设坐姿姿势时学生头部与手腕中心之间最小预设距离，αmax表示学生处于预设坐姿姿势时学生头部与手腕中心之间最大预设距离，t表示学生书写过程对应的持续总时间长度。

上述技术方案的有益效果为：由于学生在书写过程中手部的握笔姿势和坐姿姿势都会影响学生的书写姿势，而学生的坐姿姿势则与学生头部相对于纸张或者桌面等书写平面的相对位置相关，通过对头部区域图像和手部区域图像进行灰度化和卡尔曼滤波，能够对图像中的背景噪声进行过滤去除，从而准确从头部区域图像和手部区域图像中提取得到学生的头部轮廓信息和手部轮廓信息，从而为后续准确确定学生头部位置和手部位置提供可靠的依据。此外，利用上述公式(1)和(2)，能够对学生在书写过程中握持部的所有手指的指尖相对于手掌中心的位置进行全面和综合的分析，并结合预设握笔姿势中不同手指指尖与手掌中心之间的相对角度位置，来判断学生当前的握笔手势是否属于预设握笔姿势，这样能够提高对学生当前的握笔手势的判断准确性，其中，该预设握笔姿势可以对不同人群的握笔习惯对应的握笔手势图像进行综合分析而得到，这就不做进一步的累述。

优选地，在该步骤s2中，根据该握笔姿势状态和该坐姿姿势状态，确定学生纠正当前书写姿势中头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值具体包括：

利用下面公式(3)，根据评定值f和评定值w，确定学生纠正当前书写姿势中头部与书写平面之间的距离调整值g和头部相对于书写平面的倾角调整值r，

在上述公式(3)中，π表示圆周率，μ()表示阶跃函数，当括号内的数值大于0时，阶跃函数的取值为1，当括号内的数值小于或等于0时，阶跃函数的取值为0，δ()表示单位冲激函数，当括号内的数值等于0时，单位冲激函数的取值为1，当括号内的数值不等于0时单位冲激函数的取值为0，l表示预设评定上限值，评定值f和评定值w具有相同的预设评定上限值，表示线上取整运算。

上述技术方案的有益效果为：由于学生在书写过程的书写姿势与学生的头部相对于书写平面之间的距离和倾角存在直接的联系，当学生当前的书写姿势部符合相关要求标准时，适应性地调节上述距离和倾角，能够实现对学生书写姿势的快速和精准纠正调整。利用上述公式(3)，能够准确地根据学生当前的书写姿势对头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值进行量化确定，从而为后续提示学生进行书写姿势纠正提供量化准确的依据。

优选地，在该步骤s3中，根据该距离调整值和该倾角调整值，生成相应的灯光形式提示信号，从而提示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离和头部相对于书写平面的倾角具体包括：

步骤s301，根据该距离调整值g，生成用于驱动黄色光源阵列进行发光的第一灯光驱动信号；根据该倾角调整值r，生成用于驱动红色光源阵列进行发光的第二灯光驱动信号；

步骤s302，根据该第一灯光驱动信号，驱动黄色光源阵列显示与该距离调整值g相一致的数值，从而提示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离；

步骤s303，根据该第二灯光驱动信号，驱动红色光源阵列显示与该倾角调整值r相一致的数值，从而提示学生调整自身在书写过程中头部相对于书写平面的倾角。

上述技术方案的有益效果为：由于需要提示进行头部与书写平面之间的距离和头部相对于书写平面的倾角两者的调整，若同时向学生直接提示距离调整值和倾角调整值，很容易导致学生无法清楚地区分究竟是需要进行距离还是倾角的调整，从而降低学生进行书写姿势纠正的准确性和及时性。利用黄色光源阵列和红色光源阵列来分别显示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离和学生调整自身在书写过程中头部相对于书写平面的倾角的提示消息，这样能够使学生在观看不同颜色光源阵列的情况下能够即时分别出究竟是进行距离调整还是倾角调整和准确确定调整的幅度，从而大大改善学生进行书写姿势纠正的可靠性和人性化程度。

参阅图2，为本发明实施例提供的基于多维度监控的学生书写姿势纠正系统的结构示意图。该基于多维度监控的学生书写姿势纠正系统包括书写过程拍摄与预处理模块、图像分析模块、书写姿势参数调整值确定模块和书写姿势调整提示模块；其中，

该书写过程拍摄与预处理模块用于拍摄学生在书写过程中的头部区域图像和手部区域图像，并对该头部区域图像和该手部区域图像进行预处理后；

该图像分析模块用于分析该头部区域图像和该手部区域图像，从而确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态；

