基于图像工程的网上阅卷系统的研究与设计.doc

分类号：下狮密级：，毛、单位代码：学号：呻钐茹只孥硕士学位论文论文题目：网上阆卷设计险则从咖以脚，沪呼呲收跏眦帆喈功；洲：作者邀殓专业亟盘兰堡塑塞巍导师合作导师年斗月日的与程隗研家向偏酌图邓痢基糸原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：熬殓日期：皇旦垃，生幽关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。（保密论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名：涨硷导师签名：日期：雹。生叁。山东大学硕士学位论文目录中文摘要符号说明第一章绪论课题研究的背景与意义网上阅卷的研究与发展现状。课题工作介绍课题的创新与章节安排第二章图像采集与预处理图像工程概述一网上阅卷数据源子系统的处理流程答卷图像的采集与存储答卷图像的预处理答卷图像的质量增强一答卷图像的倾斜矫正一答卷图像的压缩第三章图像特征检测与分割图像性质分析常见的图像分割方法答卷图像的检测与分割流程粗分割基于小波变换的边缘检测粗定位细分割。最佳分割阈值。形态学处理及定位算法实现与测试结果第四章图像分析工作原理与性能分析常见识别算法介绍平均灰度值特征提取法模板匹配法改进的灰度值特征提取法方案一答卷图像的二值化特征提取山东大学硕士学位论文改进的灰度值特征提取法方案二算法介绍阈值检测与分析一新的基于的答卷图像分析方法尺度空极值点的检测关键点的定位关键点方向的确定特征描述子的生成及图像测试新的基于形状特征的答卷图像分析方法算法的提出矩形逼近傅立叶描述子基于统计决策的字符识别方法流程介绍。主要方法第五章网上阅卷系统的网络开发技术探讨网络评阅的误差控制原则服务技术。、服务的关键技术服务的体系架构服务的技术优势与发展前景第六章系统设计与实现工作环境及相关介绍数据源模块的设计设计框架。设计原则界面设计数据存储性能测试第七章结论与展望论文总结迸一步的研究工作。参考文献致谢。攻读硕士期间发表的论文（）：；。？：山东大学硕士学位论文】一：一，渺曲，的监督机制，无法保证阅卷质和远距离运输，使得试卷的保人工阅卷的诸多弊端，成为替代人工阅卷模式的有效方式。网上阅卷系统分为数据源子系统、评卷子系统、管理子系统三部分。针对计算机网上阅卷的需要，研究能有效处理答卷图像的方法，有十分重要的现实意义，而图像工程技术的不断发展为新的图像处理方法的诞生奠定了基础。本文首先介绍了网上阅卷系统的工作原理，阐述了网上阅卷系统相比于人工阅卷的优势，以及当它的应用与发展现状。针对数据源子系统，分析了目前光学识别系统存在的固有缺陷，并在此基础上提出了行之有效的软件解决方法。通过高速扫描仪获取整幅答卷的数字图像，将其作为底稿存储起来。拥有原始答卷的数字图像，这是相比的一大优势，方便进行处理、复制与传输。通过粗分割和细分割完成要识别区域的分割，利用提出的图像分析与识别方法获得相关的数据信息。分析了模式识别技术和技术发展，对已有的字符识别方法进行了探讨，结合多种特征提取方法识别相关字符，进一步核对考生信息。评卷子系统可以在局域网内实现，并随着网络技术的不断发展从二级结构向三级结构转化。服务是近年来出现的网络应用开发技术，它使用通用资源标识符标识应用程序或组件，其资源和绑定信息可使用标准格式进行描述，并允许通过常用互连网协议直接与其他应用程序或组件进行交互，为网上阅卷的进一步发展创造了条件。本论文针对普通质量的答卷纸，阐述了进行研究的重要性与可行性，并从推广性方面展开工作。