CN108389231A - 基于棋盘表面图像的棋子定位识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于棋盘表面图像的棋子定位识别技术方案。所述技术方案中，棋盘表面具有特征纹理图像，棋子内部的微处理器对获取的棋盘纹理图像进行处理，根据图像特征直接确定棋子在棋盘中的坐标位置，然后把棋子类别编码和棋子位置坐标通过无线接口发送给棋盘控制器；棋子也可以把获取的棋盘纹理图像和棋子类别编码通过无线接口发送给棋盘控制器，由棋盘控制器根据该特征图像确定棋子在棋盘中的位置坐标。本发明提出的技术方案不受外部光源变化、物体遮挡影响，棋子定位准确，为电子棋盘、机器人对弈以及人机对弈提供基础。

Description

基于棋盘表面图像的棋子定位识别方法及系统

技术领域

本发明涉及棋类游戏的智能识别技术，特别涉及棋子识别以及棋子在棋盘上的定位技术。

背景技术

棋类游戏是大家非常喜欢的一种益智游戏，其中象棋和围棋是最受中国人欢迎的两类棋种，象棋和围棋的棋局变化多端、趣味无穷，对于智力开发、陶冶性情也十分有益。随着计算机和机器人技术的发展，用电子棋盘来记录并实时发布棋局、用机器人来与人对弈，逐渐有了很大的市场需求。围绕着电子棋盘和人与机器人对弈需求，研究人员进行了技术开发和产品设计，并有很少量产品进入市场。

电子棋盘和人机对弈产品中的最关键部分是如何识别和定位棋子。目前常用的棋子识别定位方法是采用一个位置固定的外部摄像头垂直拍摄棋盘，通过计算机视觉技术识别棋子类型，并计算出棋子位置坐标。许多展会上的人机对弈机器人常使用上述技术方法来实现，但由于外部光源和使用条件的限制，一般只能作为展示用，离产品化还有很长一段距离。

另外一些相对简单的棋子识别定位方法包括：RFID射频技术、光电传感器技术、磁感应技术等（例如专利文献号：CN103223244，CN205307764，CN205730272），这些方法主要通过一些传统的传感器技术来识别定位棋子，由于棋子自身智能程度很低，造成用户的体验感不好，难以推广使用。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于棋盘表面图像的棋子定位识别方法及系统，是一种全新的棋子定位识别方案，其可以避免外部光源和不良环境的影响，能够快速准确地定位识别棋子，提高用户下棋时的用户体验感。

本发明采用图像处理技术实现棋子在棋盘上的定位，每个棋子是一个独立的智能系统，棋盘表面有特殊的图像纹理标记。棋子以一定采样频率获取底部棋盘面的纹理图像，经过图像处理和模式识别算法计算出棋子在棋盘上的位置坐标。

本发明的基于棋盘表面图像的棋子定位识别系统包括棋子和棋盘，系统采用图像处理技术，基于棋子底部的棋盘表面图像，对棋盘上的棋子进行定位。

所述棋子内嵌有智能系统，智能系统的图像传感器及镜头获取棋子底部棋盘图像，微处理器对图像进行处理变换，并通过图像特征确定自身在棋盘上的坐标位置，通过无线数据接口与棋盘控制器通信，将棋子类型编码、棋子自身状态、棋子底部棋盘表面图像等信息发送给棋盘控制器。

所述棋盘具有棋盘控制器，用于通过无线数据接口获取棋子类型编码、棋子自身状态、棋子底部棋盘表面图像等信息，对图像进行处理变换，通过图像特征确定棋子在棋盘上的坐标位置，通过无线数据接口将位置信息发送给棋子，进行对弈决策，并通过接口发送控制指令。