该书写姿势参数调整值确定模块用于根据该握笔姿势状态和该坐姿姿势状态，确定学生纠正当前书写姿势中头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值；

该书写姿势调整提示模块用于根据该距离调整值和该倾角调整值，生成相应的灯光形式提示信号，从而提示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离和头部相对于书写平面的倾角。

上述技术方案的有益效果为：该基于多维度监控的学生书写姿势纠正系统通过对学生的头部区域和手部区域进行多维度的拍摄监控，并对拍摄得到的图像进行滤波和分析识别，以此确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态，接着从握笔姿势和坐姿姿势这两个方面确定纠正书写姿势时对应的头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值，再根据距离调整值和倾角调整值生成相应的可视化的提示信号，从而提示学生进行准确和及时的距离和倾角调整，以此通过非接触的方式对学生的书写姿势进行监测和调整和在较低的监控成本下能够随时随地进行快速有效的书写姿势纠正。

优选地，该书写过程拍摄与预处理模块拍摄学生在书写过程中的头部区域图像和手部区域图像，并对该头部区域图像和该手部区域图像进行预处理后具体包括：

在相同的视角方向拍摄学生在书写过程中的头部区域图像和手部区域图像，并对该头部区域图像和该手部区域图像进行灰度化处理和卡尔曼滤波处理，从而去除该头部区域图像和该手部区域图像的背景噪声；

以及，

该图像分析模块分析该头部区域图像和该手部区域图像，从而确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态具体包括：

识别该手部区域图像中学生在书写时手指指尖与手掌中心位置之间的相对位置，并利用下面公式(1)，确定学生当前的握笔姿势是否属于预设握笔姿势，

在上述公式(1)中，f表示确定学生当前的握笔姿势是否属于预设握笔姿势的判定值，当f＝0时，学生当前的握笔姿势不属于预设握笔姿势，当f＝1时，学生当前的握笔姿势属于预设握笔姿势，以手掌中心为原点，以垂直穿过手掌中心向右的射线设为x轴，以与手指长度方向一致且穿过手掌中心向指尖延伸的射线设为y轴构建相应的手部坐标系，(xi，yi)表示学生第i个手指指尖在手部坐标系中的坐标，μ()表示阶跃函数，当括号内的数值大于0时，阶跃函数的取值为1，当括号内的数值小于或等于0时，阶跃函数的取值为0，δ()表示单位冲激函数，当括号内的数值等于0时，单位冲激函数的取值为1，当括号内的数值不等于0时单位冲激函数的取值为0，θi，min表示学生处于预设握笔姿势时第i个手指指尖的延伸方向与手掌中穿过手掌中心的方向之间最小预设角度值，；θi，max表示学生处于预设握笔姿势时第i个手指指尖的延伸方向与手掌中穿过手掌中心的方向之间最大预设角度值，n表示学生当前的握笔姿势中握持笔的手指的个数；

识别该头部区域图像中学生鼻尖位置和学生手腕位置，并利用下面公式(2)，确定学生当前的坐姿姿势是否属于预设坐姿姿势，

在上述公式(2)中，w表示确定学生当前的坐姿姿势是否属于预设坐姿姿势的判定值，当w＝0时，学生当前的坐姿姿势不属于预设握坐姿姿势，当w＝1时，学生当前的坐姿姿势属于预设坐姿姿势，以学生的鼻尖为原点，以平行学生面部且向右的方向为x轴，以平行学生面部且向上的方向为y轴构建相应的头部坐标系，(xt，yt)表示在学生书写过程的t时刻学生手腕中心在头部坐标系中的坐标，μ()表示阶跃函数，当括号内的数值大于0时，阶跃函数的取值为1，当括号内的数值小于或等于0时，阶跃函数的取值为0，δ()表示单位冲激函数，当括号内的数值等于0时，单位冲激函数的取值为1，当括号内的数值不等于0时单位冲激函数的取值为0，αmin表示学生处于预设坐姿姿势时学生头部与手腕中心之间最小预设距离，αmax表示学生处于预设坐姿姿势时学生头部与手腕中心之间最大预设距离，t表示学生书写过程对应的持续总时间长度。

