基于多层级数据串联的理化生实验操作判分装置及方法与流程

本发明涉及理化生实验考试中自动化的判分领域，具体为一种基于多层级数据串联的理化生实验操作判分装置及方法，适用于教育领域中的理化生实验操作练习和考试的判分场景。

背景技术：

1、初高中理化生实验操作教学和考试在教育中具有不可或缺的重要性。这些实验不仅有助于传授学术知识和促进理解，还培养了学生的实验技能、创新能力和科学精神。通过实际操作，学生能更好地为未来的学术和职业挑战做好准备。

2、目前，初高中理化生实验操作的教学和考试主要依赖于老师的指导和评估。然而，近年来，随着技术的发展，出现了一些新的可能性，例如理化生实验操作考试考评系统。这些系统可以对整个实验操作过程进行视频录制，并逐步引入基于人工智能的判分技术。尽管相关的判分方法尚未公开披露，但这一趋势在市场上逐渐崭露头角。

3、现阶段理化生理化生实验判分方法有以下缺点：

4、(1)现有理化生实验判分主要依靠的是人力，老师现场对学生实验操作进行判分。考试场景下，大量的学生同时考试，需要大量的监考评分老师，判分人员缺口极大。

5、(2)理化生实验操作考试监考评分人员水平不一致、人员之间判分尺度不一致，本发明设计的基于多层级数据串联的理化生实验操作判分方法，对所有考生的判分尺度一致、判分标准一致，使考试流程更加的公平公正。

6、(3)目前市场上出现的理化生实验ai判分方法，仅仅是目标检测后进行简单的物体交互逻辑就映射为判分，并且目前没有公开的利用目标检测进行理化生实验判分的方法。

7、(4)目前在交通、环保等领域，利用目标检测进行事件判断、评估有一些方法，大多依靠图像目标检测识别的目标检测框，在单帧图像上来判断某个事件是否发生。然而很多情况下，事件是个连续的动作，单帧图像判断一个事件是否发生很片面，举例说明：举手这个事件，经过长时间的举手姿势才能判断这个事件发生，假设人只是抬起胳膊转了一下，并不构成举手这个事件，但是如果只采用单帧图像进行事件发生的判断，判断极不准确。

技术实现思路

1、本发明为解决理化生实验判分人工劳动强度大、不准确，而自动判分领域采用单帧图像判断存在判断不准确等技术问题，提供一种基于多层级数据串联的理化生实验操作判分装置及方法。

2、本发明所述一种基于多层级数据串联的理化生实验操作判分装置采用如下技术方案实现：包括图像采集单元以及与图像采集单元相连接的处理单元，处理单元内设有通过多层级数据串联的目标检测模块、物体交互逻辑处理模块、视频流单帧静态动作处理模块、视频流多帧动态事件处理模块、判分点处理模块及得分细则处理模块；

3、所述目标检测模块采用目标检测算法检测目标检测框的名称、宽w、高h、中心点x轴坐标、中心点y轴坐标这些基础信息，目标检测框包括由图像采集单元采集到的视频图像中所包含的目标物体、组合目标物体以及组合动作；

