99 華 梵 大 學 機 電 工 程 學 系 專 題 研 究 成 果 報 告 麻 將 辨 識 軟 體 之 開 發 指 導 教 授 : 黃 國 益 博 士 參 與 學 生 :B9602002 梁 祐 誠 摘 要 本 專 題 係 利 用 機 器 視 覺 技 術 製 作 麻 將 自 動 辨 識 系 統, 建 立 的 辨 識 法 則 包 括 幾 何 特 徵 估 算 檢 測 線 法 則, 首 先 使 用 CCD 攝 影 機 擷 取 麻 將 影 像, 再 利 用 撰 寫 的 辨 識 程 式 進 行 麻 將 圖 形 特 徵 萃 取 與 比 對, 以 完 成 判 讀 之 工 作 本 系 統 進 行 的 影 像 處 理 方 法 包 括 (1) 利 用 RGB 分 離 與 二 值 化 運 算 : 針 對 彩 色 影 像 進 行 分 離, 可 得 到 R(Red) G(Green) B(Blue) 三 個 灰 階 圖 層, 再 分 別 針 對 此 三 張 圖 層 進 行 二 值 化 運 算, 可 將 目 標 物 ( 背 景 像 素 灰 階 強 度 為 255 目 標 物 像 素 灰 階 強 度 為 0 進 行 分 割 ;(2) 補 洞 運 算 : 可 去 除 影 像 雜 訊 與 填 補 目 標 物 之 缺 洞, 得 到 完 整 的 圖 形 或 文 字 ;(3)Sobel 邊 界 偵 測 : 針 對 彩 色 影 像 進 行 RGB 分 離 ; 再 將 其 中 灰 階 圖 層 進 行 Sobel 邊 界 偵 測 ( 即 高 通 濾 波 器 ) 並 對 該 影 像 進 行 二 值 化, 最 後 利 用 補 洞 運 算 即 可 將 麻 將 上 圖 形 或 文 字 萃 取 出 來 ;(4) 邏 輯 運 算 : 針 對 Sobel 邊 界 偵 測 並 二 值 化, 再 將 該 影 像 進 行 補 洞 運 算 並 與 RGB 分 離 之 二 值 化 影 像 進 行 OR 運 算 即 可 得 到 麻 將 上 圖 形 或 文 字 影 像 ;(5) 檢 測 線 法 則 : 進 行 特 徵 萃 取 與 比 對, 以 達 到 麻 將 上 圖 形 或 文 字 的 辨 識 本 專 題 使 用 的 樣 本 數 為 68 個, 利 用 撰 寫 的 麻 將 辨 識 軟 體 進 行 測 試, 辨 識 正 確 率 為 76% 一 研 究 動 機 與 目 的 近 幾 年 來, 隨 著 博 弈 產 業 發 達 進 步, 許 多 人 力 都 被 博 弈 機 器 取 代, 推 出 不 少 遊 戲 機 擁 有 辨 識 系 統, 例 如 骰 子 點 數 辨 識 撲 克 牌 辨 識 及 俄 式 輪 盤 判 定 等 近 來 麻 將 也 越 來 越 多 國 際 上 的 大 型 比 賽, 而 不 是 只 在 網 路 上 與 別 人 切 磋 而 已 因 此, 若 能 建 立 一 套 麻 將 辨 識 系 統, 便 能 提 供 給 麻 將 類 的 博 弈 遊 戲 使 用 由 於 網 路 發 達, 在 網 路 世 界 裡 有 很 多 種 類 的 麻 將 遊 戲, 但 僅 能 透 過 電 腦 進 行, 缺 乏 了 真 實 的 臨 場 感 而 要 打 實 體 的 麻 將 則 必 須 湊 四 人 才 行, 也 因 為 常 常 人 不 夠, 而 無 法 開 局, 若 能 研 發 出 能 辨 識 麻 將 牌 形 的 視 覺 軟 體, 以 進 行 麻 將 遊 戲 機 的 辨 識 成 為 本 專 題 主 要 研 究 的 目 的 二 基 本 理 論 1. 