CN104715256A - 一种基于图像方法的书法练习辅助系统及评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于图像方法的书法练习辅助系统，其特征在于包含摄像头模块，图像处理模块，存储单元和显示模块四部分，摄像头模块主要实现字迹，字帖图像的采集；存储单元用于存储字迹和字帖图像以及得分结果，图像处理模块主要从存储单元读取对应的字迹和字帖图像，并通过图像处理技术提取字迹和字帖字符，对比两者的差异，给出得分并实现结果的显示。本发明具有方案简洁、实用方便的优点，而且能有效的帮助书法练习者实现在练习过程中对临摹效果的定量评价，进而激发书法练习的兴趣。

Description

一种基于图像方法的书法练习辅助系统及评价方法

技术领域

本发明属于计算机技术中的数字图像识别领域，具体涉及一种基于图像方法的书法练习（毛笔、硬笔书法）辅助系统。通过采集书法练习过程中的笔迹图像，与字帖图像进行对比，了解书写字迹的不足和练习效果，从而辅助提高书法水平。

背景技术

随着信息技术的迅猛发展以及电脑、手机的普及，人们的交流方式以及学习方式都发生了极大的变化，中小学生的汉字书写能力有所削弱，为继承与弘扬中华优秀文化，提高国民素质，教育部要求中小学加强书法教育。通过书法教育对中小学生进行书写基本技能的培养和书法艺术欣赏，提高学生汉字书写能力，培养审美情趣，陶冶情操，提高文化修养，促进全面发展的重要举措。

目前书法练习（无论是毛笔还是硬笔）的手段常借助临摹字帖加以实现。通过主观辨别字迹与字帖的相似性的方式不断提高书法水平。然而，这种主观辨别的评价方法存在诸多缺陷。如评价标准因人而异、不能定量化评定字迹与字帖的差距，无法表明练习过程中书法水平的变化等问题。

发明内容

本发明旨在提供一种方便评价书法练习效果的辅助系统，特点是采用摄像头采集书法练习笔迹图像和临摹字帖图像，通过图像分析，给出两者的相似度等用于评价字迹练习的得分，辅助书法练习者方便的了解练习的进展和不足，通过信息的反馈，从而提高书法练习的兴趣和练习的效果。

本发明提供的书法练习辅助系统，包括摄像头模块，图像处理模块，存储单元和显示模块四部分，其中摄像头模块采用面阵CCD或CMOS图像传感器，得到字迹或字帖二维图像的采集；存储单元则用于存储得分记录和字迹、字帖照片，以及字帖的字迹提取结果等信息；图像处理模块一方面控制图像的采集、保存和显示；另一方面需要对图像中的字迹进行提取，再对比字帖，字迹的字符差异，最后以字帖为基准，计算字迹的得分，并显示和保存结果。上述的字迹提取实现从图像中提取对应的字迹，主要包括字符定位，图像预处理、字符分割，字符对比及结果输出。上述的字符差异对比过程根据提取得到的笔迹字符和字帖字符，首先对两组字符进行尺寸和角度归一化，再进行像素位置匹配，最后根据像素字符像素差异得到字迹字符相对字帖字符的排列和相似程度得分。

本发明提供了一种方便评价书法练习效果的辅助系统，能够方便使用者通过采集练习后的书法字迹图像和对应的字帖图像，得出练习的得分。本发明特别适用于对较少字的书法练习结果进行测量和对比，如单个字，一行或者一列字的情况。

本发明与以前的书法练习辅助系统或评价方法有明显的区别（发明专利：一种手写汉字布局评价方法（申请号200810218512.X）；发明专利：书法字识别方法（申请号201310020510.0））。前者需要借助手写设备，并且只能用于硬笔文字的布局评价。后者必须借助数据库形成数据模板，对待检测的样本进行匹配，需要预先建立所需的数据库，软硬件复杂。综上，两种技术都不适用于对多种形式的书法字迹的对比评价，而本发明借助摄像头模块，无需预先设计数据库，实现无论毛笔或硬笔书法笔迹和字帖图像采集，并通过图像处理技术实现两者的定量评价，方案便捷、易用。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）方案简洁，只需要四个主要模块配合工作即可实现功能，操作简单。

