本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種教育玩具套件及其電路元件和電線的識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)在平板電腦上有許多有趣的幼教游戲應(yīng)用程序或者兒童游戲，但往往只是讓小朋友在屏幕上指指畫畫，互動(dòng)性欠缺，長(zhǎng)時(shí)間看著屏幕容易對(duì)眼睛造成傷害，并且缺乏物理知識(shí)的教育，邏輯思維培養(yǎng)欠缺；并且當(dāng)下一些互動(dòng)性強(qiáng)的傳統(tǒng)性游戲玩具已經(jīng)脫離了時(shí)代的發(fā)展，形式上無法滿足孩子學(xué)習(xí)、玩耍的需求，也不便于孩子和家長(zhǎng)的互動(dòng)溝通。

為了解決上述問題，計(jì)算機(jī)視覺與圖像處理技術(shù)領(lǐng)域成功地開發(fā)了一種教育玩具套件，包括：支架、頭盔探測(cè)器和底板，在平板電腦內(nèi)安裝游戲程序，通過平板電腦的攝像頭采集放置于平面上的底板的圖像。上述的教育玩具套件雖然解決了平板電腦中游戲的互動(dòng)性欠缺的問題，但是形式仍然單一，只是單純的互動(dòng)，并沒有物理知識(shí)的嵌入，無法對(duì)孩子從小培養(yǎng)電學(xué)知識(shí)，亦無法做到從小培養(yǎng)小朋友對(duì)電學(xué)的認(rèn)識(shí)和興趣。

因此，計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)處理技術(shù)領(lǐng)域急需一種教育玩具套件及其電路元件和電線的識(shí)別方法，是將電路元器件和電線放置于游戲底板上，在平板電腦內(nèi)安裝游戲程序，通過平板電腦的攝像頭采集放置于底板上的電路元器件與電線圖像，再基于預(yù)定義的顏色、輪廓信息、顏色編碼信息，識(shí)別電路元件與電線，孩子將電路元器件與電線相連，判斷出連接好的電路是否正確，增強(qiáng)孩子的想象力，增加游戲趣味性，使孩子可以學(xué)習(xí)到基礎(chǔ)電路知識(shí)，培養(yǎng)孩子的興趣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提供了一種教育玩具套件及其電路元件和電線的識(shí)別方法，技術(shù)方案如下：

一種教育玩具套件，包括：底板、電路元器件和電線底板放置于平面上，電路元器件和電線放置于底板上。

優(yōu)選的，在上述的一種教育玩具套件中，底板為具有圓角的矩形，在矩形的4個(gè)角上設(shè)置有校準(zhǔn)角。

優(yōu)選的，在上述的一種教育玩具套件中，校準(zhǔn)角為紅色圓弧線。

一種教育玩具套件中電路元件和電線的識(shí)別方法，包括如下步驟：

步驟一，在平板電腦中安裝游戲程序，再將底板放置于平面上，保證校準(zhǔn)角的一面朝上

步驟二，在底板上完成電路元器件與電線的連接，通過平板電腦的后置攝像頭實(shí)時(shí)采集彩色圖像，移動(dòng)平板電腦，保證后置攝像頭采集的彩色圖像中至少含有3個(gè)校準(zhǔn)角；

步驟三，從步驟二的彩色圖像中提取出有效識(shí)別區(qū)域；

步驟四，檢測(cè)位于彩色圖像有效識(shí)別區(qū)域內(nèi)的電路元器件；

步驟五，檢測(cè)位于彩色圖像有效識(shí)別區(qū)域內(nèi)的電線；

步驟六，判斷出電路元器件與電線的連接是否準(zhǔn)確。

優(yōu)選的，在上述的一種教育玩具套件中電路元件和電線的識(shí)別方法中，步驟二中后置攝像頭采集的彩色圖像為I_xy，I_xy＝f(x，y)＝(R_xy，G_xy，B_xy)，其中，(x，y)表示彩色圖像像素點(diǎn)的位置坐標(biāo)，f(x，y)表示圖像在像素點(diǎn)坐標(biāo)位置處的像素值，R_xy表示圖像像素點(diǎn)在紅色通道的色彩值，G_xy表示圖像像素點(diǎn)在綠色通道的色彩值，B_xy表示圖像像素點(diǎn)在藍(lán)色通道的色彩值。

