利用python實現(xiàn)貨幣識別功能
介紹
本文的目的和意義
本文的目的是介紹如何利用Python實現(xiàn)貨幣識別技術。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和國際貿(mào)易的增加,貨幣的種類越來越多,對于金融機構、商業(yè)銀行以及個人而言,快速、準確地進行貨幣識別變得非常重要。而基于計算機視覺和機器學習的貨幣識別技術能夠幫助人們解決這個問題。
本文將介紹貨幣識別的基本原理、實現(xiàn)過程以及代碼實現(xiàn),使讀者能夠了解如何利用Python編寫貨幣識別程序,并且通過本文的指導,能夠進一步掌握圖像處理、特征提取以及支持向量機分類器的使用方法。同時,本文還探討了貨幣識別技術的應用前景和局限性,為相關研究者提供參考。

貨幣識別技術的應用場景

貨幣識別技術的應用場景廣泛而多樣,以下是其中一些主要的應用領域:
自動柜員機(ATM):在ATM系統(tǒng)中,貨幣識別技術能夠快速準確地辨別用戶存入或取出的紙幣,提高自動化服務的效率和準確性。
商業(yè)銀行與金融機構:商業(yè)銀行和金融機構需要處理大量的現(xiàn)金交易,利用貨幣識別技術可以自動完成對現(xiàn)金的清點、鑒別、分類和記錄,提高工作效率和準確性,并減少人為誤差。
零售業(yè):在零售行業(yè),特別是大型超市、百貨商店等,貨幣識別技術可以應用于自動收銀系統(tǒng),實現(xiàn)對顧客支付的紙幣進行快速識別和驗證,避免了傳統(tǒng)手工清點的繁瑣過程。
公共交通領域:在公共交通系統(tǒng)中,如地鐵、公交車等,貨幣識別技術可用于自動售票機或自動充值設備,方便乘客進行支付和充值操作。
反假鈔與安全監(jiān)控:貨幣識別技術也被廣泛應用于反假鈔領域,通過對紙幣的特征進行分析和比對,可以快速發(fā)現(xiàn)偽造的貨幣。此外,在安全監(jiān)控領域,貨幣識別技術能夠輔助對涉案現(xiàn)金的追蹤和溯源。
貨幣識別的基本原理
圖像處理技術在貨幣識別中的應用

常見的圖像處理技術在貨幣識別中的應用方法:
圖像預處理:對于貨幣圖像,首先需要進行預處理,包括圖像增強、去噪和二值化等操作。這些操作旨在使圖像更加清晰、減少干擾,并將圖像轉換為黑白二值圖像,方便后續(xù)的特征提取和分類。
特征提?。和ㄟ^分析貨幣圖像的特征,可以提取出有助于識別的信息。常見的特征包括顏色、紋理、形狀等。例如,可以使用圖像的梯度信息提取紋理特征,或者利用邊緣檢測算法提取圖像的形狀特征。
區(qū)域檢測與分割:對于復雜的貨幣圖像,可能存在多個貨幣同時出現(xiàn)在一張圖像中。因此,需要進行區(qū)域檢測和分割,將不同的貨幣區(qū)域分開,以便后續(xù)的單獨處理和識別。
特征匹配與識別:通過對提取到的特征進行匹配,可以實現(xiàn)對貨幣的識別。常見的方法包括模板匹配、特征匹配算法(如SIFT、SURF等)和機器學習分類器(如支持向量機、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡等)。
使用Python和OpenCV庫進行圖像預處理和二值化操作
import cv2
# 讀取圖像
image = cv2.imread('currency_image.jpg', 0) # 以灰度圖像的形式讀取
# 圖像增強
enhanced_image = cv2.equalizeHist(image) # 直方圖均衡化增強圖像對比度
# 去噪
denoised_image = cv2.GaussianBlur(enhanced_image, (5, 5), 0) # 高斯模糊去除噪聲
# 二值化
_, binary_image = cv2.threshold(denoised_image, 0, 255, cv2.THRESH_BINARY_INV+cv2.THRESH_OTSU) # 自適應閾值二值化
# 顯示結果
cv2.imshow('Original Image', image)
cv2.imshow('Enhanced Image', enhanced_image)
cv2.imshow('Denoised Image', denoised_image)
cv2.imshow('Binary Image', binary_image)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
使用cv2.equalizeHist()函數(shù)對圖像進行直方圖均衡化,提高圖像對比度。然后使用cv2.GaussianBlur()函數(shù)進行高斯模糊,去除噪聲。最后,使用cv2.threshold()函數(shù)進行自適應閾值二值化,將圖像轉換為黑白二值圖像。
特征提取方法:SIFT、HOG等
當涉及到特征提取方法時,OpenCV庫提供了許多常用的算法實現(xiàn),包括SIFT(尺度不變特征變換)和HOG(方向梯度直方圖)等。
- SIFT特征提?。?/li>
import cv2
# 讀取圖像
image = cv2.imread('currency_image.jpg')
# 創(chuàng)建SIFT對象
sift = cv2.SIFT_create()
# 檢測關鍵點和計算描述符
keypoints, descriptors = sift.detectAndCompute(image, None)
# 繪制關鍵點
image_with_keypoints = cv2.drawKeypoints(image, keypoints, None)
# 顯示結果
cv2.imshow('Image with Keypoints', image_with_keypoints)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
