[发明专利]一种教育玩具套件及其数字识别方法

摘要

本发明涉及计算机视觉检测处理技术领域，提供了一种教育玩具套件及其数字识别方法，包括支架、头盔探测器和底垫，底垫上方具有2个控制凹槽，用于放置控制按键，下方具有数字凹槽，用于放置多种颜色的1‑9数字卡片；头盔探测器安装于支架上；头盔探测器还包括本体、第三凹槽、2个扇形块和凸面镜，并且第三凹槽位于本体内，在第三凹槽夹持平板电脑屏幕的端点处设置有凸面镜，凸面镜的另一端安装于头盔探测器边缘上，凸面镜与水平面夹角成锐角，2个扇形块位于凸面镜的2个边缘上。本发明能基于底垫轮廓信息，快速校正底垫位置，判定底垫下方的凹槽内放置的数字卡片摆放是否正确，增强趣味性、互动性，以及图像采集、分析结果的准确率。

主权项

1.一种教育玩具套件的数字识别方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，在平板电脑中安装游戏程序，再将底垫放置于平面上，平板电脑的底端安装于第一凹槽内，通过第二凹槽将头盔探测器安装于平板电脑的顶端，再将数字卡片放置于数字凹槽内；步骤二，固定安装好后，通过平板电脑的前置摄像头实时采集彩色图像；步骤三，检测图像中数字卡片的数字、颜色和位置；所述步骤二中前置摄像头采集的彩色图像为，，其中，表示彩色图像像素点的位置坐标，表示图像在像素点坐标位置处的像素值，表示图像像素点在红色通道的色彩值，表示图像像素点在绿色通道的色彩值，表示图像像素点在蓝色通道的色彩值；所述步骤三的具体步骤为：步骤1），针对所述步骤二中的彩色图像，检测底垫的位置和角度，从彩色图像中提取底垫区域图像；步骤2），对所述步骤1）中得到的底垫图像进行再次提取，提取出数字凹槽区域做数字识别，提取出控制凹槽区域做控制凹槽状态识别，所述步骤1）中从彩色图像中提取底垫区域图像的具体步骤为：a）采用透视变换原理，将彩色图像转换成由上而下俯视的正视角图像；b）根据先验知识，在正视角图像中提取出底垫感兴趣区域图像，即数字卡片放置的有效识别区域；c）将所述步骤b）中的底垫感兴趣区域图像转换为灰度图像：其中，表示灰度图像；d）采用边缘检测算法检测图像中的强边缘；图像的边缘是指灰度图像中灰度变化比较剧烈的部分，灰度值的变化程度采用相邻像素间的梯度变化来定量表示，梯度是一阶二维导数的二维等效式，具体计算过程为：首先，计算相邻像素的差分，具体公式为：其中，表示相邻像素在x方向上的差分，表示相邻像素在y方向上的差分，表示图像在第行第列的像素值，表示图像在第行第列的像素值；表示图像在第行第列的像素值，进一步地，计算相邻像素间的梯度，具体公式为：其中，表示图像在点上梯度值， 表示像素值在x方向上求导，表示像素值在y方向上求导；进一步地，计算边缘点的梯度幅值，所有边缘点的梯度幅值集合即为提取的边缘轮廓；由于待检测的底垫目标，在转换为灰度图后，底垫与平面背景存在色差，而不同颜色反差较大，因此可以将反差很大的底垫的轮廓视为当前图像的边缘，进而采用边缘检测算法提取出边缘点的梯度幅值集合，即为底垫的边缘轮廓；边缘提取算法包括Sobel算子、Roberts 算子、Prewitt算子和Canny算子，具体公式为：其中，表示边缘点的梯度幅值；e）对所述步骤d）中得出的底垫边缘轮廓进行膨胀处理，即从底垫边缘轮廓中提取出长方形的大块类矩形轮廓；f）针对所述步骤e）中找到的矩形轮廓计算出底垫的位置区域和旋转角度，依据计算出的位置区域从步骤a）正视角图像中提取出彩色底垫区域位置；所述步骤2）中提取出数字凹槽区域做数字识别，提取出控制凹槽区域做控制凹槽状态识别的具体步骤为：步骤g）依据底垫上第一控制凹槽、第二控制凹槽和数字凹槽位置的先验知识提取出控制凹槽和数字凹槽内字符；步骤h）根据控制凹槽内紫色像素的多少进行判断控制凹槽内是否放置了控制按键，根据数字凹槽里面红色、绿色、蓝色像素值的多少进行判断数字卡片上字符的颜色，如果数字凹槽里面的红、绿、蓝三种外的其它颜色像素值最多，则表明数字凹槽内没有放置任何数字卡片；步骤i）将提取出来的字符转换成灰度图像，然后再采用OTSU大津算法进行阈值分割得到字符的二值化图像；步骤j）从所述步骤i）的二值化图像中提取出字符的显著性轮廓；步骤k）根据面积、中心点信息，过滤掉所述步骤j）的显著性轮廓中的干扰轮廓，得到字符的有效轮廓；步骤l）根据所述步骤k）中字符的有效轮廓，计算有效轮廓的最小外接四边形，然后根据该四边形的位置从步骤i）字符的二值化字符图像内提取出相对应的二值图区域；步骤m）将所述步骤l）中得到的二值图区域划分为四宫格，计算出该二值图区域内的白色像素比例，串联成一个1行4列的特征向量；步骤o）分别计算所述步骤m）中特征向量与标准印刷体数字1‑9特征向量的皮尔逊相关系数Pearson Correlation Coefficient，如果任一皮尔逊相关系数大于0.85，则认为二值图区域为该数字，具体的皮尔逊相关系数计算公式为：其中，表示皮尔逊相关系数，X变量表示印刷体标准像素比例，Y变量表示检测到的数字的像素比例，E表示数学期望值。