優(yōu)選的，在上述的一種教育玩具套件中電路元件和電線的識(shí)別方法中，步驟三中從彩色圖像中提取出有效識(shí)別區(qū)域的具體步驟為：

A)根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)，在步驟二的彩色圖像中分割出4塊校準(zhǔn)角區(qū)域，根據(jù)HSV空間內(nèi)的先驗(yàn)閾值，將4塊校準(zhǔn)角區(qū)域圖像進(jìn)行二值化處理，得到4塊校準(zhǔn)角二值圖；

B)掃描步驟A)中得到的4塊校準(zhǔn)角二值圖，得到相應(yīng)的邊緣輪廓圖，再根據(jù)邊緣輪廓的離心率和大小的先驗(yàn)知識(shí)，過濾掉不合理的輪廓；

C)根據(jù)步驟B)得到的剩余邊緣輪廓，計(jì)算出4個(gè)校準(zhǔn)角的外接矩形，在識(shí)別過程中，當(dāng)至少有三個(gè)角標(biāo)內(nèi)都有符合條件的校準(zhǔn)角時(shí)，其外接矩形即為計(jì)算出的有效識(shí)別區(qū)域。

優(yōu)選的，在上述的一種教育玩具套件中電路元件和電線的識(shí)別方法中，步驟四中檢測(cè)位于彩色圖像識(shí)別區(qū)域內(nèi)的電路元器件的具步驟為：

1，由于每個(gè)電路元器件外殼的顏色不同，因此通過顏色差異，分割出各個(gè)電路元器件，并提取每個(gè)電路元器件外殼的內(nèi)輪廓；

2，根據(jù)步驟1中提取出的電路元器件外殼的內(nèi)輪廓，計(jì)算出每個(gè)電路元器件的位置和偏轉(zhuǎn)角度；

3，依據(jù)步驟2計(jì)算出的偏轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)電路元器件，再分割電路元器件，通過顏色編碼識(shí)別出電路元器件的類別。

優(yōu)選的，在上述的一種教育玩具套件中電路元件和電線的識(shí)別方法中，步驟1中提取每個(gè)電路元器件外殼的內(nèi)輪廓的具體步驟為：

a)因?yàn)殡娐吩骷念伾赗GB顏色空間內(nèi)不利于分割開來，對(duì)光照變化也比較敏感，所以，將提取出來的感興趣區(qū)域圖像由RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到側(cè)重于色彩表示的HSV顏色空間，具體轉(zhuǎn)換公式為：

V＝max{C(R′)、C(G′)、C(B′)}；

其中，H表示色調(diào)值，S表示飽和度值，V表示亮度值，max{C(R′)、C(G′)、C(B′)}表示在原始圖像中一個(gè)像素點(diǎn)在紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道的像素最大值，min{C(R′)、C(G′)、C(B′)}表示在原始圖像中一個(gè)像素點(diǎn)在紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道的像素最小值，并且H的取值范圍位于0-360之間；

b)在HSV顏色空間內(nèi)，根據(jù)電路元器件所涉及到的顏色在HSV空間內(nèi)的先驗(yàn)閾值，將彩色圖像進(jìn)行二值化處理，具體公式如下：

在二進(jìn)制圖像中B(x，y)＝B_H(x，y)&B_S(x，y)&B_V(x，y)時(shí)，即為生成二進(jìn)制圖像；

其中，B(x，y)表示圖像像素點(diǎn)(x，y)的二進(jìn)制像素值，H(x，y)、S(x，y)、V(x，y)分別表示圖像像素點(diǎn)(x，y)在HSV顏色空間內(nèi)的色調(diào)值、飽和度值、亮度值；B_H(x，y)、B_S(x，y)、B_V(x，y)分別表示圖像像素點(diǎn)(x，y)是否分別在指定的H、S、V區(qū)域內(nèi)，如果是，則取值為1，否則，取值為0；H_min、H_max分別表示某個(gè)元器件外殼的顏色在HSV顏色空間內(nèi)色調(diào)的先驗(yàn)最小和最大值；S_min、S_max分別表示某個(gè)元器件外殼的顏色在HSV顏色空間內(nèi)飽和度的先驗(yàn)最小和最大值；V_min、V_max分別表示某個(gè)元器件外殼的顏色在HSV顏色空間內(nèi)亮度的先驗(yàn)最小和最大值。

c)掃描二值化圖像，找出所有邊緣輪廓；

二值化圖像可以看作是只有兩個(gè)值的灰度圖像，圖像的邊緣是指灰度圖像中灰度變化比較劇烈的部分，灰度值的變化程度采用相鄰像素間的梯度變化來定量表示，梯度是一階二維導(dǎo)數(shù)的二維等效式，具體計(jì)算過程為：

