張菲菲 種蘭祥

摘 ? 要：考試閱卷是一項繁重的重復(fù)性勞動。為了減輕教師的閱卷負(fù)擔(dān)，本文采用計算機視覺技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了單機版和B/S架構(gòu)的客觀考試題的答題卡識別系統(tǒng)。教師只需要使用普通USB攝像頭對具有標(biāo)準(zhǔn)答案的答題卡進(jìn)行標(biāo)定，然后依次拍照待閱試卷，系統(tǒng)即可記錄、輸出成績并做出簡要分析。

關(guān)鍵詞：計算機視覺;答題卡識別;數(shù)據(jù)管理

中圖分類號：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2019）11-0051-04

一、引言

光標(biāo)閱讀機（Optical Mark Reader）作為自動化閱卷工具，在很大程度上能減輕教師在批閱客觀考試題上花費的精力，但由于其屬于光電設(shè)備，本身的價格和維護(hù)成本較高，且只能用閱讀專用鉛筆在專用答題卡上填涂答案，還不能保存答題卡的數(shù)字圖像，難以普及到個人使用。[1][2]本文采用消費級USB攝像頭，以VS2012為開發(fā)平臺，選用MySQL數(shù)據(jù)庫，融合計算機視覺、Ajax和Socket相關(guān)技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了成本低廉、使用方便，對紙張和填涂筆無特殊要求，適合教師個人、偏遠(yuǎn)地區(qū)和普通學(xué)校使用的客觀題答題卡識別系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)主要功能的設(shè)計與實現(xiàn)

答題卡識別系統(tǒng)由用戶管理、圖像處理、答卷識別、數(shù)據(jù)管理四部分組成，每一部分有若干個功能模塊，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，用戶管理包括個人密碼賬號管理、登錄和注銷等日志管理。圖像處理包括圖像采集、圖像存儲、圖像預(yù)處理和答題卡模板設(shè)計。答卷識別包括定位信息提取、精確定位和填涂信息識別。數(shù)據(jù)管理包括學(xué)生信息管理、學(xué)生成績管理和標(biāo)準(zhǔn)答案管理。

1.圖像處理

圖像處理部分包含三個功能模塊。實際上，系統(tǒng)實現(xiàn)時首先要做好答題卡模板設(shè)計。本文在分析現(xiàn)有答題卡結(jié)構(gòu)與特點的基礎(chǔ)上，考慮到通用性，方便用戶使用普通激光打印機和普通A4復(fù)印紙就可打印答題卡，自行設(shè)計了答題卡模板，由六個分區(qū)構(gòu)成，分別是①標(biāo)題區(qū)、②考生信息填寫區(qū)、③學(xué)號或準(zhǔn)考證號填涂區(qū)、④答案填涂區(qū)、⑤信息提示區(qū)、⑥定位信息區(qū)，如圖2所示。本文使用Visio軟件繪制答題卡標(biāo)準(zhǔn)模板后存儲為PDF文件供打印使用，存儲為JPG格式，大小為2480×3508像素作為標(biāo)準(zhǔn)模板圖像。

教師使用本系統(tǒng)時，存在攝像頭性能參數(shù)不一、光照環(huán)境各異、采集的圖像會發(fā)生傾斜或變形等多種情況，故必須對答題卡圖像進(jìn)行圖像灰度化、圖像二值化、圖像傾斜矯正等預(yù)處理，以盡可能地減小噪聲和人工操作對圖像識別的影響，保證后續(xù)圖像識別結(jié)果的正確性。

同樣，本文將待閱答題卡圖像進(jìn)行縮放，使其和答題卡標(biāo)準(zhǔn)模板圖像大小相同，以保證最好的圖像識別效果。

要實現(xiàn)答題卡圖像的傾斜矯正，首先要提取答題卡圖像角定位點坐標(biāo)，由于三個點可以確定一個面，因此，在待閱答題卡圖像角定位點的左上角坐標(biāo)?。╱1，v1）、（u2，v2）、（u3，v3），對應(yīng)的在標(biāo)準(zhǔn)模板圖像角定位點的左上角坐標(biāo)?。▁1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）;然后，建立待閱答題卡圖像與模板圖像相應(yīng)角定位點坐標(biāo)的映射關(guān)系，將這六個點代入（公式1），解六元一次方程組（見公式2），即可求得待閱答題卡與標(biāo)準(zhǔn)模板圖像之間的仿射變換矩陣A。

