一種基于云計(jì)算的智能膳食評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于云計(jì)算的智能膳食評估方法，本發(fā)明 的目的在于使用該技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)生活中食物攝入量測量的問題。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著生活質(zhì)量和水平的不斷提升，年輕人中肥胖病患者的數(shù)量逐步增長是一個(gè)巨 大的問題。不幸的是，這種持續(xù)的增長趨勢導(dǎo)致2型糖尿病病人的數(shù)量也持續(xù)增長。在2008 年，肥胖癥患者占世界成人人口的十分之一，而在2012年這個(gè)數(shù)字已增長到六分之一，并 且還在以驚人的速度增長。最近的研宄表明，肥胖的人更可能產(chǎn)生嚴(yán)重的健康疾病，如高血 壓、心臟病、2型糖尿病、高血脂、乳腺癌、結(jié)腸癌和呼吸疾病等。肥胖癥的主要原因是食物和 能量的攝入與消耗之間的不平衡。所以，為了用健康的方式減肥并且維持正常人的健康體 重，必須每天測量食物攝取量。事實(shí)上，所有現(xiàn)有的肥胖癥治療技術(shù)要求病人每天記錄食物 的攝入量來對比能量的攝入和消耗。
[0003] 膳食攝入量，即定義某人每天吃什么。膳食攝入量可以為增加干預(yù)方案提供寶貴 意見，從而能夠預(yù)防許多疾病。在營養(yǎng)和健康領(lǐng)域，精確測量膳食攝入量是開放的研宄課 題。通過引入一個(gè)新的半自動(dòng)膳食評估裝置，它有助于營養(yǎng)師監(jiān)測每日營養(yǎng)攝入量。要做 到這一點(diǎn)，在食物識(shí)別裝置的不同步驟中已經(jīng)采用了各種圖像處理技術(shù)。在肥胖癥患者的 移動(dòng)設(shè)備上使用這種食物識(shí)別裝置，任何人都可以監(jiān)控他/她的食物的攝入量。
[0004] 本發(fā)明的基于云計(jì)算的智能膳食評估方法，是在已發(fā)明的膳食評估裝置方法上， 采用云計(jì)算技術(shù)而成。膳食評估裝置是由幾個(gè)獨(dú)立的部分組成，一個(gè)部分的輸出信息是另 一個(gè)部分的輸入信息。因此，整個(gè)攝入測量裝置對每個(gè)操作過程都非常敏感。換句話說，一 個(gè)早期階段(如分割階段）的錯(cuò)誤估計(jì)，會(huì)將錯(cuò)誤傳播到整個(gè)裝置，并降低最終結(jié)果的精確 度。本發(fā)明為了有一個(gè)精確的攝入測量裝置，考慮并使用了這一特點(diǎn)。因此，在每個(gè)部分的 算法的技術(shù)準(zhǔn)確性上可以稱得上"精準(zhǔn)"。整體食物卡路里的精確和準(zhǔn)確的測量是需要解 決的主要問題。整體食物卡路里的精確測量是另一個(gè)問題。在討論任何技術(shù)問題之前，對 本裝置的精度預(yù)期是很重要的。為了回答這個(gè)問題，首先必須了解現(xiàn)有的食物營養(yǎng)成分測 量方法的精度。從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。首先，如果把一盤食物放到專業(yè)營養(yǎng)師面前，他/她 不能僅僅通過簡單的觀察或手動(dòng)測量就給出精確的營養(yǎng)成分測量結(jié)果，這是因?yàn)闋I養(yǎng)師不 知道盤中食物的精確的成分，例如食物中是否包含鹽，如果含有鹽則含量是多少，或者它是 否包含油，如果含有油是什么類型(橄欖油，玉米油，動(dòng)物類，...），如果含有某一類油，其含 量是多少等問題。此外，某些食物不易察覺，例如一片肉隱藏在湯內(nèi)，使?fàn)I養(yǎng)師也無法看到。 因此，在現(xiàn)實(shí)生活中高精度卡路里測量是不可能實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明主要是設(shè)計(jì)一個(gè)在具有內(nèi) 置相機(jī)的智能手機(jī)或其他移動(dòng)設(shè)備上運(yùn)行的半自動(dòng)化測量模塊以記錄食物的卡路里攝入 量。與現(xiàn)有的臨床方法相比，本方法是通過測量食物的體積和其營養(yǎng)成分來計(jì)算卡路里的 攝入量。
[0005] 本目標(biāo)必然不是得到高精度的結(jié)果，因?yàn)槿缟衔乃觯趯?shí)際生活中是不可能測 量出高精度的數(shù)據(jù)的。當(dāng)然，越精準(zhǔn)的裝置，最后得出的結(jié)論越好。這就是為什么考慮試圖 測量食物的攝入部分的體積的大小，并且盡可能準(zhǔn)確的辨認(rèn)食物的類型。但非常重要的是 僅通過食物圖片的處理是不可能得到高精度的數(shù)據(jù)的。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種基于云計(jì)算的智能膳食評估方法。