首先，計(jì)算相鄰像素的差分，具體公式為：

G_x＝f[i，j+1]-f[i，j]

G_y＝f[i，j]-f[i+1，j]

其中，G_x表示相鄰像素在x方向上的差分，G_y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行第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(jìn)一步地，計(jì)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(diǎn)上梯度值，表示像素值在x方向上求導(dǎo)，表示像素值在y方向上求導(dǎo)；

進(jìn)一步地，計(jì)算邊緣點(diǎn)的梯度幅值，所有邊緣點(diǎn)的梯度幅值集合即為提取的邊緣輪廓；

進(jìn)一步地，計(jì)算非靜止電風(fēng)扇和其余電路元器件耳朵的方法是根據(jù)電路元器件耳朵輪廓形狀、大小和離心率的先驗(yàn)知識(shí)，濾掉不合理的輪廓，從而獲得電路元器件的2個(gè)耳朵的位置；

由于靜止電扇的耳朵有可能被扇葉遮住部分或者全部，因此需要對(duì)步驟b)進(jìn)行顏色分割，分割出藍(lán)色二值圖和綠色二值圖；

進(jìn)一步地，對(duì)藍(lán)色二值圖進(jìn)行掃描，通過扇葉的輪廓形狀、離心率、大小的先驗(yàn)知識(shí)，判定是否有扇葉的存在，如果有，則判定該電路元器件為風(fēng)扇；否則，直接跳到步驟2；

進(jìn)一步地，判定該電路元器件為風(fēng)扇后，對(duì)于靜止風(fēng)扇的耳朵的計(jì)算方法如下：對(duì)步驟1中綠色二值圖進(jìn)行聚類處理，將距離較近的綠色點(diǎn)聚成一類，通過同一類的點(diǎn)集數(shù)量、點(diǎn)集最小外包矩形的大小、離心率、點(diǎn)集位置的先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)聚成一類的點(diǎn)集進(jìn)行過濾，如果過濾后只剩下兩類點(diǎn)集，則認(rèn)為當(dāng)前扇葉的位置有較大概率地遮住了電氣元器件的耳朵，則通過兩類點(diǎn)集的中心點(diǎn)位置和元器件的輪廓信息計(jì)算出電路元器件耳朵的中心點(diǎn)位置。

優(yōu)選的，在上述的一種教育玩具套件中電路元件和電線的識(shí)別方法中，步驟2計(jì)算每個(gè)電路元器件的位置和偏轉(zhuǎn)角度的具體步驟為：

根據(jù)計(jì)算出的電路元器件的耳朵位置、中心點(diǎn)位置，以保證電路元器件的耳朵在水平方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得出電路元器件的旋轉(zhuǎn)角度。

優(yōu)選的，在上述的一種教育玩具套件中電路元件和電線的識(shí)別方法中，步驟3中識(shí)別出電路元器件類別的具體步驟為：

首先，需要預(yù)先為所有電路元器件設(shè)置一種編碼規(guī)則，使每個(gè)電路元器件都有唯一的編碼；因?yàn)榇R(shí)別電路元器件數(shù)量是有限的，故選取紅、黃、藍(lán)、綠四種易區(qū)分的顏色作為編碼特征色；電路元器件的私印主要集中在上中，中中，下中三個(gè)地方，當(dāng)這三個(gè)地方的某一顏色像素超過顏色像素閾值，則認(rèn)為此顏色是該區(qū)域的顏色；

根據(jù)電路元器件外殼顏色，上中、中中和下中的私印顏色，紅記為1，黃記為2，藍(lán)記為3，綠記為4，無記為0，忽略當(dāng)前顏色也記為0，可以將11個(gè)電路元器件進(jìn)行編碼，根據(jù)電路元器件編碼，即可唯一確定當(dāng)前檢測(cè)電路元器件的類型；

過濾掉不符合編碼的電路元器件，將剩余的電路元器件類型、電路元器件中心點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)角度一起傳遞給上層軟件；

優(yōu)選的，在上述的一種教育玩具套件中電路元件和電線的識(shí)別方法中，顏色像素閾值為九宮格中每個(gè)宮格面積的30％。

優(yōu)選的，在上述的一種教育玩具套件中電路元件和電線的識(shí)別方法中，步驟五中檢測(cè)位于彩色圖像有效識(shí)別區(qū)域內(nèi)電線的具體步驟為：

