CN105498253B - 一种教育玩具套件及其定位孔检测定位方法 - Google Patents
一种教育玩具套件及其定位孔检测定位方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及计算机视觉检测处理技术领域，提供了一种教育玩具套件及其定位孔检测定位方法，包括支架、头盔探测器和底板，支架安装于底板上，头盔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，支架的顶部具有第二凹槽和第三凹槽，第二凹槽用于放置平板电脑；头盔探测器安装于第三凹槽内；还包括：定位孔设置于第三凹槽的侧壁底侧，并且位于侧壁的纵向中心轴上。将平板电脑、头盔探测器安装好；通过平板电脑的前置摄像头采集图像；对图像进行处理，得出定位孔位置图像；由定位孔的位置判定平板电脑是否安装准确。本发明在教育玩具套件上设置定位孔，提高安装的精确度和速度，使图像采集、分析结果更加准确。
Description
技术领域
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定位孔检测定位方法。
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，应用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、头盔探测器和底板，并且支架安装于底板上，头盔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，支架的顶部具有第二凹槽和第三凹槽，第二凹槽用于放置平板电脑；头盔探测器安装于第三凹槽内。
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，但是其定位安装常常出现偏差，会导致安装缓慢，图像采集出错，分析结果不准确等问题的出现。
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其定位孔检测定位方法，在教育玩具套件上设置定位孔，能够应用针对性的图像处理技术检测部件上预设的定位孔的位置是否居中，实现对部件相互之间装备安装的检测，提高安装的精确度，提高安装速度，图像采集以及分析结果更加准确。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种教育玩具套件及其定位孔检测定位方法，技术方案如下：
一种教育玩具套件，包括支架、头盔探测器和底板，并且支架安装于底板上，头盔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，支架的顶部具有第二凹槽和第三凹槽，第二凹槽用于放置平板电脑；头盔探测器安装于第三凹槽内；还包括：定位孔，设置于第三凹槽侧壁的纵向中心轴上。
一种教育玩具套件的定位孔检测定位方法，包括如下步骤：
步骤一，首先将平板电脑的底端安装于第二凹槽内，然后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采集图像；
步骤三，在前置摄像头采集的图像中提取出定位孔的位置图像；
步骤四，通过步骤三中提取出的位置图像，判断出定位孔的位置，进而由定位孔的位置判定平板电脑是否安装准确。
在步骤三中得出的定位孔位置图像中，正确情况下定位孔应该位于图像的中心点位置；预先设定一个偏差阈值，如果定位孔的偏差小于等于偏差的阈值，则认为安装准确；如果图像中出现了定位孔，但是定位孔的偏差超过偏差阈值，则表示平板电脑没有正确安装；如果定位孔没有出现在图像中，则表示平板电脑或者头盔探测器没有正确安装。
优选的，在上述一种教育玩具套件的定位孔检测定位方法中，步骤二的具体步骤为：
将平板电脑前置摄像头所获取图像定义为Ixy，Ixy＝f(x，y)；
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；
由于摄像头采集的图像为彩色图片，因此f(x，y)＝(Rxy，Gxy，Bxy)；
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。
优选的，在上述一种教育玩具套件的定位孔检测定位方法中，步骤三的具体步骤为：
首先，把步骤二中采集得到的彩色图像转换为灰度图像，具体公式为：
Gray(x，y)＝0.2989×Rxy+0.5870×Gxy+0.1140×Bxy；
其中，Gray(x，y)表示灰度图像；
进一步地，定义一个模板矩阵用以提取定位孔，模板矩阵大小为(n+2)×(n+2)，并且模板矩阵是中间为n×n零矩阵、边界为1的方形矩阵，模板矩阵具体为：
其中，mask(n+2)×(n+2)表示模板矩阵；
