一种教育玩具套件及其涂色卡片识别方法与流程

本发明涉及计算机视觉检测处理技术领域，特别涉及一种教育玩具套件及其涂色卡片识别方法。

背景技术：

现在平板电脑上有许多有趣的幼教游戏应用程序或者儿童游戏，但往往只是让小朋友在屏幕上指指画画，互动性欠缺，长时间看着屏幕容易对眼睛造成伤害；而当下一些互动性强的传统性游戏玩具已经脱离了时代的发展，形式上无法满足孩子学习、玩耍的需求，也不便于孩子和家长的互动沟通。

为了解决上述问题，计算机视觉与图像处理技术领域成功地开发了一种教育玩具套件，包括：支架、头盔探测器，底板，在平板电脑内安装游戏程序，通过平板电脑的摄像头采集放置于平面上的底板的图像。上述的教育玩具套件虽然解决了平板电脑中游戏的互动性欠缺的问题，但是底板的摆放位置会出现偏差，导致摄像头不能采集到完整的图像，图像容易采集出错，分析结果不准确等问题的出现。

因此，计算机视觉与图像处理技术领域急需一种教育玩具套件及其数字的识别方法，通过平板电脑的摄像头采集涂色卡片信息，能够将采集到的颜色用12种标准颜色进行替代，分析结果更加准确，使最后在软件中呈现出的涂色卡上的填充颜色没有偏差，具有运算速度快，定位准确，将硬件与软件技术很好地统一起来，游戏交互设计巧妙；美观简单，判断更加快速，同时增强了趣味性和直观性。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提供了一种教育玩具套件及其涂色卡片识别方法，技术方案如下：

一种教育玩具套件，包括：支架、头盔探测器和涂色卡片，并且头盔探测器安装于支架上，涂色卡片放置于平面上，涂色卡片的中间位置设置有涂色区域；支架底部具有凸起，顶部具有第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽用于放置平板电脑，平板电脑采集涂色卡片信息；头盔探测器安装于第二凹槽内；

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，用于夹持不同型号的平板电脑，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，第三凹槽夹持平板电脑屏幕的端点高于平板电脑的摄像头位置，2个扇形块位于凸面镜的2个边缘上，用于固定凸面镜和夹持平板电脑。

一种教育玩具套件中涂色卡片的识别方法，包括如下步骤：

步骤一，在平板电脑中安装游戏程序，再将涂色卡片放置于平面上，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；

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，从步骤二的彩色图像中提取出涂色卡片感兴趣区域图像；

步骤四，平板电脑判断涂色卡片感兴趣区域图像中的颜色，用标准画笔的颜色替代感兴趣区域内的手涂颜色，形成标准颜色的三维图像。

优选的，在上述的一种教育玩具套件中涂色卡片的识别方法中，步骤二中前置摄像头采集的彩色图像为I_xy，I_xy＝f(x,y)＝(R_xy,G_xy,B_xy)，其中，(x,y)表示彩色图像像素点的位置坐标，f(x,y)表示图像在像素点坐标位置处的像素值，R_xy表示图像像素点在红色通道的色彩值，G_xy表示图像像素点在绿色通道的色彩值，B_xy表示图像像素点在蓝色通道的色彩值。

优选的，在上述的一种教育玩具套件中涂色卡片的识别方法中，步骤三的具体步骤为：

a)采用透视变换原理，将彩色图像I_xy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涂色卡片感兴趣区域图像，即涂色卡片放置的有效识别区域。

优选的，在上述的一种教育玩具套件中涂色卡片的识别方法中，步骤四的具体步骤为：

首先，将感兴趣区域图像中的RGB值转换为XYZ颜色空间值，具体公式如下：

[X]＝[0.433953 0.376219 0.189828][R]

[Y]＝[0.212671 0.715160 0.072169][G]；

[Z]＝[0.017758 0.109477 0.872765][B]

进一步地，将XYZ颜色空间值转换为Lab值，具体公式如下：

L^*＝116f(Y/Y_n)-16

a^*＝500[f(X/X_n)-f(Y/Y_n)]

b^*＝200[f(Y/Y_n)-f(Z/Z_n)]

其中，

其中，X、Y、Z分别表示XYZ颜色空间的3个坐标值，L^*、a^*、b^*分别表示Lab色彩空间的3个坐标值，X_n、Y_n、Z_n分别表示预先设定标准白色的坐标值，t＝X/X_n或Y/Y_n或Z/Z_n；

进一步地，将计算出的Lab值与12种画笔颜色的标准Lab颜色空间曲线图进行比较，根据欧氏距离公式计算Lab值与12种标准画笔距离最近的一点，用计算得出最近的点代表的画笔颜色重新填充感兴趣区域，形成标准颜色的三维图像，欧氏距离公式为：

其中，d表示欧氏距离，x1、y1分别表示转换为Lab色彩空间的点的横坐标与纵坐标，x2、y2分别表示12种标准画笔的12个点的横坐标与纵坐标。

优选的，在上述的一种教育玩具套件中涂色卡片的识别方法中，步骤四中标准画笔的颜色为12种，对应的标准画笔颜色的RGB值具体见下表：

本发明的有益效果：

1、本发明巧妙的将应用计算机视觉图形识别技术与Lab色彩空间相结合使用，能够将采集到的颜色用12种标准颜色进行替代，相对于RGB颜色空间而言，分析结果更加准确，使最后在软件中呈现出的涂色卡上的填充颜色没有偏差，具有运算速度快，定位准确，将硬件与软件技术很好地统一起来，游戏交互设计巧妙；美观简单，判断更加快速，同时增强了趣味性和直观性。

