专利名称：具备认字、写字功能的教育机器人及其文字识别方法
技术领域：
本发明属于嵌入式系统、模式识别与人工智能技术领域，特别是涉及一种手写文字图像的检测切分与识别处理方法，以及一种手写文字的智能评价方法。
背景技术：
在汉字书写教学的过程中，汉字书写的质量评判通常都是由人工完成的。用户尤其是小孩在书写完汉字以后，需要有及时的书写评价来对其书写汉字的方法进行纠正或者评判，这样才会使用户学习汉字书写更加快速有效，也能让用户写出更规范更美观的汉字。然而评判的角色通常是由家长或者老师来扮演，这样会占用家长或老师们宝贵的时间。如果能设计一种机器人帮助用户学习书写汉字，及时给出评价和指导，这样就可以为家长和老师节省很多时间，同时让用户在没有家长和老师的情况下，也能很好地自学汉字书写。本发明正是出于这种设计目的，为学习汉字书写的人群提供一种能认字、写字的汉字书写教育机器人。
发明内容
本发明的目的是为学习汉字的人群提供一种新颖的个人汉字书写教育机器人，通过与机器人的交互学习，大大提高了使用者学习汉字的兴趣与效率。
本发明的另一目的在于提供一种教育机器人的文字识别方法。
为了实现发明目的一，采用的技术方案如下一种具备认字、写字功能的教育机器人，包括机器人本体，所述机器人本体内部设置有嵌入式系统，机器人本体的外表面设置有分别与嵌入式系统连接的可摄取书写文字材料的图像的摄像装置和显示嵌入式系统所识别出的图像中所包含的文字以及起正确书写步骤的显示屏。
本发明的认字、写字教育机器人通过与嵌入式系统连接的摄像装置捕捉使用者在纸上书写的汉字并对其进行自动识别与智能书写评价，指导用户更好地书写规范的汉字，并能实时演示书写汉字的正确方法。
上述技术方案中，所述机器人本体还设置有用于播放嵌入式系统所识别的文字的读音、正确书写步骤、以及对所识别的文字的评价的扬声器。
本发明所述嵌入式系统设置有可自动识别书写文字的软件系统。该系统软件可对摄像装置摄取的图像中所包含的文字进行识别，并结合其数据库所保存的文字的正确书写对识别的文字进行评价，且能驱动扬声器对其所识别的文字、评价结果、以及该文字的正确书写方法进行播放。
为了实现发明目的二，采用的技术方案如下一种教育机器人的文字识别方法，通过如下步骤完成(1)通过与嵌入式系统连接的摄像装置实时捕捉机器人面前的图像，并实时检测当前图像中是否存在书写了文字的纸张；(2)当检测到含有文字的图像时，将图像中书写的文字检测与切分出来；(3)采用梯度特征识别脱机文字的方法对切分出来的汉字图像进行文字识别。
本发明所述的教育机器人的文字识别方法还包括一种书写自动评价方法，其步骤为根据文字识别的结果判断用户书写的汉字，如果识别结果的距离分数超过一个常数，则评价结果为不合格，否则根据识别结果的距离分数给出相应的评价结果，距离分数越小，评价结果越高，所述评价结果通过显示屏显示，或通过扬声器播放。识别结果通过所识别的文字与数据库里所存放的标准文字库进行比对，并设定一个比对的偏差常熟，超过该常熟的，评价为不合格，依次类推。
所述文字识别方法，机器人还可将识别出来的汉字在显示屏上显示出来，并实时地在按笔顺动画显示出该汉字的正确书写方法，同时将识别出来的汉字通过扬声器朗读出来。并能用语音对用户书写的汉字进行书写评价，指导用户正确书写的方法。
本发明的基本原理是用户在白纸上书写的汉字笔迹与白纸背景的灰度差比较明显，通过对捕捉到的图像进行直方图均衡，二值化处理以后，笔迹即变成黑色像素，再通过水平与垂直方向的黑色像素投影，找出笔迹的矩形范围，将书写笔迹切分出来，然后通过汉字识别的方法将笔迹识别出来。如果识别结果的匹配分数较好，则认为书写有效，继而给出评价分数，否则认为书写不合格。在得出评价以后，通过液晶显示屏显示出评价结果，并显示出正确的书写方法，同时通过扬声器通知用户评价的结果和改进措施。
本发明的优点和有益效果在于采用用户，特别是小孩较感兴趣的机器人形象，结合嵌入式系统、模式识别与人工智能技术，启动用户的学习兴趣，同时能节省老师与家长在辅导学生书写汉字上的时间，也能让汉字书写学习者在没有老师或家长指导的情况下，自己学习书写汉字，通过机器人及时给出的书写评价与指导方案纠正自己书写汉字的方法与习惯，学会写出更规范与美观的汉字。
