一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置及方法与流程

本发明涉及实验技术领域，特别涉及一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置及方法。

背景技术：

实验是检验学生对理论知识的掌握水平的一种重要的教学手段。目前的中学实验技能评分方法都是按照一定的实验操作要求的评分要点，由评分老师进行主观评分，评分过程中的实验操作涉及到精细操作、操作顺序与实验结论的判断，这个需要对中学试验操作经验丰富的专业实验学科老师才能够完成对操作的评价。

例如在物理电学实验中的电路装置搭建操作，在电路实验的搭建过程中，必须等到该操作的评分要点时，现场评分老师逐一进行确认才能进行下一步评分。而在中学物理电路中的实验操作及评分过程中，判断电路连接的串并联关系是电路实验的重难点，也是对电路实验操作正确与否的进一步判断的依据。传统的现场评分需要现场监考人员逐一厘清每一组考生在实验操作过程中的电路连接关系才能得出结论，这也导致现场的人工评分工作量巨大，而且对于同一操作不同的评分老师的评分尺度不同，得到的评分结果也就无法做到一定的客观性。

近年来，随着大数据以及人工智能技术在机器视觉、图像处理技术上的快速应用，基于学生实验过程中采集的大量数据，结合最新的人工智能算法、深度学习算法，并根据中学物理电路实验的评分的需要，设计一种基于中学物理电路实验并自动绘制实验操作电路图的方法，利用实验操作过程中的电路元器件的连接拓扑关系，自动绘制学生操作过程中所连接的电路图，并将得到的自动绘制的电路图展示出来以及进行下一步评分操作，这样就能够对电路搭建过程中存在的评分人员素质要求高、评分工作量极大以及评分标准难以统一等一系列问题进行很好的改进，在减轻评分人员工作量的同时也能很大程度上促进中学实验操作的可视化，更好地激发学生实验课的趣味性与积极性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置及方法，可以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置，包括实验桌以及显示屏，实验桌的三侧边沿上连接挡板，显示屏放置在实验桌上，并被挡板围住；

所述实验桌位于显示屏的前端划为电路连接操作区，并在显示屏两侧的实验桌上分别设置元器件放置机构和导线放置机构；

所述显示屏的背面上通过螺栓安装旋转架，旋转架的顶端连接顶视摄像头，其顶视摄像头的摄像口朝向实验桌，并输出数据至显示屏；

所述元器件放置机构包括顶部开口的盒体、隔板、压板和转轴，隔板分隔盒体内部空间，隔成多个相互独立的放置槽，放置槽内对应放置不同的元器件，转轴的一端插入盒体的顶部边沿上，压板的侧壁固定在转轴上，压板与转轴同步旋转卡在放置槽的上方，压板用于卡住元器件；

所述导线放置机构包括底架、第一侧板和第二侧板，底架的两端分别与第一侧板和第二侧板相接，第一侧板和第二侧板的顶端上加工多个线槽，第一侧板和第二侧板的线槽分别夹持在导线的两端。

进一步地，导线包括第一线头、第二线头和线体，线体的两端分别与第一线头和第二线头相接，第一线头和第二线头的侧壁上加工槽孔，每组第一线头和第二线头的颜色一致，不同组别的导线颜色不同。

进一步地，顶视摄像头内置红外采集模块，显示屏内置图像捕捉模块和指令模块，红外采集模块采集电路连接操作区内导线和元器件的连接图像，图像数据上传至图像捕捉模块，图像捕捉模块分割及图像处理算法对分割出来的图像块进行进一步的状态分类，判别在该帧图像中该元器件的状态，指令模块得到的图像数据帧中每一根导线相连的元器件生成最终的电路连接邻接表。