进一步，棋子的智能系统还包括机械开关、惯性传感器，用来辅助判断和识别棋子的外部状态，棋子信号指示装置，用于实时显示棋子内部和外部状态。

采用以上系统，本发明的基于棋盘表面图像的棋子定位识别方法有三套基本相同的实现方案：

方案一的步骤如下：

（1）棋子通过嵌入其中的智能系统的图像传感器及镜头获取棋子底部棋盘图像；

（2）棋子通过智能系统的微处理器对图像进行处理变换；

（3）棋子通过图像特征确定自身在棋盘上的坐标位置

（4）棋子通过无线数据接口将棋子类型编码、棋子自身位置信息发送给棋盘控制器；

（5）棋盘控制器进行对弈决策，并通过接口发送控制指令。

方案二的步骤如下：

（1）棋子通过嵌入其中的图像传感器及镜头获取棋子底部棋盘图像；

（2）棋子通过无线数据接口将棋子类型编码、棋子自身状态、棋子底部棋盘表面图像等信息发送给棋盘控制器；

（3）棋盘控制器对图像进行处理变换，通过图像特征确定棋子在棋盘上的坐标位置

（4）棋盘控制器通过无线数据接口将位置信息发送给棋子；

（5）棋盘控制器进行对弈决策，并通过接口发送控制指令。

方案三是综合以上两种方案，加入了模式选择，步骤如下：

（1）棋子通过嵌入其中的图像传感器及镜头获取棋子底部棋盘图像；

（2）棋子进行模式选择：

当选择内部模式时：

（3）棋子对图像进行处理变换；

（4）棋子通过图像特征确定自身在棋盘上的坐标位置

（5）棋子通过无线数据接口将棋子类型编码、棋子自身位置信息发送给棋盘控制器；

当选择外部模式时：

（3’）棋子通过无线数据接口将棋子类型编码、棋子自身状态、棋子底部棋盘表面图像等信息发送给棋盘控制器；

（4’）棋盘控制器对图像进行处理变换，通过图像特征确定棋子在棋盘上的坐标位置

（5’）棋盘控制器通过无线数据接口将位置信息发送给棋子；

（6）棋盘控制器进行对弈决策，并通过接口发送控制指令。

针对以上方案，优选的是，每个棋子有一个唯一的ID号，以此区分不同棋子。

针对以上方案，优选的是，所述棋盘上的每个落子处，即棋盘的每个交叉点都具有固定位置坐标。每个交叉点附近有明显图像纹理特征，通过图像变换、模式识别等图像处理技术可以区分出棋盘上的不同交叉点。

针对以上方案，优选的是，通过图像处理技术分析、判断棋子是否处在交叉点附近允许范围内，当棋子位置偏离交叉点位置超过预设范围值时，棋子或棋盘控制器将发出信息提示。当棋子处在交叉点附近允许范围内时，棋子或棋盘控制器显示棋子的落子正常。

针对以上方案，优选的是，当棋子偏离交叉点位置，且偏差在允许范围内时，通过图像处理技术计算出棋子偏离棋盘交叉点正中间位置的距离及方向。把棋盘上的交叉点位置坐标和棋子偏离该交叉点的方向距离结合在一起，计算出棋子的位置坐标。

针对以上方案，优选的是，棋盘控制器通过无线数据接口获取全部棋子的状态信息，通过分析计算得到实时棋局，并在本地存储棋局。棋盘控制器也可以通过网络接口向网上服务器发送棋局，以及从网上服务器获取远端的对弈棋局信息。

针对以上方案，优选的是，棋盘控制器根据远端或近端棋局信息，形成棋子在棋盘上的移动指令。当棋盘控制器外部跟对弈机器人相连接时，棋盘控制器把棋子移动指令转化为外部机器人动作指令，控制外部机器人抓取和摆放棋子。

本发明提出的技术方案不受外部光源变化、物体遮挡影响，棋子定位准确，为电子棋盘、机器人对弈以及人机对弈提供基础。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1棋子定位的系统逻辑框图；

图2棋子嵌入式系统组成结构图；

图3方案整体结构框图；

图4 棋子与棋盘的坐标系。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细描述。优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本发明技术方案运用于棋盘与棋子中，参见图3，棋子内嵌有智能系统，智能系统的图像传感器及镜头获取棋子底部棋盘图像，微处理器对图像进行处理变换，并通过图像特征确定自身在棋盘上的坐标位置，通过无线数据接口与棋盘控制器通信，将棋子类型编码、棋子自身状态、棋子底部棋盘表面图像等信息发送给棋盘控制器。棋盘具有棋盘控制器，用于通过无线数据接口获取棋子类型编码、棋子自身状态、棋子底部棋盘表面图像等信息，对图像进行处理变换，通过图像特征确定棋子在棋盘上的坐标位置，通过无线数据接口将位置信息发送给棋子，进行对弈决策，并通过接口发送控制指令。

棋盘上的交叉点用于摆放棋子，假设共有M个交叉点，N个棋子。棋盘上的M个交叉点，及其附近一定范围内（长宽已知的矩形范围、半径已知的圆弧范围）具有可识别的背景纹理图像。即棋盘的表面，尤其是棋盘表面每个落子位置处具有可区分的图像特征。

