一種教育玩具套件及其基于形狀匹配的魔方檢測定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺檢測處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種教育玩具套件及其基于 形狀匹配的魔方檢測定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)在平板電腦上有許多有趣的幼教游戲應(yīng)用程序或者兒童游戲，但往往只是讓小 朋友在屏幕上指指畫畫，互動(dòng)性欠缺，長時(shí)間看著屏幕容易對(duì)眼睛造成傷害;而當(dāng)下一些互 動(dòng)性強(qiáng)的傳統(tǒng)性游戲玩具已經(jīng)脫離了時(shí)代的發(fā)展，形式上無法滿足孩子學(xué)習(xí)、玩耍的需求， 也不便于孩子和家長的互動(dòng)溝通。
[0003] 為了解決上述問題，計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別處理技術(shù)領(lǐng)域成功的開發(fā)了一種教育玩具套 件，包括:支架、頭盔探測器和底板，并且支架安裝于底板上，頭盔探測器安裝于支架上;底 板上方設(shè)置有第一凹槽;支架底部具有凸起，凸起安裝在第一凹槽內(nèi)，頂部具有第二凹槽和 第三凹槽，第二凹槽用于放置平板電腦;頭盔探測器安裝于第三凹槽內(nèi)。然后將魔方放置于 底板上，在平板電腦內(nèi)安裝游戲程序，通過平板電腦的攝像頭采集放置于底板上的魔方的 拼接圖像，判定魔方圖案是否與游戲程序要求的拼接程序一致，如果不一致給出最快捷的 下一步拼接指導(dǎo)，增強(qiáng)游戲的趣味性、兒童動(dòng)手能力以及互動(dòng)性。
[0004] 上述的教育玩具套件雖然解決了平板電腦中游戲的互動(dòng)性欠缺的問題，但是由于 底板很大，魔方的擺放位置常常出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致攝像頭不能采集到完整的圖像，圖像容易采 集出錯(cuò)，分析結(jié)果不準(zhǔn)確等問題的出現(xiàn)。；
[0005] 因此，計(jì)算機(jī)視覺檢測處理技術(shù)領(lǐng)域急需一種教育玩具套件及其基于形狀匹配的 魔方檢測定位方法，能夠快速的判斷出魔方的擺放位置是否準(zhǔn)確，提高圖像采集以及分析 結(jié)果的準(zhǔn)確率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為了解決上述問題，提供了一種教育玩具套件及其基于形狀匹配的魔方檢 測定位方法，技術(shù)方案如下：
[0007] -種教育玩具套件，包括支架、頭盔探測器和底板，并且支架安裝于底板上，頭盔 探測器安裝于支架上，底板上方設(shè)置有第一凹槽;支架底部具有凸起，凸起安裝在第一凹槽 內(nèi)，頂部具有第二凹槽和第三凹槽，第二凹槽用于放置平板電腦;頭盔探測器安裝于第三凹 槽內(nèi)；還包括:定位孔，設(shè)置于第三凹槽側(cè)壁的縱向中心軸上。
[0008] -種教育玩具套件中基于形狀匹配的魔方檢測定位方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟一，在平板電腦中安裝游戲程序，游戲程序中設(shè)置有掃描界面，在掃描界面上 設(shè)置掃描感興趣區(qū)域R0I，掃描界面包括單面掃描模式和雙面掃描模式；
[0010] 掃描界面由方形宮格組成，預(yù)先根據(jù)選擇魔方的階數(shù)，設(shè)置掃描感興趣區(qū)域R0I; 采用單面掃描模式時(shí)，感興趣區(qū)域R0I與魔方的單面相同；采用雙面掃描模式時(shí)，感興趣區(qū) 域R0I由2個(gè)垂直面組成，每個(gè)垂直面含有的宮格與魔方的單面相同；
[0011] 步驟二，將平板電腦的底端安裝于第二凹槽內(nèi)，通過第四凹槽將頭盔探測器安裝 于平板電腦的頂端，再將魔方放置于底板上；
[0012] 步驟三，固定安裝好后，通過平板電腦的前置攝像頭采集圖像；
[0013] 步驟四，魔方的每個(gè)宮格由底面色和彩色色塊組成，檢測圖像中魔方彩色色塊的 輪緣形狀是否為橢圓形；
[0014]步驟五，由檢測出的橢圓數(shù)量判定魔方在底板上的擺放位置是否準(zhǔn)確。
[0015] 優(yōu)選的，在上述一種教育玩具套件中基于形狀匹配的魔方檢測定位方法中，步驟 三的具體步驟為：
[0016] 將平板電腦前置攝像頭所獲取圖像定義為Ixy，Ixy = f(X，y);
[0017] 其中，（x，y)表示圖像像素點(diǎn)的位置坐標(biāo)，f(x，y)表示圖像的在(x，y)上的像素值；
[0018] 由于攝像頭采集的圖像為彩色圖片，因此f (X，y) = (Rxy，Gxy，Bxy);