（2）使用方便，只需采集字迹图像和对应字帖图像即可实现。

本发明与现有技术相比，不仅方案简洁、实用方便，而且能有效的解决书法练习者在练习过程中对临摹效果的把握，可对同一个人两个时间的练习效果进行定量评价，也可以对两个人的练习效果进行对比评价，进而激发书法练习的兴趣。

附图说明

图1为本发明书法练习辅助系统的功能模块示意图。

图2为本发明的方法流程图。

图3为图像配准方法计算字帖和字迹的旋转和缩放比例示意图。

图4 为图像二值化以及字迹与字帖像素匹配效果图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的书法练习辅助系统包括摄像头模块（1）、图像处理模块（2），存储单元（3）、显示模块（4），图像处理模块（2）控制摄像头模块（1）采集书法练习时书写的笔迹图像和字帖图像并存储到存储单元（3）；图像处理模块（2）对笔迹图像和字帖图像进行处理，存储到存储单元，并控制显示单元（4）显示照片以及处理结果。其中摄像头模块（1）采用面阵CCD或CMOS图像传感器

本发明基于图像方法的书法练习评价方法的步骤如下，参见图2，

S01.摄像头图像采集及数据保存

将摄像头对准被评价的字迹，字迹可以为毛笔字、硬笔字，使得字迹清晰成像；再通过人工拍照形式采集字迹的图像，一次拍照可采集一个字符、一行字符或一列字符；摄像头采集的图像保存到存储单元中，按照位图格式存放，数据存储时，每张字帖图像逻辑上与一条或多条得分记录对应；每条得分记录对应一张字迹图像；数据处理时，图像处理模块从存储单元读出字帖图像和字迹图像，并对字迹进行提取和分析，处理具体过程如下：

S02.图像预处理

为了准确提取字符，需要对图像进行预处理，预处理主要包括以下四个过程：

a)   二值化

首先，将位图读取到内存，计算图像中每个像素点的灰度值的方差                                               和平均亮度，再根据灰度范围来二值化图像（如图3和图4所示），将该范围内的像素值设定为0。

b)   字符定位

根据二值化后的图像的像素分布，确定最高点水平高度和最低点水平高度，以及最左端、最右端的作为位置，得到包含字符的矩形范围[]，从而定位字符空间。

c)   倾角矫正

倾角矫正主要用于矫正摄像头采集图像时，产生的字迹排列与位图行或列的不水平问题。由于这种倾角相对较小，倾斜角度范围可定义为（-10°~ 10°）。按照该角度范围，按照一定角度对定位的字符进行遍历，查找水平方向的像素值不为0的像素个数，记录像素值不为0的像素个数最多的遍历倾角作为矫正倾角。

d)   背景裁剪

按照矫正倾角计算新的包含字符的矩形范围[]，对二值化后的图像去除区域外灰度值像素，即裁剪背景。

S03.字符分割

采用区域聚类方法计算单个字符的宽度w，再以该宽度w对图像的矩形进行分割。分割的方法如下：1、对矩形的每列进行扫描，并统计该列出现字符灰度的像素个数。2、对连续无出现字符的列进行统计，计算平均的无字列个数的均值。3、以大于该均值的连续出现无字符的列作为分割区域。

S04.字符对比及结果输出

在提取背景裁剪后的字符矩形图像后，需要完成字帖字符矩形图像和字迹矩形图像的对比（如图3和图4所示）。对比需要依次完成如下几个过程：

e)   图像配准

图像配准参数通过计算互信息计算求取，采用无约束非线性优化方法取最大值时参数得到，互信息的计算公式如下：

，其中，为字帖图像的边际熵； 为与字帖图像配准的字符图像的边际熵；为联合熵。通过图像配准，可计算处字迹字符对应的矩形图像和字帖字符对应的矩形图像的关系，即以字帖图像为基准的字迹图像的变化参数，包括旋转角度 ₁和比例因子。

f)   像素匹配

对字迹图像进行角度 ₁的旋转和比例因子的压缩，实现字迹图像和字符图像的归一化。若比例因子>1，则需要对字迹图像进行插值处理，插值方法可采用双线性插值方法。对归一化后的图像进行逐个像素的查找对比，匹配每个像素的亮、暗关系，并记录匹配的像素点个数及比例。

