CN107154058A - 一种引导使用者还原魔方的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及计算机视觉检测处理技术领域，提供了一种引导使用者还原魔方的方法，包含如下步骤：步骤一：采集魔方色块的排列信息；步骤二：根据魔方色块排列信息展示还原魔方的方法；其中，步骤一包含：步骤11，在软件界面中设置扫描的感兴趣区域；步骤12，获取与调整魔方所在位置，使之正确；步骤13，检测魔方在图像中的位置；步骤14，魔方颜色提取。本发明使用扫描魔方的形式向应用程序中输入魔方的颜色及排列信息快速便捷。输出魔方的还原方法简单易用，还原方法就是用户手中魔方当前状态的还原方法，针对性强，还原快，便于游戏。

Description

一种引导使用者还原魔方的方法
技术领域
本发明涉及计算机图像识别技术领域，特别涉及一种魔方还原的方法。
背景技术
魔方是儿童非常喜欢的玩具,是一种手部极限运动。魔方形状通常是正方体，由多个块组成。玩法是将魔方打乱，然后在最短的时间内还原。
现有的魔方还原常实用如下两种形式使使用者明白应如何还原:
一是魔方说明书:使用纸质版或电子版的图解和文字，对魔方的还原方法进行描述。
二是视频教程:对魔方的还原方法进行解说、操作，录制其过程并制作为视频资料。
这两种方法都具有如下缺点：
1.通过从说明书或视频中提取内容、理解内容并进行魔方还原的方法难度过大。
2.无法针对用户当前的实体魔方的颜色及排列信息给出有针对性的、相应的还原方法。
也就是说，现有技术的魔方还原的引导都不是针对使用者当前的魔方状态进行引导的，都需要使用者理解说明书或视频，再根据魔方当前状态自己思考找到还原方法。
因此，魔方玩具技术领域迫切需要一种可以根据使用者手中的魔方的具体状况，逐步引导使用者完成魔方还原的方法。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种引导使用者还原魔方的方法，技术方案如下：
一种引导使用者还原魔方的方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤一：采集魔方色块的排列信息；
步骤二：根据魔方色块排列信息展示还原魔方的方法；
其中，该步骤一包含：
步骤11，在软件界面中设置扫描的感兴趣区域；
步骤12，获取与调整魔方所在位置，使之正确；
步骤13，检测魔方在图像中的位置；
步骤14，魔方颜色提取。
如上所述的一种引导使用者还原魔方的方法，其特征在于，该步骤二包含如下步骤：
步骤21，获得魔方还原解法；
步骤22，展示魔方的还原步骤。
如上所述的一种引导使用者还原魔方的方法，其特征在于，所述步骤13的具体步骤为：
步骤131，ROI区域灰度化；
步骤132，使用边缘检测算法提取色块轮廓；
步骤133，形状匹配；
步骤134，圆心计数。
如上所述的一种引导使用者还原魔方的方法中，其特征在于，所述步骤14的具体步骤为：
步骤141，获取采集装置所采集的数据；
步骤142，提取魔方的颜色信息；
步骤143，按照某一个固定的顺序进行六次识别；
步骤144，判断是否共有54个色块，是否每种颜色的色块都有9个；
如否，执行步骤145，提醒用户在合适的光照条件下重新进行识别；
如是，执行步骤146，获得54个色块的颜色排列信息。
如上所述的一种引导使用者还原魔方的方法中，其特征在于，所述步骤21的具体步骤为：
步骤211，将54个色块的颜色排列信息输入到Two Phase算法中；
步骤212，判断Two Phase算法是否输出了解，解的个数是否小于8种；
如否，步骤213，提示用户将魔方打乱并重新识别；
如是，执行步骤214，将每个还原好的虚拟魔方根据解法的逆向倒序进行操作，操作结果可能为用户当前的魔方状态或是包含了用户当前魔方状态的多个魔方状态；
如操作结果是包含了用户当前魔方状态的多个魔方状态，执行步骤215，提醒用户选择与手中当前魔方状态相同的虚拟魔方；
如操作结果为用户当前的魔方状态，执行步骤216，选择的虚拟魔方即为用户手中的魔方状态。
如上所述的一种引导使用者还原魔方的方法中，其特征在于，所述步骤131的具体步骤为：
首先，将采集装置获取的图像定义为：用R、G、B表示当前坐标位置处的像素值；
然后，对彩色图像做ROI区域灰度化；该灰度化可应用如下公式之一转换彩色图像的ROI区域转为灰度图像：