步驟1)，通過顏色差異分割出電線、提取骨骼；

步驟2)，通過提取到的骨骼，計(jì)算電線的端點(diǎn)和分岔點(diǎn)。

優(yōu)選的，在上述的一種教育玩具套件中電路元件和電線的識(shí)別方法中，步驟1)中通過顏色差異分割出電線、提取骨骼的具體步驟為：

首先，在步驟三的有效識(shí)別區(qū)域HSV空間內(nèi)，根據(jù)電線的顏色在HSV空間內(nèi)的先驗(yàn)閾值，將圖像二值化處理，得到電線二值化圖像；

進(jìn)一步地，對(duì)電線二值化圖像進(jìn)行掃描，通過電線輪廓的形狀、大小的先驗(yàn)知識(shí)濾除不符合電線特征的輪廓，對(duì)剩下的輪廓進(jìn)行填充，得到新的只有電線的二值化圖；

進(jìn)一步地，對(duì)上述只有電線的二值化圖進(jìn)行骨骼細(xì)化，得到電線的骨骼。

優(yōu)選的，在上述的一種教育玩具套件中電路元件和電線的識(shí)別方法中，步驟2)中通過提取到的骨骼，計(jì)算電線的端點(diǎn)和分岔點(diǎn)的具體步驟為：通過步驟1)中得到的電線骨骼，以及電線的端點(diǎn)、分岔點(diǎn)特征的先驗(yàn)知識(shí)，找到電線骨骼中的端點(diǎn)和分岔點(diǎn)，如果有分岔點(diǎn)，將電線骨骼從分岔點(diǎn)分開，分成多個(gè)線段，如果沒有分岔點(diǎn)，原電線骨骼就是一個(gè)線段，將所有的線段以及線段端點(diǎn)在骨骼中的類型提供給上層軟件。

優(yōu)選的，在上述的一種教育玩具套件中電路元件和電線的識(shí)別方法中，步驟六中判斷出電路元器件與電線的連接是否準(zhǔn)確的具體步驟為：上層軟件將步驟四識(shí)別出的電路元器件與步驟五識(shí)別出的電線連接在一起，然后與上層軟件實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的電路圖進(jìn)行比較，如果與電路圖一致，則認(rèn)為電路連接準(zhǔn)確。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明巧妙的將應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺圖形識(shí)別技術(shù)與HSV顏色空間、二值化處理、圖像切割技術(shù)相結(jié)合使用，能夠判斷出電路元器件的類型以及電線，并且能夠判斷出電路連接是否準(zhǔn)確，具有運(yùn)算速度快，定位準(zhǔn)確，將硬件與軟件技術(shù)很好地統(tǒng)一起來，游戲交互設(shè)計(jì)巧妙；美觀簡(jiǎn)單，判斷更加快速，增強(qiáng)孩子的想象力，增加游戲趣味性，使孩子可以學(xué)習(xí)到基礎(chǔ)電路知識(shí)，培養(yǎng)孩子的興趣。

2、本發(fā)明檢測(cè)算法更加科學(xué)、成熟，將圖像的色彩轉(zhuǎn)換、圖像卷積、圖像切割、骨骼細(xì)化等算法相結(jié)合使用，能夠快速的判斷出電路元器件的類型以及電線。

3、本發(fā)明計(jì)算速度快；每次定位檢測(cè)耗時(shí)在200ms左右，為玩家提供流暢的使用體驗(yàn)。

4、本發(fā)明性能穩(wěn)定，在不同光照、對(duì)不同平板電腦安裝于教育玩具套件內(nèi)的情況下，針對(duì)3千幅圖片進(jìn)行了采集測(cè)試，誤識(shí)別率和漏檢率在0.2％以下。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式來詳細(xì)說明本發(fā)明：

圖1是本發(fā)明一種教育玩具套件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明一種教育玩具套件中電路元件和電線的識(shí)別方法的流程圖。

圖3是本發(fā)明一種教育玩具套件中步驟四中步驟3的具體電路元器件編碼的表格圖。

其中，圖1-3中的附圖標(biāo)記與部件名稱之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

底板1，電路元器件2，電線3。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明技術(shù)實(shí)現(xiàn)的措施、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1是本發(fā)明一種教育玩具套件的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，一種玩具套件及其電路元件和電線的識(shí)別方法，底板1、電路元器件2和電線3，底板1放置于平面上，電路元器件2和電線3放置于底板3上。