首先使用cv2.SIFT_create()函數(shù)創(chuàng)建SIFT對象。然后,使用sift.detectAndCompute()函數(shù)檢測關鍵點并計算描述符。最后,使用cv2.drawKeypoints()函數(shù)繪制關鍵點在圖像上,并通過cv2.imshow()函數(shù)顯示結果。
- HOG特征提?。?/li>
import cv2
import numpy as np
# 讀取圖像
image = cv2.imread('currency_image.jpg')
# 創(chuàng)建HOG對象
hog = cv2.HOGDescriptor()
# 計算HOG特征
hog_features = hog.compute(image)
# 將一維特征向量轉換為二維數(shù)組
hog_features = np.reshape(hog_features, (-1, hog_features.shape[0]))
# 顯示結果
cv2.imshow('HOG Features', hog_features)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
使用cv2.HOGDescriptor()函數(shù)創(chuàng)建HOG對象。然后,使用hog.compute()函數(shù)計算圖像的HOG特征。最后,通過np.reshape()函數(shù)將一維特征向量轉換為二維數(shù)組,并使用cv2.imshow()函數(shù)顯示結果。
支持向量機(SVM)分類器的使用
使用支持向量機(Support Vector Machine, SVM)分類器進行圖像分類的步驟如下:
準備數(shù)據(jù):收集和準備圖像數(shù)據(jù)集,將每個圖像與其對應的類別標簽相關聯(lián)。
提取特征:使用適當?shù)姆椒◤膱D像中提取特征??梢允褂弥疤岬降腟IFT、HOG等特征提取方法,也可以使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(Convolutional Neural Network, CNN)等深度學習模型提取特征。
準備訓練數(shù)據(jù):將提取的特征與對應的類別標簽組合成訓練數(shù)據(jù)集,確保數(shù)據(jù)格式正確。
訓練分類器:使用訓練數(shù)據(jù)集來訓練SVM分類器。在OpenCV中,可以使用cv2.ml.SVM_create()函數(shù)創(chuàng)建SVM對象,并使用svm.train()方法進行訓練。
預測和評估:使用訓練好的分類器進行圖像分類預測,然后評估分類器的性能。
import cv2 import numpy as np # 準備數(shù)據(jù) # ... # 提取特征 # ... # 準備訓練數(shù)據(jù) # ... # 創(chuàng)建SVM對象 svm = cv2.ml.SVM_create() # 設置SVM參數(shù) svm.setType(cv2.ml.SVM_C_SVC) svm.setKernel(cv2.ml.SVM_LINEAR) # 訓練分類器 svm.train(samples, cv2.ml.ROW_SAMPLE, labels) # 預測新樣本 predicted_label = svm.predict(new_sample) # 評估性能 accuracy = svm.evaluate(test_samples, test_labels)
根據(jù)實際情況準備數(shù)據(jù)、提取特征和準備訓練數(shù)據(jù)。然后,使用cv2.ml.SVM_create()函數(shù)創(chuàng)建SVM對象,并使用setType()方法設置SVM的類型(如C-SVC)和setKernel()方法設置SVM的核函數(shù)(如線性核)。接下來,使用train()方法訓練分類器,傳入訓練數(shù)據(jù)集和對應的標簽。然后,可以使用predict()方法對新樣本進行預測,并使用evaluate()方法評估分類器的性能。
實現(xiàn)過程
數(shù)據(jù)集的收集和預處理
- 收集數(shù)據(jù)集
import cv2
import os
# 建立保存圖像的文件夾
data_dir = 'data/'
if not os.path.exists(data_dir):
os.makedirs(data_dir)
# 打開攝像頭
cap = cv2.VideoCapture(0)
# 設置每個類別的圖像數(shù)量
num_samples = 50
for label in ['class1', 'class2']:
# 建立保存當前類別圖像的文件夾
label_dir = data_dir + label + '/'
if not os.path.exists(label_dir):
os.makedirs(label_dir)
# 按空格鍵收集圖像
print('Collecting images for {}...'.format(label))
for i in range(num_samples):
ret, frame = cap.read()
cv2.imshow('frame', frame)
# 按'space'鍵保存圖像
if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord(' '):
cv2.imwrite(label_dir + '{}.jpg'.format(i), frame)
print('{} image saved'.format(i))
print('Finish collecting images for {}'.format(label))
# 釋放攝像頭,關閉窗口
cap.release()