进一步地，把灰度图像与模板矩阵一起做卷积运算；
因为定位孔设置于第三凹槽的侧壁底侧，所以定位孔应该位于灰度图像的上半部分，在卷积运算的过程中只去灰度图像的上半部分与模板矩阵一起做运算即可；
卷积运算的具体公式为：
0≤s≤Mr+n+1；
0≤t≤Mc+n+1；
其中，Mr表示图像的高度，Mc表示图像的宽度，C(s，t)表示卷积图像，n的具体数值由图像中定位孔的直径确定；
进一步地，从灰度图像中减去卷积图像得出差图像，再计算差图像的像素值，并对差图像进行二值化处理，具体公式为：
其中，B(x，y)表示差图像的二值化图像；
进一步地，采用形态学先验知识滤除非定位孔区域，得到只含有定位孔的位置图像。
优选的，在上述一种教育玩具套件的定位孔检测定位方法中，步骤三中采用形态学先验知识滤除非定位孔区域，得到只含有定位孔的位置图像的具体步骤为：
a)对差图像的二值化图像做8邻域连通分量标记；
8邻域连通是指将一个像素的像素值非零，另一个像素点的上、下、左、右、左上、右上、左下、右下8个方向也存在非零像素值的点，则认为这2个像素点是8邻域连通的，因此不同的连通区域即可被一一区分出来；
b)分别计算步骤a)标记完成的连通区域的面积，并且设定面积阈值；
计算每个8邻域连通分量中含有的像素个数，像素个数即为连通区域的面积；
c)分别计算步骤a)标记完成的连通区域的离心率，并且设定离心率阈值；
d)根据每个连通区域的面积、面积阈值、离心率以及离心率阈值即可滤除非定位区域，得出定位孔位置图像；
首先，将步骤b)中计算得出的连通区域的面积数值与面积阈值进行比较，当面积数值超出面积阈值范围时表示该连通区域为非定位区域，将其滤除；
然后，将步骤c)中计算得出的连通区域的离心率与离心率阈值相比较，当离心率超出离心率阈值范围时表示该连通区域为非定位区域，将其滤除；
进一步地，滤除非定位区域的剩余连通区域为定位孔位置图像。
优选的，在上述一种教育玩具套件的定位孔检测定位方法中，步骤四中通过步骤三中提取出的位置图像，判断出定位孔的位置，进而由定位孔的位置判定平板电脑是否安装准确的具体步骤为：
在步骤三得出的定位孔位置图像中，正确情况下定位孔应该位于图像的中心点位置；预先设定一个偏差阈值，只要定位孔的偏差小于等于偏差的阈值即认为安装准确；如果图像中出现了定位孔，但是定位孔超过偏差阈值，则表示平板电脑没有正确安装；如果定位孔没有出现在图像中，则表示平板电脑或者头盔探测器没有正确安装。
本发明的有益效果：
1、硬件设计巧妙，本发明只在平板电脑底座上打上一个定位孔，结构简单，成本低廉，但是定位孔的大小和位置是经过大量的实验验证的，更加科学，便于摄像头采集图像，能够快速检测安装是否成功。
2、计算速度快，每次定位检测耗时在50ms左右。
3、检测性能稳定，对不同光照、不同平板电脑的安装都能够快速的进行测试，适用性更强。
4、本发明在教育玩具套件上设置定位孔，能够应用针对性的图像处理技术检测部件上预设的定位孔的位置是否居中，实现对部件相互之间的装备安装检测，提高安装的精确度，提高安装速度，图像采集以及分析结果更加准确。
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是本实用新型一种教育玩具套件的结构示意图。
图2是本实用新型一种教育玩具套件的支架的后视图。
图3是本实用新型一种教育玩具套件的支架的立体图。
图4是本实用新型一种教育玩具套件的底板的结构示意图。
图5是一种教育玩具套件的定位孔检测定位方法的流程图。
其中，图1-5中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：
支架1，凸起101，第二凹槽102，第三凹槽103，定位孔104，头盔探测器2，底板3，第一凹槽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是本实用新型一种教育玩具套件的结构示意图。
图2是本实用新型一种教育玩具套件的支架的后视图。
图3是本实用新型一种教育玩具套件的支架的立体图。
图4是本实用新型一种教育玩具套件的底板的结构示意图。
如图1-4所示，一种教育玩具套件，包括支架1、头盔探测器2和底板3，并且支架1安装于底板3上，头盔探测器2安装于支架1上；底板3，上方设置有第一凹槽301；支架1，底部具有凸起101，凸起101安装在第一凹槽301内，支架的顶部具有第二凹槽102和第三凹槽103，第二凹槽102用于放置平板电脑；头盔探测器2，安装于第三凹槽103内；还包括：定位孔104，设置于第三凹槽103侧壁的纵向中心轴上。
图5是一种教育玩具套件的定位孔检测定位方法的流程图。
如图5所示，一种教育玩具套件的定位孔检测定位方法，包括如下步骤：
