一种魔方双面颜色识别的受控随机序列生成系统及方法与流程

本发明涉及随机序列生成，具体涉及一种魔方双面颜色识别的受控随机序列生成系统及方法。

背景技术：

1、在对随机序列的物理随机来源有明确要求的应用场景中，生成具有真实物理随机性的随机序列是一项基本需求。现有随机序列生成方法主要包括伪随机数算法和专用硬件随机数发生器两类。伪随机数算法本质上为确定性计算过程，其输出序列存在周期性，不具备真实的物理随机性。专用硬件随机数发生器虽可提供物理随机性来源，但成本较高，不适合在消费级移动终端上部署。

2、在以魔方作为物理随机源进行图像采集编码的方案中，现有单面图像识别方法受限于单面所能提供的有限状态信息，每次采集仅获取3行状态数据，变化位数量的取值范围上限为3，无法覆盖从零个变化位到六个变化位的全部编码状态组合，存在编码盲区，导致所生成编码序列对的状态覆盖不完整。

3、因此，如何利用消费级移动终端通过图像采集与数值编码的方式，生成兼具物理随机性来源与完整编码状态覆盖的编码序列对，是现有技术面临的主要技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种魔方双面颜色识别的受控随机序列生成系统及方法，解决相关技术中基于物理随机源的双面图像识别过程中，生成的序列随机性可被预测、编码信息冗余且输出缺乏受控性的技术问题。

2、本发明公开了魔方双面颜色识别的受控随机序列生成系统，包括图像采集模块、图像识别模块、编码生成模块和输出显示模块。

3、进一步地，所述图像识别模块中的颜色分类采用基于颜色空间阈值分割的方式实现：将采样区域内的像素颜色从rgb色彩空间转换至hsv色彩空间，根据所述特制双色三阶魔方所选用的颜色组合预先标定第一颜色和第二颜色各自在hsv空间中的阈值范围，对每个小格的中心采样像素统计落入第一颜色阈值范围的像素占比和落入第二颜色阈值范围的像素占比，若则判定为第一颜色，若则判定为第二颜色，若则提示重新采集该面图像。

4、进一步地，所述图像识别模块中的颜色分类采用预训练的二分类卷积神经网络模型实现：所述二分类卷积神经网络模型的输入层接收单个小格中心采样图像块的像素数据，输出层经softmax激活函数后输出该图像块属于第一颜色的后验概率和属于第二颜色的后验概率，满足，取后验概率较大的类别作为判定结果；所述二分类卷积神经网络模型在涵盖多种光照条件和拍摄角度的双色魔方图像数据集上以有监督方式训练，以交叉熵损失函数为优化目标，采用adam优化算法更新参数。

5、进一步地，所述特制双色三阶魔方遵循标准三阶魔方的机械架构，仅使用定义为第一颜色和第二颜色的两种颜色，在初始复原状态下六个面中三个完整面为第一颜色、另外三个完整面为第二颜色，两种颜色呈中心对称分布，六个面的中心格上分别固定印有数字标识1至6。

6、进一步地，所述编码生成模块中，所述第一编码序列定义为，每个元素的取值范围为；所述变化位位置集合的形式化定义为；在所述变化位位置上，在所述非变化位位置上。

7、进一步地，所述系统适用于四色魔方和六色魔方：将魔方的多种颜色按照预设规则划分为两个颜色类别，第一颜色类别映射为数值0，第二颜色类别映射为数值1，使两类颜色的出现概率均衡，完成颜色类别划分后按照与双色魔方相同的二值化规则执行数值矩阵生成、逐行求和、编码序列生成及变化位判定。

8、进一步地，所述图像采集模块在执行第一次采集操作前开启白平衡锁定功能，使两次采集的色温保持一致；所述图像识别模块中的图像预处理包括根据九宫格辅助框的边界坐标对图像进行裁剪，若拍摄角度存在倾斜则应用透视变换将图像校正为正面正视图，将校正后的图像调整为统一尺寸。

