物聯網架構的考試用數字處理系統及其識別筆跡的方法

2023-05-12 12:57:26

專利名稱：物聯網架構的考試用數字處理系統及其識別筆跡的方法
技術領域：
本發明涉及一種物聯網架構的考試用數字處理系統及其識別筆跡的方法，主要適用於各類考試場合的自動化處理。
背景技術：
隨著國民經濟的快速發展和科學技術的巨大進步，特別是環保理念的深入人心， 辦公自動化(OA: OFFICE AUTOMATION)已經成為各個國家企業提高辦事效率的重要手段， 辦公自動化就是採用Internet/Intranet技術，基於工作流的概念，使企業內部人員方便快捷地共享信息，高效地協同工作；改變過去複雜、低效的手工辦公方式，實現迅速、全方位的信息採集、信息處理，為政府和企業的管理和決策提供科學的依據。一個政府和企業實現辦公自動化的程度也是衡量其實現現代化管理的標準。作為辦公自動化的一項重要內容，自動化考試系統也成為當前考試處理的一個重要發展方向，隨著社會經濟的發展，對人才和知識的要求層次越來越高，各種考試層出不窮，目前的考試記錄和閱卷系統主要以手動為主，從答題到閱卷，需要耗費大量的人力物力，耗時長，效率低成本高，準確性得不到有效保障，即使答題卡形式的自動閱卷系統，由於填塗方式的多樣化，在出現模稜兩可的情況時，還是需要人工閱卷的二次確認，此外由於答題卡無法具體反映試題內容，考生由於考試緊張導致的答題卡錯位的情況也屢見不鮮，可見答題卡形式的自動考試系統有其不可克服的弊端；另外目前的許多自動考試系統，例如 TOEFL等考試，此種考試系統要求提供完備的計算機及相關軟體，同一時間一臺計算機只能提供一個考試機位，由於規模和成本的限制，當面向大規模考試，比如四、六級，高考等超大規模場合，該系統無能為力。

發明內容
本發明要解決的技術問題是針對上述存在的問題提供一種適合大規模考試的物聯網架構的考試用數字處理系統及其識別筆跡的方法，旨在實現實時閱卷和答題，提高考試系統閱卷處理速度和準確率，儘可能減少人力物力的投入，降低成本提高效率，同時保證信息保存的長久性。本發明所採用的技術方案是物聯網架構的考試用數字處理系統，其特徵在於 它包括嵌入式圖形識別處理器、與該嵌入式圖形識別處理器無線連接的數字書寫筆，以及與該嵌入式圖形識別處理器有線連接的存儲器和無線通信及加密裝置，其中
數字書寫筆，負責實時採集答題者真實筆跡，並將採集到的信息無線發送至嵌入式圖形識別處理器；
嵌入式圖形識別處理器，用於實時接收數字書寫筆發送的信號，同時運行基於絕對坐標的跟蹤定位算法計算出跟蹤定位信息，獲得精確的真實筆跡還原，並利用基於特徵提取的圖像識別算法和字庫對手寫筆跡進行準確識別，提取答題人的答案，然後將計算出的跟蹤定位信息和所提取的答案壓縮打包後傳輸至無線通信及加密裝置；存儲器，用於存儲信息；
無線通信及加密裝置，用於接收嵌入式圖形識別處理器傳輸的信號，並經加密處理後， 通過無線方式發送到後臺考試中心伺服器進行答案二次提取，兩次提取結果進行比較輸出最終答案信息，並通過與標準答案比對完成自動閱卷過程。所述數字書寫筆包括控制單元、存儲單元、驅動單元、發射單元和電源；其中電源為其他單元提供工作電壓，控制單元用於控制書寫筆的工作狀態，存儲單元與控制單元連接，用於存儲定位數據，驅動單元的輸入端與控制單元的控制信號輸出腳連接，輸出端與發射單元連接，用於驅動發射單元發射信號，發射單元用於將獲取的信息發送至嵌入式圖形識別處理器。所述發射單元由兩個超聲波發射器和一個紅外發射器組成，相應的驅動單元由三個驅動器組成，每個驅動器對應連接一個發射器。