一种纸质作业电子化批阅方法及装置与流程

本发明涉及一种作业批阅的方法，特别是涉及一种纸质作业电子化批阅方法。

背景技术：

目前，各种大型考试，一般都采用专用答题卡和读卡器进行客观题的批阅，使得考试的批阅效率大大提高。然而，对于学校组织的期中、期末考试、随堂测试和课外作业等，老师仍需采用传统的人工收阅卷方法。这主要是由于专用答题卡和读卡器、高速扫描仪的成本过高，经常使用对学校产生经济负担。

另外，专用答题卡只能电子批阅客观题，对于主观题，仍必须以人工阅卷的方式来批阅，这使得阅卷人必须在固定场所（如办公室、教室等）批阅，而不能实现移动化办公。教材不统一，使得信息电子化过程变得复杂。现有的阅卷方式，教育管理者不能及时准确的获得教学效果统计数据，教育成绩统计滞后。为了能更方便的让阅卷人随时阅卷，彻底实现阅卷电子化，使教育管理者可以精准、及时的获得教学结果，需要对现有的技术进行改进。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种纸质作业电子化批阅方法和装置，用于解决现有技术中主观题无法电子化阅卷和纸质作业电子化较为复杂的问题。

本发明的批阅模块可以装载在常见的电子设备，如手机、平板电脑、电脑等，替换了高昂的高速扫描仪降低了成本。在教辅素材上定义了统一的规范格式，将教材分为四个功能区，使得作业在信息化的过程中步骤更少，降低了信息电子化过程中的复杂度，操作更加容易。学生完成作业即可实现自动批改，提高作业结果统计的时效性。教育管理者查看历史消息，可以精准、及时的获得教学效果统计数据。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种纸质作业电子化批阅方法,包括以下步骤：

步骤1，拍摄第一纸质作业，生成图片，对所述图片进行校正和目标作业提取；

步骤2，识别第一区域的第一信息和第二信息，根据第一信息校对所述图片，根据所述第二信息分割所述图片；

步骤3，取出分割后的图片，识别第二区域的第三信息和第四信息，根据第三信息，判断所述图片是否为第一张，若是，则跳转到步骤4，若否，则跳转到步骤5；

步骤4，根据所述第三信息和第四信息，生成页号id和学生id；

步骤5，识别第三区域的第五信息，根据所述第五信息，生成题号索引，从第四区域识别出答题结果；根据所述页号id和所述题号索引，获得题目id和类型；根据所述题目id和类型，判断所述题目是否为客观题，若是，则转到步骤6，否则转到步骤7；

步骤6，自动批改客观题；转到步骤8；

步骤7，判断所述题目是否已经批改，若是，则转到步骤8，否则转到步骤9；

步骤8，生成结果并保存答案截图，将结果数据分发给第一用户；生成历史信息，供第三用户查询；

步骤9，保存主观题答案截图，分发给第二用户进行线上批改，保存批改结果，并生成统计数据，将结果数据分发给第一用户；生成历史信息，供第三用户查询。

优选地，所述第一信息为校准图形，所述第二信息为分割图形；所述第三信息为第一条形码，所述第一条形码包含教材版本、年级、册号、单元及页码信息；所述第四信息为学生条形码区域的第二条形码或二维码，所述第二条形码或二维码包含学生的id和姓名信息；所述第五信息为题目编号。

