一种智能笔架的制作方法

本实用新型涉及临摹辅助设备技术领域，尤其涉及一种智能笔架。

背景技术：

临摹是练习书法的必要手段。“摹”是薄纸蒙在字帖上面描；“临”则是对照着字帖写。临摹的目标是尽量逼近原帖，以体会原作者的用笔技巧和字的结构布局。对于初学者而言，在未深入掌握书法理论时，即使将二者并列放置进行对照，也很难去分析区别于不足。

随着多媒体技术的发展，越来越多的书法字帖被出版或制作成电子图片。书法爱好者能够接触到大量不同风格的作品，但书法培训班的老师往往只熟悉一种或两种书体，因此需要爱好者有一定的自学基础。

目前，可用于书法练习的辅助系统包含书法字典和比字软件两类。此外，光学字符识别技术也是一种解决方案，但是现有技术存在以下几点缺点：

1、书法字典存在问题：需要专业人员制作，字典内容的添加由软件发行方操作，图片一般未被切割，操作权限未被开放，功能单一，无比字功能；

2、比字软件存在问题：需要使用者自己手动建立字库，手动调整图片进行预处理，使用步骤繁琐，影响练习效率；

3、OCR软件：云端产品功能强大，能够识别和理解自然环境中的文字，可以在其基础上进行二次开发实现文字的识别和对比，但需要支付一定的费用，且需要联网使用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种智能笔架，以解决背景技术中提出的对于初学者而言，在未深入掌握书法理论时，即使将二者并列放置进行对照，也很难去分析区别于不足；书法培训班的老师往往只熟悉一种或两种书体，因此需要爱好者有一定的自学基础的问题和不足。

本实用新型的目的与功效，由以下具体技术方案所达成：

一种智能笔架，包括：挂台、通信装置、摄像头、云台、挂杆、顶紧螺栓、伸缩杆、底座；所述伸缩杆设置在底座的上方，且伸缩杆与底座通过焊接方式相连接；所述顶紧螺栓设置在伸缩杆的外壁上，且顶紧螺栓与伸缩杆通过螺纹拧接相连接；所述挂台设置在伸缩杆的顶端，且挂台与伸缩杆通过焊接方式相连接；所述挂杆设置在挂台一侧的外壁上，且挂杆与挂台通过焊接方式相连接；所述通信装置设置在挂台的顶端，且通信装置与挂台通过固定螺栓相连接；所述云台设置在挂台一端的上方，且云台与挂台通过固定螺栓相连接；所述摄像头设置在云台的内侧，且摄像头与云台通过转轴相连接。

优选的，所述通信装置与摄像头通过电性相连接，所述通信装置一侧的外壁上设置有USB接口，且通信装置通过USB接口与PC、手机或PAD载体电性连接。

优选的，所述摄像头为RGBD摄像头，所述摄像头通过云台在水平方向上的旋转角度为0至360度，在垂直方向上的旋转角度为0至-90度。

优选的，所述挂杆共设置有三根，且在挂台一侧的外壁上呈线性阵列状分布。

上述智能笔架的工作方法：松开顶紧螺栓调节伸缩杆至合适高度，调节完毕后拧紧顶紧螺栓，通过云台调整摄像头镜头的朝向，将摄像头连接外部电源，摄像头通过数据线与通信装置连接，并将通信装置通过USB接口与外部载体连接，通过摄像头输入字帖图片或直接在载体存储设备上选择，自动生成字库，还可输入临摹作品图片，逐一或同时输出单字的比较结果，提升书法练习效率。

优选的，该智能笔架还包括：图片预处理模块、定位网络、图片分割模块、特征提取网络和特征向量二类网络，所述图片预处理模块将倾斜视角的图片校正为正面视角，所述定位网络将图片中的每个字框出来，采用卷积神经网络实现，所述图片分割模块根据定位框进行简单的抠图，所述特征提取网络将输入图片矩阵，输出特征向量，采用卷积网络实现，所述特征向量二类网络，采用全连接结构，输入为两个特征向量，如两个特征向量属于同一个字输1，如不同则输出0。

优选的，还包括字库建立与管理模块和特征检索模块，所述字库建立与管理模块，当输入的特征向量与字库里存储的所有特征向量都不匹配的时候，自动注册一个新的数字ID，如果输入的字在数据库已经存在，则加注旧ID，所述特征检索模块则根据调用特征向量二类网络，进行穷举匹配。