本发明提出的另一种技术，包括一种中学物理电路实验电路图自动绘制的方法，包括以下步骤：

s1：搭建实验过程视频数据采集的硬件环境，采集学生在进行电路实验过程连接元器件的视频数据，由于需要将学生在实验桌上操作的电路连接过程都能够拍摄完整，该电路实验采集过程所采用的摄像头为一个顶视摄像头，拍摄角度为从上到下，拍摄范围为整张实验桌；

s2：由s1得到的学生实验操作过程的红外采集模块采集视频，首先将采集到的顶视视频切分成一帧帧的按照时间拍列的原始视频图像，然后再利用深度学习目标检测算法及图像处理算法识别采集到的视频中每一帧图像的目标物体及其状态并记录在列表中，得到采集视频中所有图像的所有目标物体的目标框位置与元器件状态标志数据列表；

s3：由s2得到的顶视视频中的每一帧图像的所有目标的目标框位置信息及元器件状态标志信息的数据列表，筛选原始视频图像帧，将满足一定条件的图像帧挑选为绘制电路图的图像数据；

s4：由s3得到的经过挑选的满足一定条件的图像帧数据集，统计所获得的图像帧中的导线与各目标元器件框的位置关系，逐一确定各个电路元器件之间的电学连接关系，最后根据图像帧数据集将所有元器件的连接关系整理生成为邻接矩阵表示的电路连接关系图；

s5：由s4得到的各元器件连接关系邻接矩阵，以及由邻接矩阵表示的所有检测到的元器件的连接关系、元器件的种类及其状态标志，依据由邻接矩阵表示的电路连接关系将所有涉及的元器件传了起来，即为最终的电路图。

进一步地，针对s2包括以下步骤：

s21：电路实验需要检测的目标主要分为两类，一类是电路实验操作过程使用到的元器件，一类是某些元器件的状态如开关是否闭合、灯泡是否点亮及电表是否有读数等；

s22：将s1采集到顶视视频分解成一帧帧的图像数据，将每一帧的图像通过目标识别算法将电路元器件识别并框出目标在图像中的位置；

s23：将s22得到的元器件的矩形框位置的图像区域分割出来，通过图像分割及图像处理算法对分割出来的图像块进行进一步的状态分类，判别在该帧图像中该元器件的状态。

进一步地，针对s3包括以下步骤：

s31：由s2得到的所有采集视频图像的元器件检测结果及元器件状态信息，并且将每一帧图像数据与检测结果的元器件状态信息进行一一对应；

s32：由s31得到对应好每一帧图像的元器件检测结果及状态信息的数据，而这其中绘制电路图使用到的仅为电路图连接确定后的图像帧，电路连接确定的图像帧也即为电路通电过程中的图像数据；

s33：当满足开关状态为闭合、电流表或电压表读数状态为正及画面中检测到本次实验所有的元器件以上三个条件时，即可挑选出来作为后续绘制电路图的图像数据帧。

进一步地，针对s4包括以下步骤：

s41：对于检测试验操作中不同元器件的连接关系，必须要将通过导线直接相连的元器件进行分组，这里需要对电路元器件上的导线插头位置及导线外绝缘层进行改造，元器件上的插头位置要不在同一侧，所有导线的外层颜色要不同区分；

s42：通过s3得到的具有固定电路连接关系的图像数据帧及每一帧对应的元器件目标框及状态信息，再利用图像分割算法将图像数据帧中不同颜色的导线分割出来，并将每一根分割出来的导线与元器件的矩形框区域位置进行判断，当两个不同的元器件上的插头位置出现同一颜色的导线时，则认为这两个不同的元器件属于电学上的连接关系；

s43：根据s42所得到的所有组具有连接关系的元器件，并分析所有s得到的图像数据帧的元器件连接关系，将在所有s1得到的图像数据帧中每一根导线相连的元器件出现次数最多的一组作为电路上最大概率相连的一组元器件，并将所有最大概率相连的元器件记录下来，生成最终的电路连接邻接表。

