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(shù)。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(gòu)、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(shù)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(shù)的應用前景和局限性,為相關(guān)研究者提供參考。
貨幣識別技術(shù)的應用場景
貨幣識別技術(shù)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(shù)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(gòu):商業(yè)銀行和金融機構(gòu)需要處理大量的現(xiàn)金交易,利用貨幣識別技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)在貨幣識別中的應用
常見的圖像處理技術(shù)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(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)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(guān)鍵點和計算描述符 keypoints, descriptors = sift.detectAndCompute(image, None) # 繪制關(guān)鍵點 image_with_keypoints = cv2.drawKeypoints(image, keypoints, None) # 顯示結(jié)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(guān)鍵點并計算描述符。最后,使用cv2.drawKeypoints()
函數(shù)繪制關(guān)鍵點在圖像上,并通過cv2.imshow()
函數(shù)顯示結(jié)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(zhuǎn)換為二維數(shù)組 hog_features = np.reshape(hog_features, (-1, hog_features.shape[0])) # 顯示結(jié)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(zhuǎn)換為二維數(shù)組,并使用cv2.imshow()
函數(shù)顯示結(jié)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(guān)聯(lián)。
提取特征:使用適當?shù)姆椒◤膱D像中提取特征。可以使用之前提到的SIFT、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(guān)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(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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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