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一種輔助群體健康飲食的系統(tǒng)以及方法

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月06日 14:52

本發(fā)明涉及一種輔助群體健康飲食的系統(tǒng)以及方法,具體說涉及一種包括圖像識別、食品營養(yǎng)學(xué)、手機(jī)應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域的輔助群體健康飲食的系統(tǒng)以及方法。

背景技術(shù)：

隨著社會的發(fā)展，人們的生活水平越來越高，但是人們因不合理的飲食而出現(xiàn)健康問題的情況越來越多，人們對自己飲食的健康也越來越注重。與此同時，也出現(xiàn)了很多與健康飲食有關(guān)的軟件，但是這些軟件存在著營養(yǎng)學(xué)分析不合理，沒有根據(jù)使用者自身的體型進(jìn)行實事求是的分析，或者需要使用者自己估算食物攝入量，導(dǎo)致估算不精準(zhǔn)、手動輸入較為繁瑣等問題。

現(xiàn)有的一種智能健康飲食管理系統(tǒng)，它是根據(jù)使用app拍攝的二維圖像或者語音輸入今日所食用的種類，計算卡路里攝入量并和用戶設(shè)定的數(shù)值相比較，判斷今日攝入量是否超標(biāo)。但是這種方法無法識別食物的體積，由此導(dǎo)致估算卡路里攝入量并不準(zhǔn)確。且營養(yǎng)學(xué)模型并不全面，卡路里只能衡量食物攝入的總熱量，但是在營養(yǎng)學(xué)中攝入食物的供能比，即為人體提供能量的三大物質(zhì)---碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪之間的比例也很重要，還有其他對人體有益的維生素同樣需要考慮。該系統(tǒng)考慮的因素較為單一。

目前現(xiàn)有技術(shù)中另外一種健康飲食管理方法，同樣是根據(jù)app拍攝二維圖像或者輸入食品編號測算食物攝入量，并且根據(jù)用戶輸入的運(yùn)動量、身體狀況等信息綜合分析，為用戶推薦菜品，推薦烹飪方式和推薦膳食方案。但是同樣有拍照估算食物攝入量不夠精確，且手動輸入信息較為繁瑣的問題。

因此，研發(fā)一種可以精準(zhǔn)方便定量測定使用者的食物營養(yǎng)素攝入量，并且根據(jù)使用者自身的形體，合理科學(xué)地提供全方位飲食建議的系統(tǒng)至關(guān)重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為實現(xiàn)所述目的，本發(fā)明提供一種可以快速精準(zhǔn)監(jiān)測以及分析使用者的營養(yǎng)素攝入狀況并根據(jù)使用者自身的形體信息給予合理的飲食建議的系統(tǒng)及方法。可以精確記錄使用者的營養(yǎng)素攝入情況、身體狀況，給予科學(xué)合理的飲食建議，有利于使用者的身體健康。

本發(fā)明提出一種輔助群體健康飲食的系統(tǒng)，包括食物信息采集器、人體信息采集器、計算主機(jī)、主機(jī)端應(yīng)用程序、手機(jī)端應(yīng)用程序以及云端數(shù)據(jù)服務(wù)器，其特征在于：所述人體信息采集器，包含一第一攝像頭和一體重秤，用于獲取人的形體信息；所述食物信息采集器，包含一第二攝像頭，用于獲取食物的深度圖；所述計算主機(jī)，用于運(yùn)行主機(jī)端的應(yīng)用程序并顯示登錄界面以及系統(tǒng)實時運(yùn)行狀況；所述主機(jī)端應(yīng)用程序，包括用戶登錄模塊、食物信息自動提取模塊、人體信息自動提取模塊和信息上報模塊；所述手機(jī)端應(yīng)用程序，用于用戶連接計算主機(jī)，開啟主機(jī)端應(yīng)用程序中的食物信息自動提取模塊和人體信息自動提取模塊；并用于用戶查看個人飲食建議以及飲食情況或身體情況；所述云端數(shù)據(jù)服務(wù)器包含數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)分析計算模塊。