所述嵌入式圖形識別處理器包括信號接收單元、跟蹤定位單元和圖形處理單元； 其中信號接收單元用於接收數字書寫筆發送的信號，跟蹤定位單元與信號接收單元連接， 用於接收信號接收單元傳輸的信號，並運行基於絕對坐標的跟蹤定位算法，計算出跟蹤定位信息，圖形處理單元通過USB接口分別與跟蹤定位單元和無線通信及加密裝置連接，用於接收跟蹤定位單元計算出來的跟蹤定位信息，獲得精確的真實筆跡還原，並利用基於特徵提取的圖像識別算法和字庫對手寫筆跡進行準確識別，提取答題人的答案，然後將所提取的答案傳輸至無線通信及加密裝置；所述圖形處理單元通過數據總線與存儲器連接。所述信號接收單元由兩個超聲波接收器和一個紅外接收器組成。所述無線通信及加密裝置包括硬體加密單元和無線通信單元；其中硬體加密單元通過USB接口與圖形處理單元連接，用於數據加密，無線通信單元通過USB接口分別與硬體加密單元和圖形處理單元連接，通過無線方式將加密數據發送到後臺考試中心伺服器。
所述無線通信單元包括3G模塊、Wifi模塊和Wimax模塊。一種處理系統識別筆跡的方法，其特徵在於步驟如下
a、數字書寫筆實時跟蹤和記錄其書寫時所產生的移動，並將該信息實時無線傳輸至嵌入式圖形識別處理器；
b、嵌入式圖形識別處理器中的信號接收單元實時接收數字書寫筆發送的信號，同時蹤定位單元運行基於絕對坐標的跟蹤定位算法計算出跟蹤定位信息；
C、嵌入式圖形識別處理器中的圖形處理單元根據步驟b得到的定位信息形成二值圖像，從而獲得精確的真實筆跡還原，並利用基於特徵提取的圖像識別算法和字庫對手寫筆跡進行準確識別，提取答題人的答案。本發明的有益效果是1、本發明利用紅外和超聲波無線定位技術，實時記錄答題人筆跡，並以電子文檔形式存儲，保證了信息輸入的準確性和保存的長久性。2、引入圖形圖像識別算法，實時提取筆跡進行識別，大大提高了信息提取的準確率，保證了考試的公平性和公正性。3、採用3G、Wifi、WimaX等多種無線傳輸方式，保證了系統組網的方便有效和高度靈活適應性，同時引入硬體數據加密技術，確保個人信息的保密性。4、引入物聯網概念， 實時採集答題人的真實筆跡，並利用圖像處理算法提取出答題人的答案，通過無線方式發送至後臺考試中心伺服器，將答題和閱卷工作同時進行，保證了閱卷和答題的實時性，非常適合向大規模考試場合推廣，有利於推動我國自動化辦公進程和低碳經濟發展。5、答題時直接在普通試卷上書寫即可，相對於現有技術答題卡形式的自動閱卷系統，避免了考生由於考試緊張導致的答題卡錯位的情況。


圖1是本發明的系統結構圖。圖2是本發明中數字書寫筆的結構原理圖。圖3是本發明中嵌入式圖形識別處理器的結構原理圖。
具體實施例方式如圖1所示，本實施例由數字書寫筆1、存儲器2、嵌入式圖形識別處理器3和無線通信及加密裝置4組成；其中數字書寫筆1負責實時採集答題者真實筆跡；存儲器2支持SD 卡以及SDRAM存儲，最大容量支持10G，並通過數據總線與嵌入式圖形識別處理器3連接，用於存儲嵌入式圖形識別處理器3處理後的信息(包括文字、圖形圖像);嵌入式圖形識別處理器3與數字書寫筆1無線連接，用於實時接收數字書寫筆1發送的信號，同時運行基於絕對坐標的跟蹤定位算法計算出跟蹤定位信息，獲得精確的真實筆跡還原，並利用基於特徵提取的圖像識別算法和字庫對手寫筆跡進行準確識別，提取答題人的答案；無線通信及加密裝置4通過USB接口與嵌入式圖形識別處理器3連接，用於接收嵌入式圖形識別處理器3 傳輸的信號(包括嵌入式圖形識別處理器3計算出的跟蹤定位信息和所提取的答案)，並經加密處理後，通過無線方式發送到後臺考試中心伺服器進行答案二次提取，兩次提取結果進行比較輸出最終答案信息，並與標準答案比對完成自動閱卷過程。