专利名称：基于图像处理的可编辑答题卡系统及其实现方法
技术领域：
本发明涉及用于机器判卷的数字图像处理技术，特别涉及ー种基于图像处理的可编辑答题卡系统及其实现方法。
背景技术：
目前，在许多考大、中、小学考试或职业考试中使用答题卡可以节省教师判题时间和提高判题准确率。甚至ー些类似于考试情况的如调研和选举等，也可以使用和答题卡类似方法来获得結果。当前市场上的答题卡系统/仪器/设备，即传统的答题卡系统全都是ー类专门的电子仪器，或台式或可手持式。答题卡适用于选择题，包括单选题，多选题，和判断题/是非 题，通常以英文字母(A)，(B)，(C)，(D)，…标识。选择答案时，考生需要用铅笔涂黑相应字母。使用分两个步骤。首先用户(即使用者、出题者而非考生)选择和试题想匹配(包括题目类型和个数等内容匹配)的答题卡，先填写ー份代表正确答案的答题卡，用答题卡仪器/设备扫描它作为标准。考试后，再逐一扫描学生答题卡，和标准答案比对，获得该考卷的总成绩。所有这些市场上的答题卡系统/设备都有ー些共同的缺点，特别在当前计算机技术非常先迸.同时也十分普及情况下，这些缺点就显得更加突出。他们包括I)系统绑定ー个专用设备/仪器，因此不能利用普通计算机上的强大软、硬件エ具如图形软件工具，数据和文件管理工具，強大而灵活的计算机语言等。也不利于普及。2)用户不能自己创建、修改卡面设计，不利于防作弊。3)系统依赖于特定纸张，而不能用普通打印/复印纸。因而不仅使用成本较高，对许多用户来讲也极不方便。4)许多答题卡装置在走纸判题时，在纸上对答错题(对题)打印记号，然后统计这些记号之和。在答题卡纸表面有损坏例如有油迹是就容易出现误判。5)对其结果的管理也不如在普通计算机上灵活、易用、可靠方便。普通计算机则有强大数据管理软件工具和第三方软件(例如微软的Office软件)；6)由于系统绑定ー个专用设备/仪器，其答卷的格式变化有限，不利于防作弊。7)其标准答案需要事先制定于ー个答卷之上，经过扫描录入，不能随意编辑修改，使用不方便。在使用过程中如果标准答卷保存不当，还容易导致题目泄漏。综上所述，当前市场上的答题卡系统/仪器/设备使用不方便、成本高，保密性较差。而本发明正是针对当前市场上的这些产品和技术的缺点所提出的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了ー种基于图像处理的可编辑答题卡系统及其实现方法。以解决背景技术中所述的现有答题卡的不足之处。具体技术方案如下首先，是本发明所述的基于图像处理的答题卡系统，包括一台可运行答题卡系统程序的计算机；所述计算机对外负责用户界面，应用流程，对内负责系统控制和数据、流程管理；所述计算机还包括一负责连接外部图像数据获取装置，获取外部图像信息的数据通讯模块；其作用是当系统不自带图像扫描或拍照部分的硬件时，通过它来获取外部的图像信息数据。一包括模式识别子模块的图像处理模块；所述图像处理模块用于对标准答案图像和答卷图像进行滤波去噪，黒白灰度值转换，形态学“闭合”运算，以及边缘提取；所述模式识别子模块通过将标准答案图像和答卷图像对准，以便可以逐像素相减获得差别图像，继而从这两幅图像中提取的边缘图像来进行模式匹配；ー数据管理和显示模块，它包括ー模板管理子模块、一数据格式转换子模块、ー结果管理子模块和一数据库。当然为了进一步完善上述系统，可以将诸如扫描仪、相机、照明光源等等机械设备融入系统进行整合。故作为优选方案，所述系统还设有一图像采集子系统，所述图像采集子系统包括一图像采集子模块，以及与它分别连接的一控制扫描设备的扫描控制子模块、一控制相机设备的相机控制子模块和一控制图像光源的光源控制子模块。上述这些控制模块以驱动程序的形式来控制这些外设硬件。也就是说，该答题卡系统也可以不包括图像采集模块及其所连接控制的硬件如相机、照明光源和机械设备部分，这样扫描图像通过数据通讯模块来自外部设备，此时该系统则为纯数据处理系统。如果系统包含硬件，则图像采集子系统的这些模块则通过相应硬件驱动程序来控制这些硬件获取图像数据信息。另外，基于上述本发明答题卡系统的实现方法具体方案如下本发明方法在上述系统平台基础之上，基于图像处理技术得出了一整套详细的エ作实现过程，其核心包括能让用户通过人机对话方式使用该系统，跟随其应用流程(该流程包括答题卡创建，标准答案创建，结果管理和其中许多使用它的细节)。也包括这些流程背后的程序和算法的支持，这其中又包括许多图像处理、模式识别技术的应用。所以，为了给用户提供了友好的人机对话界面，使用户可以实现以下目的i)自由创建、编辑、并安全地保存答题卡；ii)自由创建、编辑、并安全保存答题卡标准答案；iii)用机器判题，快速获得可靠结果，包括每个答卷的总分和全部试卷的结果；iv)用系统软件提供的工具，对结果数据能分析、格式转换和安全保存。本发明方法的基本流程是i)用户启动答题卡系统程序；ii)系统程序判断系统是否处带图像扫描子系统及相关硬件，如是则对图像扫描子系统进行初始化；初始化包括检查和设置系统硬件工作參数。