數 位 影 像 處 理 概 念 本 專 題 使 用 彩 色 CCD 攝 影 機 進 行 影 像 擷 取, 彩 色 模 式 擷 取 影 像 可 分 為 R(Red) 圖 層 G(Green) 圖 層 及 B(Blue) 圖 層, 簡 稱 RGB 圖 層, 彩 色 影 像 中 像 素 點 的 色 彩 可 利 用 R G B 直 角 座 標 系 的 分 量 表 示 (Gonzalez and Woods,2002), 如 下 圖 1 所 示 之 色 彩 立 方 體 紫 紅 (1,0,1) R 黑 (0,0,0) 紅 (1,0,0) B 藍 (0,0,1) Gray scale 白 (1,1,1) 黃 (1,1,0) 青 (0,1,1) G 綠 (0,1,0) 圖 1:RGB 彩 色 立 方 體 在 R G B 座 標 軸 上 座 標 值 等 於 1 的 位 置 ; 即 座 標 分 別 為 (1,0,0) (0,1,0) (0,0,1), 並 且 呈 現 紅 綠 藍 等 顏 色, 黑
色 位 於 直 角 座 標 系 的 原 點 上, 白 色 則 位 於 距 原 點 最 遠 的 頂 點 上, 以 黑 色 至 白 色 位 置 之 間 的 線 段 (Gray scale) 表 示 灰 階 值 的 變 化, 愈 接 近 黑 色 的 線 段 位 置, 灰 階 值 愈 小, 反 之 則 愈 大 一 般 數 位 影 像 是 以 有 限 個 像 素 點 (Pixel) 所 構 成, 如 圖 2 所 示, 以 正 方 格 子 所 圍 成 的 像 素 匯 集 組 成 在 影 像 中, 假 設 水 平 方 向 具 有 M 個 像 素 點, 垂 直 方 向 具 有 N 個 像 素 點, 則 此 影 像 具 備 M N 個 像 素 點, 各 像 素 點 的 位 置, 皆 有 記 錄 影 像 明 亮 度 的 灰 階 值 利 用 RGB 分 離 將 三 圖 層 各 別 獨 立, 其 中 各 圖 層 皆 為 灰 階 值 (Gray Level)0~255 所 構 成 的 灰 階 影 像, 黑 色 的 灰 階 值 為 0 及 白 色 的 灰 階 值 為 255 圖 2: 數 位 影 像 在 灰 階 影 像 中, 以 座 標 ( x, 表 示 像 素 點 的 位 置 所 在, 如 圖 3, 並 以 函 數 f ( x, 來 表 示 其 灰 階 值, 而 灰 階 值 的 範 圍, 則 稱 為 灰 階 數 (number of gray level) 一 般 普 遍 對 於 影 像 的 灰 階 值 與 灰 階 數 可 以 下 列 的 描 述 方 法 進 行 分 類 :(1) 二 值 影 像 (binary image): f ( x, 為 1 或 0 的 影 像 (2) 灰 階 影 像 (grayscale image): 為 單 色 影 像, 以 f (x, 值 來 表 示 影 像 之 明 亮 度 灰 階 數 有 4,8, 256, 等, 灰 階 數 愈 大, 畫 質 愈 高 x 0 x M-1 0 y f(x, y N-1 圖 3: 描 述 影 像 所 用 的 座 標 系 統 2. 二 值 化 運 算 二 值 化 運 算 即 是 將 一 灰 階 影 像 經 過 運 算 轉 換 成 由 黑 ( 灰 階 值 為 0) 和 白 ( 灰 階 值 為 255) 所 組 成 的 二 值 影 像 假 設 有 一 灰 階 影 像 為 f ( x,, 設 置 門 檻 值 (Threshold Value) 為 T( T 介 於 0~255 之 間 ) 的 結 果, 可 將 原 圖 灰 階 分 成 兩 個 部 分, 經 過 轉 換 可 得 二 值 影 像 f, f t ( x, 表 示 f ( x, 經 過 二 值 化 t 的 值, 其 定 義 如 下 列 所 示 : f 255 for f ( x, T ( x, = (2.1) t 0 for f ( x, y ) < T 3. 