Gray(x，y)＝0.2989×Rxy+0.5870×Gxy+0.1140×Bxy；
其中，Gray(x，y)表示灰度图像。
如上所述的一种引导使用者还原魔方的方法中，其特征在于，所述步骤132的具体步骤为：
将灰度值的变化程度使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：
首先，计算相邻像素的差分，具体公式为：
Gx＝f[i，j+1]-f[i，j]
Gy＝f[i，j]-f[i+1，j]
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+1，j]表示图像在第i+1行第j列的像素值，
进一步地，计算相邻像素间的梯度，具体公式为：
其中，G(x，y)表示表示图像的在(x，y)点上梯度值，表示像素值在x方向上求导，表示像素值在y方向上求导；
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；
对于待检测的魔方目标，在转换为灰度图后，
红、黄、蓝、青、绿、紫六种颜色色块和白色的魔方底色反差较大，将六种色块的轮廓视为当前图像的边缘，用边缘检测的方法提取色块轮廓；该边缘检测算法包括但不限于：Sobel算子，Roberts算子，Prewitt算子，Canny算子。
如上所述的一种引导使用者还原魔方的方法中，其特征在于，所述步骤133的具体步骤为：
对于该步骤132所得到的色块边缘轮廓，使用形状上下文的形状匹配的方法对于获得的二值轮廓进行目标筛选，计算形状轮廓与魔方色块椭圆的形状距离，距离值按照以下公式计算：
其中，Gs表示标准椭圆形状轮廓与魔方彩色色块的形状距离值，g(k)和h(k)分别代表标准椭圆和待测形状的一组轮廓点集，M表示距离阈值，k表示轮廓点集内第k个元素点，K表示轮廓点集内含有的元素个数；当Gs小于M时，则判定当前彩色色块轮廓形状为椭圆；当Gs大于等于M时，判定当前是彩色色块轮廓形状不为椭圆。
如上所述的一种引导使用者还原魔方的方法中，其特征在于，所述步骤134圆心计数的具体方法是：通过计算椭圆轮廓数量判定魔方是否正确放置；在ROI区域内，如果检测到的椭圆达到18个，就认为魔方正确的放置在游戏扫描区域内，否则提醒调整模仿位置重新检测。
如上所述的一种引导使用者还原魔方的方法中，其特征在于，所述步骤141为如下几种之一：
利用摄像头等采集装置对准魔方的六个面依次扫描或拍摄从而获取魔方各面的图像信息；
同时扫描或拍摄魔方的两个面；
同时扫描或拍摄魔方的三个面；
得到魔方所有面的图像信息的方法为如下之一：
旋转魔方获取剩余面的图像信息，从而得到魔方六个面的色块排列信息；
通过扫描五个的图像信息推算出余下各面的图形信息；
通过扫描四个的图像信息推算出余下各面的图形信息。
本发明的有益效果：
1、使用扫描魔方的形式向应用程序中输入魔方的颜色及排列信息快速便捷。
2、输出魔方的还原方法简单易用，还原方法就是用户手中魔方当前状态的还原方法，针对性强，还原快，便于游戏。
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是本发明宫格的示意图。
图2是魔方水平放置在感兴趣区域内的示意图。
图3是本发明检测魔方位置的流程图。
图4是本发明色块边缘的二值轮廓示意图。
图5是魔方颜色提取方法的一较佳实施例的流程图。
图6是根据魔方色块排列信息展示还原魔方的方法流程图。
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。
本发明的一种引导使用者还原魔方的方法包含如下步骤：
步骤一：采集魔方色块的排列信息；
步骤二：根据魔方色块排列信息展示还原魔方的方法。
下面详细描述步骤一：采集魔方色块的排列信息。
步骤11，在软件界面中设置扫描的ROI(region of interest，感兴趣区域)。如图1所示，软件界面中宫格方框所包含的区域就是ROI(感兴趣区域)，为只对该区域进行扫描，区域外的内容忽略。图中所示为十八宫格，可以一次扫描魔方的2个面。一次扫描一个面或者多个面也可以，只是扫描方式的区别，识别技术上没有本质区别。
步骤12，获取与调整魔方所在位置，使之正确。