4、所述物体交互逻辑处理模块中，根据目标检测框基础信息，设计并定义了一系列物体交互逻辑处理的方法，包含以下16种目标交互处理单元：

5、（1）目标检测框两点之间的距离：根据目标检测框x坐标和y坐标计算两点之间的坐标；

6、（2）目标检测框宽高比：目标检测框w和h的比值；

7、（3）两个目标检测框重叠面积：根据目标检测框的基本信息，计算两个矩形框之间的重叠面积占较小面积目标检测框的比值；

8、（4）相同名称目标检测框的数量：目标检测框名称相同，但是位置不同的目标检测框数量；

9、（5）两个目标检测框x轴坐标大小关系；

10、（6）两个目标检测框y轴坐标大小关系；

11、（7）两个目标检测框x轴坐标绝对值差值关系；

12、（8）两个目标检测框y轴坐标绝对值差值关系；

13、（9）存在某个目标检测框：根据目标检测框名称判断存在某个目标检测框；

14、（10）除了某几个名称的目标检测框不存在其他名称目标检测框；

15、（11）多个目标检测框x轴坐标按大小顺序排列；

16、（12）多个目标检测框y轴坐标按大小顺序排列；

17、（13）某个名称的目标检测框x坐标小于另一个名称目标检测框x坐标的数量；

18、（14）某个名称的目标检测框x坐标大于另一个名称目标检测框x坐标的数量；

19、（15）某个名称的目标检测框y坐标大于另一个名称目标检测框y坐标的数量；

20、（16）某个名称的目标检测框y坐标小于另一个名称目标检测框y坐标的数量；

21、不同目标检测框坐标均以图像采集单元采集到的图像中的某一点作为原点；

22、所述视频流单帧静态动作处理模块根据目标交互逻辑处理模块给出的目标交互处理单元之间的逻辑关系，生成视频流单帧静态动作；目标交互处理单元之间的逻辑关系有：

23、①目标交互处理单元与关系：必须同时存在多个目标交互处理单元；

24、②目标交互处理单元或关系：至少存在多个目标交互处理单元中的一个；

25、③目标交互处理单元非关系：不存在某个目标交互处理单元；

26、④目标交互处理单元异或关系：两个不同的目标交互单元只能有一个发生；

27、⑤目标交互处理单元同或关系：两个不同的目标交互单元同时发生或者同时不发生；

28、所述视频流多帧动态事件处理模块中，连续n帧视频，n个视频流单帧静态动作只需m帧满足一定的逻辑关系，即可确定为某个事件发生，其中m<n；m个单帧静态动作之间的逻辑关系包括：

29、①单帧静态动作与关系：必须同时存在多个单帧静态动作；

30、②单帧静态动作或关系：至少存在多个单帧静态动作中的一个；

31、③单帧静态动作非关系：不存在某个单帧静态动作；

32、④单帧静态动作异或关系：两个不同的单帧静态动作只能有一个发生；

33、⑤单帧静态动作同或关系：两个不同的单帧静态动作同时发生或者同时不发生；

34、所述判分点处理模块中，根据某几个事件发生的先后顺序，确定某个得分点、失分点是否满足；

35、所述得分细则处理模块中，根据某几个判分点发生的情况，确定某个得分细则是否发生。

36、本发明所述一种基于多层级数据串联的理化生实验操作判分方法，包括预设步骤和实际操作判分步骤；

37、（一）预设步骤包括：（1）针对要进行的理化生实验项目，选定该理化生实验项目所需的目标物体、组合目标物体以及组合动作，作为该理化生实验项目的目标检测框；

38、（2）物体交互逻辑处理模块从16种目标交互处理单元中，选出与该理化生实验项目相关的几种目标交互处理单元；视频流单帧静态动作处理模块确定出物体交互逻辑处理模块给出的目标交互处理单元之间的逻辑关系，视频流多帧动态事件处理模块确定m与n的数值关系，并选定m个单帧静态动作之间需要满足哪种逻辑关系，即可确定为某个事件发生；判分点处理模块根据某几个事件发生的先后顺序，设定好得分点、失分点是否满足；得分细则处理模块根据某几个判分点发生的情况，设定某个得分细则是否发生；

39、（二）上述设定完成后，开始进行实际操作判分步骤：实验者开始实验，图像采集单元采集实时实验图像，并在处理单元中生成目标检测框，处理单元按照设定好的目标交互处理单元逻辑关系生成视频流单帧静态动作，然后根据多个视频流单帧静态动作判断某个事件是否发生，进而根据某几个事件发生的先后顺序，确定某个得分点、失分点是否满足，并根据某几个判分点发生的情况，确定某个得分细则是否发生，完成该理化生实验项目的实验操作判分。

40、该方法适用于教育领域中的理化生实验操作练习和考试的判分场景。在理化生实验操作考试中，多摄像头用于监控学生进行实验的操作过程，通过多目标检测算法模型来识别学生实验中所涉及的实验仪器、组合目标物体、组合动作等信息。这些信息被识别、汇总并传送给判分逻辑层，最终给出相应的得分。

41、这一方法的应用能够在理化生实验考试中实现自动化的判分过程，提高了判分的准确性和效率。同时，它还为学生提供了更公平和客观的评价，促进了实验操作的规范性和质量。这对于教育领域来说具有重要意义，有望提升理化生实验操作教学和考试的质量和效果。

42、本发明开创性的提出了一种基于多层级数据串联的理化生实验操作判分装置及方法，系统描述了判分实现的整个流程，该发明不仅可以用于理化生实验ai判分的场景，还可以用于利用目标检测算法进行判分评估的其他类似场景。

43、本发明的创新点和有益效果：

44、(1)设计了一个物体交互逻辑处理模块，设计定义了很多目标交互处理单元。判分人员只需要根据需要配置目标交互处理单元的逻辑关系，即可很快速的判定一个单帧静态动作是否发生。

45、(2)设计了视频流多帧动态事件处理模块，需要多个静态动作满足一定逻辑关系，并且多帧发生才证明事件发生，避免了事件错判的发生。

46、(3)设计了多层数据串联处理的方法，避免了直接根据目标检测框进行判分的难度，使目标检测算法能通过该方法的转换，变成容易给理化生实验操作进行判分，普通业务人员都可以根据该框架结构进行配置，降低了基于目标检测算法进行理化生实验操作判分的门槛。