一种教育玩具套件及检测七巧板摆放形状、位置的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及计算机视觉检测处理技术领域，特别设及一种教育玩具套件及检测屯 巧板摆放形状、位置的方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 为了解决上述问题，计算机视觉识别处理技术领域成功的开发了一种教育玩具套 件，包括:支架、头盎探测器和底板，并且支架安装于底板上，头盎探测器安装于支架上;底 板上方设置有第一凹槽;支架底部具有凸起，凸起安装在第一凹槽内，顶部具有第二凹槽和 第=凹槽，第二凹槽用于放置平板电脑;头盎探测器安装于第=凹槽内。然后将屯巧板放置 于底板上，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底板上的屯巧 板的拼接图像，判定屯巧板图案是否与游戏程序要求的拼接程序一致，如果不一致给出最 快捷的下一步拼接指导，增强游戏的趣味性、儿童动手能力W及互动性。
[0004] 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，但是由于 底板很大，屯巧板的摆放位置常常出现偏差，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，并且不能够检测出屯巧板的摆放形状。
[0005] 因此，计算机视觉检测处理技术领域急需一种教育玩具套件及检测屯巧板摆放形 状、位置的方法，能够快速的检测出屯巧板摆放位置是否准确W及屯巧板摆放形状，提高图 像采集W及分析结果的准确率。
【发明内容】
[0006] 本发明为了解决上述问题，提供了一种教育玩具套件及检测屯巧板摆放形状、位 置的方法，技术方案如下：
[0007] -种教育玩具套件，包括支架、头盎探测器和底板，并且支架安装于底板上，头盎 探测器安装于支架上，底板上方设置有第一凹槽;支架底部具有凸起，凸起安装在第一凹 槽内，顶部具有第二凹槽和第=凹槽，第二凹槽用于放置平板电脑;头盎探测器安装于第= 凹槽内；还包括:定位孔，设置于第=凹槽侧壁的纵向中屯、轴上。
[000引一种教育玩具套件中检测屯巧板摆放形状、位置的方法，包括如下步骤：
[0009] 步骤一，在平板电脑中安装游戏程序，再将平板电脑的底端安装于第二凹槽内，通 过第四凹槽将头盎探测器安装于平板电脑的顶端，再将屯巧板放置于底板上.
[0010] 步骤二，固定安装好后，通过平板电脑的前置摄像头采集图像；
[0011] 步骤=，对步骤二中采集到的图像进行视角转换，得出屯巧板中彩色板个数判断 屯巧板摆放位置是否准确，如果不准确则重新摆放屯巧板，重复执行步骤二至=，如果准确 则执行步骤四；
[0012] 步骤四，计算步骤=中彩色板边缘轮廓的边长、角度和边长比例，结合平板电脑中 预先设置的屯巧板的各个彩色板的边缘轮廓的原始像素值，计算出每个彩色板的位置和旋 转角度，得出屯巧板的摆放形状。
[0013] 优选的，在上述一种教育玩具套件中检测屯巧板摆放形状、位置的方法中，步骤二 的具体步骤为：
[0014] 将平板电脑前置摄像头所获取图像定义为Ixy，Ixy = f(X，y);
[0015] 其中，（x，y)表示图像像素点的位置坐标，f(x，y)表示图像的在(x，y)上的像素值；
[0016] 由于摄像头采集的图像为彩色图片，因此f(X，y) = (Rxy，Gxy，Bxy);
[0017]其中，Rxy表示图像像素点在红色通道的色彩值，Gxy表示图像像素点在绿色通道的 色彩值，Bxy表示图像像素点在蓝色通道的色彩值。
[0018] 优选的，在上述一种教育玩具套件中检测屯巧板摆放形状、位置的方法中，步骤= 的具体步骤为：
[0019] a)由于步骤二中平板电脑顶部的摄像头相对于底板来说是具有一个倾斜视角的， 因此步骤二中采集到的图像为斜视角图像，采用透视变换原理，将斜视角图像转换为俯视 的正视角图像；
[0020] b)将步骤a)中得到的正视角图像转换为灰度图像，具体公式为：
[0021] Gray (X，y) = 0.2989 X Rxy+0.5870 X Gxy+0.1140 X Bxy;
[0022] 其中，Gray(x，y)表示灰度图像；
[0023] C)使用边缘检测算法检测灰度图像中的强边缘；
[0024] 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：
[0025] 首先，计算相邻像素的差分，具体公式为：
[0026] Gx=f[i, j]
[0027] Gy = f[i, j]
[00%]其中，Gx表示相邻像素在X方向上的差分，Gy表示相邻像素在y方向上的差分，f[i，j + 1]表示图像在第i行第j+1列的像素值，f[i，j]表示图像在第i行第j列的像素值;f[i+l，j] 表示图像在第i+1行第j列的像素值，
[0029] 进一步地，计算相邻像素间的梯度，具体公式为：
[0030]
[0031] 其中，G(x，y)表示表示图像的在(x，y)点上梯度值，f表示像素值在X方向上求导， f表示像素值在y方向上求导；
[0032] 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；
[0033] 由于待检测的屯巧板目标，在转换为灰度图后，不同的彩色板之间反差较大，因此 可W将反差很大的彩色板的轮廓视为当前图像的边缘，进而采用边缘检测的方法提取出边 缘点的梯度幅值集合，即为屯巧板的边缘轮廓；常规的边缘提取算法，包括Sobel算子、 Roberts算子、Prewitt算子和化nny算子等，具体公式为：
[0034]
[00巧]其中，|G(x，y)|表示边缘点的梯度幅值；
[0036] d)由步骤C)中得出的屯巧板边缘轮廓由于是一个边缘点梯度幅值集合，所W会出 现断线或者具有多条平行边缘的情况，因此，对步骤C)中得出的屯巧板边缘轮廓进行膨胀 处理，使平行的边缘合并为一个边缘，并且把断了的边缘连接起来，得到屯巧板膨胀边缘轮 廓；
[0037] e)对步骤d)中的屯巧板膨胀边缘轮廓进行分析，筛选出=角形和四边形的边缘轮 廓；
[0038] f)采用屯巧板的特定形状、边长比例、大小、角度和位置的先验知识过滤掉步骤d) 中与上述先验知识不符的的边缘轮廓，计算剩余边缘轮廓的个数，如果个数为7个则证明摆 放位置准确，执行步骤四，如果个数不为7个则证明摆放位置错误，需要重新摆放屯巧板，重 复步骤一至三。
[0039] 优选的，在上述一种教育玩具套件中检测屯巧板摆放形状、位置的方法中，所述步 骤S的步骤a)中还包括:根据先验知识，对正视角图像进行剪切，得出感兴趣ROI区域图像， 加快了处理运算速度。
[0040] 本发明的有益效果：
[0041] 1、本发明游戏交互设计巧妙;美观简单，判断更加快速，同时增强了趣味性和直观 性。
[0042] 2、本发明检测算法更加科学、成熟，将图像的透视变换、灰度化转换、图像卷积、边 缘检测、形态学角度等图像算法相结合使用，能够快速的判断出屯巧板的摆放位置是否准 确，W及判断出屯巧板的摆放形状，便于屯巧板位置的快速调节，提高图像采集W及分析结 果的准确率。
[0043] 3、本发明计算速度快;每次定位检测耗时在IOOms左右，为玩家提供流杨的使用体 验。
[0044] 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