优选地，所述第一用户为具有接收结果数据权限的用户；所述第二用户为具有批阅权限的用户；所述第三用户为具有查询历史信息权限的用户。

优选地，所述统计数据包括班级和个人正确率、完成率、薄弱点和知识点。

优选地，所述第一纸质作业为，所述第二用户未线下批改所述主观题的作业。

优选地，所述第一纸质作业为，所述第二用户线下批改所述主观题的作业。

一种纸质作业电子化批阅装置，所述装置包括：

摄像单元，用于将纸质作业拍摄成图片；

目标提取单元，用于对所述图片进行校正和目标作业提取；

识别单元，用于识别所述图片中的第一区域、第二区域、第三区域和第四区域中的信息；

第一判断单元，用于判断所述图片是否为第一张；

第二判断单元，用于判断题目是否为客观题；

第三判断单元，用于判断所述题目是否已经批改；

生成单元，用于生成批改结果、统计数据和历史信息；

发送单元，用于发送所述批改结果和统计数据；

查询单元，用于查询所述历史信息。

一种移动终端，设置有摄像单元，所述移动终端还设置有批阅模块，所述批阅模块包括：

目标提取单元，用于对所述摄像单元拍摄的图片进行校正和目标作业提取；

识别单元，用于识别所述图片中的第一区域、第二区域、第三区域和第四区域中的信息；

第一判断单元，用于判断所述图片是否为第一张；

第二判断单元，用于判断题目是否为客观题；

第三判断单元，用于判断所述题目是否已经批改；

生成单元，用于生成批改结果、统计数据和历史信息；

发送单元，用于发送所述批改结果和统计数据；

查询单元，用于查询所述历史信息。

通过本发明，用户可以灵活输入，只需用户的图像包含图片资源，利用一定的方法来抽取出目标试卷，这个和传统的方法是有区别的,现有技术中都是需要试卷的正对输入并确定大小，譬如都是用的高速扫描仪扫描的。

如图2所示，本发明将纸质试卷划分为四个功能区域，第一区域1中，竖线为校准线，黑色小长方形方块为分割线，用来分隔各个特征区域；第二区域2中，有试卷信息和学生信息，试卷信息为条形码，学生信息可以为条形码或二维码，学生信息张贴在学生条形码张贴处；第三区域3中，有题号，其中的圆角正方形为识别区域；第四区域4中，有答题结果。本发明将对纸质试卷划为了四个功能区域，主要是为了方便我们对试卷的图像识别和分析,并后期和我们在线系统里的数据作一一对应，如图2所示，具体阐述如下：第一区域1里小黑框就是用来分隔各个特征区域的,譬如刚开始的试卷码/学生id区域，还有每道题的区域，据此切割出试卷/学生信息和每道题目块；第二区域2就是为了识别出试卷id和学生id,因为每个试卷在印刷发布之前在我们系统里都有一一记录的,每页有哪些题目都是有记录的，所以我们只要识别出这个试卷id，在我们系统里就能找出该页所包含的题目以及正确答案，学生id也是同样的道理，有个这两个，从任一设备提交上来的拍照，就可以定位出这是哪个学生做的哪份卷子；第三区域3是题号，第四区域4是答案或者老师批改对错；有了这四个区域的划分，可以判定出每道题学生的作答情况，使得作业在信息化的过程中步骤更少，降低了信息电子化过程中的复杂度，操作更加容易。

附图说明

图1为本发明纸质作业电子化批阅方法流程的示意图。

图2为本发明纸质作业内容定义格式的示意图。

图3为本发明印刷出版纸质作业的示意图。

图4为本发明拍照上传的作业的示意图。

图5为本发明目标作业的边缘曲线的示意图。

图6为本发明确定目标作业顶点的示意图。

图7为本发明提取的目标作业的示意图。

图8为本发明的分割线模板匹配的示意图。

图9为本发明切割出一道题的区域的示意图。

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。

在系统服务上，采用opencv对图片进行处理，采用tesseract进行数字和字符的识别，使用zxing进行条形码和二维码的识别。图片抽取,分隔,提取,加亮这些可以采用opencv来实现，还有一些开源库也能实现,例如google开源出来的tensorflow;数字和字符的识别，也可以用opencv来实现，例如采用opencv里面的knn来识别手写字符。

通过本发明，老师可以使用两种方式来进行作业批改：

一、老师通过电脑或手机在线上批改作业，步骤为：

1.学生在辅导书（或试卷）上完成作业，然后通过移动设备拍照上传至服务端。

2.服务端会对图片进行相关处理(矫正,抽取,识别,切割等)，并对客观题进行自动批改，同时将主观题切割保存并分配给老师进行批改。

3.老师在线批改完成学生作业后，服务端会统计学生作业的完成情况，生成对应的统计信息（班级和个人正确率，薄弱点及知识点等），反馈给学校，老师，家长和学生。

二、老师直接在纸上批改作业，步骤为：

1.学生在辅导书（或试卷）上完成作业，然后老师直接在纸上批改作业中的主观题。批改完成后，通过移动设备拍照上传至服务端。

2.服务端会对图片进行相关处理(矫正,抽取,识别,切割等)，并对客观题进行自动批改，同时识别主观题的批改得分，并将主观题切割保存。

3.服务端会统计学生作业的完成情况，生成对应的统计信息（班级和个人正确率，薄弱点及知识点等），反馈给学校，老师，家长和学生。

实施例一

通过本发明，老师通过电脑或手机在线上批改作业，具体包括以下步骤：

1.1.印刷出版教学辅导书或者试卷,格式如图3，根据每个学生的唯一标识id生成其对应的二维码。

1.2.发放辅导书或试卷给学生，发放二维码给学生,学生完成作答，张贴自己的二维码到上面，并上交。

1.3.课代表收齐后，使用移动设备，依次拍照上传答题结果,每个学生的答题结果如图4所示。

1.4.系统收到答题图片后进行优化和提取。

学生拍照时,大多存在试卷未摆正的情况,并且存在其他的干扰背景，如桌面等，如图4,此时就需要去掉干扰背景并提取目标试卷,具体步骤如下:

