本發(fā)明涉及計算機圖像識別技術領域，特別涉及一種魔方還原的方法。

背景技術：

魔方是兒童非常喜歡的玩具,是一種手部極限運動。魔方形狀通常是正方體，由多個塊組成。玩法是將魔方打亂，然后在最短的時間內還原。

現(xiàn)有的魔方還原常實用如下兩種形式使使用者明白應如何還原:

一是魔方說明書:使用紙質版或電子版的圖解和文字，對魔方的還原方法進行描述。

二是視頻教程:對魔方的還原方法進行解說、操作，錄制其過程并制作為視頻資料。

這兩種方法都具有如下缺點：

1.通過從說明書或視頻中提取內容、理解內容并進行魔方還原的方法難度過大。

2.無法針對用戶當前的實體魔方的顏色及排列信息給出有針對性的、相應的還原方法。

也就是說，現(xiàn)有技術的魔方還原的引導都不是針對使用者當前的魔方狀態(tài)進行引導的，都需要使用者理解說明書或視頻，再根據(jù)魔方當前狀態(tài)自己思考找到還原方法。

因此，魔方玩具技術領域迫切需要一種可以根據(jù)使用者手中的魔方的具體狀況，逐步引導使用者完成魔方還原的方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提供了一種引導使用者還原魔方的方法，技術方案如下：

一種引導使用者還原魔方的方法，其特征在于，包含如下步驟：

步驟一：采集魔方色塊的排列信息；

步驟二：根據(jù)魔方色塊排列信息展示還原魔方的方法；

其中，該步驟一包含：

步驟11，在軟件界面中設置掃描的感興趣區(qū)域；

步驟12，獲取與調整魔方所在位置，使之正確；

步驟13，檢測魔方在圖像中的位置；

步驟14，魔方顏色提取。

如上所述的一種引導使用者還原魔方的方法，其特征在于，該步驟二包含如下步驟：

步驟21，獲得魔方還原解法；

步驟22，展示魔方的還原步驟。

如上所述的一種引導使用者還原魔方的方法，其特征在于，所述步驟13的具體步驟為：

步驟131，roi區(qū)域灰度化；

步驟132，使用邊緣檢測算法提取色塊輪廓；

步驟133，形狀匹配；

步驟134，圓心計數(shù)。

如上所述的一種引導使用者還原魔方的方法中，其特征在于，所述步驟14的具體步驟為：

步驟141，獲取采集裝置所采集的數(shù)據(jù)；

步驟142，提取魔方的顏色信息；

步驟143，按照某一個固定的順序進行六次識別；

步驟144，判斷是否共有54個色塊，是否每種顏色的色塊都有9個；

如否，執(zhí)行步驟145，提醒用戶在合適的光照條件下重新進行識別；

如是，執(zhí)行步驟146，獲得54個色塊的顏色排列信息。

如上所述的一種引導使用者還原魔方的方法中，其特征在于，所述步驟21的具體步驟為：

步驟211，將54個色塊的顏色排列信息輸入到twophase算法中；

步驟212，判斷twophase算法是否輸出了解，解的個數(shù)是否小于8種；

如否，步驟213，提示用戶將魔方打亂并重新識別；

如是，執(zhí)行步驟214，將每個還原好的虛擬魔方根據(jù)解法的逆向倒序進行操作，操作結果可能為用戶當前的魔方狀態(tài)或是包含了用戶當前魔方狀態(tài)的多個魔方狀態(tài)；

如操作結果是包含了用戶當前魔方狀態(tài)的多個魔方狀態(tài)，執(zhí)行步驟215，提醒用戶選擇與手中當前魔方狀態(tài)相同的虛擬魔方；

如操作結果為用戶當前的魔方狀態(tài)，執(zhí)行步驟216，選擇的虛擬魔方即為用戶手中的魔方狀態(tài)。

如上所述的一種引導使用者還原魔方的方法中，其特征在于，所述步驟131的具體步驟為：

首先，將采集裝置獲取的圖像定義為：用r、g、b表示當前坐標位置處的像素值；

然后，對彩色圖像做roi區(qū)域灰度化；該灰度化可應用如下公式之一轉換彩色圖像的roi區(qū)域轉為灰度圖像：

gray(x，y)＝0.2989×rxy+0.5870×gxy+0.1140×bxy；

其中，gray(x，y)表示灰度圖像。

如上所述的一種引導使用者還原魔方的方法中，其特征在于，所述步驟132的具體步驟為：

將灰度值的變化程度使用相鄰像素間的梯度變化來定量表示，梯度是一階二維導數(shù)的二維等效式，具體計算過程為：

首先，計算相鄰像素的差分，具體公式為：

gx＝f[i，j+1]-f[i，j]

gy＝f[i，j]-f[i+1，j]