cv2.destroyAllWindows()
使用os.makedirs()函數(shù)創(chuàng)建保存圖像的文件夾。然后,使用cv2.VideoCapture()函數(shù)打開攝像頭,并使用循環(huán)收集每個類別的圖像。在循環(huán)中,使用cap.read()函數(shù)讀取攝像頭捕獲的圖像,并使用cv2.imshow()函數(shù)顯示圖像。然后,如果按下空格鍵,使用cv2.imwrite()函數(shù)將當前圖像保存到對應類別的文件夾中。最后,釋放攝像頭并關閉窗口。
- 預處理數(shù)據(jù)集
import cv2
import os
import numpy as np
# 讀取數(shù)據(jù)集和標簽
data_dir = 'data/'
labels = ['class1', 'class2']
data = []
target = []
for label in labels:
label_dir = data_dir + label + '/'
for img_file in os.listdir(label_dir):
img = cv2.imread(label_dir + img_file)
img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
img = cv2.resize(img, (64, 64))
data.append(img)
target.append(labels.index(label))
# 將數(shù)據(jù)集和標簽轉換為數(shù)組類型
data = np.array(data)
target = np.array(target)
# 劃分訓練集和測試集
train_data = data[:80]
train_target = target[:80]
test_data = data[80:]
test_target = target[80:]
使用cv2.imread()函數(shù)讀取每個圖像,并使用cv2.cvtColor()函數(shù)將圖像轉換為灰度圖像。然后,使用cv2.resize()函數(shù)將圖像大小調(diào)整為相同的尺寸(如64x64)。接下來,將預處理后的圖像數(shù)據(jù)和對應的類別標簽分別存儲在data和target數(shù)組中。最后,使用np.array()函數(shù)將數(shù)據(jù)集和標簽轉換為數(shù)組類型,并使用數(shù)組切片將數(shù)據(jù)集劃分為訓練集和測試集。
特征提取和訓練分類器
- 特征提取
import cv2
import os
import numpy as np
from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
# 讀取數(shù)據(jù)集和標簽
data_dir = 'data/'
labels = ['class1', 'class2']
data = []
target = []
for label in labels:
label_dir = data_dir + label + '/'
for img_file in os.listdir(label_dir):
img = cv2.imread(label_dir + img_file)
img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
img = cv2.resize(img, (64, 64))
data.append(img.flatten())
target.append(labels.index(label))
# 特征提取
vectorizer = CountVectorizer()
X = vectorizer.fit_transform([str(d) for d in data])
# 劃分訓練集和測試集
train_data = X[:80]
train_target = target[:80]
test_data = X[80:]
test_target = target[80:]
首先讀取數(shù)據(jù)集和標簽,與前面的代碼相同。然后,將每個圖像展平為一維向量,并將所有向量組合成一個二維數(shù)組data。接下來,使用CountVectorizer()函數(shù)初始化一個文本特征提取器,將所有圖像向量轉換為字符串形式,并使用fit_transform()函數(shù)將這些字符串提取為特征向量。最后,將特征向量劃分為訓練集和測試集。
- 訓練分類器
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.metrics import accuracy_score
# 初始化KNN分類器
knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=3)
# 訓練分類器
knn.fit(train_data, train_target)
# 在測試集上評估分類器性能
y_pred = knn.predict(test_data)
acc = accuracy_score(test_target, y_pred)
print('Accuracy:', acc)
使用KNeighborsClassifier()函數(shù)初始化一個KNN分類器,并指定鄰居數(shù)為3。然后,使用fit()函數(shù)在訓練集上訓練分類器。接下來,使用predict()函數(shù)在測試集上進行預測,并使用accuracy_score()函數(shù)計算分類器在測試集上的準確率。最后,輸出分類器的準確率。
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