iii)用户使用答题卡系统程序视窗和工具库(模板库)，用库中的答题卡中常用组件(内容)模板创建答题卡并保存完成的答题卡；常用组件包括标题，考试姓名，证件号码，使用说明，各种类型的答案等，在工具库中都有相应模板。iv)用户在答题卡系统程序视窗内用计算机机屏幕位置指示件，例如鼠标(也包括触摸屏情况下的手指)选择正确答案，建立电子版标准答案文件；同时也支持用户用传统方法填写答题卡建立标准答案，并扫描其图像；然后在标准答案图像上确定參考点；当、然，为了支持用户安全地保存标准答案图像，还包括给标准答案文件加密和设置密码，同时在图像处理过程中用包括黑白像素值转换和形态学“闭合”算子等方法将标准答案文件转换为黑白灰度图像文件。考试完毕后，用户通过答题卡系统程序，指示系统扫描全部答卷并判题；如果系统不自带图像扫描子系统，也支持用户上层从别处扫描的全部答卷；需要特别强调的是，上述电子版标准答案文件在建立过程中，其本身的格式或形式不限，可以是图形学中的矢量形式，也可以是数字图像形式。其关键核心在于电子版答题卡标准答案在建立过程中不需要经过传统的扫描标准答卷这ー步骤，让用户可以直接通过计算机界面选择、填写标准答卷，然后由计算机程序将标准答卷转化为黑白灰度图像形式的标准答案文件。V)答题卡系统程序根据标准答案，用对准后的图像进行比对的方法判题，获得每份答卷的总分；
vi)汇总全部答卷判题結果。并继续支持用户使用、管理该结果包括结果显示，隐藏部分信息后产生报表，转换数据到其他程序下的格式，和保存等。根据上述方案，所述步骤中进ー步在答题卡系统程序视窗上，通过设立提供给用户ー个模板库控件，模板库控件中包含了常用答题卡组成部分的模板，例如试卷名称，考生信息，试卷使用说明，需要考生选择涂写的证件号码和各种类型考题(如单选题、多选题、判断题)答案等模板。使得用户可以简单地以计算机机屏幕位置指示件例如鼠标，或在触摸屏情况下的手指拖拽的方式自由创建和修改答题卡中内容。由于答题卡系统程序界面背后的支持程序算法是基于图像处理、模式识别技术的，使得用户可以自由安排、调整答题卡中内容的位置和方向。不需比对信息和需比对信息在答题卡中都可以自由安排。这样就能让用户为同一考题方便地产生有多种布局不同的答题卡，例如每个考试可以用A，B卷甚至更多的A，B, C，D卷，以增强考试防作弊效果。当然，该系统程序允许用户编辑出在给定范围内任意尺寸和顔色的答题卡。同样是由于背后的支持程序算法是基于图像处理、模式识别的。答题卡系统程序可为标准答卷图像建立位置參考点，使得需比对信息包括证件号和正确答案位置都基于该參考点。此时传统答题卡中的为需比对信息定位的横向条形标记和纵向条形标记可有可无。此外，如果用户没有提供该參考点，答题卡系统程序为用户提供一个缺省的位置作为參考点。另外，对于方法中标准答案图像和扫描答卷图像间比对判题的方法和步骤，包括i)对扫描答卷图像进行预处理，预处理包括滤波去噪如用3X3或更高阶的高斯核和图像卷积，按既定阈值对图像ニ值化，和黒白灰度转换，并且如果标准答案图像不是由电子版转换而来而是通过扫描获得的话，对标准答案图像进行同样的预处理；ii)建立图像坐标參考，例如选择图像左上角；iii)用模式识别中的归ー化互相关算法将两幅图像对准；此时可以直接使用两幅原图像，也可使用从它们提取的边缘图像。边缘提取算法包括求图像梯度，如Sobel算子等;iv)将两幅图像相减产生差别图像并取绝对值；准答案图像和扫描答卷图像间对准时，考虑到两幅图像间可能有相对缩放、相对转动的情況，以及相应的对策(包括将模板图像在一定范围之内缩放、旋转，然后用这一系列的模板到目标图像中搜寻);V)求差别图像中连通域并且过滤掉较小的连通域；vi)根据合格连通域在參考坐标系中位置，确定其对错以及所对应题目的得分、罚分属性；vii)统计考卷总分；viii)给下ー份考卷判题或结束判题，汇总全部答卷结果；ix)结果交由后续程序模块支持、管理。除此以外，上述答题卡系统程序方案中，还为用户提供了丰富的结果管理功能，包括 i)隐藏部分信息后产生报表并显示。隐藏信息包括证件号部分位数，报表中只可以看到最后几位数；ii)从多种角度统计结果包括全体考生的考分分布和某题判分结果分布；iii)将结果转换为其他商业软件下数据格式等，例如微软Office TM下的ExcelTM 格式或 XML(Extensible Markup Language)格式。以上全部应用流程都集成于同一个答题卡系统软件之下，连为一体通过软件视窗中不同页面、控件让使用者使用。由此可见，由本发明所述答题卡系统所创立的实现方法为用户提供了灵活的创建、修改、保存电子版标准答案的机制。用户只要用计算机上屏幕位置指示件例如鼠标或在触摸屏情况下手指，在程序提供的视窗中选择、编辑标准答案文件。然后系统程序用图像处理技术，将标准答案文件转化为图像形式，以便能和扫描答卷图像进行比对。由于背后使用了图像处理技术和数据库的支持，系统程序可对标准答案图像压缩，加密和安全保存。
以下结合附图和具体实施方式