步骤一，首先将平板电脑的底端安装于第二凹槽内，然后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采集图像；
步骤三，在前置摄像头采集的图像中提取出定位孔的位置图像；
步骤四，通过步骤三中提取出的位置图像，判断出定位孔的位置，进而由定位孔的位置判定平板电脑是否安装准确。
实施例2：
图5是一种教育玩具套件及其定位孔检测定位方法的流程图。
如图5所示，一种教育玩具套件及其定位孔检测定位方法，包括如下步骤：
步骤一，首先将平板电脑的底端安装于第二凹槽内，然后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采集图像；
将平板电脑前置摄像头所获取图像定义为Ixy，Ixy＝f(x，y)；
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；
由于摄像头采集的图像为彩色图片，因此f(x，y)＝(Rxy，Gxy，Bxy)；
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；
步骤三，在前置摄像头采集的图像中提取出定位孔的位置图像；
首先，把步骤二中采集得到的彩色图像转换为灰度图像，具体公式为：
Gray(x，y)＝0.2989×Rxy+0.5870×Gxy+0.1140×Bxy；
其中，Gray(x，y)表示灰度图像；
进一步地，定义一个模板矩阵用以提取定位孔，模板矩阵大小为(n+2)×(n+2)，并且模板矩阵是中间为n×n零矩阵、边界为1的方形矩阵，模板矩阵具体为：
其中，mask(n+2)×(n+2)表示模板矩阵；
进一步地，把灰度图像与模板矩阵一起做卷积运算；
因为定位孔设置于第三凹槽的侧壁底侧，所以定位孔应该位于灰度图像的上半部分，在卷积运算的过程中只去灰度图像的上半部分与模板矩阵一起做运算即可；
卷积运算的具体公式为：
0≤s≤Mr+n+1；
0≤t≤Mc+n+1；
其中，Mr表示图像的高度，Mc表示图像的宽度，C(s，t)表示卷积图像，n的具体数值由图像中定位孔的直径确定；
进一步地，从灰度图像中减去卷积图像得出差图像，再计算差图像的像素值，并对差图像进行二值化处理，具体公式为：
其中，B(x，y)表示差图像的二值化图像；
进一步地，采用形态学先验知识滤除非定位孔区域，得出定位孔位置图像的具体步骤为：
a)对差图像的二值化图像做8邻域连通分量标记；
8邻域连通是指将一个像素的像素值非零，另一个像素点的上、下、左、右、左上、右上、左下、右下8个方向也存在非零像素值的点，则认为这2个像素点是8邻域连通的，因此不同的连通区域即可被一一区分出来；
b)分别计算步骤a)标记完成的连通区域的面积，并且设定面积阈值；
计算每个8邻域连通分量中含有的像素个数，像素个数即为连通区域的面积；
c)分别计算步骤a)标记完成的连通区域的离心率，并且设定离心率阈值；
d)根据每个连通区域的面积、面积阈值、离心率以及离心率阈值即可滤除非定位区域，得出定位孔图像；
首先，将步骤b)中计算得出的连通区域的面积数值与面积阈值进行比较，当面积数值超出面积阈值范围时表示该连通区域为非定位区域，将其滤除；
然后，将步骤c)中计算得出的连通区域的离心率与离心率阈值相比较，当离心率超出离心率阈值范围时表示该连通区域为非定位区域，将其滤除；
进一步地，滤除非定位区域的剩余连通区域为定位孔位置图像；
步骤四，通过步骤三中提取出的位置图像，判断出定位孔的位置，进而由定位孔的位置判定平板电脑是否安装准确的具体步骤为：
在步骤三中得出的定位孔位置图像中，正确情况下定位孔应该位于图像的中心点位置；预先设定一个偏差阈值，如果定位孔的偏差小于等于偏差的阈值，则认为安装准确；如果图像中出现了定位孔，但是定位孔的偏差超过偏差阈值，则表示平板电脑没有正确安装；如果定位孔没有出现在图像中，则表示平板电脑或者头盔探测器没有正确安装。
本发明硬件设计巧妙，只在平板电脑底座上打上一个定位孔，结构简单，成本低廉，但是定位孔的大小和位置是经过大量的实验验证的，更加科学，便于摄像头采集图像，能够快速检测安装是否成功。
本发明计算速度快，每次定位检测耗时在50ms左右。
本发明检测性能稳定，对不同光照、不同平板电脑的安装都能够快速的进行测试，适用性更强。
本发明在教育玩具套件上设置定位孔，能够应用针对性的图像处理技术检测部件上预设的定位孔的位置是否居中，实现对部件相互之间的装备安装检测，提高安装的精确度，提高安装速度，图像采集以及分析结果更加准确。
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。
Claims (5)
