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魔方自动还原

工具原理及使用演示： 一行代码“玩转”魔方 | Python 演示 Jupyter 文件地址：demo-jupyter.ipynb

在 B 站看到一个用 Python 复原魔方的视频，觉得还蛮有意思，就自己动手写了个工具。废话不多说，先看演示吧。

  1. 随机打乱一个魔方

  2. 导入工具，一行代码还原魔方

    from rubik import *
Cube().auto_solve_cube(wait=False)

使用介绍

安装依赖

  1. 安装 Python 包

    pip install pyautogui # 自动化工具
pip install kociemba # 魔方算法工具
pip install opencv-python # 图像处理工具
pip install imutils # 图像放缩

  2. 搜索安装谷歌浏览器的插件 Rubik 深度截图_选择区域_20220128171120

  3. Ubuntu 系统还需要安装 scrot 用于截图

    sudo apt-get install scrot

  4. Mac 系统需开启屏幕截图权限，否则只会截取桌面，参见 StackOverflow。

使用方法

将仓库下载到本地，并切换到 demo 分支：

git clone https://github.com/RexWzh/rubik_cube.py.git
cd rubik_cube.py
git checkout rex/demo

跟随 demo 下的 Jupyter 文件进行演示，或者按下面的步骤进行操作。

  1. 打开浏览器插件，双击进入准备状态 20220419174040

  2. 初始化类对象 Cube，检测魔方位置

    from rubik import *
cube = Cude()

  3. 查看魔方定位是否正确

    cube.show_detection()

    output

  4. 检查小面位置

    cube.check_facets()

  5. 检查基本旋转

    cube.check_basic_moves() # 检查基本旋转是否正确

  6. 识别魔方状态，并打印展开图

    # 获取小面分布信息
state = cube.get_cube_distribution(string_code=True) 
print(expand_cube(state))

  7. 识别并求解魔方

    cube.auto_solve_cube()

  8. 构造给定魔方状态

    state = "UBRLUFFUBLRUFRLLLRDBDRFDBBUDDBUDDLRFBFLDLBFFRFLRUBRDUU"
cube.to_cube_state(state)

文件说明

  1. src 目录下有五个主要文件

    文件名 说明介绍
    rubik.py 类对象 Cube
    group.py 魔方群工具
    tools.py 函数工具
    data.py 记录魔方的色块等信息
    scale_match.py 支持比例放缩的图像检测

  2. demo 目录下

    文件名 说明介绍
    demo-jupyter.ipynb Jupyter 演示文件

工具原理

分两部分：

  • pyautogui + cv2 检测魔方位置，识别魔方状态，执行电脑操作
  • kociemba 调用魔方算法

此外，函数 Cube.to_cube_state() 借助群论，扩展 Kociemba 算法的使用范围，也即用于魔方状态的转换，而不局限于魔方还原。

原理细节

  1. 图像检测，计算最佳比例和魔方位置 test

  2. 计算一点 + 一边，并推导其他位置信息

  3. 魔方状态码

    • 魔方状态码是 URFDLB 构成的字符串，URFDLB 是魔方六个面的缩写，其中 U 为顶面（up），R 为右面（right），F 为正面（Front），D 为顶面（down），L 为左面（Left），B 为背面（Back）
    • 状态码按如下展开图的标号顺序读入 
                  |************|
            |*U1**U2**U3*|
            |************|
            |*U4**U5**U6*|
            |************|
            |*U7**U8**U9*|
            |************|
************|************|************|************
*L1**L2**L3*|*F1**F2**F3*|*R1**R2**R3*|*B1**B2**B3*
************|************|************|************
*L4**L5**L6*|*F4**F5**F6*|*R4**R5**R6*|*B4**B5**B6*
************|************|************|************
*L7**L8**L9*|*F7**F8**F9*|*R7**R8**R9*|*B7**B8**B9*
************|************|************|************
            |************|
            |*D1**D2**D3*|
            |************|
            |*D4**D5**D6*|
            |************|
            |*D7**D8**D9*|
            |************|
    • 比如还原状态为 UUUUUUUUURRRRRRRRRFFFFFFFFFDDDDDDDDDLLLLLLLLLBBBBBBBBB

  4. 识别魔方状态：

    • 将正视图的三面视为 U, L, F，截图识别颜色分布
    • 滑动到背面，获取后三面的颜色分布
    • 两部分信息整合，导出魔方状态码

  5. 魔方公式

    • 调用函数 kociemba.solve ，获取魔方公式
    • 魔方公式为 U, U', U2, R, R', R2... 等构成的列表
    • 其中 U, U', U2 分别代表顶面顺时针旋转 90°，逆时针旋转 90°，以及旋转旋转 180°，其他各面规则同理

  6. 将公式实现为操作

    • 由小面位置和基本向量计算位置参数
    • 用 pyautogui 的函数 moveTo 和 dragRel 实现鼠标移动和拖拽

由于函数间需频繁共享位置数据，因而使用面向对象编程，数据作为属性，函数作为方法。

写在最后

这是放假在家随手写的实战，代码在 Ubuntu 和 Windows 测试通过，如果遇到问题欢迎评论交流~