来进ー步说明本发明。图Ia为本发明所述答题卡系统架构原理框图。图Ib为本发明所述答题卡系统具体实物示意图。图2为本发明的一个实施方案中，一例答题卡示意图。图3为本发明的一个实施方案中，答题卡系统使用方法的数据流图。图4为本发明的一个实施方案中，答题卡创建方法和所用软件工具示意图。图5为本发明的一个实施方案中，答题卡所含证件号等部件的创建方法和所用エ具示意图。图6为本发明的一个实施方案中，答题卡所含相关文字信息和多种题型答案等部件的创建方法和所用软件工具示意图。图7为本发明的一个实施方案中，答题卡标准答案创建示方法和所用软件工具示意图。图8为本发明的一个实施方案中，答题卡系统工作流程，包括判题和结果管理的数据流图。图9为本发明的一个实施方案中，答题卡标准答案图和考生答案图问图像对准的ー种方法(使用两个子图像进行模式匹配)示意图。
图10为本发明的一个实施方案中，答题卡系统在判题后对结果进行管理的方法和软件工具意图。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进ー步阐述本发明。如图Ia和图Ib所示，作为本发明的实施方案之一，本发明的答题卡系统100包括一台计算机191和在其上运行的答题卡系统程序111和图像扫描子仪193。答题卡系统程序111是主控単元。计算机191可以是个人或エ业计算机，也可以是嵌入式处理器加附件。图像扫描子系统可以是独立的图像扫描仪193，它和计算机 191间可用通讯的办法联接，通讯方法可方法包括TCP/IP，USB, IEEE 1394b等；图像扫描子系统也可以是建构在系统之内的图像采集子系统，包括一个エ业相机194和其前端的镜头195以及照明转置196，全部由计算机191上的答题卡系统程序111控制。相机194可以是线扫描CCD或CMOS相机，镜头195的选择由相机感光区域尺寸和工作视场決定。照明光源196可以是宽波段LED。扫描时答题卡相对相机移动，同时相机采集图像，如图Ib中箭头197所示。图Ia中的答题卡系统程序111是核心部分，对外含有图形用户界面(GUI)，负责支持答题卡的全部应用；对内管理和调用下属各相对独立模块。图形用户界面能让用户能通过人机对话方式创建所需答题卡，创建答案，扫描试卷，判卷和管理結果。所有答题卡相关的操作都从它开始其中的主界面开始。答题卡系统程序111直接下辖的子系统/模块包括图像采集子系统120 ;数据通讯模块131 ;图像处理模块141，数据管理和显示模块151。图像采集子系统120中又包含了图像采集模块121，其下又用到扫描控制子模块122、相机控制子模块123和光源控制子模块124。它们在一起配合工作就能采集所需图像。本发明所描述的答题卡系统是灵活的，它自身可以包括ー个图像采集子系统，也可以不包括自己的图像采集子系统。即以数据通讯的方式从别处(例如一台自动馈纸式扫描仪)来获得考卷图像，或者从计算机191的硬盘中读入事先从别处扫描获得的答卷图像。数据通讯模块131负责获取采集到答题卡扫描图像。本发明中答题卡设计灵活，图像采集模块120相对独立。它可以是系统自带的，也可以是外部的197。无论设置如何，数据通讯模块都负责获取图像。图像处理模块141是系统的核心之一，负责对标准答卷图像和考生答卷间图像进行预处理、对准、比对。比对之前先就要将两幅图像进行对准，而图像对要用到其模式识别子模块142。准而图像对准和比对之前往往还要对图像进行预处理，包括滤波去噪，ニ值化和像素黒白灰的颠倒。区别于传统答题卡装置，本发明中的答题卡系统在扫描前和扫描后的数据管理系统都更丰富，它体现在数据管理和显示模块151上。数据管理和显示模块151进ー步包括模板管理子模块152，它为答题卡的设计提供了其中各组件模板，包括考试信息如标题和示例模板，考生信息如姓名和证件号码模板，考题类型如单选题、多选题、判断题模板。数据管理和显示模块151还包括答案管理子模块153，结果管理子模块155，和数据库系统156。数据管理中还包括格式转数据格式换子模块154，其作用是将判题结果例如考生姓名、证件号、得分等信息向其他软件如微软的Office软件中的Excel下的数据格式作转换。当然，数据也可以转换成XML格式。目前的答题卡都大同小异，都包含一些需比对信息和无需比对信息。本发明中的答题卡系统卡的类型以及其中组建均没有限制。下面通过图2所示的一例答题卡设计，阐述本发明所包括的ー些特征。答题卡201包含了ー些组件，有无需比对信息的和需要比对信息。在此以及本文中其他地方所讲比对是指答题卡系统扫描图像，在计算机中进行两幅图像间的比对，而非人工比对。答题卡201中无需比对信息包括标题205，考生姓名、年级的文字部分210，使用说明230，日期260等。它们通常都不是必须的，出题人常根据具体考试情况增减和修改其标题和内容。答题卡中需要比对的部分包括证件号码信息(通常是考卷的的唯一性标识)220，以及答案部分。在答案部分，不同类型的试题是通常分开的，其中有多选题240、单选题245和判断题(ニ选ー类型)250。图2中这些答案部分都是作为例子，每个也都不是必须的，有的试题可以只有单选题。信息和题目答案选择部分可以有颜色，可以各行/列使用不同的顔色或灰度，如223所示。通常选用浅色，以区别答案部分(通常用B2铅笔涂抹)。