（1）边缘检测

对原图进行灰度化,每个点的灰度值公式为gray=0.299r+0.587g+0.114b，对图像进行高斯滤波,其中高斯核为:

寻找图像中亮度梯度的幅值和方向亮度梯度检测的卷积算子表达如下：

其x向、y向的一阶偏导数矩阵，梯度幅值以及梯度方向的数学表达式为：

跟踪边缘,通过以上步骤再辅助高低两个梯度变化阈值可以得到边缘曲线,如图5所示。

（2）确定目标试卷顶点

通过霍夫变换检测直线,得到至少4条直线的直线公式y=k1x+b1，y=k2x+b2，y=k3x+b3，y=k4x+b4。通过直线函数算出直线的交点,效果如图6所示。

（3）提取目标试卷

通过得到的四个角的坐标,对原图进行透视变化,从而抽取出目标试卷如图7所示。

1.5.校准和切割图片。第一区域1中包含校准图形和分割图形，作为校准和分割区，如图2所示，校准图形为竖线，在实施中，校准图形还可以为正方形、长方形等图案，分割图形为黑色小长方形，在实施中，分割图形还可以为正方形、长方形等图案。

根据第一区域1的校准图形对图片进行校准，通过区域分割线那个小黑框进行模板匹配,模板匹配原理如图8所示:

假设我们有一张100x100的输入图像，有一张10x10的模板图像，小方框为10x10的模板图像，查找的过程为：

（1）从输入图像的左上角(0,0)开始，切割一块(0,0)至(10,10)的临时图像；

（2）用临时图像和模板图像进行对比，对比结果记为c；

（3）对比结果c，就是结果图像(0,0)处的像素值；

（4）切割输入图像从(0,1)至(10,11)的临时图像，对比，并记录到结果图像；

（5）重复（1）～（4）步直到输入图像的右下角。

以这个黑长方形为模板,逐行遍历原图,从左到右,从上到下,只要匹配相似度超过一定的百分比我们就认为匹配到了,记录每个匹配到的像素坐标点，这样一来,每两个黑框坐标点之间的就是一道题的区域，然后根据这两个坐标就可以提取对应部分的图像。

通过以上步骤就可以确定每个分割图的坐标点，这样就可以对校准后的图片进行切割了，图9就是被切割出来的某道题的区域。

经过上面的切割和模板匹配，可以定位出条形码和学生二维码，并对其进行识别，进而得出本试卷在后台的具体数据,譬如本试卷上的题目列表，以及各题的正确答案等信息；然后根据切割的每道题目分析出题号和学生的输入,如果是选择题，根据后台对应题号的正确答案进行自动批改,对于填空题等主观题,直接保存切图结果到对应题目以待老师批阅。

1.6.取出切割的图片，识别第二区域2的信息，根据第二区域2的条形码信息，判断当前图片是否为第一张，若是，则跳转到步骤1.7，若否，则跳转到步骤1.8。

其中，第二区域2中包含条形码和学生条形码张贴处，作为信息区。条形码对该页作了唯一标识，其中包含了教材版本，年级,册号，单元及页码信息；学生条形码区域粘贴学生的条形码或二维码，包含了学生的id和姓名信息。

1.7.生成页号id和学生id。

1.8从第三区域3识别出题号，生成题号索引，从第四区域4识别出答题结果。根据页号id和题号索引获得题目id和类型，根据所述题目id和类型，判断当前题目是否为客观题，若是，则转到步骤1.9，否则转到步骤1.10。第三区域3中包含题号信息，作为题号索引区，第四区域4中包含答题结果，作为答题结果区。这里的客观题是指线上能自动判定对错的题，就是不需要人工批改的那类题目，例如选择题、填空题、判断题等；主观题就是需要人工批改的那类题目，例如问答题。

1.9.自动批改客观题，转到步骤1.11。后台中存储有客观题的正确答案，选择题可以根据后台对应题号的正确答案进行自动批改。

1.10.判断当前题目是否已经批改，若是，则转到步骤1.11，否则转到步骤1.12。若判断结果为是，则表明主观题老师已经线下批改；若判断结果为否，则表明主观题老师线下未批改，还需要线上批改。