[0008] 上述的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 目前提出的食物識(shí)別方法與這一領(lǐng)域的其他現(xiàn)有的方法類似，是由各種精密計(jì)算步驟 組成，包括圖像分割、特征提取和分類等。例如，在顏色分割步驟中，使用一個(gè)3X3的掩碼 對整個(gè)圖像進(jìn)行卷積計(jì)算。相似的，在紋理分割步驟中，使用一個(gè)2X2的掩碼對整個(gè)圖像 進(jìn)行卷積。一般來說，對一個(gè)MXN的圖像，使用一個(gè)nXn的掩碼，需要額外計(jì)算n2X(MXN) 和算（n2-l)X(MXN)。所有這些復(fù)雜的操作必須在移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行，這不僅限制了移動(dòng)設(shè) 備的處理能力，而且也限制了移動(dòng)設(shè)備的功率資源。使用移動(dòng)云計(jì)算是一種適當(dāng)?shù)慕鉀Q方 案。
[0009] 考慮到在年輕人群中移動(dòng)設(shè)備(例如智能手機(jī)和平板電腦）的普及，并且這些通信 設(shè)備普遍存在，它們可以加載飲食相關(guān)的應(yīng)用模塊，例如我們的食物識(shí)別模塊。本發(fā)明的目 的在于使用該技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)生活中食物攝入量測量的問題。當(dāng)前這一領(lǐng)域的研宄可以分為 三類，即臨床研宄、輔助研宄和半自動(dòng)化方法研宄。在如24小時(shí)膳食回顧（24HR)和食物頻 率問卷這類臨床研宄中，其數(shù)據(jù)是由患者手工記錄，之后再計(jì)算卡路里攝入量。由于這些方 法的數(shù)據(jù)是手工記錄，因此在整個(gè)記錄過程中可能產(chǎn)生大量的錯(cuò)誤。這些方法的另一個(gè)缺 點(diǎn)是病人很難將記錄應(yīng)用于治療。最近，一些研宄人員研宄半自動(dòng)化的方法。本發(fā)明將設(shè) 計(jì)開發(fā)一個(gè)簡單而實(shí)用的半自動(dòng)化的應(yīng)用模塊，人們可以使用應(yīng)用模塊進(jìn)行交互。此外，在 這種情況下，通過使用模塊化的方法來增加如智能手機(jī)這類移動(dòng)設(shè)備的使用機(jī)會(huì)。使用移 動(dòng)設(shè)備作為用戶接口，并且通過網(wǎng)絡(luò)將自己的食物圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給專家來計(jì)算卡路里攝入 量。移動(dòng)應(yīng)用模塊提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)制來收集飲食信息，由此可降低飲食記錄者的負(fù) 擔(dān)。
[0010] 采用用戶拇指測量相對立體空間數(shù)據(jù)，并在執(zhí)行不同類型食物的分析時(shí)使用不同 的顏色空間。最突出最重要的區(qū)域之一是使用顏色空間YCbCr，它可以對圖像中用像素表示 的皮膚顏色進(jìn)行分析。該顏色空間使拇指識(shí)別和定位成為可能。無論用戶選擇將他/她的 手指放在什么部分或位置中，我們都能夠以提取出來，并執(zhí)行相應(yīng)的測量和轉(zhuǎn)化。對于圖像 包括食物區(qū)域的剩余部分，使用均值漂移分割。在某些已經(jīng)缺失的區(qū)域，也使用了K-均值 顏色聚類方法?？傮w而言，這兩種方法結(jié)合起來，在顏色分割階段得到了更精確的結(jié)果。之 后，采用計(jì)數(shù)器檢測提取食物，并指定各種食物的顏色。
[0011] 對于一些圖像，圖像分割沒有得到較好的結(jié)果。這要求我們來定義更多圖像中的 特征，我們在識(shí)別階段需要它們。通過組合各種顏色分割方法，能夠以不同的顏色表示不同 的部分。因此可以很好的用于輪廓提取，可以在圖像內(nèi)對用戶提供很好的對象的輪廓呈現(xiàn)。
[0012] 為了在分割階段獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，還增加了紋理分割的方法。對于紋理特征，使 用伽柏濾波器來測量頻域中的局部紋理屬性。這樣做，對圖像應(yīng)用不同定向和波長的伽柏 濾波器組。每個(gè)伽柏濾波器的輸出是一個(gè)二維矩陣，并與輸入圖像的大小相同。這樣的矩 陣中所有元素的總和是一個(gè)數(shù)字，代表輸入圖像所匹配的定向和空間頻率。
[0013] 移動(dòng)云計(jì)算是一種結(jié)構(gòu)，在移動(dòng)設(shè)備之外進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理。移動(dòng)云應(yīng)用 將手機(jī)的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的過程移到云中進(jìn)行。
[0014] 在該方法中，食物圖像將被移動(dòng)設(shè)備捕獲，圖像的預(yù)處理步驟將在移動(dòng)設(shè)備上執(zhí) 行。然后圖像將被發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行精密計(jì)算步驟，如分割、特征提取、分類和熱量測量等。 最后，預(yù)計(jì)的熱量信息會(huì)被送回移動(dòng)設(shè)備。