答卷201右边是纵向条形序列标记202，中间在答题部分开始之前是水平方向(横 向)条形序列标记203，它们用以常规答题卡装置扫描判题时对题目所在行定位，也可以给其他需比对部分例如证件号的选择定位。横向条形序列标记203也可以放在考卷底部。由于本发明中答题卡系统是基于图像处理技术的，因此竖直和横向的条形序列标记都不是必须的。由于本发明中答题卡系统设计灵活，答题卡可以做得像传统答题卡一祥，也可以做得和传统答题卡很不一样。图3中的数据流图300，描述了本发明中的答题卡系统的工作方法的ー个实例。这只是ー个总体的使用方法流程图，其中许多实现细节将在后面更详细地描述。參照图3，用户首先启动计算机191上答题卡系统程序111，开始运行310。首先检测系统是否包括图像采集硬件131，如果是的话，需要对系统包含的硬件进行初始化312。系统硬件可以包括图2中的相机194，照明196，运动机械部分197，当然如果系统硬件状态參数显示系统硬件已经初始化过了，就不必再进行初始化了。通常在系统硬件初始化吋，需要检查硬件是否处在正常工作状态，工作參数范围是否有效等。下一步就是让用户使用系统提供的软件工具创建答题卡314。在本发明设计的答题卡系统100中则是由模板管理子模块152和答案管理模块153来分エ负责的。本发明中的答题卡系统程序111会提供多种答题卡中组件模板。组件就是指答题卡中的信息考卷名称，考生姓名和证件号，使用说明，答案部分等。再參考图2显示的一例答题卡200，其中包括了考生姓名信息210模板，使用信息230模板，证件号信息220模板，答案信息240，245，250模板等。当然用户也可以启用事先创建并保留的整个答题卡的模板，或加以修改。用户完成答题卡设计后，准备下一歩首先建立标准答案315。然后根据系统配置(看系统是否包括扫描硬件部分)，决定是否需要扫描标准答案317。如有需要就要就扫描标准答案图像318。如前所述，由于系统设计灵活，可以不包括图像采集子系统即没有扫描硬件部分(此时本发明中的答题卡系统为纯软件系统)，这时用户也可以上传从别处扫描的标准答案图像318。使用者可以先填写标准答卷，扫描获得准答案图像；本发明中的答题卡系统还有另ー种方法，就是让用户建立完全电子的标准答案319。此时用户使用本发明中的系统程序111，在创建答题卡之后，在人机对话视窗中用计算机屏幕位置指示件例如鼠标键(如果计算机使用触摸屏，这相应的是手指)，直接选择正确答案(未显示)。此时标准答案不是扫描图像，而是有一定规格的计算机数据。它作为图形显示于计算机屏幕上，也可以转化为图像保存319。在计算机上能把图形转化为图像的方法很多，只要确定每个像素的尺寸，然后把图形内容定为黑，把图形背景定为白色即可。在屏幕上显示图形之后，截屏也是ー种转图形为图像的方法。用户完成答题卡设计和标准答卷之后，就可以打印答题卡，使用答题卡进行考试。待考试完毕以后就就可以收集、扫描考卷320。如果系统包括图1(100)中图像采集模块120，则答卷扫描和评判可以由系统程序111控制ー气呵成，否则用户上传别从处扫描的答卷，比对标准答案(通过图像处理、图像比较的方法，将在后面详述)来进行判题320。系统程序111给每份考卷判题，井根据考题设计算出总分322。每份答卷的总分可以根据既定正确答案的得分和错误答案的罚分之和获得。用户可以用答题卡系统程序111，对结果进行后处理并保存结果323。后处理包括按照曲线分布给出相对分数如美国学校常用的A，B, C，D，F制分数和做成统计表以便公布，表中部分信息可以隐藏以保护考生隐私，也包括为考方所用的统计数字包括每道题的对错率等。这样就完成了一例完整的答题卡系统应用325。答题卡系统程序111为卡的创建和管理提供了图形用户界面(⑶I)。如图4所示，它包括了ー个软件视窗400。视窗上有菜单栏401，其中包括“创建答卷” 402，“标准答案” 403，“判卷” 404，“结果管理” 405和“帮助” 406等子菜単。“创建答卷”子菜单402下有子目录4021，其中包括一系列为创建答卷服务的项目包括“创建”，“工具库”，“读入”，“编辑”，“保存”和“另存为”等选项。其中“创建”选项提供一空白答题卡页面408，“工具库”选项提供如图4中所示工具库控件410，实际上它是答题卡组件的模板库。其中进ー步包括“标题”411，“有效证件” 412，“姓名” 413，“使用说明”414，“单选题”415，“多选题”416，“判断题”417，“其他信息” 418等选项，他们对应于相应模板。图4中工具库410中的每个模板有名字和标示符(icon)。通常名字和标示符中只要有一个就够了。创建答题卡时用户可以拖拽的方式把其中一个模板标识拖入创建中的答题卡页面408中。工具库中工具项目的个数、名称和标识的图形都无特别限制，例如姓氏和名字是可以分开的。使用时，用户可以拖拽其中“其他信息”工具以产生关于考卷名称信息205 ;可以用其中“使用说明”选项以产生使用说明模板215 ;用户可以拖拽其中“有效证件”工具以产生证件号码信息模板220。本发明中的涉及答题卡设计是灵活的，卡中信息内容可以由上而下，也可以是转90°由右到左的，如图4中使用说明信息215所示。