本實(shí)施例中，底板為具有圓角的矩形，在矩形的4個(gè)角上設(shè)置有校準(zhǔn)角；優(yōu)選的，校準(zhǔn)角為紅色圓弧線。

圖2是本發(fā)明一種教育玩具套件中電路元件和電線的識(shí)別方法的流程圖。

如圖2所示，一種教育玩具套件中電路元件和電線的識(shí)別方法，包括如下步驟：

步驟一，在平板電腦中安裝游戲程序，再將底板放置于平面上，保證校準(zhǔn)角的一面朝上；

步驟二，在底板上完成電路元器件與電線的連接，通過平板電腦的后置攝像頭實(shí)時(shí)采集彩色圖像，移動(dòng)平板電腦，保證后置攝像頭采集的彩色圖像中至少含有3個(gè)校準(zhǔn)角，具體步驟為：

后置攝像頭采集的彩色圖像為I_xy，I_xy＝f(x,y)＝(R_xy,G_xy,B_xy)，其中，(x,y)表示彩色圖像像素點(diǎn)的位置坐標(biāo)，f(x,y)表示圖像在像素點(diǎn)坐標(biāo)位置處的像素值，R_xy表示圖像像素點(diǎn)在紅色通道的色彩值，G_xy表示圖像像素點(diǎn)在綠色通道的色彩值，B_xy表示圖像像素點(diǎn)在藍(lán)色通道的色彩值；

步驟三，從步驟二的彩色圖像中提取出有效識(shí)別區(qū)域，具體步驟為：

A)根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)，在步驟二的彩色圖像中分割出4塊校準(zhǔn)角區(qū)域，根據(jù)HSV空間內(nèi)的先驗(yàn)閾值，將4塊校準(zhǔn)角區(qū)域圖像進(jìn)行二值化處理，得到4塊校準(zhǔn)角二值圖；

B)掃描步驟A)中得到的4塊校準(zhǔn)角二值圖，得到相應(yīng)的邊緣輪廓圖，再根據(jù)邊緣輪廓的離心率和大小的先驗(yàn)知識(shí)，過濾掉不合理的輪廓；

C)根據(jù)步驟B)得到的剩余邊緣輪廓，計(jì)算出4個(gè)校準(zhǔn)角的外接矩形，在識(shí)別過程中，當(dāng)至少有三個(gè)角標(biāo)內(nèi)都有符合條件的校準(zhǔn)角時(shí)，其外接矩形即為計(jì)算出的有效識(shí)別區(qū)域；

步驟四，檢測(cè)位于彩色圖像有效識(shí)別區(qū)域內(nèi)的電路元器件，具體步驟為：

1，由于每個(gè)電路元器件外殼的顏色不同，因此通過顏色差異，分割出各個(gè)電路元器件，并提取每個(gè)電路元器件外殼的內(nèi)輪廓，具體步驟為：

a)因?yàn)殡娐吩骷念伾赗GB顏色空間內(nèi)不利于分割開來，對(duì)光照變化也比較敏感，所以，將提取出來的感興趣區(qū)域圖像由RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到側(cè)重于色彩表示的HSV顏色空間，具體轉(zhuǎn)換公式為：

V＝max{C(R′)、C(G′)、C(B′)}；

其中，H表示色調(diào)值，S表示飽和度值，V表示亮度值，max{C(R′)、C(G′)、C(B′)}表示在原始圖像中一個(gè)像素點(diǎn)在紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道的像素最大值，min{C(R′)、C(G′)、C(B′)}表示在原始圖像中一個(gè)像素點(diǎn)在紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道的像素最小值，并且H的取值范圍位于0-360之間；

b)在HSV顏色空間內(nèi)，根據(jù)電路元器件的外殼所涉及到的顏色在HSV空間內(nèi)的先驗(yàn)閾值，將彩色圖像進(jìn)行二值化處理，具體公式如下：