g)   结果输出

根据像素匹配得到的像素点个数和比例值的累加结果，输出总的匹配分值，得到字迹的整体排列得分，单个字迹的相似程度得分，以及未匹配成功的图像位置，以不同颜色标记输出。

实施例：

为方便使用，可将系统内置与手机中。由手机摄像头模组替代所述摄像头模块，通过摄像头接口控制手机摄像头完成图像的采集，并将图像及结果存入手机存储器和显示器。用户通过手动依次拍摄字帖图像和书写的字迹图像，完成两幅图像的采集和保存。系统读取两次拍摄的图像，对其首先进行图像的二值化处理，得到两副图像的灰度值；再通过字符区域定位、倾角计算调整以及背景采集几个预处理过程得到包含字符的矩形区域的灰度图像；之后对两幅图像都进行字符分割，得到每个字符的图像及坐标位置；最后通过图像匹配以及像素匹配计算并得出字迹的整体排列得分，单个字迹的相似程度得分，以及输出两图像匹配的差异位置图像。实现字迹与字帖的相似度定量化对比，从而实现提高书法练习水平的辅助作用。

Claims (10)

1.一种基于图像方法的书法练习辅助系统，包括摄像头模块，图像处理模块、存储单元和显示模块四个部分，其特征在于：图像处理模块控制摄像头模块采集书法练习时书写的笔迹图像和字帖图像并存储到存储单元；图像处理模块对笔迹图像和字帖图像进行处理，存储到存储单元，并控制显示单元显示照片以及处理结果。

2.根据权利要求1所述的书法练习辅助系统，其特征在于：摄像头模块包括成像传感器和镜头组成以及相应的驱动电路组成。

3.一种基于图像方法的书法练习评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

使用摄像头采集字帖图像和字迹图像并保存到存储单元中；

图像预处理：从存储单元读出字帖图像和字迹图像进行二值化、字符定位、倾角矫正、背景裁剪；

字符分割：采用区域聚类方法计算单个字符的宽度w，再以该宽度w对图像的矩形进行分割；

字符对比及结果输出：在提取背景裁剪后的字符矩形图像后，需要完成字帖字符矩形图像和字迹矩形图像的对比，包括图像配准、像素匹配和结果输出。

4.根据权利要求3所述的书法练习评价方法，其特征在于，所述字符分割具体方法如下：1）、对矩形的每列进行扫描，并统计该列出现字符灰度的像素个数；2）、对连续无出现字符的列进行统计，计算平均的无字列个数的均值；3）、以大于该均值的连续出现无字符的列作为分割区域。

5.根据权利要求3所述的书法练习评价方法，其特征在于，所述图像配准具体过程为：图像配准参数通过计算互信息计算求取，采用无约束非线性优化方法取最大值时参数得到，互信息的计算公式如下：

，其中，为字帖图像的边际熵； 为与字帖图像配准的字符图像的边际熵；为联合熵；通过图像配准，可计算处字迹字符对应的矩形图像和字帖字符对应的矩形图像的关系，即以字帖图像为基准的字迹图像的变化参数，包括旋转角度 ₁和比例因子。

6.根据权利要求3所述的书法练习评价方法，其特征在于，像素匹配过程是：对字迹图像进行角度 ₁的旋转和比例因子的压缩，实现字迹图像和字符图像的归一化；若比例因子>1，则需要对字迹图像进行插值处理，插值方法可采用双线性插值方法；对归一化后的图像进行逐个像素的查找对比，匹配每个像素的亮、暗关系，并记录匹配的像素点个数及比例。

7.根据权利要求3所述的书法练习评价方法，其特征在于，所述结果输出是指：

根据像素匹配得到的像素点个数和比例值的累加结果，输出总的匹配分值，得到字迹的整体排列得分，单个字迹的相似程度得分，以及未匹配成功的图像位置，以不同颜色标记输出。

8.根据权利要求3所述的书法练习评价方法，其特征在于，所述字符定位是指：根据二值化后的图像的像素分布，确定最高点水平高度和最低点水平高度，以及最左端、最右端的作为位置，得到包含字符的矩形范围[]，从而定位字符空间。

9.根据权利要求3所述的书法练习评价方法，其特征在于，所述倾角矫正是按照倾角角度范围，按照一定角度对定位的字符进行遍历，查找水平方向的像素值不为0的像素个数，记录个数最多的遍历倾角作为矫正倾角。

10.根据权利要求3所述的书法练习评价方法，其特征在于，所述背景裁剪是

按照矫正倾角计算新的包含字符的矩形范围[]，对二值化后的图像去除区域外灰度值像素，即裁剪背景。