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解魔方的机器人攻略24 – 识别颜色（下）

由 动力老男孩 发表于 2010/04/11 20:55:50

经常有朋友向我要QQ号，很遗憾我属于拖了时代后腿的那种人，暂时还没有QQ号。如果有事的话请直接留言或者给我发邮件，邮箱地址在右侧的下方。还有另外一些朋友是要源代码的，事实上我曾经分享过源代码，但是反馈基本上都是“你这个怎么不能用啊？”

晕倒，电机阻力不同，连杆的倾斜角误差不同，魔方大小不同，魔方润滑程度不同，颜色传感器的读数不同。这么多不同，我在代码里面留了很多参数，就是用来调节和配置的。如果我耐心的在QQ上解释的话，我的老板一定会很耐心地给我写一封热情洋溢的开除通知 :)

所以我会在写攻略的同时逐步公开源代码，一方面可以更好的了解原理，另一方面也可以在攻略中找到想要的答案。有问题的朋友请先仔细看攻略，然后再发邮件提问。下面有一些问题请恕我不回邮件：
1，攻略里已经讲过的。例如：请问解魔方的算法是什么？我很久以前就发过代码了（不过估计这样的同学也看不到这个声明，惆怅啊）。
2，一些特别基础的问题。例如：颜色传感器如何使用？这种问题网上一搜一大堆，请自己google一下，比等邮件更省时间
3，对于参加竞赛的，做毕设的，或者保研需要加分的。非常抱歉，时间紧是您自己的事。我不会帮助投机取巧的行为，况且我其实比你们更忙。

好了，今天会介绍颜色识别剩下的部分。到这一篇结束，所有重要的技术细节就都介绍完了，我相信这些攻略对一个真正的DIY爱好者已经足够了。

下面继续介绍颜色识别的代码实现。

4，设置app.config

上一篇介绍了分辨颜色的六个规则，考虑到不同的颜色传感器可能规则不尽相同，所以把它们放到config文件里，可以随时修改：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>
<configuration>
  <appSettings>
    <add key="Rank0" value="W:Min" />
    <add key="Rank1" value="Y:G" />
    <add key="Rank2" value="B:B" />
    <add key="Rank3" value="G:-R" />
    <add key="Rank4" value="O:R+2*RawG-2*RawB" />
    <add key="Rank5" value="R:1" />
  </appSettings>
</configuration>

5，定义ColorItem类和排序类

接下来是根据排序规则对颜色数组排序，事实上这个跟机器人无关，完全是C#语言的知识。不熟悉的同学请复习一下C#中对List的排序功能。首先我们定义一个ColorItem类，每个实例对应一块魔方的色块:

public class ColorItem
{
    public int R, G, B, RawR, RawG, RawB;
    public int Max, Min, RawMax, RawMin;
    public int I, J, K;
	//省略一些赋值操作
}

然后定义一个对ColorItem进行排序的类：

public class ColorItemCompare : IComparer
{
    private string CompareExpression;

    public ColorItemCompare() { }
    public ColorItemCompare(string exp)
    {
        CompareExpression = exp;
    }

    public int Compare(ColorItem c1, ColorItem c2)
    {
        if (c1 == null || c2 == null) return 0;
        else
        {
            return GetEvalOfColor(c1, CompareExpression) - GetEvalOfColor(c2, CompareExpression);
        }
    }

    private int GetEvalOfColor(ColorItem c, string exp)
    {
        string realExp = exp.ToLower();
        realExp = realExp.Replace("rawmin", c.RawMin.ToString());
        realExp = realExp.Replace("rawmax", c.RawMax.ToString());
        realExp = realExp.Replace("min", c.Min.ToString());
        realExp = realExp.Replace("max", c.Max.ToString());
        realExp = realExp.Replace("rawr", c.RawR.ToString());
        realExp = realExp.Replace("rawg", c.RawG.ToString());
        realExp = realExp.Replace("rawb", c.RawB.ToString());
        realExp = realExp.Replace("r", c.R.ToString());
        realExp = realExp.Replace("g", c.G.ToString());
        realExp = realExp.Replace("b", c.B.ToString());
        return Convert.ToInt32(Evaluator.Eval(realExp));
    }
}