从图像信息采集、图像预处理、图像分割、图像信息分析与识别、信息存储等角度出发，提出合理的答卷图像处理流程。图像预处理涉及图像质量的增强和倾斜矫正处理，前者利用空域滤波方法增强图像质量，并使用邻域平均法减少干扰点的作用。后者对原有的变换进行了适当改进，成功运用于答卷图像的倾斜矫正，为后续图像分割与分析奠定基础。图像分割模块通过两次分割获取目标图像，采用动态阈值方法完成图像的二值化，使其具备保留原山东大学硕士学位论文始图像特征、二值化效果好的特点，有效避免了全局阈值或局部阈值存在的缺陷。在图像分析模块中提出了几种方法，基于平均灰度值特征提取法的两种改进，基于的识别分析方法等，都取得了很好的自动识别效果。作为开放的计算机视觉库，包含许多重要的图像处理算法，为本文的实际图像处理带来了方便。本课题借助各种软硬件设计了一套自动化扫描网上阅卷系统，该系统不仅避免了存在的一些缺陷，而且识别样式不再单一，使答卷的设计样式更为灵活，满足用户需求。评阅过程简洁和人性化、评阅结果准确率高、评阅信息能及时被存储与统计，方便查阅，这些都有效拓展了应用范围，为全新、低廉、有效的智能化网上阅卷系统的实现打下了基础。论文在最后简单总结了文章的主要工作以及对未来网上阅卷发展的工作计划。关键词：网上阅卷；扫描仪；图像工程：服务。“。山东大学硕士学位论文量詈詈暑曼詈皇量量置置喜富詈詈曼詈皇詈詈皇詈皇皇詈皇詈詈詈詈曼詈詈暑詈皇詈曼曼詈詈曼曼曼詈曼鼍詈詈詈詈量皇曼曼！曼詈詈量詈詈置量置葛詈置曼！置詈詈鼍量曼皇曼皇！葛皇皇置皇鼍曼！詈皇，沓，山东大学硕士学位论文课题研究的背景与意义第一章绪论科学发展观的核心是以人为本，以人为本的关键在于重视和发展对人才的培养，最终实现科教兴国的战略思想。人才培养的过程是教师按照确定的教育目标将知识和技能传授给学生，然后利用考试阅卷结果产生的反馈信息对教学过程进行调节和控制。阅卷是考试中的一个重要环节，而阅卷方式的好坏不仅影响着整个阅卷过程的效率，而且还关系着众多优秀人才的选拔，因此有一个更加公平、公正、安全的阅卷方式是至关重要的。随着上世纪年代以来，高校招生规模不断增加，试卷份数也随之增加，传统的人工阅卷模式面临着极大的挑战，费时、费力、准确性差等缺点已不能满足考试的客观、公正的目的。随着计算机网络技术、图像处理等技术的发展，网上阅卷作为一种全新的阅卷模式应运而生，以减小主观评卷误差，实现公平、公正原则为目的，成为替代传统阅卷模式的有效方式。网上阅卷利用扫描仪首先将考尘答卷变为计算机能够处理的数字图像，然后利用计算机设备对这些图像信息进行保存、处理、传输和评阅。它解决了传统人工阅卷中存在的诸多弊端，有效结合了传统人工阅卷的丰富经验和现代化的高新技术，采用试卷和答卷分离的方式进行，其中客观题是由计算机自动判分，主观题则采用计算机显示答卷信息、阅卷人给分的处理方式，最后由计算机自动进行核分和校科，其工作过程如图描述。晌马葫引一救援曩务号一一蛹臼幽二；鼠许主秘二一，一上谭图网上阅卷作流程一引山东大学硕士学位论文网上阅卷一次性解决了答卷的设计排版、印刷打印、图像扫描、客观题涂点自动识别判分、主观题无纸化网上评卷及误差控制、分数自动合成、试题分析和考试结果报告。网上阅卷能够支持高负载和并发量的访问，其中一项优势就是通过误差控制原则来大大缩小评阅误差，更加的公正、高效、科学、安全，避免了传统阅卷的手工加分、登分、人为原因造成的漏分、加错分或登错分的情况。网上阅卷的研究和实施已明确列入全国教育考试“十五科研规划课题的研究内容和范围之内。