进一步地，针对s4包括以下步骤：

s51：根据s2得到的图像中检测到的目标元器件及状态标志信息，在已经保存的电路元器件库中挑选相应的元器件作为初始状态，其中，电路元器件库包含了所有的电路实验中使用到的所有状态标志下的元器件符号；

s52：根据s4得到的邻接表，将在邻接表中相连的的元器件在初始状态下进行连接，连接线即表示导线，同时按照一定的连接顺序进行排列，使得最终生成的电路图中的导线不能够交叉，且尽量与源图像保持一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置及方法，首先对采集到的视频图像进行目标检测，计算同一根导线的同一颜色的插头的boundingbox的位置与元器件的boundingbox的位置的距离，遍历所有的导线端口插头与各元器件的位置状态，当同一根导线上的同一颜色的不同插头与不同的两个元器件满足上述条件，则可以认为这两个元器件是相连的；将每根导线相连的出现最多次数的两个元器件视为最终的相连的元器件，将最终的连接关系用一个邻接矩阵来表示，并根据此邻接矩阵，在元器件库中挑选所需的元器件，并依据邻接矩阵将元器件以待测电阻为起点，一一连接起来，并动态的展示出来，并根据所有电路元器件的连接关系确定最终的完整电路搭建方式，并根据完整的电路搭建方式自动绘制出电路图。

附图说明

图1为本发明的实验平台的总体示意图；

图2为本发明的实验桌及摄像头部署方案前视效果图；

图3为本发明的实验桌及摄像头部署方案俯视效果图；

图4为本发明的导线放置机构结构图；

图5为本发明的元器件放置机构结构图；

图6为本发明的各电路元器件与导线插头的连接示意图；

图7为本发明的改造后的所需的各导线示意图；

图8为本发明的电路实验整体物理连接示意图；

图9为本发明的模块连接图。

图中：1、实验桌；11、挡板；2、显示屏；21、旋转架；22、图像捕捉模块；23、指令模块；3、顶视摄像头；31、红外采集模块；4、电路连接操作区；5、元器件放置机构；51、盒体；52、隔板；53、压板；54、转轴；6、导线放置机构；61、底架；62、第一侧板；63、第二侧板；7、放置槽；71、元器件；8、线槽；9、导线；91、第一线头；92、第二线头；93、线体；10、槽孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-3，一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置，包括实验桌1以及显示屏2，实验桌1的三侧边沿上连接挡板11，挡板11将实验桌1的三端围起来，剩余的一面正对操作者，显示屏2放置在实验桌1上，并被挡板11围住，实验桌1位于显示屏2的前端划为电路连接操作区4，并在显示屏2两侧的实验桌1上分别设置元器件放置机构5和导线放置机构6，元器件放置机构5和导线放置机构6对称设置，在两边拿导线9和元器件71时，可以准确对两者归类；显示屏2的背面上通过螺栓安装旋转架21，旋转架21的顶端连接顶视摄像头3，顶视摄像头3可以绕旋转架21旋转，其顶视摄像头3的摄像口朝向实验桌1，并输出数据至显示屏2，调节顶视摄像头3准确的采集画面上传显示屏2内，使用相对于物理实验台上方的俯视视角拍摄，并将所拍摄的视频通过局域网传输至显示屏2的后端视频数据库中。

参阅图4，元器件放置机构5包括顶部开口的盒体51、隔板52和压板53和转轴54，隔板52分隔盒体51内部空间，隔成多个相互独立的放置槽7，放置槽7内对应放置不同的元器件71，元器件71包括电流表、电压表、开关、电池盒、待测电阻以及滑动变阻器，转轴54的一端插入盒体51的顶部边沿上，压板53的侧壁固定在转轴54上，压板53与转轴54同步旋转卡在放置槽7的上方，压板53用于卡住元器件71，放置槽7的结构与每个元器件71的结构都是相同的，对应放置，并通过旋转压板53，卡住元器件71。

参阅图5，导线放置机构6包括底架61、第一侧板62和第二侧板63，底架61的两端分别与第一侧板62和第二侧板63相接，第一侧板62和第二侧板63的顶端上加工多个线槽8，第一侧板62和第二侧板63的线槽8分别夹持在导线9的两端，多个导线9的两端插入线槽8进行固定。