当然此时其他信息(但不一定包括答案部分)都是转90°，由右到左的。菜单栏中“标准答案” 403下有子菜单4031，包括“读入”，“參考点”，“定分”和“保存”等选项。其中用户可选用“读入”健来选择之前已经创建的答卷进行编辑。编辑包括拷贝，复制，修改等常用操作。“參考点”选项让用户选择答题卡某处例如通常是左上角为參考点。參考点是坐标原点，所有答案位置和需比对信息位置都可以它为參考点。因为位置都是相对的，因此坐标可以是右手系或左手系，没有限制，只要始終保持一致就行。“定分”子菜单下提供让用户给每ー类题目定分的工具，通常为ー弹出视窗(将在后面详述)保存”子菜单则包括“保存”和“另存为”等选项。菜单栏中“判卷” 404下有子菜单4041，它包括“扫描”，“读入，，和“保存原件” 等选项。用户如选择“扫描”，则系统图像采集模块120扫描考生答题卡获得图像，利用数据通讯模块131，送给系统程序111。扫描一次对所有答卷连续扫描的。然后系统程序111调用图像处理模块141及其模式识别子模块进行比对、判题，获得结果并保存在计算机(内存)中。例如结果可以形成表格的形式，待数据管理和显示模块151来处理結果。用户可在下个子菜单栏“结果管理”405中查看结果并编辑、使用、保存結果。如果系统不带有图像采集模块120，子菜单4041中“扫描”选项可能为灰色表示未启用，用户可以选择子菜单4041中“读入”选项来读入从别处扫描获得的众考生答题卡获得图像，然后以同样的方式进行判卷并获得結果。子菜单4041中还有“保存原件”选项，让用户可以选择保存扫描众考生答题卡图像(以压缩图像的形式，例如以JPEG图像格式。保存到计算机191的硬盘中)。和许多软件一祥，如图4中答题卡创建视窗400还包括常见的“帮助”子菜单406，退出键407，水平滚动键425，垂直滚动键426。视窗400中也包括了两个可切换键，“创建”422和“结果”423。这里“创建”也包括答题卡创建和答案创建，都可以在其中实现。“结 果”则是将扫描结果显示给用户。如图4中视窗显示的内容显示视窗“创建”状态。“结果”状态下视窗400中的内容简单直观，就是姓名/证件号，得分等信息等，通常体现在ー张表中。使用中，如果用户在没有获得结果的情况下选择“結果”健，视窗400中内容为空。图5中显示在用户创建答题卡吋，使用工具库410中证件模板412和使用姓名模板413的方法。这些都是需比对信息。由工具库产生的证件号模板220包括名称221和证件号222，下面需选择涂抹的多列O到9个数字223。其中用手书写部分222不是必须的。需选择涂抹的数字部分223是用于让机器扫描比对的。证件号可以是身份证号，学号，エ号等具有唯一性的考生/考卷标识，本发明中涉及的答题卡对此并无限制。同样考生姓名模板2201也包括了其名称2202部分，手工填写部分2203，和多列需选择涂抹部分2204。其中手工填写部分2202也不是必须的。考生姓名对中国人来讲，可以用汉语拼音。姓氏和名字可以分别用两个姓名模板，也可以用ー个可容纳字母较多的姓名模板，姓氏和名字间留一空格。图6中进ー步描述使用工具库中模板创建其他答题卡组件的方法。用工具库中其他信息模板418可以产生考试标题4110，姓名(手工填写而非扫描的方式)、年级4182和日期信息4180。这些信息都由答题卡创建者自由选择、改写，没有限制。用工具库中“使用说明”模板414可以创建使用说明信息4140，也就是图3中的230。答题卡中最重要的部分之ー还是答案部分。工具库410中的相应的单选题模板415，多选题模板416和判断题即ニ选ー题型模板417可以为用户分别产生单选题答案部分4150 (也是图2中240)，多选题答案部分4155 (也是图2中245)和判断题答案部分4160 (也是图2中250)。每类题型中的题目个数由用户决定，都是从I开始。如果题目过多，答题卡自然延长到下ー页，没有页数限制。扫描标准答案和答卷多不会受页数限制，由于使用图像处理技术，判题比对时也不需要答卷安顺序排列，图像处理模块141可以根据图像判断答卷所属的页数。各类题目中各题在横向和纵向间隔相同，使得它们可以拥有共同的条形序列标记202，203。竖直方向(纵向)条形序列标记202和横向条形序列标记203可由答题卡系统程序111根据答案位置自动产生，并且其中每条和答案在竖直和横向分别对齐。如前所述，条形序列标记202,203不是必须的。整个答题卡中内容的安排可以是从上到下的竖直的，也可以是从右到左或从左到右横的(未显示)。每个模板在卡中都可以转动，例如姓名、年级信息4182和日期信息4180都是横向的。所有信息包括需比对部分都可以是横向的。这是由于较多地采用图像处理技术(后面将详述)，使得设计可以十分灵活。更有甚者，同一套题可以很容易产生多套答题卡，例如对于ー套试题，可以有A、B两种甚至更多种答卷，用户只用建立好的答题卡上改变一些信息(包括需比对信息和非比对信息)的位置即可，当然此时也需要有相应的两套或多套标准答案。它对于防作弊十分有帮助。完成答题卡设计之后，用户就可以开始标准答案。本发明中的答题卡系统有至少两种建立标准答案的方法。常见的方法就是用户(使用者，出题者)像考生一祥，涂写ー份答卷，然后扫描保存其图像，将来可以和答卷图像比对来完成判题。其图像格式不限，常见的BMP，JPEG, PNG都可以。图像可上传由系统程序111接手管理。管理包括放入系统程序111下数据库156中，用户不能在普通计算机硬盘的文件夹里看到它，打开图像文件需要密码等保护措施。