其中，gx表示相鄰像素在x方向上的差分，gy表示相鄰像素在y方向上的差分，f[i，j+1]表示圖像在第i行j+1列的像素值，f[i，j]表示圖像在第i行第j列的像素值：f[i+1，j]表示圖像在第i+1行第j列的像素值，

進一步地，計算相鄰像素間的梯度，具體公式為：

其中，g(x，y)表示表示圖像的在(x，y)點上梯度值，表示像素值在x方向上求導，表示像素值在y方向上求導；

進一步地，計算邊緣點的梯度幅值，所有邊緣點的梯度幅值集合即為提取的邊緣輪廓；

對于待檢測的魔方目標，在轉換為灰度圖后，

紅、黃、藍、青、綠、紫六種顏色色塊和白色的魔方底色反差較大，將六種色塊的輪廓視為當前圖像的邊緣，用邊緣檢測的方法提取色塊輪廓；該邊緣檢測算法包括但不限于：sobel算子，roberts算子，prewitt算子，canny算子。

如上所述的一種引導使用者還原魔方的方法中，其特征在于，所述步驟133的具體步驟為：

對于該步驟132所得到的色塊邊緣輪廓，使用形狀上下文的形狀匹配的方法對于獲得的二值輪廓進行目標篩選，計算形狀輪廓與魔方色塊橢圓的形狀距離，距離值按照以下公式計算：

其中，gs表示標準橢圓形狀輪廓與魔方彩色色塊的形狀距離值，g(k)和h(k)分別代表標準橢圓和待測形狀的一組輪廓點集，m表示距離閾值，k表示輪廓點集內第k個元素點，k表示輪廓點集內含有的元素個數(shù)；當gs小于m時，則判定當前彩色色塊輪廓形狀為橢圓；當gs大于等于m時，判定當前是彩色色塊輪廓形狀不為橢圓。

如上所述的一種引導使用者還原魔方的方法中，其特征在于，所述步驟134圓心計數(shù)的具體方法是：通過計算橢圓輪廓數(shù)量判定魔方是否正確放置；在roi區(qū)域內，如果檢測到的橢圓達到18個，就認為魔方正確的放置在游戲掃描區(qū)域內，否則提醒調整模仿位置重新檢測。

如上所述的一種引導使用者還原魔方的方法中，其特征在于，所述步驟141為如下幾種之一：

利用攝像頭等采集裝置對準魔方的六個面依次掃描或拍攝從而獲取魔方各面的圖像信息；

同時掃描或拍攝魔方的兩個面；

同時掃描或拍攝魔方的三個面；

得到魔方所有面的圖像信息的方法為如下之一：

旋轉魔方獲取剩余面的圖像信息，從而得到魔方六個面的色塊排列信息；

通過掃描五個的圖像信息推算出余下各面的圖形信息；

通過掃描四個的圖像信息推算出余下各面的圖形信息。

本發(fā)明的有益效果：

1、使用掃描魔方的形式向應用程序中輸入魔方的顏色及排列信息快速便捷。

2、輸出魔方的還原方法簡單易用，還原方法就是用戶手中魔方當前狀態(tài)的還原方法，針對性強，還原快，便于游戲。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式來詳細說明本發(fā)明：

圖1是本發(fā)明宮格的示意圖。

圖2是魔方水平放置在感興趣區(qū)域內的示意圖。

圖3是本發(fā)明檢測魔方位置的流程圖。

圖4是本發(fā)明色塊邊緣的二值輪廓示意圖。

圖5是魔方顏色提取方法的一較佳實施例的流程圖。

圖6是根據(jù)魔方色塊排列信息展示還原魔方的方法流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明技術實現(xiàn)的措施、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明的一種引導使用者還原魔方的方法包含如下步驟：