如圖2所示，所述數字書寫筆1包括控制單元1-1、存儲單元1-2、驅動單元1-3、發射單元1-4和電源1-5 ；其中電源1-5為其他單元提供工作電壓；控制單元1-1選用以色列 Pegasus公司生產的專用數字筆控制晶片(Pen controller ASIC)，用於控制書寫筆的信息採集和工作狀態；存儲單元1-2與控制單元1-1連接，用於存儲定位數據，容量為2M，選用 Flash存儲器件；驅動單元1-3的輸入端與控制單元1-1的控制信號輸出腳連接，輸出端與發射單元1-4連接，用於驅動發射單元1-4發射信號；發射單元1-4用於將獲取的信息發送至嵌入式圖形識別處理器3。本例中，驅動單元1-3由三個驅動器組成，本例中驅動器選用分離式半導體產品——三個NPN三極體放大器(型號MMBT3904-7)，三個驅動器對應連接控制單元1-1的三個控制信號輸出腳，用於驅動發射單元1-4發射超聲波和紅外線信號；相應的發射單元1-4則由兩個超聲波發射器和一個紅外發射器組成，其中超聲波發射器選用美國Measurement Specialties公司的40KH數字超聲波發射器(型號US40KR-01 )，紅外發射器選用美國Vishay公司的VSMY1850紅外發射器，發射波長850nm。所有器件均為低功耗器件，因此電源1-5由兩節SR41電池構成，提供3V直流電壓供應，可連續工作100小時。其中由發射單元的兩路超聲波發射器和一路紅外發生器提供的數據進行坐標定位，定位範圍為標準A4紙張，識別精度可達100DPI，這部分功能是由嵌入式圖形識別處理器3中的跟蹤定位單元3-2完成，此處定位是指試卷上位置。本例中，所述數字書寫筆1包括筆頭、筆桿、筆尾和筆帽四部分，其中筆頭裝有點觸開關，答題者進行書寫答題時開關接通，數字書寫筆處於寫模式，否則處於空閒模式；控制單元1-1、存儲單元1-2、驅動單元1-3和發射單元1-4均安裝於筆桿內部，電源1-5安裝於筆尾，筆帽套設於筆尾，當筆帽擰緊時內部電路接通，書寫筆開始工作(書寫筆有兩種工作狀態，空閒和坐標定位，空閒時也要發送狀態數據，電路接通時，處於空閒狀態，點觸開關接通時則發送坐標數據)。 如圖3所示，所述嵌入式圖形識別處理器3包括信號接收單元3-1、跟蹤定位單元 3-2和圖形處理單元3-3 ；其中信號接收單元3-1與數字書寫筆1的發射單元1-4相對應， 由兩路超聲波接收器和一路紅外接收器構成，分別選用美國Measurement Specialties公司的40KH數字超聲波接收器US40KR-01和美國Vishay公司的VSMY1851紅外接收器，分別接收數字書寫筆1發射的超聲波信號和紅外信號；跟蹤定位單元3-2選用以色列Pegasus 專用定位跟蹤晶片(Pen controller ASIC，XH710A)，並分別與信號接收單元3_1中的兩個超聲波接收器和一個紅外接收器連接，用於接收信號接收單元3-1傳輸的信號，並運行 Pegasus公司自主開發的基於絕對坐標的跟蹤定位算法，計算出跟蹤定位信息(書寫筆二維坐標信息)；圖形處理單元3-3採用TI公司的多媒體專用處理晶片DM6446 (該晶片具有 ARM+DSP雙核架構，DSP核負責基於圖像的文字識別算法處理，ARM核負責系統應用，主要完成採集信息手寫筆跡的真實還原和字體識別功能)並通過USB接口分別與跟蹤定位單元 3-2和無線通信及加密裝置4連接，用於接收跟蹤定位單元3-2計算出來的跟蹤定位信息， 並根據該定位信息形成二值圖像，從而獲得精確的真實筆跡還原，然後利用基於特徵提取的圖像識別算法和字庫對手寫筆跡進行準確識別，提取答題人的答案，最後對跟蹤定位單元3-2計算出來的跟蹤定位信息和圖形處理單元3-3提取的識別答案進行壓縮打包，通過 USB接口傳輸至無線通信及加密裝置4 ；所述圖形處理單元3-3通過數據總線與存儲器2連接，以保存經識別後的答案。 