最后，根據(jù)仿射變換矩陣A，對待閱答題卡圖像角定位點組坐標(biāo)進(jìn)行插值計算，得出矯正后答題卡圖像角定位點坐標(biāo)，對其標(biāo)記并做輸出。即可實現(xiàn)對待閱答題卡圖像的傾斜矯正，進(jìn)而得到矯正后答題卡圖像效果圖（見圖3），為后續(xù)的圖像識別奠定了重要基礎(chǔ)。

2.答題卡圖像的識別

識別答題卡圖像，需要進(jìn)行定位信息提取、精確定位和填涂區(qū)識別等。答題卡定位信息包括答題卡四個角定位點信息和定位線信息。定位線包括頂部定位線、右側(cè)定位線和底部定位線，分別由11個、34個、20個矩形定位信息點組成，共有65個定位信息點。

提取答題卡角定位點信息，常用邊緣檢測、輪廓區(qū)域檢測、角點檢測、模板匹配等方法。[6]邊緣檢測和輪廓區(qū)域檢測利用圖像邊緣的突變性質(zhì)來檢測并提取其邊緣信息，適合處理沒有發(fā)生透視情況的傾斜矯正，處理范圍比較局限，[7]由于攝像頭在采集答題卡圖像時避免不了圖像發(fā)生透視的情況，所以這種方法不能實現(xiàn)在透視情況下對答題卡角定位點的提取;采用角點檢測來獲取答題卡圖像的角點特征，其特點是檢測精度高、運算速度慢，[8]由于答題卡四個角定位點簡單明顯，如果采用角點檢測來提取答題卡角定位點信息，其運算速度太慢，延長了角定位點信息提取的時間，因此這種方法不適用于對答題卡角定位點的提取;采用模板匹配方法提取答題卡圖像的角定位點，這種方法簡單易行，能彌補前兩種方法的不足，更適用于答題卡角定位點信息的提取。

模板匹配是當(dāng)模板圖像塊的圖案以圖像的形式表現(xiàn)時，根據(jù)該圖案與待閱答題卡各個局部的相似度來判斷其是否存在，并求得模板圖像塊在待閱答題卡中的位置。[9]待閱答題卡圖像角的定位點是59×59像素的圖像塊，稱為模板圖像塊。設(shè)待閱答題卡圖像函數(shù)為I（x，y），模板圖像塊函數(shù)為T（x，y），相似度函數(shù)為R（x，y），將待閱答題卡圖像分成左上、右上、左下、右下四部分，分別在這四個部分里找每個部分的角定位點信息;采用歸一化相關(guān)系數(shù)匹配法（見公式3）計算，R在（0，1）之間取值，R越大表示匹配程度越高。當(dāng)答題卡圖像掃描完畢時，將最大的R標(biāo)記并以坐標(biāo)點的形式輸出，R取最大值時，即答題卡角定位點的左上角坐標(biāo)信息（以左上部分為例，如圖4所示）。

要提取答題卡圖像的定位線信息，首先是在矯正后的二值化圖像中，從答題卡圖像頂部、右側(cè)、底部分別提取像素大小為2478×60、60×3506、2478×60的感興趣區(qū)域。然后，由于答題卡圖像在水平方向上的投影就是每行的灰度累計值，這些值就構(gòu)成了水平方向的投影曲線;圖像在垂直方向上的投影就是每列的灰度累計值，這些值就構(gòu)成了垂直方向的投影曲線。因此，分別計算答題卡圖像頂部、右側(cè)、底部定位線在水平方向、垂直方向、水平方向的投影曲線。最后，通過分析投影曲線的特征，采用差分遍歷向量法[10]得出投影曲線的波峰位置并做輸出（見圖5），從而獲取到答題卡定位線的信息，即每個矩形定位信息點的波峰位置，對后續(xù)圖像的精確定位起到關(guān)鍵作用。