本发明中的另ー种标准答案的建立方法是无须扫描图像的，是全电子的，用户使用系统程序111提供的用户界面和方法就可以完成。这种方法更简便、更安全。图7描述了用户如何用答题卡系统程序111建立标准答案的方法。“标准答案”子菜单403下选项4031中包括“读入”选项，让用户读入已经创建并保存的答题卡来进行编辑。如果用户刚刚完成一个答题卡设计，则可以马上转入标准答案设计状态，不需使用该“读入”选项。如图7所示，此时答题卡系统程序111中答题卡创建和标准答案创建界面视窗400中已经有ー个已经完成的答题卡设计408。用户可以使用计算机机屏幕位置指示件例如鼠标移动指示点501，在答案部分点击鼠标右键(未显示)选择答案502。一旦该答案选项被选择，其字母将被实心黑色或深色椭圆所覆盖，类似于手工用深色用铅笔涂盖该字母，如图7中503所示。答题卡系统程序111中还可以保存每道题的类型属性，根据用户选择来适当更新每道题的标准答案。例如果是单选题，如果用户已经选择过答案(A) 了，一旦用户再选择该题的别的答案例如(D)，系统程序111将自动放弃答案(A)，软件视窗中答题卡408上将去掉其上的实心黑色/深色椭圆。这种情况同样适用于判断题类型，因为总是ニ选ー的。用户也可以放弃已经选择的答案。此时用户只要移动计算机鼠标指到已经选择的答案上，点击右键，选择放弃答案504。当用户通过系统程序111提供的用户界面，以人机对话的方式完成了图7中所示的电子版标准答案后，系统软件会将该标准答案其转换为适当文件行式以便保存。标准答案文件的行式可以有多种，可以是图形学中的矢量形式，也就是根据图形的一个參考点，描述图形中各圆、椭圆、多边形的中心和顶点位置以及属性例如填充和不填充。例如被选择的正确答案对应的椭圆需要填充(涂黑)，未被选择的答案对应的椭圆则不填充。当需要和答卷比对吋，该答卷需要先转化为图像，图形转化为黑白图像的方法很多，许多市场上的ニ维、三维图形学产品都有该功能，开源软件OpenGL和微软的DirectX也都有些功能，原理很简单，根据一定的缩放尺寸，把图形中的前景结构转化灰度值高的像素，把图形中的背景转化灰度值低的像素。矢量图形和图像之间的尺寸本身允许ー个缩放因子。将来和扫描答卷进行图像对图像的比对时，需要有一定的缩放，以便二者尺寸相当。标准答案文件的行式也可以就是图像形式，也就是当用户完成答题卡标准答卷后，系统软件当场将其转化为图像形式保存，以后的修改，编辑，就直接在标准答案图像上进行。当需要和扫描答卷进行比对时，标准答卷图像通常仍需要缩放，以便二者尺寸相当。图像缩放功能是图像处理中常用的基本功能之一，再本发明中由图像处理模块141支持。标准答案如果是以图像形式保存，图像格式也不限，例如可以是BMP格式，也可以是JPEG2000格式(有损压缩，但在答题卡系统应用中不会影响图像质量)。如前所述本发明中涉及答题卡不一定需要条形序列标记202，203，当然有它们也无妨。在这ー步通常让用户选择答题卡左上角一点作为參考点505，以此为原点建立整个答题卡的坐标系。注意，为了和图像格式一致，以及和计算机行业流行的C类型语言(C，C++，C#. Net, Java)里的代表图像的ニ维数组形式一致，选用左手系，X轴由左向右，Y轴由上向下505。以后所有答案位置就以在该坐标系下的位置来決定。对于通过扫描图像建立的标准答案，可以选择答题卡左上角任意一点为參考点，然后通过扫描空白答卷和扫描标准答案答卷来比对，确定各答案在该坐标系中的位置。如果用户没有指定參考点，答题卡系统软件会自动产生一个缺省的位置为參考点。完成每道题的答案选择以后，用户可以用“标准答案”子菜单403下选项4031中的“定分”选项。此时答题卡系统程序111将弹出对话框510，其中有各种类型题目的得分 和罚分规则。答题卡系统程序111软件ー开始可以提供缺省值，例如所有题目得分为I分，罚分为O分，以后用户可以自行修改。最后答题卡系统程序111统计出满分情况下的总分511。当然这只是原始得分，将来在结果管理部分，分数还可以转换成百分制等其它评分体系O答题卡系统软件不仅保留每个正确答案位置，也保留答案所在题目的得分和罚分信息，以便将来统计总分。这只要在答题卡系统程序111内部保留一张表记录每个答案的位置和得分、罚分即可。电子版标准答案易于创建、保存、修改，安全性高。当需要和答卷比对时，先将其转换为黑白图像，通常凡是其中的图形和文字部分都转为黑色，凡是其上的空白部分都转为白色。计算机中通常每个像素可以是8比特(bit)变量表示图像灰度变化，变化范围为0-255。因此全黑色像素值为0，白色像素值为255。完成答题卡设计和标准答案后，用户就可以通过菜单4031中“保存”保存选项来保存标准答案。然后用户就可以使用答题卡，进行考试。答题卡系统程序111在保存标准答案会添加用户密码。用答题卡完成考试后，用户收集答题卡，使用本发明中的答题卡系统进行判题。图8中的数据流图，详细描述了使用本发明中答题卡系统的判题步骤和方法。首先用户读入标准答案图像351。如果标准答案是电子版的，如前所述，答题卡系统程序111将其转换成8比特(bit)黒白灰度图像。标准答案图像通常需要作ー些预处理。如果标准答案图像是扫描获得而非由电子版转换过来的，通常要进行滤波，例如高斯平滑滤波(ー种低通滤波)和/或中值滤波。例如常用的空域里的核为3X3的高斯滤波算子是
