基于圖像識別的閱卷系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

高校學(xué)生的期末考試是普通高等學(xué)校管理的一項重要工作，它是根據(jù)國家對高等學(xué)校學(xué)生德智體全面發(fā)展的要求，按照統(tǒng)一的原則、方法和程序，對學(xué)生學(xué)習(xí)和行為的表現(xiàn)進行階段和全程的質(zhì)量考核、記載、評價和處理。目前客觀題型較多的英語考試或計算機基礎(chǔ)考試均實現(xiàn)了閱卷自動化，無需教師干預(yù)，既能加快試卷反饋的速度，又能保證公平公正。傳統(tǒng)的閱卷系統(tǒng)利用光學(xué)標記閱讀機的光電變換原理，對填涂在答題卡上的內(nèi)容進行高速采集，然后進入計算機處理[1]。但是它對答題卡紙張和印刷質(zhì)量要求太高，如套印誤差和剪切誤差必須分別控制在0.1 mm和0.2 mm以內(nèi)；對使用者涂寫要求太高，限制太多，如需要用專用鉛筆涂滿長方條，不得涂出長方條外，整張答題卡涂寫要深淺一致等；機械傳動機構(gòu)復(fù)雜、使用壽命短、維護量大、設(shè)備一致性差[2]。
　本文提出一種基于圖像識別的閱卷系統(tǒng)，允許使用者使用任何顏色的圓珠筆、鋼筆或鉛筆在一般紙張的固定位置上涂寫如“√”、“w”、“○”等手寫符號完成答題，由閱卷系統(tǒng)采用圖像識別技術(shù)自動識別答題卡信息，實現(xiàn)閱卷自動化。本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的光學(xué)標記閱讀機閱卷系統(tǒng)的不同之處在于，本閱卷系統(tǒng)對答題卡紙張和填涂符號均無特殊要求，無需特制答題卡，無特殊涂寫要求[3]。
1 系統(tǒng)實現(xiàn)流程及模塊組成
　(1)設(shè)計和定義答題卡，將允許用戶填寫的手寫符號限定在一定的矩形區(qū)域內(nèi);
(2)通過CCD采像設(shè)備采集答題卡圖像，經(jīng)掃描、采樣、量化等過程，同時將答題卡圖像以JPG格式保存在主機內(nèi)存和硬盤里;
　(3)對答題卡圖像進行預(yù)處理，包括粘連字符分割、灰度變換、二值化、圖像偏斜糾正、平滑和細化等過程，以將答題卡固有的紙張問題、書寫不規(guī)范、答題卡傳動機械定位精度所帶來的干擾因素排除掉，并為后續(xù)的識別工作做好準備[4];
　(4)對答題卡信息進行識別。通過圖像分析抽取圖像，并經(jīng)過綜合特征提取，結(jié)合答題卡表格的邏輯結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)，準確識別填涂在矩形塊位置上的“√”、“w”、“○”等手寫符號得到答題信息。答題卡識別算法的優(yōu)劣決定了整個系統(tǒng)的性能(如識別的精度、可靠性等)，是整個軟件系統(tǒng)中最重要的部分;
　(5)對識別的答題信息進行加工、整理、分析和統(tǒng)計，結(jié)合軟件的設(shè)置對答題卡信息進行判分。
　綜上所述，系統(tǒng)實現(xiàn)流程如圖1所示。

　為了便于學(xué)生和教師查詢和分析閱卷結(jié)果，本閱卷系統(tǒng)還設(shè)置了用戶登錄模塊、學(xué)生信息管理模塊、課程基本信息管理模塊、試卷分析模塊、成績查詢模塊、答題卡圖像查詢模塊、報表打印模塊和補考管理模塊。其中試卷分析模塊對試卷的各項數(shù)據(jù)進行分析和統(tǒng)計，包括最高分、最低分、平均數(shù)、及格率方差、標準差等，完成試卷分析功能；答題卡圖像查詢模塊允許學(xué)生通過姓名查詢存儲在硬盤中的答題卡圖片；補考管理模塊統(tǒng)計不及格、缺考或舞弊學(xué)生信息，生成補考表；報表打印模塊完成答題卡圖片、成績報告單、試卷分析報告和補考表等的打印功能。系統(tǒng)模塊組成如圖2所示。

2 系統(tǒng)主要實現(xiàn)技術(shù)
2.1答題卡設(shè)計
　答題卡設(shè)計成表格的形式，由試卷答題卡基本信息、考生基本信息、答題卡填寫說明及題目選項列表組成，考生用“√”、“w”、“○”等手寫符號在相應(yīng)的矩形框中選擇答案。答題卡示例如圖3所示。