在二進(jìn)制圖像中B(x，y)＝B_H(x，y)&B_S(x，y)&B_V(x，y)時(shí)，即為生成二進(jìn)制圖像；

其中，B(x，y)表示圖像像素點(diǎn)(x，y)的二進(jìn)制像素值，H(x，y)、S(x，y)、V(x，y)分別表示圖像像素點(diǎn)(x，y)在HSV顏色空間內(nèi)的色調(diào)值、飽和度值、亮度值；B_H(x，y)、B_S(x，y)、B_V(x，y)分別表示圖像像素點(diǎn)(x，y)是否分別在指定的H、S、V區(qū)域內(nèi)，如果是，則取值為1，否則，取值為0；H_min、H_max分別表示某個(gè)元器件外殼的顏色在HSV顏色空間內(nèi)色調(diào)的先驗(yàn)最小和最大值；S_min、S_max分別表示某個(gè)元器件外殼的顏色在HSV顏色空間內(nèi)飽和度的先驗(yàn)最小和最大值；V_min、V_max分別表示某個(gè)元器件外殼的顏色在HSV顏色空間內(nèi)亮度的先驗(yàn)最小和最大值；

c)掃描二值化圖像，找出所有邊緣輪廓；

二值化圖像可以看作是只有兩個(gè)值得灰度圖像，圖像的邊緣是指灰度圖像中灰度變化比較劇烈的部分，灰度值的變化程度采用相鄰像素間的梯度變化來定量表示，梯度是一階二維導(dǎo)數(shù)的二維等效式，具體計(jì)算過程為：

首先，計(jì)算相鄰像素的差分，具體公式為：

G_x＝f[i，j+1]-f[i，j]

G_y＝f[i，j]-f[i+1，j]

其中，G_x表示相鄰像素在x方向上的差分，G_y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行第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(jìn)一步地，計(jì)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(diǎn)上梯度值，表示像素值在x方向上求導(dǎo)，表示像素值在y方向上求導(dǎo)；

進(jìn)一步地，計(jì)算邊緣點(diǎn)的梯度幅值，所有邊緣點(diǎn)的梯度幅值集合即為提取的邊緣輪廓；

進(jìn)一步地，計(jì)算非靜止電風(fēng)扇和其余電路元器件耳朵的方法是根據(jù)電路元器件耳朵輪廓形狀、大小和離心率的先驗(yàn)知識(shí)，濾掉不合理的輪廓，從而獲得電路元器件的2個(gè)耳朵的位置；

由于靜止電扇的耳朵有可能被扇葉遮住部分或者全部，因此需要對(duì)步驟b)進(jìn)行顏色分割，分割出藍(lán)色二值圖和綠色二值圖；

進(jìn)一步地，對(duì)藍(lán)色二值圖進(jìn)行掃描，通過扇葉的輪廓形狀、離心率、大小的先驗(yàn)知識(shí)，判定是否有扇葉的存在，如果有，則判定該電路元器件為風(fēng)扇；否則，直接跳到步驟2；

進(jìn)一步地，判定該電路元器件為風(fēng)扇后，對(duì)于靜止風(fēng)扇的耳朵的計(jì)算方法如下：對(duì)步驟1中綠色二值圖進(jìn)行聚類處理，將距離較近的綠色點(diǎn)聚成一類，通過同一類的點(diǎn)集數(shù)量、點(diǎn)集最小外包矩形的大小、離心率、點(diǎn)集位置的先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)聚成一類的點(diǎn)集進(jìn)行過濾，如果過濾后只剩下兩類點(diǎn)集，則認(rèn)為當(dāng)前扇葉的位置有較大概率地遮住了電氣元器件的耳朵，則通過兩類點(diǎn)集的中心點(diǎn)位置和元器件的輪廓信息計(jì)算出電路元器件耳朵的中心點(diǎn)位置；

2，根據(jù)步驟1中提取出的電路元器件的輪廓，計(jì)算出每個(gè)電路元器件的位置和偏轉(zhuǎn)角度，具體步驟為：

根據(jù)計(jì)算出的電路元器件的耳朵位置、中心點(diǎn)位置，以保證電路元器件的耳朵在水平方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得出電路元器件的旋轉(zhuǎn)角度。根據(jù)計(jì)算出的電路元器件的耳朵位置、中心點(diǎn)位置，以保證電路元器件的耳朵在水平方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得出電路元器件的旋轉(zhuǎn)角度；

3，依據(jù)步驟2計(jì)算出的偏轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)電路元器件，再分割電路元器件，通過顏色編碼識(shí)別出電路元器件的類別，具體步驟為：