其中Evaluator是一个自定义的函数，它的功能是对一个字符串格式的表达式求值，例如：Evaluator.Eval(“1+2″)的值是3。

然后通过下面这一段代码，对读到的54个色块进行分辨：

for (int n = 0; n < 6; n++)
{
    string[] rankStr = ConfigurationSettings.AppSettings["Rank" + n].Split(':');
    string resultColor = rankStr[0];
    string compareExp = rankStr[1];

    ColorItems.Sort(new ColorItemCompare(compareExp));
    for (int i = 0; i < 9; i++)
    {
        ColorItem item = ColorItems[ColorItems.Count - 1];
        int ijk = item.I * 100 + item.J * 10 + item.K;
        ColorSortResult.Add(ijk, resultColor);
        ColorItems.RemoveAt(ColorItems.Count - 1);
    }
}

通过上面的运算，位置坐标为ijk的色块，颜色值就保存在ColorSortResult字典对象中。

6，生成魔方数组

排序之后我们已经知道ijk对应的色块的颜色，接下来再按照i,j,k的顺序读取一遍，就可以生成颜色数组。
ReadColors函数会返回两个字符串，第一个字符串是 “R,G,B,Y….” 格式的返回值，这个是显示那个三维立体魔方用的。第二个字符串是“3,5,2,6….” 这样的格式，在下一步转换为速魔方算法的表示法。

private string[] ReadColors()
{
    string ColorStr = "";
    string RealStr = "";
    for (int i = 0; i < 6; i++)
    {
        for (int j = 0; j < 3; j++)
        {
            for (int k = 0; k < 3; k++)
            {
                if (!string.IsNullOrEmpty(ColorStr))
                {
                    ColorStr += ",";
                    RealStr += ",";
                }
                int c = i * 100 + j * 10 + k;
                string r = ColorSortResult[c];
                ColorStr += ColorValue(r);
                RealStr += r;
            }
        }
    }
    return new string[] { ColorStr, RealStr };
}

private int ColorValue(string c)
{
    if (c.Contains("Y") || c.Contains("y")) return 1;
    if (c.Contains("B") || c.Contains("b")) return 2;
    if (c.Contains("R") || c.Contains("r")) return 3;
    if (c.Contains("W") || c.Contains("w")) return 4;
    if (c.Contains("O") || c.Contains("o")) return 5;
    if (c.Contains("G") || c.Contains("g")) return 6;
    return 0;
}

7，魔方表示法的转换

上面我们得到了6*3*3的魔方数组表示法，为了调用魔方快速算法，必须转换到URDLFB的表示法。这个转换没啥捷径可走，优雅的程序员偶尔也要使用暴力：

//其中s是把6*3*3的数组，用逗号按顺序连接成的字符串
private void SolveReadColors(string s)
{
    string[] ArrColors = s.Split(','); ;
    string sInput = "";
    string ReadQ = "URDLFB";
    string[] PosQ = new string[6];
    for (int i = 0; i < 6; i++) PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[4 + i * 9]) - 1] = ReadQ[i].ToString();

    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[7]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[37]) - 1] + " ";  //UF
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[5]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[12]) - 1] + " ";  //UR
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[1]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[52]) - 1] + " ";  //UB
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[3]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[32]) - 1] + " ";  //UL
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[25]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[43]) - 1] + " ";  //DF
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[21]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[14]) - 1] + " ";  //DR
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[19]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[46]) - 1] + " ";  //DB
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[23]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[30]) - 1] + " ";  //DL
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[41]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[16]) - 1] + " ";  //FR
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[39]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[34]) - 1] + " ";  //FL
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[50]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[10]) - 1] + " ";  //BR
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[48]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[28]) - 1] + " ";  //BL

    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[8]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[38]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[15]) - 1] + " ";  //UFR
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[2]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[9]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[53]) - 1] + " ";  //URB
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[0]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[51]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[29]) - 1] + " ";  //UBL
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[6]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[35]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[36]) - 1] + " ";  //ULF

    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[24]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[17]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[44]) - 1] + " ";  //DRF
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[26]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[42]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[33]) - 1] + " ";  //DFL
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[20]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[27]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[45]) - 1] + " ";  //DLB
    sInput += PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[18]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[47]) - 1] + PosQ[Convert.ToInt32(ArrColors[11]) - 1];  //DBR