2 I、G= 2 4 2 /16公式 I
I1 2 I用它和图像卷积就达到滤波去噪的目的。根据图像噪声情況，高斯滤波算子也可以是5X5的或更高阶的。常用3X3的中值滤波算子是在该像素所在3X3领域(9个像素包括它自己)以中值取代该像素值。另外标准答案图像还可以进行形态学“闭合”运算。一次形态学“闭合”运算是一对形态学“扩张”(dilation)和“腐蚀”(erosion)运算组合，先扩张后腐蚀。以灰度图像3X3 “扩张”和“腐蚀”运为例，“扩张”运算是用其3X3领域中9个像素中的灰度最大值取代该像素值，“腐蚀”运算是用其3X3领域中9个像素中的灰度最小值取代该像素值。如果标准答案图像是自电子标准答案转换而来，已经是黒白ニ值化的图像，则不需要滤波去噪和形态学运算了。通常图像处理中，白色代表前景像素，黒色代表背景像素。因此标准答案图像以及答卷图像都需要黑白颠倒，在8比特(bit)灰度图像情况下，像素值转变为255减去当前像素值。下面一歩352就是扫描或读入一幅答卷图像。如果系统自带图像采集模块120就扫描获取ー份答卷图像，否则就读入一幅别处扫描获得的答卷图像。答卷图像通常需要做 预处理，包括滤波去噪，形态学“闭合”运算，ニ值化，和像素值黑白反转。其滤波去噪包括 高斯平滑滤波和中值滤波，形态学“闭合”运算，和像素值黑白反转都和上述用于标准答案图像的算法相同。ニ值化操作比较简单，在8比特(bit)灰度图像情况下，根据ー个既定阈值例如128,将像素值低于该阈值的像素值改为O,将像素值高于该阈值的像素值改为255。对于扫描的答卷图像，ニ值化操作和像素值黑白反转操作可以合并，此时将像素值低于该阈值的像素值改为255,将像素值高于该阈值的像素值改为O。下一歩353就是将答卷图像和标准答案图像进行对准(alignment)，因为只有对准的图像才可以逐像素比对，否则如果两幅图像间有相对位移或相对转动都会影响比对的准确性。对准可以用图像处理中模式匹配的方法，首先在标准图像中选取两幅模板图像，如图9中所示，在答题卡左上角和右下角分别选取模板图像551和552。然后到需要比对的答卷图像中左上角区域和右下角区域分别寻找相似的匹配图像。搜寻区域通常比模板图像尺寸大，在垂直和横向都可以是模板图像尺寸的2倍。图像间相似度可用归ー化互相关算法(Normalized Cross Correlation)方法计算,在空域中，用模板图像在目标图像搜索区域毎次都计算
权利要求
1.基于图像处理的可编辑答题卡系统，包括一台可运行答题卡系统程序的计算机；所述计算机对外负责用户界面，应用流程，对内负责系统控制和数据、流程管理；其特征在干，所述计算机还包括 一负责连接外部图像数据获取装置，获取外部图像信息的数据通讯模块； 一包括模式识别子模块的图像处理模块；所述图像处理模块用于对标准答案图像和答卷图像进行滤波去噪，黒白灰度值转换，形态学“闭合”运算，以及边缘提取；所述模式识别子模块通过将标准答案图像和答卷图像对准，以便可以逐像素相减获得差别图像，继而从这两幅图像中提取的边缘图像来进行模式匹配； ー数据管理和显示模块，所述数据管理和显示模块包括ー模板管理子模块、一数据格式转换子模块、一结果管理子模块和一数据库。
2.根据权利要求I的基于图像处理的可编辑答题卡系统，其特征在于，所述系统还设有一图像采集子系统，所述图像采集子系统包括一图像采集子模块，以及与它分别连接的一控制扫描设备的扫描控制子模块、一控制相机设备的相机控制子模块和一控制图像光源的光源控制子模块。
3.根据权利要求I的基于图像处理的可编辑答题卡系统，其特征在于，所述系统通过计算机连接有扫描仪、相机和照明光源这些图像信息采集的外设。
4.根据权利要求I所述的基于图像处理的可编辑答题卡系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤 i)用户启动答题卡系统程序； )系统程序判断系统是否自带图像扫描子系统及相关硬件，如是则对图像扫描子系统进行初始化； iii)用户使用答题卡系统程序视窗和工具库，用库中的答题卡中常用组件模板创建答题卡并保存完成的答题卡； iv)用户在答题卡系统程序视窗内用计算机机屏幕位置指示件选择正确答案，建立电子版标准答案文件；同时也支持用户用传统方法填写答题卡建立标准答案，并扫描其图像；然后在标准答案图像上确定參考点；考试完毕后，用户通过答题卡系统程序，指示系统扫描全部答卷并判题；如果系统不自带图像扫描子系统，也支持用户上层从别处扫描的全部答卷; V)答题卡系统程序根据标准答案，用对准后的图像进行比对的方法判题，获得每份答卷的总分； Vi)汇总全部答卷判题結果。并继续支持用户使用、管理该结果包括结果显示，隐藏部分信息后产生报表，转换数据到其他程序下的格式，和保存等。