在上述輔助群體健康飲食的系統(tǒng)中，所述第一攝像頭和第二攝像頭均為深度攝像頭。

本發(fā)明還提出一種輔助群體健康飲食的方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟s1：用戶開啟系統(tǒng)；

步驟s2：人體信息采集器和食物信息采集器采集信息，包括人體信息采集器獲取人體信息采集器的深度圖像和人體體重數(shù)據(jù)，食物信息采集器獲取食物信息采集器采集的深度圖像；

步驟s3：計算主機(jī)處理數(shù)據(jù)，包括識別食物的種類、分割出食物、計算出食物的體積，以及利用人體的深度圖像和體重數(shù)據(jù)計算出人體的形體信息；

步驟s4：計算主機(jī)將所述步驟s3中的數(shù)據(jù)上傳；

步驟s5：云端服務(wù)器根據(jù)上傳的食物體積、種類信息，計算出使用者攝入的各大營養(yǎng)素含量，并根據(jù)s4上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出飲食建議。

在上述輔助群體健康飲食的方法中，其特征在于，所述步驟s2中食物體積計算過程為：a)根據(jù)設(shè)備擺放的形態(tài)設(shè)置初始平面p，使得初始平面p的平面法向量pv與z軸平行；b)將食物點(diǎn)云與初始平面p配準(zhǔn)，使得放置食物的平面與初始平面p重合；c)將食物前景分割出來；d)將步驟c)中的分割結(jié)果映射到三維空間；e)計算三維空間體積，再根據(jù)食物的營養(yǎng)素數(shù)據(jù)庫，計算獲得被拍攝食物的各種營養(yǎng)素的含量。

在上述輔助群體健康飲食的方法中，其特征在于，所述步驟s3中食物體積計算過程d)中分割結(jié)果映射到三維空間的方法使用如下公式：

其中zc為攝像頭離食物的距離；u、v是某個食物像素點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的x軸坐標(biāo)以及y軸坐標(biāo)；xw、yw、zw為食物在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)；fx、fy為相應(yīng)方向上焦點(diǎn)的長度；uo、vo為像素坐標(biāo)系中的光心；r字母代表一個旋轉(zhuǎn)矩陣，t代表轉(zhuǎn)換矩陣，計算得出三維空間坐標(biāo)。

在上述輔助群體健康飲食的方法中，其特征在于，所述步驟s2中食物體積計算過程特征在于，所述步驟e)中計算三維空間體積的方法為：以食物點(diǎn)云為上曲面，上曲面定義為f，初始平面p為下平面，根據(jù)積分公式計算出三維空間體積。

在上述輔助群體健康飲食的方法中，其特征在于，所述步驟s2中食物體積計算過程中步驟e)所述積分公式為：

s＝1mm2

hi＝fz-pz

其中pz∈p，pz為初始平面的縱坐標(biāo)，fz∈f，fz為食物點(diǎn)云中點(diǎn)的縱坐標(biāo)，s為xy平面上積分時的單位面積，hi為上曲面f某點(diǎn)與初始平面p即下平面對應(yīng)點(diǎn)的z軸方向距離，v為最終計算出的食物三維空間體積。