如图2所示，采集装置所获得图像中，魔方应该水平放置在感兴趣区域内，其顶面和前面中的共计18个椭圆色块应当与十八宫格的各个宫格基本重合，则认定其摆放正确；如果十八宫格中检测到的椭圆数不够，或者存在椭圆位置离标准宫格的区域过远，则认为魔方并没有正确放置。使用者需调整魔方的位置直到符合上述条件。
步骤13，检测魔方在图像中的位置。
检测魔方位置的流程图如图3所示，包括四个步骤：
步骤131，ROI区域灰度化；
步骤132，使用边缘检测算法提取色块轮廓；
步骤133，形状匹配；
步骤134，圆心计数。
详述步骤131如下：
首先，将采集装置获取的图像定义为：用R、G、B表示当前坐标位置处的像素值。因为采集的魔方图像是彩色图片，以红绿蓝三原色来表示图像像素点的色彩值，即，在此R、G、B表示某个坐标位置的红绿蓝色彩通道数值。
然后，对彩色图像做ROI区域灰度化。可以应用下面的公式转换彩色图像的ROI区域转为灰度图像：
Gray(x，y)＝0.2989×Rxy+0.5870×Gxy+0.1140×Bxy；
其中，Gray(x，y)表示灰度图像；
详述步骤132如下：
图像的边缘是图像灰度值变化比较剧烈的部分，灰度值的变化程度通常使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：
首先，计算相邻像素的差分，具体公式为：
Gx＝f[i，j+1]-f[i，j]
Gy＝f[i，j]-f[i+1，j]
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+1，j]表示图像在第i+1行第j列的像素值，
进一步地，计算相邻像素间的梯度，具体公式为：
其中，G(x，y)表示表示图像的在(x，y)点上梯度值，表示像素值在x方向上求导，表示像素值在y方向上求导；
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；
对于待检测的魔方目标，在转换为灰度图后，六种颜色(红、黄、蓝、青、绿、紫)色块和白色的魔方底色反差较大，因此将六种色块的轮廓视为当前图像的边缘，用边缘检测的方法提取色块轮廓。边缘检测算法，包括但不限于：Sobel算子，Roberts算子，Prewitt算子，Canny算子；得到色块边缘的二值轮廓，如图4所示。
详述步骤133，形状匹配如下：
对于步骤132所得到的色块边缘轮廓，使用形状上下文的形状匹配的方法对于获得的二值轮廓进行目标筛选，计算形状轮廓与椭圆(魔方色块为椭圆)的形状距离。距离值按照以下公式计算：
其中，Gs表示标准椭圆形状轮廓与魔方彩色色块的形状距离值，g(k)和h(k)分别代表标准椭圆和待测形状的一组轮廓点集，M表示距离阈值，k表示轮廓点集内第k个元素点，K表示轮廓点集内含有的元素个数；当Gs小于M时，则判定当前彩色色块轮廓形状为椭圆；当Gs大于等于M时，判定当前是彩色色块轮廓形状不为椭圆。
如下详述步骤134，圆心计数：通过计算椭圆轮廓数量判定魔方是否正确放置。
在ROI区域内，如果检测到的椭圆达到18个，就认为魔方正确的放置在游戏扫描区域内。否则提醒调整模仿位置重新检测。
如上举例说明了用同时扫描两个面的方式采集魔方色块的排列信息；本领域技术人员应该可以理解，可以利用摄像头等采集装置对准魔方的六个面依次扫描或拍摄从而获取魔方各面的图像信息；也可同时扫描或拍摄魔方的三个面。
旋转魔方获取剩余面的图像信息，从而得到魔方六个面的色块排列信息。
本发明也可以通过扫描五个的图像信息推算出余下各面的图形信息。
本发明也可以通过扫描四个的图像信息推算出余下各面的图形信息。
本发明对此并不做具体限定，凡利用本发明的方法或类似方法均落入本发明的保护范围。
步骤14，魔方颜色提取。
本发明的颜色识别可以采用HSV技术，将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)表示图像在(x，y)点上的像素值；将原始图像转化为HSV颜色图像，由于各颜色在HSV颜色空间的H色调通道数值较为稳定，不用种类间的数值间隔大，将像素平均值集合与六种颜色在H通道上的阈值区间相比较，判断出扫描区域内每个色块的颜色。
图5显示了魔方颜色提取方法的一较佳实施例的流程图，魔方颜色提取方法包含：
步骤141，获取采集装置所采集的数据；
步骤142，提取魔方的颜色信息；