5.根据权利要求4的实现方法，其特征在于，所述步骤iii)中的常用组件包括标题，考试姓名，证件号码，使用说明以及各种类型的答案，这些在工具库中都有相应模板；所述用户可以通过计算机机屏幕位置指示件包括鼠标以及触摸屏情况下的手指来使用这些模板。
6.根据权利要求4的实现方法，其特征在于，所述步骤iv)中电子版标准答案文件的格式或形式可以采用图形学中的矢量形式，也可以采用数字图像形式；所述电子版标准答案文件在建立过程中不需要经过传统的扫描标准答卷这ー步骤，由用户直接通过计算机界面选择、填写标准答卷，继而再由计算机程序将标准答卷转化为黑白灰度图像形式的标准答案文件。
7.根据权利要求4或6的实现方法，其特征在于，所述步骤iv)中的标准答案文件还包括给标准答案文件加密和设置密码，同时在图像处理过程中用包括黒白像素值转换和形态学“闭合”算子等法将标准答案文件转换为黒白灰度图像文件。
8.根据权利要求4的实现方法，其特征在于，所述步骤V)中的比对判题 方法的具体步骤包括 i)对扫描答卷图像进行预处理，预处理包括滤波去噪，即用3X3或更高阶的高斯核和图像卷积，按既定阈值对图像ニ值化，和黒白灰度转换，并且如果标准答案图像不是由电子版转换而来而是通过扫描获得的话，对标准答案图像进行同上述对扫描答卷图像一祥的，除滤波去噪以外同样的预处理过程； ii)建立图像坐标參考，例如选择图像左上角； iii)用模式识别中的归ー化互相关算法将两幅图像对准；此时可以直接使用两幅原图像，也可使用从它们提取的边缘图像； iv)将两幅图像相减产生差别图像并取绝对值； V)求差别图像中连通域并且过滤掉较小的连通域； vi)根据合格连通域在參考坐标系中位置，确定其对错以及所对应题目的得分、罚分属性； vii)统计考卷总分； viii)给下ー份考卷判题或结束判题，汇总全部答卷结果； ix)结果交由后续程序模块支持、管理。
9.根据权利要求4的实现方法，其特征在于，所述方法中还包括在答题卡系统程序视窗上，通过设立提供给用户ー个模板库控件，模板库控件中包含了常用答题卡组成部分的模板，模板的选项包括试卷名称，考生信息，试卷使用说明，需要考生选择涂写的证件号码和单选题、多选题以及判断题这些类型考题答案。
10.根据权利要求4的实现方法，其特征在于，所述步骤ix)中的具体步骤还包括 i)隐藏部分信息后产生报表并显示。隐藏信息包括证件号部分位数，报表中只可以看到最后几位数； )从多种角度统计结果包括全体考生的考分分布和某题判分结果分布； iii)将结果转换为其他商业软件下数据格式。
11.根据权利要求4的实现方法，其特征在于，所述方法中应用流程都集成于同一个答题卡系统软件之下，连为一体通过软件视窗中不同页面、控件让使用者使用。
12.根据权利要求4或8的实现方法，其特征在于，标准答案图像和扫描答卷图像间对准时，考虑到两幅图像间可能有相对缩放、相对转动的情况，以及相应的对策，包括将模板图像在一定范围之内缩放、旋转，然后用这一系列的模板到目标图像中搜寻。
13.根据权利要求4的实现方法，其特征在于，所述答题卡系统程序界面背后的支持程序算法是基于图像处理、模式识别技术的，使得用户可以自由安排、调整答题卡中内容的位置和方向；不需比对信息和需比对信息在答题卡中都可以自由安排；这样就能让用户为同一考题方便地产生有多种布局不同的答题卡，以增强考试防作弊效果；该系统程序允许用户编辑出在给定范围内任意尺寸和顔色的答题卡。
14.根据权利要求4的实现方法，其特征在于，所述答题卡系统程序可为标准答卷图像建立位置參考点，使得需比对信息包括证件号和正确答案位置都基于该參考点；此时传统答题卡中的为需比对信息定位的横向条形标记和纵向条形标记可有可无；如果用户没有提供该參考点，答题卡系统程序为用户提供一个缺省的位置作为參考点。
全文摘要
本发明公开了一种基于图像处理的答题卡系统及其实现方法。系统包括一台计算机和在其上运行的系统程序，该系统程序可以包括图像采集子模块及其硬件如相机、光源、机械运动装置等，也可以不包括它们而使用别处扫描的图像。它还包括数据通讯模块，图像处理模块及其模式匹配子模块，数据管理和显示模块及其模板管理子模块，数据格式转换子模块，结果管理子模块和数据库。方法方面，通过答题卡系统程序为用户提供了人机对话机制和内容模板，使用户可以使用多种既定答题卡内容模板，自由地创建、编辑、安全保存答题卡及其电子版答题卡标准答案，并利用图像处理技术及模式匹配技术辅助判题，并提供用户对判题结果的数据分析、格式转换和保存等机制。
文档编号H04N1/00GK102682307SQ20121013470
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月3日 优先权日2012年5月3日
发明者骊松·刘 申请人:苏州多捷电子科技有限公司