補 洞 運 算 補 洞 運 算 (Blob) 為 利 用 背 景 與 物 體 灰 階 值 的 替 代 原 理, 填 補 物 體 影 像 的 缺 洞 以 圖 4 為 例, 影 像 中 物 體 灰 階 值 為 0 背 景 則 為 255, 在 物 體 內 部 有 多 個 缺 洞, 這 些 缺 洞 的 灰 階 值 與 背 景 相 同 均 為 255, 經 由 補 洞 運 算, 灰 階 值 為 255 像 素 點 總 數 小 於 門 檻 值 的 部 分, 填 補 灰 階 值 為 0 的 像 素 點 (a) 原 始 影 像 (b) 補 洞 後 之 影 像 圖 4 補 洞 運 算 4.Sobel 運 算 一 般 影 像 幾 乎 都 包 含 些 許 的 雜 訊, 其 來 源 可 能 是 訊 號 干 擾 周 遭 環 境 的 雜 訊 等 因 素 所 影 響, 而 雜 訊 多 跟 頻 率 有 關, 在 高 頻 率 部 分 指 的 是 短 距 離 灰 階 值 產 生 很 大 的 變 化, 如 邊 緣 或 雜 訊 相 對 的, 低 頻 率 部 分 則 是 影 像 中 灰 階 值 變 化 不 大 的 部 分, 包 括 背 景 和 皮 膚 紋 理 ; 而 雜 訊 通 常 都 屬 於 高 頻 居 多, 利 用 空 間 上 的 平 滑 濾 波 器 便 可 將 影 像 模 糊 化 與 抑 制 雜 訊 一 般 濾 波 器 可 分 為 線 性 濾 波 器 與 非 線 性 濾 波 器, 而 這 次 主 要 是 利 用 線 性
濾 波 器 ; 線 性 濾 波 器 又 可 分 為 高 通 濾 波 器 與 低 通 濾 波 器, 其 中, 前 面 所 論 述 到 的 平 滑 濾 波 器 即 為 低 通 濾 波 器, 而 高 通 濾 波 器 則 是 保 持 高 頻 的 部 分, 減 少 或 消 除 低 頻 率 部 分 的 濾 波 器, 對 邊 緣 偵 測 及 邊 緣 增 強 特 別 有 用 Sobel 運 算 為 高 通 濾 波 器, 可 以 快 速 搜 尋 物 體 的 輪 廓, 與 Prewitt 運 算 相 比 較 下, 物 體 輪 廓 厚 度 差 異 有 1 到 3 個 像 素 點, 對 於 檢 測 系 統 所 需 的 高 精 準 量 測 而 言, 使 用 Sobel 運 算 取 的 物 件 邊 緣 輪 廓 能 夠 提 高 量 測 最 佳 輪 廓 曲 線 的 精 確 率 Sobel 運 算 不 僅 具 有 提 供 灰 階 差 值 之 功 能, 也 有 平 滑 之 效 果, 但 相 對 雜 訊 也 會 增 強 換 言 之, 將 影 像 進 行 Sobel 運 算 後, 影 像 中 的 物 體 邊 緣 與 其 鄰 近 像 素 點 的 灰 階 值 加 以 放 大, 達 到 凸 顯 物 體 影 像 輪 廓 的 目 的, 如 圖 5 所 示 擷 取 影 像 RGB 分 離 二 值 化 運 算 特 徵 萃 取 幾 何 色 彩 檢 測 線 運 算 判 定 結 果 特 徵 萃 取 出 來 後, 首 先 判 別 麻 將 圖 形 特 徵 個 數, 牌 形 特 徵 個 數 如 下 表 所 示 圖 形 個 數 牌 形 1 個 東 中 2 個 南 西 北 發 1 條 2 條 8 條 2 筒 一 萬 四 萬 伍 萬 六 萬 七 萬 九 萬 3 個 3 條 1 筒 3 筒 二 萬 八 萬 (a) 原 始 灰 階 影 像 (b) 運 算 後 的 影 像 圖 5 :Sobel 運 算 5. 