1.11.生成结果并保存答案截图，将结果数据分发给第一用户。这里的第一用户为具有接收结果数据权限的用户，包括老师，家长和学生。

这里的生成结果是对两部分的结果生成：1、可以自动批改的客观题，例如选择题，识别出学生答案后就可以判定对错了，这时候我们直接判定对错并截图保存学生该题的答案，并对学生的答题情况生成统计数据；2、对主观题，例如问答题，需要老师批改，然后这时候就分两步：1）老师可以线下批改，就是老师先收集卷子，在纸上批改，在每道题后面的批改框里标记这题做的是对，错，还是半对，老师改完了再上传图片，这时候线上可以识别出老师的批改结果，生成该题的批改结果并保存答案截图，并对学生的答题情况生成统计数据；2）对于老师未线下批改的，则进行后续的分发给对应老师进行线上批改的步骤。这里的结果数据包括批改结果和统计数据，批改结果中包括答案截图。这里的统计数据包括班级和个人正确率、完成率、薄弱点和知识点。

1.12.保存主观题答案截图，分发给第二用户进行线上批改，保存批改结果，并生成统计数据，将结果数据分发给第一用户。这里的第一用户为具有接收结果数据权限的用户，包括老师，家长和学生。这里的第二用户为具有批阅权限的用户，包括负责批改作业的老师和学生。老师可以在线上进行批改,譬如改成此题做的对还是错,并可以在图上涂鸦标记等，这些涂鸦都会作为批改结果被保存下来。这里的结果数据包括批改结果和统计数据，批改结果中包括带有老师涂鸦标记的答案截图。这里的统计数据包括班级和个人正确率、完成率、薄弱点和知识点。

系统自动批改客观题，分发主观题到老师的帐户，老师通过手机或电脑批改完主观题后，系统将结果反馈给老师，家长和学生。生成历史信息，第三用户均可查看历史信息，这里第三用户为具有查询历史信息权限的用户，包括教育局，学校，老师，家长，学生。其中，历史信息中包括批改结果和统计数据。

实施例二

通过本发明，老师可以直接在纸上批改作业，具体包括以下步骤：

2.1.印刷出版教学辅导书或者试卷,格式如图3，根据每个学生的唯一标识id生成其对应的二维码。

2.2.发放辅导书或试卷给学生，发放二维码给学生，学生完成作答，张贴自己的二维码到上面，并上交。

2.3老师直接在纸上批改完作业中的主观题，通过移动设备拍照上传至服务端。

2.4.系统收到答题图片后进行优化和提取。

老师拍照时,大多存在试卷未摆正的情况,并且存在其他的干扰背景，如桌面等，如图4,此时就需要去掉干扰背景并提取目标试卷,具体步骤如下:

（1）边缘检测

对原图进行灰度化,每个点的灰度值公式为gray=0.299r+0.587g+0.114b，对图像进行高斯滤波,其中高斯核为:

寻找图像中亮度梯度的幅值和方向亮度梯度检测的卷积算子表达如下：

其x向、y向的一阶偏导数矩阵，梯度幅值以及梯度方向的数学表达式为：

跟踪边缘,通过以上步骤再辅助高低两个梯度变化阈值可以得到边缘曲线,如图5所示。

（2）确定目标试卷顶点

通过霍夫变换检测直线,得到至少4条直线的直线公式y=k1x+b1，y=k2x+b2，y=k3x+b3，y=k4x+b4。通过直线函数算出直线的交点,效果如图6所示。

（3）提取目标试卷

通过得到的四个角的坐标,对原图进行透视变化,从而抽取出目标试卷如图7所示。

2.5.校准和切割图片。第一区域1中包含校准图形和分割图形，作为校准和分割区，如图2所示，校准图形为竖线，在实施中，校准图形还可以为正方形、长方形等图案，分割图形为黑色小长方形，在实施中，分割图形还可以为正方形、长方形等图案。

根据第一区域1的校准图形对图片进行校准，通过区域分割线那个小黑框进行模板匹配区域,模板匹配原理如图8所示:

假设我们有一张100x100的输入图像，有一张10x10的模板图像，小方框为10x10的模板图像，查找的过程为：

（1）从输入图像的左上角(0,0)开始，切割一块(0,0)至(10,10)的临时图像；

（2）用临时图像和模板图像进行对比，对比结果记为c；

（3）对比结果c，就是结果图像(0,0)处的像素值；

（4）切割输入图像从(0,1)至(10,11)的临时图像，对比，并记录到结果图像；

（5）重复（1）～（4）步直到输入图像的右下角。

以这个黑长方形为模板,逐行遍历原图,从左到右,从上到下,只要匹配相似度超过一定的百分比我们就认为匹配到了,记录每个匹配到的像素坐标点，这样一来,每两个黑框坐标点之间的就是一道题的区域，然后根据这两个坐标就可以提取对应部分的图像。