首先，需要預(yù)先為所有電路元器件設(shè)置一種編碼規(guī)則，使每個(gè)電路元器件都有唯一的編碼；因?yàn)榇R(shí)別電路元器件數(shù)量是有限的，故選取紅、黃、藍(lán)、綠四種易區(qū)分的顏色作為編碼特征色；電路元器件的私印主要集中在上中，中中，下中三個(gè)地方，當(dāng)這三個(gè)地方的某一顏色像素值超過先驗(yàn)閾值，則認(rèn)為此顏色是該區(qū)域的顏色；

根據(jù)電路元器件外殼顏色，上中、中中和下中的私印顏色，紅記為1，黃記為2，藍(lán)記為3，綠記為4，無記為0，忽略當(dāng)前顏色也記為0，可以將11個(gè)電路元器件進(jìn)行編碼，根據(jù)電路元器件編碼，即可唯一確定當(dāng)前檢測(cè)電路元器件的類型；

過濾掉不符合編碼的電路元器件，將剩余的電路元器件類型、電路元器件中心點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)角度一起傳遞給上層軟件，具體電路元器件編碼如圖3所示；

步驟五，檢測(cè)位于彩色圖像有效識(shí)別區(qū)域內(nèi)的電線，具體步驟為：

步驟1)，通過顏色差異分割出電線、提取骨骼，具體步驟為：

首先，在步驟三的有效識(shí)別區(qū)域HSV空間內(nèi)，根據(jù)電線的顏色在HSV空間內(nèi)的先驗(yàn)閾值，將圖像二值化處理，得到電線二值化圖像；

進(jìn)一步地，對(duì)電線二值化圖像進(jìn)行掃描，通過電線輪廓的形狀、大小的先驗(yàn)知識(shí)濾除不符合電線特征的輪廓，對(duì)剩下的輪廓進(jìn)行填充，得到新的只有電線的二值化圖；

進(jìn)一步地，對(duì)上述只有電線的二值化圖進(jìn)行骨骼細(xì)化，得到電線的骨骼；

步驟2)，通過提取到的骨骼，計(jì)算電線的端點(diǎn)和分岔點(diǎn)，具體步驟為：通過步驟1)中得到的電線骨骼，以及電線的端點(diǎn)、分岔點(diǎn)特征的先驗(yàn)知識(shí)，找到電線骨骼中的端點(diǎn)和分岔點(diǎn)，如果有分岔點(diǎn)，將電線骨骼從分岔點(diǎn)分開，分成多個(gè)線段，如果沒有分岔點(diǎn)，原電線骨骼就是一個(gè)線段，將所有的線段以及線段端點(diǎn)在骨骼中的類型提供給上層軟件；

步驟六，判斷出電路元器件與電線的連接是否準(zhǔn)確，具體步驟為：

上層軟件將步驟四識(shí)別出的電路元器件與步驟五識(shí)別出的電線連接在一起，然后與上層軟件實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的電路圖進(jìn)行比較，如果與電路圖一致，則認(rèn)為電路連接準(zhǔn)確。

本實(shí)施例中，顏色像素閾值為九宮格中每個(gè)宮格面積的30％。

本發(fā)明巧妙的將應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺圖形識(shí)別技術(shù)與HSV顏色空間、二值化處理、圖像切割技術(shù)相結(jié)合使用，能夠判斷出電路元器件的類型以及電線，并且能夠判斷出電路連接是否準(zhǔn)確，具有運(yùn)算速度快，定位準(zhǔn)確，將硬件與軟件技術(shù)很好地統(tǒng)一起來，游戲交互設(shè)計(jì)巧妙；美觀簡(jiǎn)單，判斷更加快速，增強(qiáng)孩子的想象力，增加游戲趣味性，使孩子可以學(xué)習(xí)到基礎(chǔ)電路知識(shí)，培養(yǎng)孩子的興趣。

本發(fā)明檢測(cè)算法更加科學(xué)、成熟，將圖像的色彩轉(zhuǎn)換、圖像卷積、圖像切割、骨骼細(xì)化等算法相結(jié)合使用，能夠快速的判斷出電路元器件的類型以及電線。

本發(fā)明計(jì)算速度快；每次定位檢測(cè)耗時(shí)在200ms左右，為玩家提供流暢的使用體驗(yàn)。

本發(fā)明性能穩(wěn)定，在不同光照、對(duì)不同平板電腦安裝于教育玩具套件內(nèi)的情況下，針對(duì)3千幅圖片進(jìn)行了采集測(cè)試，誤識(shí)別率和漏檢率在0.2％以下。

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(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)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(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。