    ResultSteps = RubikSolve.GetResult(sInput);
}

这个神奇的SolveReadColors函数，吃进去的是颜色数组，挤出来的是解魔方的步骤。结果保存在ResultSteps变量中，格式为：
F1 U2 F2 D3 L2 D1 F1 U3 L2 D1
其中每两个字符表示一个旋转步骤，第一个字母表示操作的面，第二个字母表示旋转的方向。1是顺时针，3是逆时针，2是旋转180度。

至此萝卜头已经知道了解魔方的方法，在前面的攻略中，我们已经介绍了旋转魔方的分解动作。

接下来的工作就简单了，下一篇会介绍如何通过蓝牙遥控萝卜头动手干活。

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解魔方的机器人攻略23 – 识别颜色（上）

由 动力老男孩 发表于 2010/04/05 20:39:40

今天看到架子上的萝卜头，已经落了很多灰尘。想起萝卜头的攻略还剩几篇迟迟没有写完。前一段时间一直在试验小爱的手机遥控器功能，从今天开始准备陆续把萝卜头的攻略补完，给博客也打扫打扫灰尘。

说起来真是很惭愧，颜色识别在萝卜头制作过程中是花费时间最多的部分。其中还有一段小插曲：
我在淘宝上买的颜色传感器，在NXT上测试时，发现只有用强光照射在魔方表面的时候，传感器才有读数。那时候在网上很难找到相关的资料，不知道是我买了次品，还是设置不当。后来我猜想传感器中心的那个透明小灯泡是光源，就擅自去电子市场买了一个LED小灯，然后把这个500块钱的传感器敲开换上。一通电，嘿，灯居然亮了，然后我就把拆下来的小灯扔到垃圾桶继续测试。结果…..这次传感器彻底废了。接下来是从垃圾桶里翻那个透明的小灯泡，非常悲剧的是那天正好吃了虾和鱼，我把整垃圾桶的虾皮鱼骨摸了两遍，才找到那个透明的小灯泡，把它洗洗干净又换上了。后来才知道，这个灯泡其实是用来读取颜色的，而不是照明的。而我买的那个颜色传感器确实是个次品，必须用灯光照射才能勉强读数。所以你们看到第一版的萝卜头，在悬臂上是带有一个照明灯的。

在此提醒一下朋友们：颜色传感器在普通的光照环境下，应该是有读数的，而且很敏感，读数会不断小幅跳动。如果你买的传感器读数一直是0或者跳动非常大，那么请尽快找奸商退换。另外，在这里感谢一下北京西觅亚公司，他们给我提供了几个测试用的颜色传感器，并且给我换了一个新的。我也因此了解了一些颜色传感器的特性。

好了，进入正题。上一篇介绍了如何在电脑和NXT之间使用蓝牙进行通讯。有了蓝牙，我们就可以把颜色传感器的读数发送给电脑，然后用电脑识别颜色后调用解魔方的算法。

1，从NXT发送颜色数据到电脑
在之前的一篇博客里，我介绍了三个函数：ReadAllSide，ReadOneSide和SendColorToPC。现在蓝牙已经调通，可以改写SendColorToPC函数用来发送数据。其中getRed()和getRawRed()等函数的说明，请参考颜色传感器的API文档

//Send colors to PC
public static void SendColorToPC(int center, int n) throws Exception
{
	//get the x,y of n
	int y = n % 3;
	int x = (n - y) / 3;

	//send to PC by bluetooth
	byte[] data = new byte[9];
	data[0] = (byte)center;    //center表示是魔方的某一面
	data[1] = (byte)x;         //x 表示魔方这一面3*3的色块中，第x行的色块
	data[2] = (byte)y;         //y 表示魔方这一面3*3的色块中，第y列的色块
	data[3] = (byte)color.getRed();
	data[4] = (byte)color.getGreen();
	data[5] = (byte)color.getBlue();
	data[6] = (byte)(color.getRawRed() / 3);
	data[7] = (byte)(color.getRawGreen() / 3);
	data[8] = (byte)(color.getRawBlue() / 3);
	BlueTooth.WriteBytes(data);
}