棋盘交叉点的总个数为M，交叉点按照事先约定编为1到M号，记作J₁…J_M,各交叉点的位置坐标系J_M和棋盘基准坐标系J都为二维坐标系。

棋子总个数为N，棋子序号按照事先约定编为1到N号，记作Q₁…Q_N这个序号也是棋子编码，代表棋子的类型，和个棋子的位置坐标系。

参见图2，棋子包含嵌入包含图像传感器和微处理器的智能系统，棋子以每秒3至5次的采样频率，通过底部摄像头采集棋子处的棋盘纹理图像，通过对该纹理图进行模式识别和特征匹配，确定出落子点属于M个交叉点中的哪一个。

参见图4，根据采样图像中交叉点在图像坐标系中的像素坐标，运用小孔成像原理，结合相机内部参数，计算出棋子Q_N偏离交叉点J_M的距离L。实际中，棋子在交叉点处通常会有一个旋转角度，根据采样图像中的纹理特征，计算出棋子Q_N的旋转角度θ，这个角度θ就是棋子Q_N坐标系（棋子相机坐标系）相对棋盘参考坐标系J或交点坐标系J_M的旋转角度。

得到棋子相机坐标系Q_N与对应交叉点J_M的旋转角度θ和距离L后，通过坐标系的平移变化，计算出棋子Q_N在棋盘中的位置。

棋子内部惯性传感器和棋子外部机械开关结合起来判断棋子所在运动状态，即棋子被拿起，棋子被抬起一部分、棋子在棋盘上静止，棋子在棋盘上滑动等。根据棋子的不同运动状态，棋子内部的微控制器做出不同反应，使棋子更智能。

棋子内部的嵌入式系统通过电池供电。系统上电后进行系统初始化并开始自检，棋子完成自检后，主动向棋盘控制器发送棋子状态信息。棋子通过自身状态的判断，进行省电管理，当棋子长时间不动或已经被吃掉后，棋子进入休眠状态，直到下一次被激活。

棋子通过无线数据接口将棋子类型编码、棋子自身状态、棋子底部棋盘表面图像等信息发送给棋盘控制器。

棋盘控制器为一个嵌入式系统，由外部直流电源供电，也可以选择由电池组供电。棋盘控制器通过无线或有线方式接入局域网，把棋局实时地发布给互联网上的服务器。棋盘控制器通过总线跟对弈机器人或其它输入输出设备相连接。

棋盘控制器主要通过触摸屏来进行人机交互，系统启动时提示用户进行初始化设置。当棋子控制器选择工作在外部模式时，棋盘控制器通过无线接口接收棋子传送的图像数据，并对图像进行处理计算出棋子的坐标位置，再把坐标位置发送给对应的棋子；当棋子控制选择工作在内部模式时，棋盘控制器通过无线接口直接接收棋子传送的棋子位置坐标信息。

棋盘控制器获得全部棋子的状态信息后，形成实时的棋局，可以显示在本地触摸屏上，也可以存储在本地存储器中，方便以后重新读取复盘。棋盘控制器连接对弈机器人后，将具备对弈算法、机器学习算法等更加丰富的内容。

系统的具体识别定位的逻辑参见图1，步骤如下：

（1）棋子通过嵌入其中的图像传感器及镜头获取棋子底部棋盘图像；

（2）棋子进行模式选择：

当选择内部模式时：

（3）棋子对图像进行处理变换；

（4）棋子通过图像特征确定自身在棋盘上的坐标位置

（5）棋子通过无线数据接口将棋子类型编码、棋子自身位置信息发送给棋盘控制器；

当选择外部模式时：

（3’）棋子通过无线数据接口将棋子类型编码、棋子自身状态、棋子底部棋盘表面图像等信息发送给棋盘控制器；

（4’）棋盘控制器对图像进行处理变换，通过图像特征确定棋子在棋盘上的坐标位置

（5’）棋盘控制器通过无线数据接口将位置信息发送给棋子；

（6）棋盘控制器进行对弈决策，并通过接口发送控制指令。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.基于棋盘表面图像的棋子定位识别方法，其特征在于：采用图像处理技术，基于棋子底部的棋盘表面图像，对棋盘上的棋子进行定位；所述方法包括如下步骤：