在上述輔助群體健康飲食的方法中，其特征在于，所述步驟s3中計算人體形體信息的過程如下：(a)第一攝像頭對人體進(jìn)行拍照，計算主機(jī)讀取第一攝像頭采集的人體單個視角深度圖；(b)對步驟(a)中的所述深度圖進(jìn)行分割得到人體深度圖，根據(jù)分割后的深度圖得到人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再根據(jù)人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取人體骨架數(shù)據(jù)；(c)進(jìn)行人體姿勢擬合；(d)進(jìn)行人體形態(tài)擬合；(e)進(jìn)行人體腰圍、臀圍參數(shù)的估算；(f)計算主機(jī)根據(jù)人體的身高、體重、腰圍和臀圍計算人體的形體信息。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明可以快捷精準(zhǔn)定量地記錄使用者的食物營養(yǎng)素攝入狀況，比傳統(tǒng)的估算手動輸入、拍照輸入更加精確且不需要標(biāo)準(zhǔn)板的參照，更加方便快捷，適合于餐廳中為所有人使用。且飲食建議的分析，是結(jié)合了每個人的形體狀況的，而且考慮到了人體的各個營養(yǎng)素，更加合理。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個實施例中輔助群體健康飲食裝置的立體圖；

圖2為圖1的左視圖；

圖3為本發(fā)明的輔助群體健康飲食系統(tǒng)的方法流程圖；

圖4為本發(fā)明一個實施例中的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系示意圖；

圖5為本發(fā)明一個實施例中的食物平面與初始平面配準(zhǔn)示意圖；

圖6為本發(fā)明一個實施例中的圖像分割結(jié)果圖；

圖7為本發(fā)明一個實施例中將食物從二維到三維的映射圖；

圖8為本發(fā)明一個實施例中的三維體積計算示意圖；

圖9為本發(fā)明另一個實施例中的食物種類識別結(jié)果示意圖；

圖10為本發(fā)明一個實施例中的人體形體測定的示意圖。

圖中序號所示如下：第一攝像頭1、支架2、第二攝像頭3、計算主機(jī)4、顯示屏5、步驟s1-s5。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但不作為對發(fā)明的限定。

下面根據(jù)圖1-2介紹本發(fā)明所使用的裝置：圖1為本發(fā)明一個實施例中輔助群體健康飲食裝置的立體圖，圖2為圖1的左視圖，輔助群體健康飲食裝置包括人體信息采集器、食物信息采集器和計算主機(jī)。人體信息采集器包括第一攝像頭1和體重秤6，第一攝像頭1為一深度攝像頭，設(shè)置在支架2的上方，用于向斜下方拍攝人體，獲取人體的深度圖像；體重秤6設(shè)置在該裝置的正前方，用于獲取人體的體重，通過藍(lán)牙與計算主機(jī)4連接。食物信息采集器包括第二攝像頭3，第二攝像頭3為另一個深度攝像頭，設(shè)置在支架2下、位于第一攝像頭1下方、計算主機(jī)的內(nèi)部，用于垂直向下拍攝食物，獲取食物的深度圖像。計算主機(jī)4與支架2相連接，是一臺通用計算機(jī)，同時可以作為放置待測食物的平臺，其上方裝有顯示屏5，用于顯示主機(jī)端程序的運(yùn)行狀況以及顯示本機(jī)器的二維碼。

下面根據(jù)圖3--10具體說明本發(fā)明一個實施例中的輔助群體健康飲食裝置及方法，輔助群體健康飲食系統(tǒng)方法的總體流程圖如圖3所示：

步驟s1：首先用戶開啟系統(tǒng)，具體過程為：用戶將餐盤放置到該系統(tǒng)的計算主機(jī)4中，使用者站在體重秤6上，隨后打開手機(jī)端應(yīng)用程序，掃描計算主機(jī)4顯示屏上的二維碼，進(jìn)入操作界面，開啟計算主機(jī)4上的人體信息自動提取模塊和食物信息自動提取模塊；或者直接在主機(jī)端應(yīng)用程序的軟件登錄模塊中開啟上述模塊，準(zhǔn)備進(jìn)行信息采集。