所述無線通信及加密裝置4包括通過USB接口連接的硬體加密單元4-1和無線通信單元4-2 ；其中硬體加密單元4-1選用西門子公司的專用硬體加密模塊S7-300，加密算法為3DES，並通過USB接口與圖形處理單元3-3連接，用於數據加密；無線通信單元4_2包括 3G模塊、WiFi模塊和WiMax模塊，其中3G模塊選用華為公司的EM700，以USB接口連接圖形處理單元3-3，WiFi模塊選用深圳天漠科技的WF8000-U WiFi模塊，以USB接口連接圖形處理單元3-3，WiMax模塊選用LG伊諾特的M-WiMAX SIP模塊，以USB接口連接圖形處理單元3-3。通信方式根據實際需要從3G移動通信、WiFi無線通信、WiMax無線通信中選擇其中一種，並根據實際情況自動切換通信方式，用於接收圖形處理單元3-3傳輸的信號，並通過無線方式發送到後臺考試中心伺服器進行二次確認。在實際使用中，本實施例各部件集中放置於長方體盒體中，盒體長寬高分別為 20cmU0cm,8cmo使用時打開盒體、用內部支架支撐和固定。答題者使用數字書寫筆1在普通試卷上答題，並保證數字書寫筆1到嵌入式圖形識別處理器3的距離不得超過80cm，否則系統無法數字記錄答題者的筆跡，同時試卷大小不得超過8K。利用本實施例所述處理系統識別筆跡的方法，步驟如下
a、數字書寫筆1實時跟蹤和記錄其書寫時所產生的移動，並將該信息實時無線傳輸至嵌入式圖形識別處理器3;
b、嵌入式圖形識別處理器3中的信號接收單元3-1實時接收數字書寫筆1發送的信號，同時蹤定位單元3-2運行基於絕對坐標的跟蹤定位算法計算出跟蹤定位信息；
c、嵌入式圖形識別處理器3中的圖形處理單元3-3根據步驟b得到的定位信息形成二值圖像，從而獲得精確的真實筆跡還原，並利用基於特徵提取的圖像識別算法和字庫對手寫筆跡進行準確識別，提取答題人的答案。
權利要求
1.一種物聯網架構的考試用數字處理系統，其特徵在於它包括嵌入式圖形識別處理器(3)、與該嵌入式圖形識別處理器無線連接的數字書寫筆(1)，以及與該嵌入式圖形識別處理器有線連接的存儲器(2)和無線通信及加密裝置(4)，其中數字書寫筆(1 )，負責實時採集答題者真實筆跡，並將採集到的信息無線發送至嵌入式圖形識別處理器(3);嵌入式圖形識別處理器(3)，用於實時接收數字書寫筆(1)發送的信號，同時運行基於絕對坐標的跟蹤定位算法計算出跟蹤定位信息，獲得精確的真實筆跡還原，並利用基於特徵提取的圖像識別算法和字庫對手寫筆跡進行準確識別，提取答題人的答案，然後將計算出的跟蹤定位信息和所提取的答案壓縮打包後傳輸至無線通信及加密裝置(4)；存儲器(2)，用於存儲信息；無線通信及加密裝置(4)，用於接收嵌入式圖形識別處理器(3)傳輸的信號，並經加密處理後，通過無線方式發送到後臺考試中心伺服器進行答案二次提取，兩次提取結果進行比較輸出最終答案信息，並通過與標準答案比對完成自動閱卷過程。
2.根據權利要求1所述的物聯網架構的考試用數字處理系統，其特徵在於所述數字書寫筆(1)包括控制單元(1-1)、存儲單元(1-2)、驅動單元(1-3)、發射單元(1-4)和電源 (1-5)；其中電源(1-5)為其他單元提供工作電壓，控制單元(1-1)用於控制書寫筆的工作狀態，存儲單元(1-2)與控制單元(1-1)連接，用於存儲定位數據，驅動單元(1-3)的輸入端與控制單元(1-1)的控制信號輸出腳連接，輸出端與發射單元(1-4)連接，用於驅動發射單元發射信號，發射單元(1-4)用於將獲取的信息發送至嵌入式圖形識別處理器(3)。
