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
【技術領域】
[0001] 本發明涉及計算機視覺檢測處理技術領域，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】
[0002] 現在平板電腦上有許多有趣的幼教游戲應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，互動性欠缺，長時間看著屏幕容易對眼睛造成傷害;而當下一些互 動性強的傳統性游戲玩具已經脫離了時代的發展，形式上無法滿足孩子學習、玩耍的需求， 也不便于孩子和家長的互動溝通。
[0003] 為了解決上述問題，計算機視覺識別處理技術領域成功的開發了一種教育玩具套 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 板上方設置有第一凹槽;支架底部具有凸起，凸起安裝在第一凹槽內，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。然后將魔方放置于 底板上，在平板電腦內安裝游戲程序，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，增強游戲的趣味性、兒童動手能力以及互動性。
[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偏差，導致攝像頭不能采集到完整的圖像，圖像容易采 集出錯，分析結果不準確等問題的出現。；
[0005] 因此，計算機視覺檢測處理技術領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確，提高圖像采集以及分析 結果的準確率。

【發明內容】

[0006] 本發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，底板上方設置有第一凹槽;支架底部具有凸起，凸起安裝在第一凹槽 內，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；還包括:定位孔，設置于第三凹槽側壁的縱向中心軸上。
[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，游戲程序中設置有掃描界面，在掃描界面上 設置掃描感興趣區域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，預先根據選擇魔方的階數，設置掃描感興趣區域R0I; 采用單面掃描模式時，感興趣區域R0I與魔方的單面相同；采用雙面掃描模式時，感興趣區 域R0I由2個垂直面組成，每個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，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，由檢測出的橢圓數量判定魔方在底板上的擺放位置是否準確。
[0015] 優選的，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)表示圖像像素點的位置坐標，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表示圖像像素點在紅色通道的色彩值，Gxy表示圖像像素點在綠色通道的 色彩值，B xy表示圖像像素點在藍色通道的色彩值。
[0020] 優選的，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，梯度是一階二維導數的二維等效式，具體計算過程為：
[0026] 首先，計算相鄰像素的差分，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] 進一步地，計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)點上梯度值，￡表示像素值在X方向上求導， f表示像素值在y方向上求導；
[0033] 進一步地，計算邊緣點的梯度幅值，所有邊緣點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，在轉換為灰度圖后，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前圖像的邊緣，進而采用邊緣檢測的方法提取色 塊輪廓;常規的邊緣提取算法，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) |表示邊緣點的梯度幅值；
[0037] c)對于步驟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于獲 得的二值輪廓進行目標篩選，計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表示標準橢_形狖牝槨與魘力穢天的形狀距離值，g (k)和h (k)分別 代表標準橢圓和待測形狀的一組輪廓點集，Μ表示距離閾值，k表示輪廓點集內第k個元素 點，K表示輪廓點集內含有的元素個數；當匕小于Μ時，則判定當前彩色色塊輪廓形狀為橢 圓；當(^大于等于Μ時，判定當前是彩色色塊輪廓形狀不為橢圓。
[0041] 優選的，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] 計算步驟四中得到的橢圓形彩色色塊的數量，單面掃描時，如果得到的橢圓形彩 色色塊數量與魔方單面宮格數量相同，則認為魔方位置擺放正確;雙面掃描時如果得到的 橢圓形彩色色塊數量與魔方雙面宮格數量相同，則認為魔方位置擺放正確;其它情況均認 為魔方位置擺放錯誤。
[0043]本發明的有益效果：
[0044] 1、本發明游戲交互設計巧妙;通過將游戲掃描界面的R0I區域設置為多宮格形式， 既美觀簡單，又與魔方的形狀相同，判斷更加快速，同時保留了趣味性和直觀性。
[0045] 2、本發明檢測算法更加科學、成熟，將圖像的灰度化轉化、邊緣檢測、形狀匹配的 圖像算法相結合使用，能夠快速的判斷出魔方的擺放位置是否準確，便于魔方位置的快速 調節，提高圖像采集以及分析結果的準確率。
[0046] 3、本發明計算速度快;通過將彩色向灰度化降低圖片的內存，提高運算速度，每次 定位檢測耗時在30ms左右，為玩家提供流暢的使用體驗。
【附圖說明】
[0047] 下面結合附圖和【具體實施方式】來詳細說明本發明：
[0048] 圖1是本發明一種教育玩具套件的結構示意圖。