[0019] 其中，Rxy表示圖像像素點(diǎn)在紅色通道的色彩值，Gxy表示圖像像素點(diǎn)在綠色通道的 色彩值，B xy表示圖像像素點(diǎn)在藍(lán)色通道的色彩值。
[0020] 優(yōu)選的，在上述一種教育玩具套件中基于形狀匹配的魔方檢測定位方法中，步驟 四的具體步驟為：
[0021] a)把步驟三中采集得到的彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，具體公式為：
[0022] Gray (x, y) = 0.2989 X Rxy+0.5870 X Gxy+0.1140 X Bxy ；
[0023] 其中，Gray(x，y)表示灰度圖像；
[0024] b)使用邊緣檢測算法提取色塊輪廓；
[0025] 圖像的邊緣是指灰度圖像中灰度變化比較劇烈的部分，灰度值的變化程度采用相 鄰像素間的梯度變化來定量表示，梯度是一階二維導(dǎo)數(shù)的二維等效式，具體計(jì)算過程為：
[0026] 首先，計(jì)算相鄰像素的差分，具體公式為：
[0027] Gx=f[i，j+l]_f[i，j]
[0028] Gy = f[i, j]-f[i+l, j]
[0029] 其中，Gx表示相鄰像素在x方向上的差分，Gy表示相鄰像素在y方向上的差分，f[i，j +1]表示圖像在第i行第j+1列的像素值，f[i，j]表示圖像在第i行第j列的像素值;f[i+i，j] 表示圖像在第i+1行第j列的像素值；
[0030] 進(jìn)一步地，計(jì)算相鄰像素間的梯度，具體公式為：
[0031]
[0032] 其中，G(x，y)表示表示圖像的在(x，y)點(diǎn)上梯度值，￡表示像素值在X方向上求導(dǎo)， f表示像素值在y方向上求導(dǎo)；
[0033] 進(jìn)一步地，計(jì)算邊緣點(diǎn)的梯度幅值，所有邊緣點(diǎn)的梯度幅值集合即為提取的邊緣 輪廓；
[0034] 由于待檢測的魔方目標(biāo)，在轉(zhuǎn)換為灰度圖后，彩色色塊和魔方底色反差較大，因此 可以將反差很大的彩色色塊的輪廓視為當(dāng)前圖像的邊緣，進(jìn)而采用邊緣檢測的方法提取色 塊輪廓;常規(guī)的邊緣提取算法，包括Sobel算子、Roberts算子、Prewitt算子和Canny算子等， 具體公式為：
[0035]
[0036]其中，| G(X，y) |表示邊緣點(diǎn)的梯度幅值；
[0037] c)對(duì)于步驟b)中得出的色塊邊緣輪廓，使用形狀上下文的形狀匹配的方法對(duì)于獲 得的二值輪廓進(jìn)行目標(biāo)篩選，計(jì)算形狀輪廓與魔方色塊的形狀距離；
[0038]
[0039] 彩色色塊輪廓形狀
[0040]其中，Cs表示標(biāo)準(zhǔn)橢_形狖牝槨與魘力穢天的形狀距離值，g (k)和h (k)分別 代表標(biāo)準(zhǔn)橢圓和待測形狀的一組輪廓點(diǎn)集，Μ表示距離閾值，k表示輪廓點(diǎn)集內(nèi)第k個(gè)元素 點(diǎn)，K表示輪廓點(diǎn)集內(nèi)含有的元素個(gè)數(shù)；當(dāng)匕小于Μ時(shí)，則判定當(dāng)前彩色色塊輪廓形狀為橢 圓；當(dāng)(^大于等于Μ時(shí)，判定當(dāng)前是彩色色塊輪廓形狀不為橢圓。
[0041] 優(yōu)選的，在上述一種教育玩具套件中基于形狀匹配的魔方檢測定位方法中，步驟 五的具體步驟為：
[0042] 計(jì)算步驟四中得到的橢圓形彩色色塊的數(shù)量，單面掃描時(shí)，如果得到的橢圓形彩 色色塊數(shù)量與魔方單面宮格數(shù)量相同，則認(rèn)為魔方位置擺放正確;雙面掃描時(shí)如果得到的 橢圓形彩色色塊數(shù)量與魔方雙面宮格數(shù)量相同，則認(rèn)為魔方位置擺放正確;其它情況均認(rèn) 為魔方位置擺放錯(cuò)誤。
[0043]本發(fā)明的有益效果：
[0044] 1、本發(fā)明游戲交互設(shè)計(jì)巧妙;通過將游戲掃描界面的R0I區(qū)域設(shè)置為多宮格形式， 既美觀簡單，又與魔方的形狀相同，判斷更加快速，同時(shí)保留了趣味性和直觀性。
[0045] 2、本發(fā)明檢測算法更加科學(xué)、成熟，將圖像的灰度化轉(zhuǎn)化、邊緣檢測、形狀匹配的 圖像算法相結(jié)合使用，能夠快速的判斷出魔方的擺放位置是否準(zhǔn)確，便于魔方位置的快速 調(diào)節(jié)，提高圖像采集以及分析結(jié)果的準(zhǔn)確率。
[0046] 3、本發(fā)明計(jì)算速度快;通過將彩色向灰度化降低圖片的內(nèi)存，提高運(yùn)算速度，每次 定位檢測耗時(shí)在30ms左右，為玩家提供流暢的使用體驗(yàn)。
【附圖說明】
[0047] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】來詳細(xì)說明本發(fā)明：
[0048] 圖1是本發(fā)明一種教育玩具套件的結(jié)構(gòu)示意圖。