上述技术方案的有益效果为：由于学生在书写过程中手部的握笔姿势和坐姿姿势都会影响学生的书写姿势，而学生的坐姿姿势则与学生头部相对于纸张或者桌面等书写平面的相对位置相关，通过对头部区域图像和手部区域图像进行灰度化和卡尔曼滤波，能够对图像中的背景噪声进行过滤去除，从而准确从头部区域图像和手部区域图像中提取得到学生的头部轮廓信息和手部轮廓信息，从而为后续准确确定学生头部位置和手部位置提供可靠的依据。此外，利用上述公式(1)和(2)，能够对学生在书写过程中握持部的所有手指的指尖相对于手掌中心的位置进行全面和综合的分析，并结合预设握笔姿势中不同手指指尖与手掌中心之间的相对角度位置，来判断学生当前的握笔手势是否属于预设握笔姿势，这样能够提高对学生当前的握笔手势的判断准确性，其中，该预设握笔姿势可以对不同人群的握笔习惯对应的握笔手势图像进行综合分析而得到，这就不做进一步的累述。

优选地，该书写姿势参数调整值确定模块根据该握笔姿势状态和该坐姿姿势状态，确定学生纠正当前书写姿势中头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值具体包括：

利用下面公式(3)，根据评定值f和评定值w，确定学生纠正当前书写姿势中头部与书写平面之间的距离调整值g和头部相对于书写平面的倾角调整值r，

在上述公式(3)中，π表示圆周率，μ()表示阶跃函数，当括号内的数值大于0时，阶跃函数的取值为1，当括号内的数值小于或等于0时，阶跃函数的取值为0，δ()表示单位冲激函数，当括号内的数值等于0时，单位冲激函数的取值为1，当括号内的数值不等于0时单位冲激函数的取值为0，l表示预设评定上限值，评定值f和评定值w具有相同的预设评定上限值，表示线上取整运算。

上述技术方案的有益效果为：由于学生在书写过程的书写姿势与学生的头部相对于书写平面之间的距离和倾角存在直接的联系，当学生当前的书写姿势部符合相关要求标准时，适应性地调节上述距离和倾角，能够实现对学生书写姿势的快速和精准纠正调整。利用上述公式(3)，能够准确地根据学生当前的书写姿势对头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值进行量化确定，从而为后续提示学生进行书写姿势纠正提供量化准确的依据。

优选地，该书写姿势调整提示模块根据该距离调整值和该倾角调整值，生成相应的灯光形式提示信号，从而提示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离和头部相对于书写平面的倾角具体包括：

根据该距离调整值g，生成用于驱动黄色光源阵列进行发光的第一灯光驱动信号；根据该倾角调整值r，生成用于驱动红色光源阵列进行发光的第二灯光驱动信号；

根据该第一灯光驱动信号，驱动黄色光源阵列显示与该距离调整值g相一致的数值，从而提示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离；

根据该第二灯光驱动信号，驱动红色光源阵列显示与该倾角调整值r相一致的数值，从而提示学生调整自身在书写过程中头部相对于书写平面的倾角。

上述技术方案的有益效果为：由于需要提示进行头部与书写平面之间的距离和头部相对于书写平面的倾角两者的调整，若同时向学生直接提示距离调整值和倾角调整值，很容易导致学生无法清楚地区分究竟是需要进行距离还是倾角的调整，从而降低学生进行书写姿势纠正的准确性和及时性。利用黄色光源阵列和红色光源阵列来分别显示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离和学生调整自身在书写过程中头部相对于书写平面的倾角的提示消息，这样能够使学生在观看不同颜色光源阵列的情况下能够即时分别出究竟是进行距离调整还是倾角调整和准确确定调整的幅度，从而大大改善学生进行书写姿势纠正的可靠性和人性化程度。

从上述实施例的内容可知，该基于多维度监控的学生书写姿势纠正方法与系统包括拍摄学生在书写过程中的头部区域图像和手部区域图像，并对头部区域图像和手部区域图像进行预处理后，分析头部区域图像和手部区域图像，从而确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态，接着根据握笔姿势状态和坐姿姿势状态，确定学生纠正当前书写姿势中头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值，最后根据距离调整值和倾角调整值，生成相应的灯光形式提示信号，从而提示学生调整自身在书写过程中的头部与书写平面之间的距离和头部相对于书写平面的倾角；可见，该基于多维度监控的学生书写姿势纠正方法与系统通过对学生的头部区域和手部区域进行多维度的拍摄监控，并对拍摄得到的图像进行滤波和分析识别，以此确定学生的握笔姿势状态和坐姿姿势状态，接着从握笔姿势和坐姿姿势这两个方面确定纠正书写姿势时对应的头部与书写平面之间的距离调整值和头部相对于书写平面的倾角调整值，再根据距离调整值和倾角调整值生成相应的可视化的提示信号，从而提示学生进行准确和及时的距离和倾角调整，以此通过非接触的方式对学生的书写姿势进行监测和调整和在较低的监控成本下能够随时随地进行快速有效的书写姿势纠正。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。