精確定位，包括對準(zhǔn)考證區(qū)和答案填涂區(qū)每個選項的定位;答題卡頂部、右側(cè)分別由11個、10個矩形定位信息點共同定位110個矩形定位信息點，即準(zhǔn)考證區(qū)域;答題卡底部、右側(cè)分別由20、24個矩形定位信息點共同定位480個矩形定位信息點，即答案填涂區(qū)。采用逐步遍歷的方法定位到每個選項左上角的坐標(biāo)信息并做標(biāo)記（見圖6、7）。

對于答題卡圖像填涂區(qū)域的識別，從每個選項的左上角坐標(biāo)開始，從左到右、從上到下檢索，累計非零像素點的個數(shù)即每個選項的填涂面積，當(dāng)實際填涂面積大于等于平均灰度面積的60%時，就判定為已填涂并且進(jìn)行標(biāo)記，否則視為沒有填涂（見圖8）。

3.B/S架構(gòu)實現(xiàn)

本文完成了單機版和B/S架構(gòu)的答題卡識別系統(tǒng)。在這里，主要闡述B/S架構(gòu)的答題卡識別系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。首先，連接好攝像頭、支架、底座等硬件設(shè)備，在計算機中打開客戶端主界面，選擇頁面自動加載目前可以使用的攝像頭，在主界面的下拉菜單里，選擇要采集答題卡的攝像頭，點擊“開啟攝像頭”按鈕，在主界面的左下方區(qū)域會出現(xiàn)攝像頭拍攝的視頻畫面;其次，調(diào)整答題卡位置，使其答題卡圖像四個角定位點完全出現(xiàn)在攝像頭畫面中，并且盡可能保證其位置不傾斜，周圍光照等環(huán)境最佳，點擊“空格鍵”，即開始識別，通過TCP通信[11]，將答題卡圖像數(shù)據(jù)傳給應(yīng)用程序，進(jìn)行識別處理;接著，應(yīng)用程序通過服務(wù)器端，收到答題卡圖像數(shù)據(jù)，通過圖像處理算法進(jìn)行識別，將識別出的答案與數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)答案進(jìn)行對比計算出分?jǐn)?shù)，將準(zhǔn)考證號、分?jǐn)?shù)、識別后的文件名，存入數(shù)據(jù)庫中，通過TCP通信，將識別結(jié)果返回給客戶端;最后，客戶端將識別的準(zhǔn)考證號、分?jǐn)?shù)顯示在主界面上，同時，主界面顯示了識別之前答題卡圖像填涂情況和識別之后標(biāo)記的答題卡圖像的填涂情況，可以直觀地對比得出考生所填涂的信息是否被識別。

在實現(xiàn)過程中，含有標(biāo)準(zhǔn)答案的答題卡圖像是通過Visio軟件進(jìn)行填涂、打印而得到的。標(biāo)準(zhǔn)答案的數(shù)據(jù)是通過攝像頭采集之后，進(jìn)行圖像處理得到的，同時，需將標(biāo)準(zhǔn)答案數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。

三、系統(tǒng)測試

測試壞境：主機為宏碁4752G，內(nèi)存4G，Windows 7操作系統(tǒng)，攝像頭為普通視頻攝像頭，像素為1200W，共測試300份答題卡，每份120道題，其中含擦除不干凈、填涂深淺不一等各種特殊情況。

測試結(jié)果：對于規(guī)范填涂的答題卡，識別率是100%;對于填涂不規(guī)范并且填涂面積小于矩形框的一半的答題卡誤判率為0.3%。

四、結(jié)束語

答題卡識別系統(tǒng)是計算機視覺研究的一個典型應(yīng)用，將教師從繁重重復(fù)的客觀題閱卷勞動中解放出來，并且能夠?qū)Τ煽兣判蚍治?，輔助教師調(diào)整教學(xué)方案。也讓偏遠(yuǎn)地區(qū)和經(jīng)費緊張地區(qū)的中小學(xué)教師能夠使用上信息化的教學(xué)系統(tǒng)，享受到信息化發(fā)展的紅利。對于其它類型的大型考試，以及當(dāng)前推行的過程性評價中應(yīng)用隨堂測試，更具有廣泛的應(yīng)用前景和實用價值。當(dāng)然，如何提高答題卡識別的自動化程度，還需要進(jìn)一步研究。

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（編輯：王天鵬）