步驟一：采集魔方色塊的排列信息；

步驟二：根據(jù)魔方色塊排列信息展示還原魔方的方法。

下面詳細描述步驟一：采集魔方色塊的排列信息。

步驟11，在軟件界面中設置掃描的roi(regionofinterest，感興趣區(qū)域)。如圖1所示，軟件界面中宮格方框所包含的區(qū)域就是roi(感興趣區(qū)域)，為只對該區(qū)域進行掃描，區(qū)域外的內容忽略。圖中所示為十八宮格，可以一次掃描魔方的2個面。一次掃描一個面或者多個面也可以，只是掃描方式的區(qū)別，識別技術上沒有本質區(qū)別。

步驟12，獲取與調整魔方所在位置，使之正確。

如圖2所示，采集裝置所獲得圖像中，魔方應該水平放置在感興趣區(qū)域內，其頂面和前面中的共計18個橢圓色塊應當與十八宮格的各個宮格基本重合，則認定其擺放正確；如果十八宮格中檢測到的橢圓數(shù)不夠，或者存在橢圓位置離標準宮格的區(qū)域過遠，則認為魔方并沒有正確放置。使用者需調整魔方的位置直到符合上述條件。

步驟13，檢測魔方在圖像中的位置。

檢測魔方位置的流程圖如圖3所示，包括四個步驟：

步驟131，roi區(qū)域灰度化；

步驟132，使用邊緣檢測算法提取色塊輪廓；

步驟133，形狀匹配；

步驟134，圓心計數(shù)。

詳述步驟131如下：

首先，將采集裝置獲取的圖像定義為：用r、g、b表示當前坐標位置處的像素值。因為采集的魔方圖像是彩色圖片，以紅綠藍三原色來表示圖像像素點的色彩值，即，在此r、g、b表示某個坐標位置的紅綠藍色彩通道數(shù)值。

然后，對彩色圖像做roi區(qū)域灰度化?？梢詰孟旅娴墓睫D換彩色圖像的roi區(qū)域轉為灰度圖像：

gray(x，y)＝0.2989×rxy+0.5870×gxy+0.1140×bxy；

其中，gray(x，y)表示灰度圖像；

詳述步驟132如下：

圖像的邊緣是圖像灰度值變化比較劇烈的部分，灰度值的變化程度通常使用相鄰像素間的梯度變化來定量表示，梯度是一階二維導數(shù)的二維等效式，具體計算過程為：

首先，計算相鄰像素的差分，具體公式為：

gx＝f[i，j+1]-f[i，j]

gy＝f[i，j]-f[i+1，j]

其中，gx表示相鄰像素在x方向上的差分，gy表示相鄰像素在y方向上的差分，f[i，j+1]表示圖像在第i行j+1列的像素值，f[i，j]表示圖像在第i行第j列的像素值：f[i+1，j]表示圖像在第i+1行第j列的像素值，

進一步地，計算相鄰像素間的梯度，具體公式為：

其中，g(x，y)表示表示圖像的在(x，y)點上梯度值，表示像素值在x方向上求導，表示像素值在y方向上求導；

進一步地，計算邊緣點的梯度幅值，所有邊緣點的梯度幅值集合即為提取的邊緣輪廓；

對于待檢測的魔方目標，在轉換為灰度圖后，六種顏色(紅、黃、藍、青、綠、紫)色塊和白色的魔方底色反差較大，因此將六種色塊的輪廓視為當前圖像的邊緣，用邊緣檢測的方法提取色塊輪廓。邊緣檢測算法，包括但不限于：sobel算子，roberts算子，prewitt算子，canny算子；得到色塊邊緣的二值輪廓，如圖4所示。

詳述步驟133，形狀匹配如下：

對于步驟132所得到的色塊邊緣輪廓，使用形狀上下文的形狀匹配的方法對于獲得的二值輪廓進行目標篩選，計算形狀輪廓與橢圓(魔方色塊為橢圓)的形狀距離。距離值按照以下公式計算：

其中，gs表示標準橢圓形狀輪廓與魔方彩色色塊的形狀距離值，g(k)和h(k)分別代表標準橢圓和待測形狀的一組輪廓點集，m表示距離閾值，k表示輪廓點集內第k個元素點，k表示輪廓點集內含有的元素個數(shù)；當gs小于m時，則判定當前彩色色塊輪廓形狀為橢圓；當gs大于等于m時，判定當前是彩色色塊輪廓形狀不為橢圓。