2，在PC端接受颜色数据
PC程序中的BlueToothDataReceived函数，用来响应接受到蓝牙数据的事件。我们加上下面这段函数：

else if (length == 9)
{
    int i = data[0];
    int j = data[1];
    int k = data[2];
    int r = data[3];
    int g = data[4];
    int b = data[5];
    int rawR = data[6];
    int rawG = data[7];
    int rawB = data[8];
    ColorItem newItem = new ColorItem(i, j, k, r, g, b, rawR, rawG, rawB);
    colorDistinguish.ColorItems.Add(newItem);
    DisplayMessage += newItem.ToString() + "\r\n";
    Status = "成功获取数据：" + i + "," + j + "," + k;
}

其中用到了两个类 ColorItem 和 ColorItemDistinguish。这两个类的作用后面再说，总之这里把所有的颜色数据都先保存到一个阵列（Array）里，最后统一识别颜色。

3，解析颜色的方案
细心的朋友可能在API中看到了getColor()函数，我们何必要全部保存颜色后再统一分辨呢，直接读一个分辨一个不是更好？事实证明这个函数基本没什么用，红色和橙色都会解析成红色，而且环境光线变化时影响很大。还有一些朋友建议用HSV颜色模型，这种方案我也试过了，基本上也很难分辨。为什么呢？请看下面一组读数：

Red
[0,1,2]=>RGB=(23,0,0),RawRGB={45,1,8}
[0,2,2]=>RGB=(30,0,0),RawRGB={60,1,5}
[0,2,1]=>RGB=(25,0,0),RawRGB={49,3,12}
[0,2,0]=>RGB=(32,0,0),RawRGB={63,2,6}
[0,1,0]=>RGB=(22,0,0),RawRGB={43,2,11}
[0,0,0]=>RGB=(25,0,0),RawRGB={59,3,3}
[0,0,1]=>RGB=(30,0,0),RawRGB={58,5,17}
[0,0,2]=>RGB=(31,0,0),RawRGB={61,8,17}
[0,1,1]=>RGB=(31,0,0),RawRGB={62,15,22}

Orange
[2,1,2]=>RGB=(28,0,0),RawRGB={55,12,8}
[2,2,1]=>RGB=(30,0,0),RawRGB={57,14,14}
[2,0,1]=>RGB=(32,0,0),RawRGB={62,15,13}
[2,1,0]=>RGB=(32,0,0),RawRGB={63,16,12}
[2,2,2]=>RGB=(42,0,0),RawRGB={83,24,10}
[2,2,0]=>RGB=(41,0,0),RawRGB={82,24,13}
[2,0,0]=>RGB=(41,0,0),RawRGB={80,23,10}
[2,0,2]=>RGB=(39,0,0),RawRGB={76,22,13}
[2,1,1]=>RGB=(41,5,0),RawRGB={81,30,21}

这是在自然光条件下，对红色和橙色的9个色块分别读数的结果。可以看到，它们的Green和Blue分量全部是0，只有红色分量有差别。但是红色的red分量从23~32，橙色的red分量从28~42，它们中间是有重叠的。对于这些读数，HSV完全没用。
有一段时期我几乎已经绝望了，不过终于在最后让我找到了一点区别：红色的RawBlue分量基本上比RawGreen分量稍大，而橙色恰好相反。另外请对比一下[0,0,0]和[2,2,1]，它们的RawBlue分量和RawGreen分量是相同的，但是仍然可以找到区别：按公式R+2*RawG-2*RawB计算，橙色的永远比红色大！

也就是说，我们单独取到一组颜色数值时，很难直接知道它是什么颜色，只有对一组数进行排序后，才能区分出不同的颜色。就像刚才这18个数，我们按照R+2*RawG-2*RawB从大到小排序，最终结果的前9个是橙色，后9个就是红色。类似的，我们还可以定义出分辨颜色的判断规则：
1，假设RGB三个值的最小值为Min，按Min从大到小排序，前9个是白色
2，剩下的颜色，按照G分量从大到小排序，前9个是黄色（有意思吧，绿色分量最大的是黄色）
3，剩下的颜色，按照B分量从大到小排序，前9个是蓝色（这个还算靠谱）
4，剩下的颜色，按照R分量从小到大排序，前9个是绿色
5，剩下的颜色，按照R+2*RawG-2*RawB从大到小排序，前9个是橙色
6，剩下的颜色全是红色