9、进一步地，所述输出显示模块支持将各位元素的取值映射为二位二进制数，将所述第一编码序列或第二编码序列展开为12位二进制编码序列；所述输出显示模块记录历史输出结果，以列表形式展示连续多次生成的编码序列对。

10、进一步地，所述编码生成模块还配置为：在以轮次为单位循环执行的增量打乱场景中，从第轮目标面的3×3数值矩阵中提取四个边格按顺时针方向构成边格采样序列，对生成全部4个循环移位版本并取十进制值最小的版本作为标准化形式，记录标准化移位量；计算旋转对齐参数，对前一轮标准化边格序列执行步循环移位获取旋转对齐版本；对与执行逐位异或运算获取差分序列并统计差分活跃度；将与活跃度阈值比较，若则将作为有效差分且差分阶数，若则依次向历史缓冲区回溯计算高阶差分直至满足阈值条件；将边格和值、中心格值、旋转对齐参数、有效差分活跃度、差分阶数经压缩后排列为长度为5的第一编码序列，依据的取值对执行受控变换生成第二编码序列。

11、本发明公开了魔方双面颜色识别的受控随机序列生成方法，包括：

12、步骤1，对特制双色三阶魔方执行随机打乱后，分别采集任意两个不同面的九宫格彩色图像，并识别各面中心格的数字标识，对两个面的数字标识执行有效性校验以确认两次采集对应不同的物理面；

13、步骤2，对所述九宫格彩色图像分别执行图像预处理、颜色分类和二值化映射，将每个小格的颜色判定为第一颜色或第二颜色，第一颜色映射为数值0，第二颜色映射为数值1，获取两个3×3数值矩阵；

14、步骤3，对所述两个数值矩阵分别执行逐行求和获取六个行和值，将所述六个行和值按预设顺序排列为第一编码序列；

15、步骤4，对所述第一编码序列中行和值属于的位置标记为变化位并收集至变化位位置集合，依据对执行数值变换生成第二编码序列，变化位位置上，非变化位位置上；

16、步骤5，将所述第一编码序列、第二编码序列和变化位位置集合以可视化方式呈现。

17、本发明的有益效果在于：

18、本发明以特制双色三阶魔方的随机打乱状态作为物理随机性来源，利用消费级移动终端的图像采集功能执行颜色识别，克服了伪随机数算法输出序列具有周期性的局限，且无需部署成本较高的专用硬件随机数发生器。

19、通过对魔方任意两个面分别执行图像采集与状态编码，每次采集获取两组3行状态数据，变化位总数量可涵盖零个至六个的全部取值，相比单面识别方法所能覆盖的零个至三个变化位范围，消除了因单面状态信息有限而产生的编码盲区，保证了编码序列对的状态覆盖完整性。

20、图像识别阶段对每个小格采用中心区域采样方式，规避了小格边缘因相邻色块交界导致的颜色混叠干扰，降低了颜色判定误差对数值矩阵准确性的影响。

21、对两次图像采集所对应的面身份编号执行有效性校验，从流程层面排除了因操作失误导致的同一面重复采集，保证两个数值矩阵分别对应魔方上两个不同的物理面。

22、编码生成阶段通过逐行求和与变化位判定，对变化位位置执行确定性数值变换，使第一编码序列与第二编码序列在变化位位置上满足数值之和为定值的互补约束，在非变化位位置上数值保持一致，形成受控互补结构的编码序列对，满足对随机序列来源有物理随机性要求且需要双序列互补关系的应用场景的需求。

1.一种魔方双面颜色识别的受控随机序列生成系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的魔方双面颜色识别的受控随机序列生成系统，其特征在于，所述图像识别模块中的颜色分类采用基于颜色空间阈值分割的方式实现：将采样区域内的像素颜色从rgb色彩空间转换至hsv色彩空间，根据所述特制双色三阶魔方所选用的颜色组合预先标定第一颜色和第二颜色各自在hsv空间中的阈值范围，对每个小格的中心采样像素统计落入第一颜色阈值范围的像素占比和落入第二颜色阈值范围的像素占比，若则判定为第一颜色，若则判定为第二颜色，若则提示重新采集该面图像。