步驟s2：信息采集器采集信息，具體過程為：計算主機(jī)4獲取食物信息采集器采集的深度圖像，并根據(jù)所述深度圖像計算食物的體積。食物體積的具體計算過程為：

a)根據(jù)設(shè)備擺放的形態(tài)設(shè)置初始平面p，使得初始平面p的平面法向量pv與z軸平行，如圖4所示；

b)將食物點(diǎn)云與步驟a)中的初始平面p配準(zhǔn)，使得放置食物的平面與初始平面p重合如圖5所示；

c)通過二維檢測算法將食物點(diǎn)云分割出來，食物拍攝所獲取的圖像與通過二維檢測算法分割后的圖像對照如圖6所示；

d)將步驟c)中的二維食物點(diǎn)云分割結(jié)果映射到三維空間，從二維映射成三維的對照如圖7所示。將二維像素坐標(biāo)輸入下述公式一：

e)計算三維空間體積：以食物點(diǎn)云為上曲面，上曲面定義為f，初始平面p為下平面，根據(jù)下述積分公式計算出三維空間體積，計算示意圖如圖8所示?？墒褂梅e分公式進(jìn)行運(yùn)算，具體運(yùn)算方法如下公式二所示：

s＝1mm2

hi＝fz-pz

同時計算機(jī)通過深度學(xué)習(xí)算法識別出食物的種類，如圖9所示，為另一實施例中食物為包子時，信息采集器識別出的食物種類示意圖。

根據(jù)構(gòu)建的食物密度數(shù)據(jù)庫，又結(jié)合食物的種類、體積，再根據(jù)食物的營養(yǎng)素數(shù)據(jù)庫，計算獲得被拍攝食物的各種營養(yǎng)素的含量?？墒褂萌缦鹿饺M(jìn)行計算：

w＝ρ*v*k

ρ為食物的密度，w為食物某營養(yǎng)物質(zhì)的含量，v為食物的體積，k為食物單位質(zhì)量某種營養(yǎng)素的含量。

其中食物密度數(shù)據(jù)庫，是存儲著不同食物密度大小的數(shù)據(jù)庫。食物營養(yǎng)素數(shù)據(jù)庫是根據(jù)《中國食物成分表》構(gòu)建的，不同食物各種營養(yǎng)素含量的數(shù)據(jù)庫。

步驟s3：計算主機(jī)4初步處理數(shù)據(jù)，具體包括根據(jù)第一攝像頭1獲取的人體深度圖以及體重秤6稱得的體重信息來計算出人體形體信息，具體計算過程如圖10所示，文字表述如下：

(a)第一攝像頭1對人體進(jìn)行拍照，計算主機(jī)4讀取第一攝像頭1采集的人體單個視角深度圖；

(b)對采集的深度圖進(jìn)行輪廓分割得到人體深度圖，根據(jù)分割后的深度圖得到人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取人體骨架數(shù)據(jù)；

(c)進(jìn)行人體姿勢擬合：計算將模板模型的骨架數(shù)據(jù)變換到人體點(diǎn)云骨架數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)矩陣r，基于此進(jìn)一步優(yōu)化人體參數(shù)化模型的姿態(tài)參數(shù)θ；

(d)進(jìn)行人體形態(tài)擬合：在進(jìn)行步驟(c)中的人體姿勢擬合后，建立姿態(tài)變形后的模板模型和人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系，求解模板模型的形態(tài)變形參數(shù)β；

(e)進(jìn)行人體腰圍、臀圍等具體信息的估算，依照擬合后人體模型的拓?fù)湟恢碌奶攸c(diǎn)，預(yù)先定義體尺參數(shù)的表面圓周路徑，該路徑被定義為一組頂點(diǎn)的集合，圓周路徑的長度為定義路徑點(diǎn)的相鄰邊的長度之和，然后根據(jù)步驟(d)中擬合后的人體形態(tài)，來計算模型對應(yīng)的圓周路徑，從而得到人體的腰圍、臀圍等信息的估計。(f)計算主機(jī)3根據(jù)人體的身高以及體重計算人體的身體質(zhì)量指數(shù)bmi，身體質(zhì)量指數(shù)bmi＝m/h2，其中h為身高(單位為米)，m為人體體重(單位為kg)。還可以計算人體的中心性肥胖指數(shù)c，l1為腰圍(單位cm)，l2為臀圍(單位cm)，計算過程為：c＝l1/l2；