邏 輯 運 算 兩 張 圖 做 運 算 :AND 運 算 : 雙 方 都 為 1 時, 其 結 果 才 會 是 1 OR 運 算 : 雙 方 都 為 0 時, 其 結 果 才 會 是 0 XOR 運 算 : 雙 方 不 同 時, 其 結 果 才 會 是 1 單 張 圖 做 運 算 :NOT 運 算 :1 0,0 1 三 研 究 方 法 麻 將 的 基 本 牌 形 共 有 34 種, 其 中 有 規 則 的 筒 子 條 子, 也 有 不 規 則 的 字 形 與 花 形 本 專 題 首 先 將 麻 將 影 像 進 行 擷 取, 利 用 RGB 分 離 與 二 值 化 運 算, 將 影 像 中 的 麻 將 進 行 初 步 的 分 割, 再 利 用 補 洞 運 算 去 除 背 景 及 雜 訊, 之 後 再 利 用 Blob Analysis 將 各 種 牌 形 特 徵 萃 取 出 來 其 流 程 圖 如 右 圖 所 示 4 個 4 條 4 筒 三 萬 大 於 4 個 白 板 5 條 6 條 7 條 9 條 5 筒 6 筒 7 筒 8 筒 9 筒 分 別 將 不 同 個 數 之 牌 形 分 別 開 來 在 進 行 麻 將 圖 形 特 徵 判 斷, 圖 形 特 徵 運 算 過 後 顯 示, 許 多 牌 形 特 徵 個 數 相 同, 因 此 需 要 利 用 特 徵 進 行 判 斷, 判 斷 方 法 包 含 最 大 直 徑 最 小 直 徑 接 近, 圖 形 特 徵 則 為 圓 形, 如 圖 6 所 示, 而 紅 中 及 萬 字 部 分 為 紅 色, 因 此 R 圖 層 經 過 特 徵 萃 取 之 後 未 顯 示 紅 色 部 分, 與 G B 圖 層 比 對 之 後 可 發 現 牌 形 屬 於 紅 中 或 萬 字 系 列, 如 圖 7 所 示 圖 6 : 圖 形 特 徵
四 結 果 與 討 論 圖 7 : 紅 字 圖 形 特 徵 檢 測 線 辨 識 法 為 針 對 圖 形 個 數 及 特 徵 無 法 做 出 判 斷 之 文 字 部 分, 辨 識 方 法 為 利 用 一 條 檢 測 線 針 對 文 字 之 物 件 進 行 灰 階 值 掃 描, 如 圖 8(a) 所 示, 並 且 可 得 到 灰 階 值 分 佈, 如 圖 8(b) (c) 所 示 依 據 檢 測 線 上 灰 階 值 分 佈 的 不 同, 可 將 不 同 的 文 字 進 行 分 類 及 判 斷, 實 際 軟 體 執 行 時 如 圖 9 所 示 (a) 數 字 檢 測 線 分 佈 本 專 題 使 用 的 樣 本 數 為 68 個, 利 用 撰 寫 的 麻 將 辨 識 軟 體 進 行 測 試, 辨 識 正 確 率 為 76% 其 辨 識 錯 誤 的 主 要 原 因 為 (1) 麻 將 上 圖 形 再 經 由 補 洞 運 算 之 後, 雖 然 可 有 效 的 清 晰 麻 將 上 的 圖 形, 但 也 可 能 把 接 近 的 圖 形 連 接 在 一 起, 而 造 成 判 斷 上 的 錯 誤 ;(2) 由 於 不 均 勻 的 光 源 造 成 擷 取 得 到 的 影 像 品 質 不 佳 本 專 題 提 出 的 檢 測 線 法 則 可 精 確 地 辨 識 萬 字 與 其 他 字 形 的 麻 將 由 上 述 可 得 知, 本 專 題 建 立 的 辨 識 系 統 可 以 有 效 地 辨 識 麻 將, 在 未 來 亦 可 提 供 給 博 奕 產 業 使 用 參 考 文 獻 [1]Alasdair McAndrew 2005 數 位 影 像 處 理 新 加 坡 商 亞 洲 湯 姆 生 國 際 出 版 有 限 公 司 [2] 黃 國 益 2003 應 用 機 器 視 覺 於 蝴 蝶 蘭 大 苗 幾 何 特 徵 與 病 害 檢 測 之 研 究 中 興 大 學 [3] 林 昭 男, 2004, 以 影 像 處 理 技 術 為 基 礎 之 胎 痕 辨 識 系 統, 大 葉 大 學 車 輛 工 程 研 究 碩 士 班 碩 士 論 文 (b) 數 字 橫 向 檢 測 線 灰 階 值 分 佈 軟 體 介 面 圖 (c) 數 字 縱 向 檢 測 線 灰 階 值 分 佈 圖 8: 檢 測 線 位 置 示 意 圖 圖 8: 檢 測 線 判 斷 牌 形