3.根據權利要求2所述的物聯網架構的考試用數字處理系統，其特徵在於所述發射單元(1-4)由兩個超聲波發射器和一個紅外發射器組成，相應的驅動單元(1-3)由三個驅動器組成，每個驅動器對應連接一個發射器。
4.根據權利要求1所述的物聯網架構的考試用數字處理系統，其特徵在於所述嵌入式圖形識別處理器(3)包括信號接收單元(3-1)、跟蹤定位單元(3-2)和圖形處理單元 (3-3);其中信號接收單元(3-1)用於接收數字書寫筆(1)發送的信號，跟蹤定位單元(3-2) 與信號接收單元(3-1)連接，用於接收信號接收單元(3-1)傳輸的信號，並運行基於絕對坐標的跟蹤定位算法，計算出跟蹤定位信息，圖形處理單元(3-3)通過USB接口分別與跟蹤定位單元(3-2)和無線通信及加密裝置(4)連接，用於接收跟蹤定位單元(3-2)計算出來的跟蹤定位信息，獲得精確的真實筆跡還原，並利用基於特徵提取的圖像識別算法和字庫對手寫筆跡進行準確識別，提取答題人的答案，然後將所提取的答案傳輸至無線通信及加密裝置(4)；所述圖形處理單元(3-3)通過數據總線與存儲器(2)連接。
5.根據權利要求4所述的物聯網架構的考試用數字處理系統，其特徵在於所述信號接收單元(3-1)由兩個超聲波接收器和一個紅外接收器組成。
6.根據權利要求1所述的物聯網架構的考試用數字處理系統，其特徵在於所述無線通信及加密裝置(4)包括硬體加密單元(4-1)和無線通信單元(4-2)；其中硬體加密單元 (4-1)通過USB接口與圖形處理單元(3-3)連接，用於數據加密，無線通信單元(4-2)通過 USB接口分別與硬體加密單元(4-1)和圖形處理單元(3-3 )連接，通過無線方式將加密數據發送到後臺考試中心伺服器。
7.根據權利要求6所述的物聯網架構的考試用數字處理系統，其特徵在於所述無線通信單元(4-2)包括3G模塊、Wifi模塊和Wimax模塊。
8. —種權利要求1所述處理系統識別筆跡的方法，其特徵在於步驟如下a、數字書寫筆(1)實時跟蹤和記錄其書寫時所產生的移動，並將該信息實時無線傳輸至嵌入式圖形識別處理器(3)；b、嵌入式圖形識別處理器(3)中的信號接收單元(3-1)實時接收數字書寫筆(1)發送的信號，同時蹤定位單元(3-2)運行基於絕對坐標的跟蹤定位算法計算出跟蹤定位信息；c、嵌入式圖形識別處理器(3)中的圖形處理單元(3-3)根據步驟b得到的定位信息形成二值圖像，從而獲得精確的真實筆跡還原，並利用基於特徵提取的圖像識別算法和字庫對手寫筆跡進行準確識別，提取答題人的答案。
全文摘要
本發明涉及一種物聯網架構的考試用數字處理系統及其識別筆跡的方法。本發明的目的是提供一種適合大規模考試的物聯網架構的考試用數字處理系統及其識別筆跡的方法，旨在實現實時閱卷和答題，提高考試系統閱卷處理速度和準確率，儘可能減少人力物力的投入，降低成本提高效率，同時保證信息保存的長久性。本發明的技術方案是物聯網架構的考試用數字處理系統，其特徵在於它包括嵌入式圖形識別處理器、與該嵌入式圖形識別處理器無線連接的數字書寫筆，以及與該嵌入式圖形識別處理器有線連接的存儲器和無線通信及加密裝置。本發明適用於各類考試場合的自動化處理。
文檔編號G06K9/62GK102324063SQ20111024166
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月22日 優先權日2011年8月22日
發明者張京倫, 張方, 施繼興 申請人:張京倫, 張興蓮, 張方, 施繼興