步驟s4：計算主機(jī)4上傳數(shù)據(jù)，將運(yùn)算所得的食物某營養(yǎng)物質(zhì)的含量w、身體質(zhì)量指數(shù)bmi和中心性肥胖指數(shù)c兩種形體信息上傳至云端服務(wù)器；

步驟s5：云端服務(wù)器計算存儲數(shù)據(jù)，云端服務(wù)器開始根據(jù)使用者的身體質(zhì)量指數(shù)bmi和中心性肥胖指數(shù)c以及當(dāng)日攝入食物各種營養(yǎng)素的含量，根據(jù)《中國居民膳食指南》構(gòu)建的信息庫，給予飲食建議，并存儲營養(yǎng)素攝入信息、形體信息以及飲食建議。

例如：云端服務(wù)器根據(jù)主機(jī)端上傳的形體信息數(shù)據(jù)，獲得使用者的形體信息為，bmi＝22.03kg/m2，中心性肥胖指數(shù)為c＝0.85。云端服務(wù)器讀取使用者的年齡、性別信息為20歲，性別女，體力勞動類型為輕體力勞動。

系統(tǒng)根據(jù)《中國居民膳食指南》構(gòu)建的知識庫得知，bmi值在18.5～23.9之間，為正常體重；中心性肥胖指數(shù)為c＝0.85<0.9，也屬于正常。系統(tǒng)從而判定使用者無須減肥，按照正常人群進(jìn)行分析。云端服務(wù)器根據(jù)如下公式：

每日所需熱量(千卡)＝每公斤標(biāo)準(zhǔn)體重所需熱量(千卡)×標(biāo)準(zhǔn)體重(公斤)

其中，每公斤標(biāo)準(zhǔn)體重所需熱量參考表1：

表1人群每公斤標(biāo)準(zhǔn)體重所需熱量參考表

計算得出人體理論上的能量需求為1800千卡。

即表示要維持人體代謝平衡，則需要至少攝入1800千卡的食物，且根據(jù)《中國居民膳食指南》要求，能量需求為1800千卡的人，各個營養(yǎng)素攝入量應(yīng)當(dāng)為如下表2所示：

表2《中國居民膳食指南》中建議的正常人群各營養(yǎng)素攝入量

(續(xù)表)

通過云端數(shù)據(jù)服務(wù)器中存儲的當(dāng)日食物各營養(yǎng)素的含量數(shù)據(jù)，即可獲得如下表3所示的用戶某日的營養(yǎng)素攝入情況表：

表3用戶某日營養(yǎng)素攝入情況

(續(xù)表)

云端數(shù)據(jù)服務(wù)器將兩個表格相對比，發(fā)現(xiàn)用戶蛋白質(zhì)攝入量與標(biāo)準(zhǔn)值差異較大，達(dá)到了百分之五十，由此可以判定用戶今日蛋白質(zhì)攝入量嚴(yán)重不足，因此云端數(shù)據(jù)服務(wù)器計算得出結(jié)論：蛋白質(zhì)攝入量嚴(yán)重偏低，該用戶日常飲食應(yīng)注重蛋白質(zhì)的攝入，手機(jī)端應(yīng)用程序?qū)⒃诖稳赵缟习它c(diǎn)提醒用戶“昨日蛋白質(zhì)攝入嚴(yán)重不足，建議多吃蛋白質(zhì)含量高的食品”并且給出菜單。

用戶可以通過手機(jī)端應(yīng)用程序隨時查看歷史日期的各營養(yǎng)素攝入信息、形體信息以及飲食建議等。

需要指出的是，根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式所作的任何變形，均不脫離本發(fā)明的精神以及權(quán)利要求記載的范圍。

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