参阅图6-8，导线9包括第一线头91、第二线头92和线体93，线体93的两端分别与第一线头91和第二线头92相接，第一线头91和第二线头92的侧壁上加工槽孔10，为了方便判断电路各仪器之间的连接关系，槽孔10在上述仪器的设置为侧方水平插入，且两孔的距离足够远，每组第一线头91和第二线头92的颜色一致，不同组别的导线9颜色不同。

当学生在实验桌1上连接电路元器件71形成完整电路时，通过电表及开关的状态判断整个电路已经连接完成，并对搭建完成的图像帧进行标记；对图像中的通过导线9相连的两个元器件71，通过判断与该两个相连的元器件71是否与同一种颜色的导线9端口插头来确定元器件的连接关系；在得到完整电路的各元器件71状态及其相互的连接关系后，在元器件71库中挑选对应的元器件71，并根据电路图绘制规范动态的连接并展示出来。

参阅图9，顶视摄像头3内置红外采集模块31，显示屏2内置图像捕捉模块22和指令模块23，红外采集模块31采集电路连接操作区4内导线9和元器件71的连接图像，图像数据上传至图像捕捉模块22，图像捕捉模块22分割及图像处理算法对分割出来的图像块进行进一步的状态分类，判别在该帧图像中该元器件71的状态，指令模块23得到的图像数据帧中每一根导线9相连的元器件71生成最终的电路连接邻接表。

首先对采集到的视频图像进行目标检测，并从图像中提取所有电路元器件71的boundingbox，并将电流表、电压表及开关的boundingbox在图像中的图像块分割下来；

使用图像处理算法对分割下来的图像块进行分析，根据电表上指针的转动的角度及变化确定电路是否正常导通，并对导通的图像帧进行标记；

在标记的图像帧中，计算同一根导线9的同一颜色的插头的boundingbox的位置与元器件71的boundingbox的位置的距离，当距离足够近且两个boundingbox的roi大于一定的阈值，则此时的导线9插头可视为插在该元器件71的插孔上；

遍历所有的导线9端口插头与各元器件71的位置状态，当同一根导线9上的同一颜色的不同插头与不同的两个元器件71满足上述条件，则可以认为这两个元器件71是相连的；

统计所有标记的图像帧的所有元器件71的连接关系，将每根导线9相连的出现最多次数的两个元器件71视为最终的相连的元器件71，并最终确定整个电路图的连接关系；

将最终的连接关系用一个邻接矩阵来表示，并根据此邻接矩阵，在元器件71库中挑选所需的元器件71，并依据邻接矩阵将元器件71以待测电阻为起点，一一连接起来，并动态的展示出来。

为了更好的展现电路实验电路图自动绘制的流程，本实施例现提出一种中学物理电路实验电路图自动绘制的方法，包括以下步骤；

步骤一：搭建实验过程视频数据采集的硬件环境，采集学生在进行电路实验过程连接元器件71的视频数据，由于需要将学生在实验桌1上操作的电路连接过程都能够拍摄完整，该电路实验采集过程所采用的摄像头为一个顶视摄像头3，拍摄角度为从上到下，拍摄范围为整张实验桌1；

步骤二：由s1得到的学生实验操作过程的红外采集模块31采集视频，首先将采集到的顶视视频切分成一帧帧的按照时间拍列的原始视频图像，然后再利用深度学习目标检测算法及图像处理算法识别采集到的视频中每一帧图像的目标物体及其状态并记录在列表中，得到采集视频中所有图像的所有目标物体的目标框位置与元器件71状态标志数据列表；

第一节：电路实验需要检测的目标主要分为两类，一类是电路实验操作过程使用到的元器件71，一类是某些元器件71的状态如开关是否闭合、灯泡是否点亮及电表是否有读数等；

第二节：将s1采集到顶视视频分解成一帧帧的图像数据，将每一帧的图像通过目标识别算法将电路元器件71识别并框出目标在图像中的位置；

第三节：将s22得到的元器件71的矩形框位置的图像区域分割出来，通过图像分割及图像处理算法对分割出来的图像块进行进一步的状态分类，判别在该帧图像中该元器件71的状态。