3.根据权利要求1所述的魔方双面颜色识别的受控随机序列生成系统，其特征在于，所述图像识别模块中的颜色分类采用预训练的二分类卷积神经网络模型实现：所述二分类卷积神经网络模型的输入层接收单个小格中心采样图像块的像素数据，输出层经softmax激活函数后输出该图像块属于第一颜色的后验概率和属于第二颜色的后验概率，满足，取后验概率较大的类别作为判定结果；所述二分类卷积神经网络模型在涵盖多种光照条件和拍摄角度的双色魔方图像数据集上以有监督方式训练，以交叉熵损失函数为优化目标，采用adam优化算法更新参数。

4.根据权利要求1所述的魔方双面颜色识别的受控随机序列生成系统，其特征在于，所述特制双色三阶魔方遵循标准三阶魔方的机械架构，仅使用定义为第一颜色和第二颜色的两种颜色，在初始复原状态下六个面中三个完整面为第一颜色、另外三个完整面为第二颜色，两种颜色呈中心对称分布，六个面的中心格上分别固定印有数字标识1至6。

5.根据权利要求1所述的基于双面图像识别的魔方状态编码系统，其特征在于，所述编码生成模块中，所述第一编码序列定义为，每个元素的取值范围为；所述变化位位置集合的形式化定义为；在所述变化位位置上，在所述非变化位位置上。

6.根据权利要求1所述的魔方双面颜色识别的受控随机序列生成系统，其特征在于，所述系统适用于四色魔方和六色魔方：将魔方的多种颜色按照预设规则划分为两个颜色类别，第一颜色类别映射为数值0，第二颜色类别映射为数值1，使两类颜色的出现概率均衡，完成颜色类别划分后按照与双色魔方相同的二值化规则执行数值矩阵生成、逐行求和、编码序列生成及变化位判定。

7.根据权利要求1所述的魔方双面颜色识别的受控随机序列生成系统，其特征在于，所述图像采集模块在执行第一次采集操作前开启白平衡锁定功能，使两次采集的色温保持一致；所述图像识别模块中的图像预处理包括根据九宫格辅助框的边界坐标对图像进行裁剪，若拍摄角度存在倾斜则应用透视变换将图像校正为正面正视图，将校正后的图像调整为统一尺寸。

8.根据权利要求1所述的魔方双面颜色识别的受控随机序列生成系统，其特征在于，所述输出显示模块支持将各位元素的取值映射为二位二进制数，将所述第一编码序列或第二编码序列展开为12位二进制编码序列；所述输出显示模块记录历史输出结果，以列表形式展示连续多次生成的编码序列对。

9.根据权利要求1所述的魔方双面颜色识别的受控随机序列生成系统，其特征在于，所述编码生成模块还配置为：在以轮次为单位循环执行的增量打乱场景中，从第轮目标面的3×3数值矩阵中提取四个边格按顺时针方向构成边格采样序列，对生成全部4个循环移位版本并取十进制值最小的版本作为标准化形式，记录标准化移位量；计算旋转对齐参数，对前一轮标准化边格序列执行步循环移位获取旋转对齐版本；对与执行逐位异或运算获取差分序列并统计差分活跃度；将与活跃度阈值比较，若则将作为有效差分且差分阶数，若则依次向历史缓冲区回溯计算高阶差分直至满足阈值条件；将边格和值、中心格值、旋转对齐参数、有效差分活跃度、差分阶数经压缩后排列为长度为5的第一编码序列，依据的取值对执行受控变换生成第二编码序列。

10.一种魔方双面颜色识别的受控随机序列生成方法，用于执行权利要求1至9任一所述的魔方双面颜色识别的受控随机序列生成系统，其特征在于，包括：