当光线从弱到强变化时，这些值基本会成比例的变大，所以这些规则依然有效。
有兴趣的朋友可以查看一组完整的颜色读数，来验证以上这些规则：http://www.diy-robots.com/rubiksolver/readcolors.txt
下一篇继续介绍这种分辨方式的具体代码实现。

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解魔方的机器人攻略21 – 读取魔方颜色

由 动力老男孩 发表于 2010/01/24 19:46:23

之前已经介绍了萝卜头转魔方的各个分解动作，今天介绍如何用颜色传感器读取魔方的颜色。这一部分可以分成三部曲：
1，依次扫描魔方的6*9=54个色块
2，用蓝牙连接把数据发送到电脑
3，通过颜色分组函数，从读数分辨出不同的颜色

这里先说明一下：虽然乐高的颜色传感器以RGB的形式返回颜色值，但是并不是想象中的那样，红色返回(255,0,0)，蓝色（0,0,255）这么轻松。事实上这个数值受环境光线强度影响非常大，即使相同的环境下，读数仍然会有跳动。例如下面几个读数：

[0,1,2]=>RGB=(23,0,0),RawRGB={45,1,8}  //红色
[0,2,2]=>RGB=(30,0,0),RawRGB={60,1,5}  //红色
[2,1,2]=>RGB=(28,0,0),RawRGB={55,12,8}  //橙色
[2,2,1]=>RGB=(29,0,0),RawRGB={57,14,14}  //橙色

如果你仅想从RGB来分辨颜色的话，将会“很受伤”。不过今天我只介绍第一步（扫描），在PC端程序部分再介绍如何识别颜色。

因为颜色传感器一次只能读一个点，所以要扫描魔方的话，必须把54个点都扫到。我们以扫描其中一个面为例，看看两个电机怎么配合扫描到所有的9个点。首先，颜色传感器的电机中心位置，应该在2，4两个点的中心延长线上。这样在魔方位置不动的情况下，就可以扫描到中心和四个角了。（相关文章：颜色传感器的安装）

扫描魔方中心和魔方的角

扫描魔方中心和魔方的角

然后，让底座旋转一定的角度，同时传感器电机也稍微调整，这样就可以扫到4个棱的颜色。

扫描魔方的棱

扫描魔方的棱

以这种方式扫描一圈，就可以把魔方的一个面读完了。最后使用魔方操作的分解动作，把魔方翻过来倒过去，直到把六个面依次扫描出来。有一件非常麻烦的事情是，在魔方翻来翻去的过程中，数组并不是每次都以0为左上角，它是不停的变换的（相关文章：魔方坐标系）。我用了下面这个map表，用来标记读数的顺序，这可是牺牲了数百个脑细胞换来的，其中idx数组是每个面内的依次读取顺序，idex2数组是不同的面的读取顺序：

int[][] idx={
	{4,6,7,8,5,2,1,0,3},
	{4,0,3,6,7,8,5,2,1},
	{4,2,1,0,3,6,7,8,5},
	{4,8,5,2,1,0,3,6,7},
	{4,2,1,0,3,6,7,8,5},
	{4,2,1,0,3,6,7,8,5}};
int[] idx2={5,1,4,3,2,0};

我们以上一次的程序为基础，添加以下变量和函数：

	//add offset positions for color sensor motor
	static int ColorMotorOffset1 = 33;
	static int ColorMotorOffset2 = 9;
	static int ColorMotorOffset3 = 18;
	static int ColorReadPostion1 = 162;
	static int ColorReadPostion2 = 154;

	//Read each side colors of the cube
	public static void ReadAllSide()
	{ }

	//Read one side by the index
	public static void ReadOneSide(int nSideIndex)
	{ }

最后加一个测试入口，当按下Enter键时，开始扫描魔方。相信看过前面文章的朋友，这里不需要说明了。点此查看具体的代码吧。

补充个小小的说明：我在代码里面统一用英文加了注释，不是在装酷，主要是因为上班的时候是这样强制要求的，以至于自己做东西也养成这种习惯了。

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