如下詳述步驟134，圓心計數(shù)：通過計算橢圓輪廓數(shù)量判定魔方是否正確放置。

在roi區(qū)域內，如果檢測到的橢圓達到18個，就認為魔方正確的放置在游戲掃描區(qū)域內。否則提醒調整模仿位置重新檢測。

如上舉例說明了用同時掃描兩個面的方式采集魔方色塊的排列信息；本領域技術人員應該可以理解，可以利用攝像頭等采集裝置對準魔方的六個面依次掃描或拍攝從而獲取魔方各面的圖像信息；也可同時掃描或拍攝魔方的三個面。

旋轉魔方獲取剩余面的圖像信息，從而得到魔方六個面的色塊排列信息。

本發(fā)明也可以通過掃描五個的圖像信息推算出余下各面的圖形信息。

本發(fā)明也可以通過掃描四個的圖像信息推算出余下各面的圖形信息。

本發(fā)明對此并不做具體限定，凡利用本發(fā)明的方法或類似方法均落入本發(fā)明的保護范圍。

步驟14，魔方顏色提取。

本發(fā)明的顏色識別可以采用hsv技術，將攝像頭獲取的圖像定義為ixy，ixy＝f(x，y)；其中，(x，y)表示圖像像素點的位置坐標，f(x，y)表示圖像在(x，y)點上的像素值；將原始圖像轉化為hsv顏色圖像，由于各顏色在hsv顏色空間的h色調通道數(shù)值較為穩(wěn)定，不用種類間的數(shù)值間隔大，將像素平均值集合與六種顏色在h通道上的閾值區(qū)間相比較，判斷出掃描區(qū)域內每個色塊的顏色。

圖5顯示了魔方顏色提取方法的一較佳實施例的流程圖，魔方顏色提取方法包含：

步驟141，獲取采集裝置所采集的數(shù)據(jù)；

步驟142，提取魔方的顏色信息；

步驟143，按照某一個固定的順序(如r\f\d\l\b\u的順序)進行六次識別；r(right)、l(left)、b(backward)、f(forward)、d(down)、u(up)，對應的魔方面為右、左、后、前、下、上共6個面；

步驟144，判斷是否共有54個色塊，是否每種顏色的色塊都有9個；

如否，執(zhí)行步驟145，提醒用戶在合適的光照條件下重新進行識別；

如是，執(zhí)行步驟146，獲得54個色塊的顏色排列信息。

下面詳細描述步驟二，根據(jù)魔方色塊排列信息展示還原魔方的方法，包含：

步驟21，獲得魔方還原解法；如圖6所示，包含：

步驟211，將54個色塊的顏色排列信息輸入到twophase算法中，twophase可能會返回上萬種解，用戶去找這上萬種解中的一種可能很費勁，所以本發(fā)明選擇小于八種解作為標準。

步驟212，判斷twophase算法是否輸出了解，解的個數(shù)是否小于8種；

如否，步驟213，提示用戶將魔方打亂并重新識別；

如是，執(zhí)行步驟214，將每個還原好的虛擬魔方根據(jù)解法的逆向倒序進行操作，操作結果可能為用戶當前的魔方狀態(tài)或是包含了用戶當前魔方狀態(tài)的多個魔方狀態(tài)；

如操作結果是包含了用戶當前魔方狀態(tài)的多個魔方狀態(tài)，執(zhí)行步驟215，提醒用戶選擇與手中當前魔方狀態(tài)相同的虛擬魔方；

如操作結果為用戶當前的魔方狀態(tài)，執(zhí)行步驟216，選擇的虛擬魔方即為用戶手中的魔方狀態(tài)。

步驟22，展示魔方的還原步驟。

將選擇的虛擬魔方進行正序還原，向用戶展示還原過程，用戶根據(jù)還原過程操作手中魔方，最終魔方還原完成。

由上述詳細說明可見，本發(fā)明通過掃描識別實體魔方，展示與其當前排列、顏色信息完全對應的虛擬魔方，并輸出魔方還原方法。使用掃描魔方的形式向應用程序中輸入魔方的顏色及排列信息快速便捷。輸出魔方的還原方法簡單易用，還原方法就是用戶手中魔方當前狀態(tài)的還原方法，針對性強，還原快，便于游戲。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。