优选的，该智能笔架还包括畸变校正算法：将成像画幅由镜头后移至镜头与目标物中间，则可以得到几何关系，其中P点为摄像头位置，O点为摄像头在桌面上的投影，ABCD为成像画幅，EFGH为成像区域,且有,，图片校正的本质是得到EFGH与ABCD两个面的投影变换矩阵，记摄像头焦距，成像画幅的高为，宽为，即，，，当摄像头镜头中心距离纸面的高度、摄像头的俯仰角已知时，根据几何关系，易求得。

优选的，还包括：RGBD能够测量图片中各像素点到镜头的距离，因此可以估算纸面到镜头的距离，高度和俯仰角未知，但已知，此时同样不难得到。

优选的，所述定位网络和特征提取网络分开使用，但其训练则采用Faster RCNN框架同时进行，Faster RCNN是一个开源的目标检测框架，在ImageNet等开源数据集上取得了较好的效果，训练用数据为私人数据库，并采用了数据增强，增强手段包括改变背景颜色、改变背景图案、字的拉伸和旋转等，采用数据增强以后，提取的特征具有旋转不变性，且对背景的变化有较强的泛化能力。

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1、本实用新型通信装置与摄像头通过电性相连接的设置，摄像头采集到的图像信息可通过通信装置传输至外部载体，实现了摄像头与外部载体之间的数据传输。

2、本实用新型通信装置一侧的外壁上设置有USB接口，且通信装置通过USB接口与PC、手机或PAD载体电性连接的设置，通过载体对摄像头采集到的图像信息进行处理，便于使用者灵活建立和维护私人字库。

3、本实用新型摄像头为RGBD摄像头的设置，RGBD能够测量图片中各像素点到镜头的距离，可以估算纸面到镜头的距离，通过畸变校正算法可消除采集作品图片时存在畸变，提高对比结果的精准度。

4、本实用新型通过结构上的改进，具有设计简单稳定，使用方便，建立字库过程简单，对比自动化，自动图片校正，提高对比准确度，具有三自由度调节，适应性强，能够灵活应用于不同场景，从而有效的解决了现有技术中存在的问题和不足。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的字库建立和管理框架结构示意图。

图3为本实用新型的比字流程示意图。

图4为本实用新型的图片校正算法示意图。

图5为本实用新型的图片增强效果示意图。

图中：挂台1、通信装置2、摄像头3、云台4、挂杆5、顶紧螺栓6、伸缩杆7、底座8。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1至图5，本实用新型提供一种技术方案：

一种智能笔架，包括：挂台1、通信装置2、摄像头3、云台4、挂杆5、顶紧螺栓6、伸缩杆7、底座8；伸缩杆7设置在底座8的上方，且伸缩杆7与底座8通过焊接方式相连接；顶紧螺栓6设置在伸缩杆7的外壁上，且顶紧螺栓6与伸缩杆7通过螺纹拧接相连接；挂台1设置在伸缩杆7的顶端，且挂台1与伸缩杆7通过焊接方式相连接；挂杆5设置在挂台1一侧的外壁上，且挂杆5与挂台1通过焊接方式相连接；通信装置2设置在挂台1的顶端，且通信装置2与挂台1通过固定螺栓相连接；云台4设置在挂台1一端的上方，且云台4与挂台1通过固定螺栓相连接；摄像头3设置在云台4的内侧，且摄像头3与云台4通过转轴相连接。

具体的，通信装置2与摄像头3通过电性相连接，通信装置2一侧的外壁上设置有USB接口，且通信装置2通过USB接口与PC、手机或PAD载体电性连接，摄像头3采集到的图像信息可通过通信装置2传输至外部载体，实现了摄像头3与外部载体之间的数据传输，通过载体对摄像头3采集到的图像信息进行处理，便于使用者灵活建立和维护私人字库。

具体的，摄像头3为RGBD摄像头，摄像头3通过云台4在水平方向上的旋转角度为0至360度，在垂直方向上的旋转角度为0至-90度，RGBD能够测量图片中各像素点到镜头的距离，可以估算纸面到镜头的距离，通过畸变校正算法可消除采集作品图片时存在畸变，提高对比结果的精准度。

具体的，挂杆5共设置有三根，且在挂台1一侧的外壁上呈线性阵列状分布，用于悬挂和搁置毛笔。

具体使用方法与作用：

使用该装置时，将装置移动至使用位置，松开顶紧螺栓6调节伸缩杆7至合适高度，调节完毕后拧紧顶紧螺栓6，通过云台4调整摄像头3镜头的朝向，将摄像头3连接外部电源，摄像头3通过数据线与通信装置2连接，并将通信装置2通过USB接口与外部载体连接（注：外部载体为PC、手机或PAD），该装置可通过摄像头3输入字帖图片或直接在载体存储设备上选择，自动生成字库，还可输入临摹作品图片，逐一或同时输出单字的比较结果，提升书法练习效率。