　答題卡版面與普通表格一樣具有幾何結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)，幾何結(jié)構(gòu)反映了所填寫的信息區(qū)域的位置和大小，邏輯結(jié)構(gòu)則表示答題卡中所填寫信息的實際意義以及填寫信息與填寫項之間的對應(yīng)關(guān)系。
　在傳統(tǒng)的光學(xué)標記閱讀機閱卷系統(tǒng)中，答題卡的幾何結(jié)構(gòu)大部分都是采用定位標記塊進行描述，這種描述方法具有很多缺點，如浪費版面空間、缺乏靈活性、版面設(shè)計比較復(fù)雜、對印刷質(zhì)量要求高、不便于修改等，而且定位標記塊看起來也不美觀。在本系統(tǒng)答題卡版面中，填寫信息在幾何結(jié)構(gòu)上可以看成由若干個互不相交的矩形塊組成，它們組成了答題卡版面的最小單位[5]，可以以答題卡的邊框線建立二維坐標系，以矩形的對角頂點坐標來描述矩形塊的位置和大小，完成對答題卡的幾何結(jié)構(gòu)描述，該方法簡潔、靈活，便于識別。
　　答題卡的邏輯結(jié)構(gòu)描述是定義矩形塊的屬性。矩形塊的屬性包括對填寫項以“√”、“w”、“○”表示的選擇或者不選擇。
　　本系統(tǒng)采用文檔結(jié)構(gòu)描述語言同時對幾何結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)進行描述。設(shè)一張答題卡包含n個填寫有信息的矩形塊B1，B2,...,Bn, 矩形塊之間存在著上下結(jié)構(gòu)和左右結(jié)構(gòu)的幾何位置關(guān)系，其邏輯順序一般是從上到下、從左到右，在描述文檔結(jié)構(gòu)時也采用這種順序，則文檔結(jié)構(gòu)描述語言DDL 表示如下：

其中i 是答題卡的序號；n是矩形塊的總數(shù)；xi為矩形塊在水平方向的位置；yi為矩形塊在垂直方向的位置；li為矩形塊的長度；wi為矩形塊的寬度；attri表示矩形塊的屬性，當(dāng)attri為0時,表示該矩形塊的填寫內(nèi)容為待識別的字符,attri為1時，矩形塊作為圖像保存。
　將答題卡設(shè)計成常見的表格形式，一方面它和一般考試用到的答題卡的形式類似，符合人們的使用習(xí)慣和書寫習(xí)慣；另一方面可以利用文檔描述語言對它的幾何結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)進行描述，以便更好地對矩形框內(nèi)的字符特征進行提取與識別，辨別矩形框中的字符，與標準答案比對，對考生客觀題進行判分。
2.2 答題卡信息識別
　本系統(tǒng)采用漢字識別方法中的統(tǒng)計決策方法對手寫字符進行識別，如圖4所示，首先提取字符特征，對字符進行分類判別，經(jīng)過訓(xùn)練和識別兩個階段，最后識別出字符[6]。訓(xùn)練階段，收集日常人們習(xí)慣的手寫符號為樣本，經(jīng)過篩選分類建立樣本庫，以便對待識別字符進行分類和識別。識別階段，將待識別符號的特征與訓(xùn)練階段中所建立的標準樣本特征比較,計算最大相似度以判別該手寫符號所屬的類別[7]。

2.2.1 字符特征提取
　學(xué)生在答題過程中由于緊張和個人原因，寫出的√、w、○等答題符號往往千變?nèi)f化。為準確識別這些手寫符號，需要進行字符結(jié)構(gòu)特征提取，將最能體現(xiàn)這個字符特點和字符間差異的結(jié)構(gòu)特征提取出來。本系統(tǒng)提取的特征是以下特征的組合。
　(1)點特征
　點特征是一種重要的結(jié)構(gòu)特征，是指字符筆畫中的端點。端點反映了字符中筆畫的起點和終點信息，與該點相連的點數(shù)為 1。
　(2)筆畫密度特征
　筆畫密度特征是取得符號水平方向筆畫密度函數(shù)d(x)和垂直方向的筆畫密度函數(shù)d(y),然后進行相同項合并[1]。如圖5所示，符號“○”水平方向筆劃密度函數(shù)d(x)和垂直方向的筆劃密度函數(shù)d(y)分別是： d(x)=(1,...,1,2,...,2,1,...,1)，d(y)=(1,...,1,2,...,2,1,...,1)，則合并后筆畫密度可表示為d(x)=d(y)=(1,2,1)。