步骤143，按照某一个固定的顺序(如R\F\D\L\B\U的顺序)进行六次识别；R(right)、L(left)、B(backward)、F(forward)、D(down)、U(up)，对应的魔方面为右、左、后、前、下、上共6个面；
步骤144，判断是否共有54个色块，是否每种颜色的色块都有9个；
如否，执行步骤145，提醒用户在合适的光照条件下重新进行识别；
如是，执行步骤146，获得54个色块的颜色排列信息。
下面详细描述步骤二，根据魔方色块排列信息展示还原魔方的方法，包含：
步骤21，获得魔方还原解法；如图6所示，包含：
步骤211，将54个色块的颜色排列信息输入到Two Phase算法中，Two Phase可能会返回上万种解，用户去找这上万种解中的一种可能很费劲，所以本发明选择小于八种解作为标准。
步骤212，判断Two Phase算法是否输出了解，解的个数是否小于8种；
如否，步骤213，提示用户将魔方打乱并重新识别；
如是，执行步骤214，将每个还原好的虚拟魔方根据解法的逆向倒序进行操作，操作结果可能为用户当前的魔方状态或是包含了用户当前魔方状态的多个魔方状态；
如操作结果是包含了用户当前魔方状态的多个魔方状态，执行步骤215，提醒用户选择与手中当前魔方状态相同的虚拟魔方；
如操作结果为用户当前的魔方状态，执行步骤216，选择的虚拟魔方即为用户手中的魔方状态。
步骤22，展示魔方的还原步骤。
将选择的虚拟魔方进行正序还原，向用户展示还原过程，用户根据还原过程操作手中魔方，最终魔方还原完成。
由上述详细说明可见，本发明通过扫描识别实体魔方，展示与其当前排列、颜色信息完全对应的虚拟魔方，并输出魔方还原方法。使用扫描魔方的形式向应用程序中输入魔方的颜色及排列信息快速便捷。输出魔方的还原方法简单易用，还原方法就是用户手中魔方当前状态的还原方法，针对性强，还原快，便于游戏。
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 (10)

1.一种引导使用者还原魔方的方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤一：采集魔方色块的排列信息；
步骤二：根据魔方色块排列信息展示还原魔方的方法；
其中，该步骤一包含：
步骤11，在软件界面中设置扫描的感兴趣区域；
步骤12，获取与调整魔方所在位置，使之正确；
步骤13，检测魔方在图像中的位置；
步骤14，魔方颜色提取。
2.根据权利要求1所述的一种引导使用者还原魔方的方法，其特征在于，该步骤二包含如下步骤：
步骤21，获得魔方还原解法；
步骤22，展示魔方的还原步骤。
3.根据权利要求1所述的一种引导使用者还原魔方的方法，其特征在于，所述步骤13的具体步骤为：
步骤131，ROI区域灰度化；
步骤132，使用边缘检测算法提取色块轮廓；
步骤133，形状匹配；
步骤134，圆心计数。
4.根据权利要求1所述的一种引导使用者还原魔方的方法中，其特征在于，所述步骤14的具体步骤为：
步骤141，获取采集装置所采集的数据；
步骤142，提取魔方的颜色信息；
步骤143，按照某一个固定的顺序进行六次识别；
步骤144，判断是否共有54个色块，是否每种颜色的色块都有9个；
如否，执行步骤145，提醒用户在合适的光照条件下重新进行识别；
如是，执行步骤146，获得54个色块的颜色排列信息。
5.根据权利要求2所述的一种引导使用者还原魔方的方法中，其特征在于，所述步骤21的具体步骤为：
步骤211，将54个色块的颜色排列信息输入到Two Phase算法中；
步骤212，判断Two Phase算法是否输出了解，解的个数是否小于8种；
如否，步骤213，提示用户将魔方打乱并重新识别；
如是，执行步骤214，将每个还原好的虚拟魔方根据解法的逆向倒序进行操作，操作结果可能为用户当前的魔方状态或是包含了用户当前魔方状态的多个魔方状态；
如操作结果是包含了用户当前魔方状态的多个魔方状态，执行步骤215，提醒用户选择与手中当前魔方状态相同的虚拟魔方；
如操作结果为用户当前的魔方状态，执行步骤216，选择的虚拟魔方即为用户手中的魔方状态。
6.根据权利要求3所述的一种引导使用者还原魔方的方法中，其特征在于，所述步骤131的具体步骤为：
首先，将采集装置获取的图像定义为：用R、G、B表示当前坐标位置处的像素值；