[0015] 如果我們在應(yīng)用中有使用云計(jì)算的機(jī)會(huì)，該服務(wù)器除了處理階段外，由于云能夠 獲得所有客戶端數(shù)據(jù)，所以它應(yīng)該能夠輕易更新數(shù)據(jù)庫的能力。
[0016] 有益效果： 本發(fā)明的接口可包括有顯示器及人機(jī)操作接口，顯示器為手機(jī)、平板類觸控或非觸控 均可。使用者可通過顯示器分析識(shí)別出的食物，確定是否為使用者所消耗，也可自行設(shè)定 食物內(nèi)容和分量。
[0017] 1)延長電池壽命 很顯然，移動(dòng)設(shè)備使用的云計(jì)算可以減少電池消耗。為了展現(xiàn)在食物識(shí)別系統(tǒng)中使用 的云計(jì)算的效果，測試在兩種情況下移動(dòng)設(shè)備的時(shí)間復(fù)雜度。在第一種情況下，使用目前 常規(guī)的食物識(shí)別系統(tǒng)，第二種情況將系統(tǒng)加入云計(jì)算。在第一種情況下，所有的識(shí)別步驟在 移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行，而在第二種情況下只有圖像采集和預(yù)處理步驟是在移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行，其 它步驟在云中進(jìn)行。使用英特爾Vtune軟件提取每一種情況下處理970X720大小的食物 圖像所花費(fèi)的時(shí)鐘周期，如表1所示。
[0018] 表1兩種不同情況下移動(dòng)設(shè)備所需的時(shí)鐘周期
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于云計(jì)算的智能膳食評估方法，其組成包括：含有攝像頭的移動(dòng)智能設(shè)備云 端服務(wù)器組成，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于云計(jì)算的智能膳食評估方法。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于云計(jì)算的智能膳食評估方法，其特征是目前提出的食 物識(shí)別方法是由各種精密計(jì)算步驟組成，包括圖像分割、特征提取和分類；例如，在顏色分 割步驟中，使用一個(gè)3X3的掩碼對整個(gè)圖像進(jìn)行卷積計(jì)算；在紋理分割步驟中，使用一個(gè) 2X2的掩碼對整個(gè)圖像進(jìn)行卷積；一般來說，對一個(gè)MXN的圖像，使用一個(gè)nXn的掩碼， 需要額外計(jì)算n2X(MXN)和算（n2-l)X(MXN);所有這些復(fù)雜的操作必須在移動(dòng)設(shè)備上進(jìn) 行，這不僅限制了移動(dòng)設(shè)備的處理能力，而且也限制了移動(dòng)設(shè)備的功率資源，使用移動(dòng)云 計(jì)算可以解決以上問題。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述，一種基于云計(jì)算的智能膳食評估方法，在該方法中，食物 圖像將被移動(dòng)設(shè)備捕獲，圖像的預(yù)處理步驟將在移動(dòng)設(shè)備上執(zhí)行；然后圖像將被發(fā)送到服 務(wù)器進(jìn)行精密計(jì)算步驟，如分割、特征提取、分類和熱量測量；最后，預(yù)計(jì)的熱量信息會(huì)被送 回移動(dòng)設(shè)備；在應(yīng)用中使用云計(jì)算，該服務(wù)器除了處理階段外，由于云能夠獲得所有客戶端 數(shù)據(jù)，能夠輕易更新數(shù)據(jù)庫的能力。
【專利摘要】一種基于云計(jì)算的智能膳食評估方法，在該方法中，食物圖像將被移動(dòng)設(shè)備捕獲，圖像的預(yù)處理步驟將在移動(dòng)設(shè)備上執(zhí)行。然后圖像將被發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行精密計(jì)算，如分割、特征提取、分類和熱量測量。最后，預(yù)計(jì)的熱量信息會(huì)被送回移動(dòng)設(shè)備。通過使用云計(jì)算，該服務(wù)器除了處理階段外，云能夠獲得所有客戶端數(shù)據(jù)，能夠輕易更新數(shù)據(jù)庫的能力。未來社會(huì)，將是一個(gè)智慧化城市時(shí)代，很多勞作都可以用智能機(jī)器去取代。該產(chǎn)品的研發(fā)，將引起一場新的變革。
【IPC分類】G06K9-00, G06F19-00
【公開號(hào)】CN104765980
【申請?zhí)枴緾N201510217645
【發(fā)明人】王燕清, 王一璞, 石朝俠
【申請人】哈爾濱理工大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年5月4日