一種教育玩具套件及其基于hsv的魔方顏色識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及計(jì)算機(jī)視覺檢測處理技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種教育玩具套件及其基于 HSV的魔方顏色識(shí)別方法。
【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、頭盎探測器和底板，并且支架安裝于底板上，頭盎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=凹槽，第二凹槽用于放置平板電腦;頭盎探測器安裝于第=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W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)，同時(shí)不能判斷出魔方宮格的顏色，無法分析魔方拼 接是否準(zhǔn)確。
[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HSV的魔方 顏色識(shí)別方法，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W及分析結(jié)果 的準(zhǔn)確率，同時(shí)能夠識(shí)別魔方的宮格顏色。

【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HSV的魔方顏色識(shí) 別方法，技術(shù)方案如下：
[0007] -種教育玩具套件，包括支架、頭盎探測器和底板，并且支架安裝于底板上，頭盎 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=凹槽，第二凹槽用于放置平板電腦;頭盎探測器安裝于第= 凹槽內(nèi)；還包括:定位孔，設(shè)置于第=凹槽側(cè)壁的縱向中屯、軸上。
[000引一種教育玩具套件中基于服V的魔方顏色識(shí)別方法，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ROI，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ROI; 采用單面掃描模式時(shí)，感興趣區(qū)域ROI與魔方的單面相同；采用雙面掃描模式時(shí)，感興趣區(qū) 域ROI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)，通過第四凹槽將頭盎探測器安裝 于平板電腦的頂端，再將魔方放置于底板上；
[0012] 步驟=，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 輪緣形狀是否為楠圓形，計(jì)算得到的楠圓形彩色色塊的數(shù)量，判斷魔方的位置是否擺放準(zhǔn) 確，如果擺放不準(zhǔn)確則重新擺放魔方，重復(fù)步驟=至四，直至擺放準(zhǔn)確為止，如果擺放準(zhǔn)確 則執(zhí)行步驟五；
[0014] 步驟五，清楚環(huán)境光因素對(duì)步驟=中采集到的圖像顏色的影響，實(shí)現(xiàn)顏色校正，得 到原始場景圖像；
[0015] 步驟六，定位魔方ROI區(qū)域內(nèi)每個(gè)色塊的中屯、點(diǎn)；
[0016] 步驟屯，針對(duì)步驟六中得到的每個(gè)色塊的中屯、點(diǎn)劃定區(qū)域，求出原始場景圖像中 的像素點(diǎn)在服V顏色空間的H色調(diào)值，將原始場景圖像轉(zhuǎn)化為服V顏色圖像；
[0017] 步驟八，設(shè)定六種顏色在H通道上的闊值區(qū)間，根據(jù)步驟屯中計(jì)算出的H色調(diào)值計(jì) 算劃定區(qū)域在H通道上的像素平均值集合，將像素平均值集合與六種顏色在H通道上的闊值 區(qū)間相比較，判斷出掃描區(qū)域內(nèi)每個(gè)色塊的顏色。
[0018] 優(yōu)選的，在上述一種教育玩具套件中基于HSV的魔方顏色識(shí)別方法中，步驟S的具 體步驟為：
[0019]將平板電腦前置攝像頭所獲取圖像定義為Ixy，Ixy = f(X，y);
[0020] 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；
[0021] 由于攝像頭采集的圖像為彩色圖片，因此f(X，y) = (Rxy，Gxy，Bxy);
[0022] 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，Bxy表示圖像像素點(diǎn)在藍(lán)色通道的色彩值。
[0023] 優(yōu)選的，在上述一種教育玩具套件中基于HSV的魔方顏色識(shí)別方法中，步驟四的具 體步驟為：
[0024] a)把步驟=中采集得到的彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，具體公式為：
[0025] Gray (X，y) = 0.2989 X Rxy+0.5870 X Gxy+0.1140 X Bxy;
[00%]其中，Gray(x，y)表示灰度圖像；
[0027] b)使用邊緣檢測算法提取色塊輪廓；
[0028] 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：
[0029] 首先，計(jì)算相鄰像素的差分，具體公式為：
[0030] Gx=f[i，j+l]-f[i，j]
[0031] Gy = f[i, j]
[0032] 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+l，j] 表示圖像在第i+1行第j列的像素值，
[0033] 進(jìn)一步地，計(jì)算相鄰像素間的梯度，具體公式為：
[0034]
;
[0035] 其中，G(x，y)表示表示圖像的在(x，y)點(diǎn)上梯度值，f表示像素值在X方向上求導(dǎo)， I表示像素值在y方向上求導(dǎo)；
[0036] 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；
[0037] 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W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、Robeds算子、Prewitt算子和化nny算子等， 具體公式為：
[00；3 引
[0039] 其中，|G(x，y)陵示邊緣點(diǎn)的梯度幅值；
[0040] 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；
[0041]
[0042]
[0043] 其中，Cs表示標(biāo)準(zhǔn)楠圓形狀輪廓與魔方彩色色塊的形狀距離值，g(k)和Mk)分別 代表標(biāo)準(zhǔn)楠圓和待測形狀的一組輪廓點(diǎn)集，M表示距離闊值，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)Cs小于M時(shí)，則判定當(dāng)前彩色色塊輪廓形狀為楠 圓；當(dāng)Cs大于等于M時(shí)，判定當(dāng)前是彩色色塊輪廓形狀不為楠圓；
[0044] d)由檢測出的楠圓數(shù)量判定魔方在底板上的擺放位置是否準(zhǔn)確，如果不準(zhǔn)確則重 新擺放魔方，重復(fù)執(zhí)行步驟=至四，直至擺放位置準(zhǔn)確位置，如果擺放位置準(zhǔn)確則執(zhí)行步驟 五；
[0045] f)計(jì)算步驟C)中得到的楠圓形彩色色塊的數(shù)量，單面掃描時(shí)，如果得到的楠圓形 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 的楠圓形彩色色塊數(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。
[0046] 優(yōu)選的，在上述一種教育玩具套件中基于HSV的魔方顏色識(shí)別方法中，步驟五的具 體步驟為：
[0047] 人的視覺系統(tǒng)具有顏色恒常性，能從變化的光照環(huán)境和成像條件下獲取物體表面 顏色的不變特性，但成像設(shè)備不具有運(yùn)樣的調(diào)節(jié)功能，不同的光照環(huán)境會(huì)導(dǎo)致采集的圖像 顏色與真實(shí)顏色存在一定程度的偏差；因此在本游戲過程中，由于外界光照條件的變化，步 驟=中前置攝像頭采集到的圖像會(huì)出現(xiàn)偏色；因此，需要采用灰度世界的方法對(duì)偏色圖片 進(jìn)行顏色校正，將偏色圖片轉(zhuǎn)化為從圖像中消除環(huán)境光的影響的原始場景圖像；