然后，对彩色图像做ROI区域灰度化；该灰度化可应用如下公式之一转换彩色图像的ROI区域转为灰度图像：
Gray(x，y)＝0.2989×Rxy+0.5870×Gxy+0.1140×Bxy；
其中，Gray(x，y)表示灰度图像。
7.根据权利要求3所述的一种引导使用者还原魔方的方法中，其特征在于，所述步骤132的具体步骤为：
将灰度值的变化程度使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：
首先，计算相邻像素的差分，具体公式为：
Gx＝f[i，j+1]-f[i，j]
Gy＝f[i，j]-f[i+1，j]
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+1，j]表示图像在第i+1行第j列的像素值，
进一步地，计算相邻像素间的梯度，具体公式为：
<mrow> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>G</mi> <mi>x</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>G</mi> <mi>y</mi> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>y</mi> </mrow> </mfrac> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>;</mo> </mrow>
其中，G(x，y)表示表示图像的在(x，y)点上梯度值，表示像素值在x方向上求导，表示像素值在y方向上求导；
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；
对于待检测的魔方目标，在转换为灰度图后，
红、黄、蓝、青、绿、紫六种颜色色块和白色的魔方底色反差较大，将六种色块的轮廓视为当前图像的边缘，用边缘检测的方法提取色块轮廓；该边缘检测算法包括但不限于：Sobel算子，Roberts算子，Prewitt算子，Canny算子。
8.根据权利要求3所述的一种引导使用者还原魔方的方法中，其特征在于，所述步骤133的具体步骤为：
对于该步骤132所得到的色块边缘轮廓，使用形状上下文的形状匹配的方法对于获得的二值轮廓进行目标筛选，计算形状轮廓与魔方色块椭圆的形状距离，距离值按照以下公式计算：
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>K</mi> </msubsup> <mfrac> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>h</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>h</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
其中，Cs表示标准椭圆形状轮廓与魔方彩色色块的形状距离值，g(k)的h(k)分别代表标准椭圆和待测形状的一组轮廓点集，M表示距离阈值，k表示轮廓点集内第k个元素点，K表示轮廓点集内含有的元素个数；当Cs小于M时，则判定当前彩色色块轮廓形状为椭圆；当Cs大于等于M时，判定当前是彩色色块轮廓形状不为椭圆。
9.根据权利要求3所述的一种引导使用者还原魔方的方法中，其特征在于，所述步骤134圆心计数的具体方法是：通过计算椭圆轮廓数量判定魔方是否正确放置；在ROI区域内，如果检测到的椭圆达到18个，就认为魔方正确的放置在游戏扫描区域内，否则提醒调整模仿位置重新检测。
10.根据权利要求4所述的一种引导使用者还原魔方的方法中，其特征在于，所述步骤141为如下几种之一：
利用摄像头等采集装置对准魔方的六个面依次扫描或拍摄从而获取魔方各面的图像信息；
同时扫描或拍摄魔方的两个面；
同时扫描或拍摄魔方的三个面；
得到魔方所有面的图像信息的方法为如下之一：
旋转魔方获取剩余面的图像信息，从而得到魔方六个面的色块排列信息；
通过扫描五个的图像信息推算出余下各面的图形信息；
通过扫描四个的图像信息推算出余下各面的图形信息。
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