软件部分的两个核心任务分别对应图2和图3，从图中可知，两个流程都有图片预处理模块、定位网络、图片分割模块、特征提取网络和特征向量二类网络，可以共用。图片预处理模块的功能是将倾斜视角的图片校正为正面视角。定位网络的功能是将图片中的每个字框出来，采用卷积神经网络实现。图片分割模块是根据定位框进行简单的抠图。特征提取网络则是输入图片矩阵，输出特征向量，采用卷积网络实现。特征向量二类网络，采用全连接结构，输入为两个特征向量，如两个特征向量属于同一个字输1，如不同则输出0。

两个流程的主要区别在于字库建立与管理模块和特征检索模块。前者采用字库建立与管理模块，当输入的特征向量与字库里存储的所有特征向量都不匹配的时候，自动注册一个新的数字ID；如果输入的字在数据库已经存在，则加注旧ID。特征检索模块则根据调用特征向量二类网络，进行穷举匹配。

另外，受限于产品形态和空间的占用等问题，挂台1上摄像头3的安装位置无法正对作品，因此采集的作品图片存在畸变，进而影响对比结果。本专利提出了软硬件配套的畸变校正方案：

方案一：

将成像画幅由镜头后移至镜头与目标物中间，则可以得到如图4所示的几何关系，其中P点为摄像头位置，O点为摄像头在桌面上的投影，ABCD为成像画幅，EFGH为成像区域, 且有,，图片校正的本质是得到EFGH与ABCD两个面的投影变换矩阵，记摄像头焦距，成像画幅的高为，宽为，即，，，当摄像头镜头中心距离纸面的高度、摄像头的俯仰角已知时，根据几何关系，易求得，在此不做赘述。

方案二：

RGBD能够测量图片中各像素点到镜头的距离，因此可以估算纸面到镜头的距离。相比于方案一，高度和俯仰角未知，但已知，此时同样不难得到，在此不做赘述。

本专利的定位网络和特征提取网络在本专利中分开使用，但其训练则采用Faster RCNN框架同时进行。Faster RCNN是一个开源的目标检测框架，在ImageNet等开源数据集上取得了较好的效果。

训练用数据为私人数据库，并采用了数据增强。增强手段包括改变背景颜色、改变背景图案、字的拉伸和旋转等。采用数据增强以后，提取的特征具有旋转不变性，且对背景的变化有较强的泛化能力。图片增强效果如图5所示。

该装置通过结构上的改进具有如下优点：

1、设计简单、稳定，使用方便。且之前无相关专利或产品。建立字库过程简单，对比自动化。且只做匹配，而无需识别字的含义；

2、自动图片校正，提高对比准确度；

3、硬件依托于笔架，且有三自由度调节，适应性强，能够灵活应用于不同场景；

4、采用Faster RCNN作为基本框架，并针对应用场景，简化网络结构，提高训练速度和训练速度。

相比于现有技术而言，该装置便于使用者灵活建立和维护私人字库；改进对比过程，结果更加准确；借鉴人脸系统的方案，只提取汉字的特征进行匹配，无语义理解的步骤，因此功能简单实现方便，无需联网。

值得注意的是，该技术方案中具有如下替代方案同样能够完成实用新型目的：

1、特征提取网络可以采用传统的特征工程代替；

2、定位网络可以采用常规图片处理方法代替；

3、特征提取网络和定位网络可以采用SSD和 YOLO代替。

上述替代方案、笔架的硬件设计及图片校正算法以及特征提取、匹配和检索机制均在本专利保护范围之内。

综上所述：该一种智能笔架，通过新型通信装置与摄像头通过电性相连接的设置，摄像头采集到的图像信息可通过通信装置传输至外部载体，实现了摄像头与外部载体之间的数据传输；通过通信装置一侧的外壁上设置有USB接口，且通信装置通过USB接口与PC、手机或PAD载体电性连接的设置，通过载体对摄像头采集到的图像信息进行处理，便于使用者灵活建立和维护私人字库；通过摄像头为RGBD摄像头的设置，RGBD能够测量图片中各像素点到镜头的距离，可以估算纸面到镜头的距离，通过畸变校正算法可消除采集作品图片时存在畸变，提高对比结果的精准度。本实用新型通过结构上的改进，具有设计简单稳定，使用方便，建立字库过程简单，对比自动化，自动图片校正，提高对比准确度，具有三自由度调节，适应性强，能够灵活应用于不同场景，从而有效的解决了现有装置中存在的问题和不足。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。