2、本发明检测算法更加科学、成熟，将图像的色彩空间转换，色彩差异性度量等算法相结合使用，能够快速的判断出摆放的数字。

3、本发明计算速度快；每次定位检测耗时在30ms左右，为玩家提供流畅的使用体验。

4、本发明性能稳定，在对不同平板电脑安装于教育玩具套件内的情况下，针对3千幅图片进行了采集测试，误识别率和漏检率在0.2％以下。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

图1是本发明一种教育玩具套件的结构示意图。

图2是本发明一种教育玩具套件中头盔探测器的结构示意图。

图3是本发明一种教育玩具套件中涂色卡片的识别方法的流程图。

其中，图1-3中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

支架1，第一凹槽102，第二凹槽103，头盔探测器2，本体201，第三凹槽202，扇形块203，凸面镜204，涂色卡片3，涂色区域301。

具体实施方式

为了使本发明技术实现的措施、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

图1是本发明一种教育玩具套件的结构示意图。

图2是本发明一种教育玩具套件中头盔探测器的结构示意图。

如图1-2所示，一种教育玩具套件中涂色卡片的识别方法，包括支架1、头盔探测器2和涂色卡片3，并且头盔探测器2安装于支架1上；涂色卡片3放置于平面上，涂色卡片3的中间位置设置有涂色区域301；支架1，顶部具有第一凹槽102和第二凹槽103，第一凹槽102用于放置平板电脑，平板电脑采集涂色卡片信息；头盔探测器2，安装于第二凹槽103内；头盔探测器2还包括：本体201、第三凹槽202、2个扇形块203和凸面镜204，并且第三凹槽202位于本体201内，用于夹持不同型号的平板电脑，在第三凹槽202夹持平板电脑屏幕的端点处设置有凸面镜204，凸面镜204的另一端安装于头盔探测器2边缘上，凸面镜204与水平面夹角成锐角，第三凹槽202夹持平板电脑屏幕的端点高于平板电脑的摄像头位置，2个扇形块203位于凸面镜204的2个边缘上，用于固定凸面镜204和夹持平板电脑。

图3是本发明一种教育玩具套件中涂色卡片的识别方法的流程图。

如图3所示，一种教育玩具套件中涂色卡片的识别方法，包括如下步骤：

步骤一，在平板电脑中安装游戏程序，再将涂色卡片放置于平面上，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；

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；

前置摄像头采集的彩色图像为I_xy，I_xy＝f(x,y)＝(R_xy,G_xy,B_xy)，其中，(x,y)表示彩色图像像素点的位置坐标，f(x,y)表示图像在像素点坐标位置处的像素值，R_xy表示图像像素点在红色通道的色彩值，G_xy表示图像像素点在绿色通道的色彩值，B_xy表示图像像素点在蓝色通道的色彩值；

步骤三，从步骤二的彩色图像中提取出涂色卡片感兴趣区域图像；

a)采用透视变换原理，将彩色图像I_xy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涂色卡片感兴趣区域图像，即涂色卡片放置的有效识别区域；

步骤四，平板电脑判断涂色卡片感兴趣区域图像中的颜色，用标准画笔的颜色替代感兴趣区域内的手涂颜色，形成标准颜色的三维图像；

首先，将感兴趣区域图像中的RGB值转换为XYZ颜色空间值，具体公式如下：

[X]＝[0.433953 0.376219 0.189828][R]

[Y]＝[0.212671 0.715160 0.072169][G]；

[Z]＝[0.017758 0.109477 0.872765][B]

进一步地，将XYZ颜色空间值转换为Lab值，具体公式如下：

L^*＝116f(Y/Y_n)-16

a^*＝500[f(X/X_n)-f(Y/Y_n)]

b^*＝200[f(Y/Y_n)-f(Z/Z_n)]

其中，

其中，X、Y、Z分别表示XYZ颜色空间的3个坐标值，L^*、a^*、b^*分别表示Lab色彩空间的3个坐标值，X_n、Y_n、Z_n分别表示预先设定标准白色的坐标值，t＝X/X_n或Y/Y_n或Z/Z_n；

进一步地，将计算出的Lab值与12种画笔颜色的标准Lab颜色空间曲线图进行比较，根据欧氏距离公式计算Lab值与12种标准画笔距离最近的一点，用计算得出最近的点代表的画笔颜色重新填充感兴趣区域，形成标准颜色的三维图像，欧氏距离公式为：

其中，d表示欧氏距离，x1、y1分别表示转换为Lab色彩空间的点的横坐标与纵坐标，x2、y2分别表示12种标准画笔的12个点的横坐标与纵坐标。

标准画笔的颜色为12种，对应的标准画笔颜色的RGB值具体见下表：

本发明巧妙的将应用计算机视觉图形识别技术与Lab色彩空间相结合使用，能够将采集到的颜色用12种标准颜色进行替代，相对于RGB颜色空间而言，分析结果更加准确，使最后在软件中呈现出的涂色卡上的填充颜色没有偏差，具有运算速度快，定位准确，将硬件与软件技术很好地统一起来，游戏交互设计巧妙；美观简单，判断更加快速，同时增强了趣味性和直观性。

本发明检测算法更加科学、成熟，将图像的色彩空间转换，色彩差异性度量等算法相结合使用，能够快速的判断出摆放的数字。

本发明计算速度快；每次定位检测耗时在30ms左右，为玩家提供流畅的使用体验。

本发明性能稳定，在对不同平板电脑安装于教育玩具套件内的情况下，针对3千幅图片进行了采集测试，误识别率和漏检率在0.2％以下。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。