步骤三：由s2得到的顶视视频中的每一帧图像的所有目标的目标框位置信息及元器件71状态标志信息的数据列表，筛选原始视频图像帧，将满足一定条件的图像帧挑选为绘制电路图的图像数据；

第一节：由s2得到的所有采集视频图像的元器件71检测结果及元器件71状态信息，并且将每一帧图像数据与检测结果的元器件71状态信息进行一一对应；

第二节：由s31得到对应好每一帧图像的元器件71检测结果及状态信息的数据，而这其中绘制电路图使用到的仅为电路图连接确定后的图像帧，电路连接确定的图像帧也即为电路通电过程中的图像数据；

第三节：当满足开关状态为闭合、电流表或电压表读数状态为正及画面中检测到本次实验所有的元器件71以上三个条件时，即可挑选出来作为后续绘制电路图的图像数据帧。

步骤四：由s3得到的经过挑选的满足一定条件的图像帧数据集，统计所获得的图像帧中的导线9与各目标元器件71框的位置关系，逐一确定各个电路元器件71之间的电学连接关系，最后根据图像帧数据集将所有元器件71的连接关系整理生成为邻接矩阵表示的电路连接关系图；

第一节：对于检测试验操作中不同元器件71的连接关系，必须要将通过导线9直接相连的元器件71进行分组，这里需要对电路元器件71上的导线9插头位置及导线9外绝缘层进行改造，元器件71上的插头位置要不在同一侧，所有导线9的外层颜色要不同区分；

第二节：通过s3得到的具有固定电路连接关系的图像数据帧及每一帧对应的元器件71目标框及状态信息，再利用图像分割算法将图像数据帧中不同颜色的导线9分割出来，并将每一根分割出来的导线9与元器件71的矩形框区域位置进行判断，当两个不同的元器件71上的插头位置出现同一颜色的导线9时，则认为这两个不同的元器件71属于电学上的连接关系；

第三节：根据s42所得到的所有组具有连接关系的元器件71，并分析所有s3得到的图像数据帧的元器件71连接关系，将在所有s3得到的图像数据帧中每一根导线9相连的元器件71出现次数最多的一组作为电路上最大概率相连的一组元器件71，并将所有最大概率相连的元器件71记录下来，生成最终的电路连接邻接表。

步骤五：由s4得到的各元器件71连接关系邻接矩阵，以及由邻接矩阵表示的所有检测到的元器件71的连接关系、元器件71的种类及其状态标志，依据由邻接矩阵表示的电路连接关系将所有涉及的元器件71传了起来，即为最终的电路图；

第一节：根据s2得到的图像中检测到的目标元器件71及状态标志信息，在已经保存的电路元器件71库中挑选相应的元器件71作为初始状态，其中，电路元器件71库包含了所有的电路实验中使用到的所有状态标志下的元器件71符号；

第二节：根据s4得到的邻接表，将在邻接表中相连的的元器件71在初始状态下进行连接，连接线即表示导线9，同时按照一定的连接顺序进行排列，使得最终生成的电路图中的导线9不能够交叉，且尽量与源图像保持一致。

综上所述：本中学物理电路实验电路图自动绘制的装置及方法，首先对采集到的视频图像进行目标检测，计算同一根导线9的同一颜色的插头的boundingbox的位置与元器件71的boundingbox的位置的距离，遍历所有的导线9端口插头与各元器件71的位置状态，当同一根导线9上的同一颜色的不同插头与不同的两个元器件71满足上述条件，则可以认为这两个元器件71是相连的；将每根导线9相连的出现最多次数的两个元器件71视为最终的相连的元器件71，将最终的连接关系用一个邻接矩阵来表示，并根据此邻接矩阵，在元器件71库中挑选所需的元器件71，并依据邻接矩阵将元器件71以待测电阻为起点，一一连接起来，并动态的展示出来，并根据所有电路元器件的连接关系确定最终的完整电路搭建方式，并根据完整的电路搭建方式自动绘制出电路图。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。