（1）棋子通过嵌入棋子中的图像传感器及镜头获取棋子底部棋盘图像；

（2）棋子通过嵌入其中的微处理器系统对图像进行处理变换；

（3）棋子通过图像特征确定自身在棋盘上的坐标位置

（4）棋子通过无线数据接口将棋子类型编码、棋子自身位置信息发送给棋盘控制器；

（5）棋盘控制器根据棋子位置信息、棋子类型信息等信息进行计算，判断棋子的落子位置是否正确。

2.基于棋盘表面图像的棋子定位识别方法，其特征在于：采用图像处理技术，基于棋子底部的棋盘表面图像，对棋盘上的棋子进行定位；所述方法包括如下步骤：

（1）棋子通过嵌入棋子中的图像传感器及镜头获取棋子底部棋盘图像；

（2）棋子通过无线数据接口将棋子类型编码、棋子自身状态、棋子底部棋盘表面图像等信息发送给棋盘控制器；

（3）棋盘控制器对图像进行处理变换，通过图像特征确定棋子在棋盘上的坐标位置

（4）棋盘控制器通过无线数据接口将位置信息发送给棋子；

（5）棋盘控制器进行对弈决策，并通过接口发送控制指令。

3.基于棋盘表面图像的棋子定位识别方法，其特征在于：采用图像处理技术，基于棋子底部的棋盘表面图像，对棋盘上的棋子进行定位；所述方法包括如下步骤：

（1）棋子通过嵌入其中的图像传感器及镜头获取棋子底部棋盘图像；

（2）棋子进行模式选择：

当选择内部模式时：

（3）棋子对图像进行处理变换；

（4）棋子通过图像特征确定自身在棋盘上的坐标位置

（5）棋子通过无线数据接口将棋子类型编码、棋子自身位置信息发送给棋盘控制器；

当选择外部模式时：

（3’）棋子通过无线数据接口将棋子类型编码、棋子自身状态、棋子底部棋盘表面图像等信息发送给棋盘控制器；

（4’）棋盘控制器对图像进行处理变换，通过图像特征确定棋子在棋盘上的坐标位置

（5’）棋盘控制器通过无线数据接口将位置信息发送给棋子；

（6）棋盘控制器进行对弈决策，并通过接口发送控制指令。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于棋盘表面图像的棋子定位识别方法，其特征在于：所述棋盘的表面，尤其是棋盘表面每个落子位置处具有可区分的图像特征，每个落子处，即棋盘的每个交叉点都具有固定位置坐标，通过图像变换、模式识别等图像处理技术可以区分出棋盘上的不同交叉点。

5.根据权利要求1、2或3所述的基于棋盘表面图像的棋子定位识别方法，其特征在于：每个棋子有一个唯一的ID号，以此区分不同棋子。

6.根据权利要求1、2或3所述的基于棋盘表面图像的棋子定位识别方法，其特征在于：通过图像处理技术分析、判断棋子是否处在交叉点附近允许范围内，当棋子位置偏离交叉点位置超过预设范围值时，棋子或棋盘控制器将发出信息提示，当棋子处在交叉点附近允许范围内时，棋子或棋盘控制器显示棋子的落子正常。

7.根据权利要求1、2或3所述的基于棋盘表面图像的棋子定位识别方法，其特征在于：当棋子偏离交叉点位置，且偏差在允许范围内时，通过图像处理技术计算出棋子偏离棋盘交叉点正中间位置的距离及方向，把棋盘上的交叉点位置坐标和棋子偏离该交叉点的方向距离结合在一起，计算出棋子的位置坐标。

8.根据权利要求1、2或3所述的基于棋盘表面图像的棋子定位识别方法，其特征在于：棋盘控制器通过无线数据接口获取全部棋子的状态信息，通过分析计算得到实时棋局，并在本地存储棋局，棋盘控制器也可以通过网络接口向网上服务器发送棋局，以及从网上服务器获取远端的对弈棋局信息。

9.根据权利要求1、2或3所述的基于棋盘表面图像的棋子定位识别方法，其特征在于：棋盘控制器根据远端或近端棋局信息，形成棋子在棋盘上的移动指令，当棋盘控制器外部跟对弈机器人相连接时，棋盘控制器把棋子移动指令转化为外部机器人动作指令，控制外部机器人抓取和摆放棋子。

10.基于棋盘表面图像的棋子定位识别系统，包括棋子和棋盘；其特征在于：采用图像处理技术，基于棋子底部的棋盘表面图像，对棋盘上的棋子进行定位；

所述棋子内嵌有智能系统，智能系统的图像传感器及镜头获取棋子底部棋盘图像，微处理器对图像进行处理变换，并通过图像特征确定自身在棋盘上的坐标位置，通过无线数据接口与棋盘控制器通信，将棋子类型编码、棋子自身状态、棋子底部棋盘表面图像等信息发送给棋盘控制器；

所述棋盘具有棋盘控制器，用于通过无线数据接口获取棋子类型编码、棋子自身状态、棋子底部棋盘表面图像等信息，对图像进行处理变换，通过图像特征确定棋子在棋盘上的坐标位置，通过无线数据接口将位置信息发送给棋子，进行对弈决策，并通过接口发送控制指令。