图1是本发明的系统结构示意图；图2是本发明的系统功能结构框图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明，实施本发明所用的设备可以采用ARM9系列嵌入式系统，在该系统上安装Linux嵌入式操作系统，用触摸液晶显示器显示用户图形界面，用Webcam摄像头和普通扬声器，采用C语言编制各类识别处理程序，便能较好地实施本发明。
本发明的结构示意图如附图1所示，包括机器人本体，在机器人的鼻子上设置Webcam摄像头1，机器人的嘴巴设置扬声器2，而机器人的腹部设置液晶显示屏3，机器人内部设置有安装Linux嵌入式操作系统的嵌入式系统(图中未标出)，嵌入式系统还安装有实现本发明所必需的相关软件，嵌入式系统连接上Webcam摄像头1，扬声器2，和液晶显示屏3。
本发明的系统功能结构框图如附图2所示。通过嵌入式系统软件的捕捉程序对Webcam摄像头1拍到的图像进行实时捕捉，当捕捉到的图像的灰度直方图刚好有两个高峰时，则认为用户将写有汉字的白纸放在了机器人面前。由于用户在白纸上书写的汉字笔迹与白纸背景的灰度差比较明显，通过对捕捉到的图像进行二值化处理以后，汉字书写笔迹即变成黑色像素，再通过水平与垂直方向的黑色像素投影，找出笔迹的矩形范围，将书写笔迹切分出来，然后通过汉字识别的方法将笔迹识别出来。如果识别结果的匹配分数较好，则认为书写有效，继而给出评价分数，匹配分数越高，则评价分数则越好，否则认为书写不合格。在得出评价以后，通过液晶显示屏3显示出评价结果，并动画显示出正确的书写方法，同时通过扬声器2通知用户评价的结果和改进措施。当用户在液晶显示屏3上书写汉字时，通过液晶显示屏3的感应器捕捉用户书写汉字的笔迹，将其通过动态时间规整DTW的方法对获取的笔画方向特征矢量与预先训练出来的模板特征矢量进行弹性模板匹配，计算匹配相似度，根据相似程度给出评价分数，相似程度越高，评价分数越高。
权利要求
1.一种具备认字、写字功能的教育机器人，包括机器人本体，其特征在于，所述机器人本体内部设置有嵌入式系统，机器人本体的外表面设置有分别与嵌入式系统连接的可摄取书写文字材料的图像的摄像装置和显示嵌入式系统所识别出的图像中所包含的文字以及起正确书写步骤的显示屏。
2.根据权利要求1所述的教育机器人，其特征在于所述机器人本体还设置有用于播放嵌入式系统所识别的文字的读音、正确书写步骤、以及对所识别的文字的评价的扬声器。
3.根据权利要求1或2所述的教育机器人，其特征在于所述嵌入式系统设置有可自动识别书写文字的软件系统。
4.一种教育机器人的文字识别方法，其特征在于通过如下步骤完成(1)通过与嵌入式系统连接的摄像装置实时捕捉机器人面前的图像，并实时检测当前图像中是否存在书写了文字的纸张；(2)当检测到含有文字的图像时，将图像中书写的文字检测与切分出来；(3)采用梯度特征识别脱机文字的方法对切分出来的汉字图像进行文字识别。
5.根据权利要求4所述的文字识别方法，其特征在于还包括一种书写自动评价方法，其步骤为根据文字识别的结果判断用户书写的汉字，如果识别结果的距离分数超过一个常数，则评价结果为不合格，否则根据识别结果的距离分数给出相应的评价结果，距离分数越小，评价结果越高，所述评价结果通过显示屏显示，或通过扬声器播放。
6.根据权利要求4所述的文字识别方法，其特征在于所述机器人还可将识别出来的汉字在显示屏上显示出来，并实时地在按笔顺动画显示出该汉字的正确书写方法，同时将识别出来的汉字通过扬声器朗读出来。
全文摘要
本发明提供一种具备认字、写字功能的教育机器人及其文字识别方法，教育机器人包括机器人本体，所述机器人本体内部设置有嵌入式系统，机器人本体的外表面设置有分别与嵌入式系统连接的可摄取书写文字材料的图像的摄像装置和显示嵌入式系统所识别出的图像中所包含的文字以及起正确书写步骤的显示屏。启动用户的学习兴趣，同时能节省老师与家长在辅导学生书写汉字上的时间，也能让汉字书写学习者在没有老师或家长指导的情况下，自己学习书写汉字，通过机器人及时给出的书写评价与指导方案纠正自己书写汉字的方法与习惯，学会写出更规范与美观的汉字。
文档编号G06K9/68GK1975804SQ20061012424
公开日2007年6月6日 申请日期2006年12月15日 优先权日2006年12月15日
发明者金连文, 龙腾 申请人:华南理工大学