通过以上步骤就可以确定每个分割图的坐标点,这样就可以对校准后的图片进行切割了,图9就是被切割出来的某道题的区域。

经过上面的切割和模板匹配原理,我们可以定位出条形码和学生二维码识别,进而得出本试卷在后台的具体数据,譬如本试卷上的题目列表,以及各题的正确答案等信息；然后根据切割的每道题目分析出题号和学生的输入,如果是选择题,根据后台对应题号的正确答案进行自动批改,对于填空题等主观题,直接保存切图结果到对应题目以待老师批阅。

2.6.取出切割的图片，识别第二区域2的信息，根据第二区域2的条形码信息，判断当前图片是否为第一张，若是，则跳转到步骤2.7，若否，则跳转到步骤2.8。

其中，第二区域2中包含条形码和学生条形码张贴处，作为信息区。条形码对该页作了唯一标识，其中包含了教材版本，年级,册号，单元及页码信息；学生条形码区域粘贴学生的条形码或二维码，包含了学生的id和姓名信息。

2.7.生成页号id和学生id。

2.8从第三区域3识别出题号，生成题号索引，从第四区域4识别出答题结果。根据页号id和题号索引获得题目id和类型，根据所述题目id和类型，判断当前题目是否为客观题，若是，则转到步骤2.9，否则转到步骤2.10。第三区域中包含题号信息，作为题号索引区，第四区域4中包含答题结果，作为答题结果区。这里的客观题是指线上能自动判定对错的题，就是不需要人工批改的那类题目,例如选择题、填空题、判断题等；主观题就是需要人工批改的那类题目，例如问答题。

2.9.自动批改客观题，转到步骤2.11。后台中存储有客观题的正确答案，选择题可以根据后台对应题号的正确答案进行自动批改。

2.10.判断当前题目是否已经批改，若是，则转到步骤2.11，否则转到步骤2.12。若判断结果为是，则表明主观题老师已经线下批改；若判断结果为否，则表明主观题老师线下未批改，还需要线上批改。

2.11.生成结果并保存答案截图，将结果数据分发给第一用户。这里的第一用户为具有接收结果数据权限的用户，包括老师，家长和学生。其中，结果数据中包括批改结果和统计数据。

这里的生成结果是对两部分的结果生成：1、可以自动批改的客观题，例如选择题，识别出学生答案后就可以判定对错了，这时候我们直接判定对错并截图保存学生该题的答案，并对学生的答题情况生成统计数据；2、对主观题，例如问答题，需要老师批改，然后这时候就分两步：1）老师可以线下批改，就是老师先收集卷子，在纸上批改，在每道题后面的批改框里标记这题做的是对，错，还是半对，老师改完了再上传图片，这时候线上可以识别出老师的批改结果，生成该题的批改结果并保存答案截图，并对学生的答题情况生成统计数据；2）对于老师未线下批改的，则进行后续的分发给对应老师进行线上批改的步骤。这里的结果数据包括批改结果和统计数据，批改结果中包括答案截图。这里的统计数据包括班级和个人正确率、完成率、薄弱点和知识点。

2.12.保存主观题答案截图，分发给第二用户进行线上批改，保存批改结果，并生成统计数据，将结果数据分发给第一用户。这里的第一用户为具有接收结果数据权限的用户，包括老师，家长和学生。这里的第二用户为具有批阅权限的用户，包括负责批改作业的老师和学生。老师可以在线上进行批改,譬如改成此题做的对还是错,并可以在图上涂鸦标记等，这些涂鸦都会作为批改结果被保存下来。这里的结果数据包括批改结果和统计数据，批改结果中包括带有老师涂鸦标记的答案截图。这里的统计数据包括班级和个人正确率、完成率、薄弱点和知识点。

系统自动批改客观题，主观题老师已经在线下批改，保存主观题和客观题的批改结果，并生成统计数据，系统将结果反馈给老师，家长和学生。

生成历史信息，第三用户均可查看历史信息，这里第三用户为具有查询历史信息权限的用户，包括教育局，学校，老师，家长，学生。其中，历史信息中包括批改结果和统计数据。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所盖。