1.一种教育玩具套件的定位孔检测定位方法，其特征在于，该教育玩具套件包括：支架、头盔探测器和底板，并且所述支架安装于底板上，所述头盔探测器安装于支架上，所述底板上方设置有第一凹槽；所述支架底部具有凸起，所述凸起安装在第一凹槽内，支架的顶部具有第二凹槽和第三凹槽，所述第二凹槽用于放置平板电脑；所述头盔探测器安装于第三凹槽内；定位孔，设置于所述第三凹槽侧壁的纵向中心轴上；该定位孔检测定位方法包括如下步骤：
步骤一，首先将平板电脑的底端安装于第二凹槽内，然后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采集图像；
步骤三，在前置摄像头采集的图像中提取出定位孔的位置图像；
步骤四，通过所述步骤三中提取出的位置图像，判断出定位孔的位置，进而由定位孔的位置判定平板电脑是否安装准确。
2.根据权利要求1所述的一种教育玩具套件的定位孔检测定位方法，其特征在于，所述步骤二的具体步骤为：
将平板电脑前置摄像头获取的图像定义为Ixy，Ixy＝f(x，y)；
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；
由于摄像头采集的图像为彩色图片，因此f(x，y)＝(Rxy，Gxy，Bxy)；
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。
3.根据权利要求2所述的一种教育玩具套件的定位孔检测定位方法，其特征在于，所述步骤三的具体步骤为：
首先，把所述步骤二中采集得到的彩色图像转换为灰度图像，具体公式为：
Gray(x，y)＝0.2989×Rxy+0.5870×Gxy+0.1140×Bxy；
其中，Gray(x，y)表示灰度图像；
进一步地，定义一个模板矩阵用以提取定位孔，模板矩阵大小为(n+2)×(n+2)，并且模板矩阵是中间为n×n零矩阵、边界为1的方形矩阵，模板矩阵具体为：
其中，mask(n+2)×(n+2)表示模板矩阵；
进一步地，把灰度图像与模板矩阵一起做卷积运算；
因为定位孔设置于第三凹槽的侧壁底侧，所以定位孔应该位于灰度图像的上半部分，在卷积运算的过程中只去灰度图像的上半部分与模板矩阵一起做运算即可；
卷积运算的具体公式为：
0≤s≤Mr+n+1；
0≤t≤Mc+n+1；
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其中，Mr表示图像的高度，Mc表示图像的宽度，C(s，t)表示卷积图像，n的具体数值由图像中定位孔的直径确定；
进一步地，从灰度图像中减去卷积图像得出差图像，再计算差图像的像素值，并对差图像进行二值化处理，具体公式为：
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<mo>;</mo>
</mrow>
其中，B(x，y)表示差图像的二值化图像；
进一步地，采用形态学先验知识滤除非定位孔区域，得到只含有定位孔的位置图像。
4.根据权利要求3所述的一种教育玩具套件的定位孔检测定位方法，其特征在于，所述步骤三中采用形态学先验知识滤除非定位孔区域，得到只含有定位孔的位置图像的具体步骤为：
a)对差图像的二值化图像做8邻域连通分量标记；
8邻域连通是指将一个像素的像素值非零，另一个像素点的上、下、左、右、左上、右上、左下、右下8个方向也存在非零像素值的点，则认为这2个像素点是8邻域连通的，因此不同的连通区域即可被一一区分出来；
b)分别计算所述步骤a)标记完成的连通区域的面积，并且设定面积阈值；
计算每个8邻域连通分量中含有的像素个数，像素个数即为连通区域的面积；
c)分别计算所述步骤a)标记完成的连通区域的离心率，并且设定离心率阈值；
d)根据每个连通区域的面积、面积阈值、离心率以及离心率阈值即可滤除非定位区域，得出定位孔位置图像；
首先，将所述步骤b)中计算得出的连通区域的面积数值与面积阈值进行比较，当面积数值超出面积阈值范围时表示该连通区域为非定位区域，将其滤除；
然后，将所述步骤c)中计算得出的连通区域的离心率与离心率阈值相比较，当离心率超出离心率阈值范围时表示该连通区域为非定位区域，将其滤除；
进一步地，滤除非定位区域的剩余连通区域为定位孔位置图像。
5.根据权利要求1所述的一种教育玩具套件的定位孔检测定位方法，其特征在于，所述步骤四中通过步骤三中提取出的位置图像，判断出定位孔的位置，进而由定位孔的位置判定平板电脑是否安装准确的具体步骤为：
在所述步骤三得出的定位孔位置图像中，正确情况下定位孔应该位于图像的中心点位置；预先设定一个偏差阈值，只要定位孔的偏差小于等于偏差的阈值即认为安装准确；如果图像中出现了定位孔，但是定位孔超过偏差阈值，则表示平板电脑没有正确安装；如果定位孔没有出现在图像中，则表示平板电脑或者头盔探测器没有正确安装。
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