[發(fā)明專利]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

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610053827.8
• 申請日: 2016-01-26
• 公開（公告）號: CN105513086B
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發(fā)明（設計）人: 程瀟;范旭;張乾
• 申請（專利權）人: 上海葡萄緯度科技有限公司
• 主分類號: G06T7/73
• 分類號: G06T7/73;G06T7/64;G06T7/13;A63F9/08
• 代理公司: 上海國智知識產權代理事務所(普通合伙) 31274
• 代理人: 潘建玲

1.一種教育玩具套件中基于形狀匹配的魔方檢測定位方法，其特征在于，包括如下步驟：

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(qū)域ROI，掃描界面包括單面掃描模式和雙面掃描模式；

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(qū)域ROI；采用單面掃描模式時，感興趣區(qū)域ROI與魔方的單面相同；采用雙面掃描模式時，感興趣區(qū)域ROI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；

步驟二，將平板電腦的底端安裝于第二凹槽內，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；

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；

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；

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。

2.根據權利要求1所述的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，其特征在于，所述步驟三的具體步驟為：

將平板電腦前置攝像頭所獲取圖像定義為I_xy，I_xy＝f(x，y)；

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；

由于攝像頭采集的圖像為彩色圖片，因此f(x，y)＝(R_xy，G_xy，B_xy)；

其中，R_xy表示圖像像素點在紅色通道的色彩值，G_xy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。

3.根據權利要求2所述的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，其特征在于，所述步驟四的具體步驟為：

a)把所述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：

Gray(x，y)＝0.2989×R_xy+0.5870×G_xy+0.1140×B_xy；

其中，Gray(x，y)表示灰度圖像；

b)使用邊緣檢測算法提取色塊輪廓；

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：

首先，計算相鄰像素的差分，具體公式為：

G_x＝f[i，j+1]-f[i，j]

G_y＝f[i，j]-f[i+1，j]

其中，G_x表示相鄰像素在x方向上的差分，G_y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+1，j]表示圖像在第i+1行第j列的像素值；

進一步地，計算相鄰像素間的梯度，具體公式為：

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，表示像素值在y方向上求導；

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；

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(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：

其中，|G(x，y)|表示邊緣點的梯度幅值；

c)對于所述步驟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；

其中，C_s表示標準橢圓形狀輪廓與魔方彩色色塊的形狀距離值，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，M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C_s小于M時，則判定當前彩色色塊輪廓形狀為橢圓；當C_s大于等于M時，判定當前是彩色色塊輪廓形狀不為橢圓。

4.根據權利要求3所述的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，其特征在于，所述步驟五的具體步驟為：

計算所述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。