伴随着计算机技术的飞跃发展，在短短数年内，网上阅卷技术不断完善和成熟，不仅得到考试管理机构的认可，也得到了广大考生和社会的认可。年，普通高考网上阅卷工作开始试点，有个省（市、区）参与，到年扩展到个（市、区），年教育部丌始推行高考网上阅卷试点，个省（市、区）参与。全国个省市推行高考网上阅卷，年，有个省市进行高考网上阅卷。截至年月，全国绝大数省市（区）考试机构在普通高考、自学考试及研究生考试中实行了部分或全部科目的局域网范围内的网上阅卷和统分工作【】。网上阅卷经历了最初的局域网模式发展到广域网，由少数省市参与网上阅卷发展到全国大部分省份，由单科目网上阅卷发展到全科目的过程。网上阅卷的研究与发展现状国外实行网上阅卷较早，技术比国内成熟。目前，国外已经有多种网上阅卷系统投入使用。据了解，美国教育考试服务中心和英国剑桥大学考试委员会都有自己的网上阅卷系统。但是作为一项产品投入市场后，外界在技术发展方面可获得的有用参考资料很少，限制了国内技术的研究和发展。国内也有多家公司从事网上阅卷系统的设计与开发，如北京信息技术服务有限公司、深圳海云天有限公司等。他们设计的产品有的在考试运用中取得了良好效果，有的也存在一定的问题，如答题纸的制作需要与扫描仪匹配：对答卷纸的质量要求高，制作复杂，答卷纸样式一旦更改，软件就不能识别、分割；系统的升级难度大，维护工作量大；网上阅卷的技术服务费用很高，浪费了大量的人力和物力等。有效抓住这些不足，及时进行改进和创新，使网上阅卷技术不断趋近廉便化，将会在教育、卫生、财政、民政、组织、司法、能源邮电、交通等诸多领域具备良好的市场景，成为大型数据处理的首选设备。山东大学硕士学位论文区域生长等，本文图像分割的目的是从无边界标记的普通答卷图像中分离出目标域，即把包含考生基本信息、选择题、汉字图像块分割出来，降低后面评阅的复杂度。对于识别方面，已有的分析方法有基于平均灰度值的特征提取方法和模板匹配方法，正确分析提取图像中的数据信息，提高图像的处理速度是本文的关键。主观题的所有图像会按题发送到客户端，可靠、安全且稳定的网络建设十分重要。本文针对目前不同应用程序模块沟通困难的问题，对目前比较流行的服务技术进行了专门研究，介绍其相对其他网络应用技术的优势和进行网上阅卷的应用前景。（）课题的主要研究目标本课题利用目已普及的高速扫描仪和普通质量的答卷纸，借助计算机的高速度和存储器的大容量，实现对普通答卷从采集图像再到图像各阶段的自动处理，完成网上阅卷系统中数据源模块的研制。网上评阅子系统利用基于服务的网络建设方案，通过格式的使用，实现更加便捷的传输和存储答卷图像。在不增加系统复杂度的情况下，提供了较为完善的用户权限管理，使得各个模块各尽其职，减轻用户的工作强度。系统能有效克服已有阅卷系统应用范围狭隘，维护量高的缺点，使其具备识别样式灵活、阅读能力强、成本低、可推广的特点，成为真正智能化的网上阅卷系统，能应用于不同类型的考试，高效率地处理考生答卷，有效节约办公教学经费。（）软件设计本文使用最新的图像处理技术和基于支持的肛，充分利用功能强大的功能，开发了一套能应用于各类考试系统的网上阅卷数据源子系统，有效克服已有网上阅卷系统的灵活性差和阅卷的不足，达到低成本、高效率的目的，便于应用和推广。该数据源系统的功能有图像信息采集、图像预处理、图像分割、信息识别与提取、数据存储。图像信息采集部分通过扫描仪等外部设备将考生的答卷转换为数字图像形式进行保存。图像预处理部分负责对图像扫描过程产生的图像进行倾斜矫下和增强处理，使得在一定分辨率下图像视觉效果满足阅卷工作的要求。图像分割部分实现对特定区域图像的分割和提取，图像分析与识别部分实现填涂标记的识别和数据信息的有效提取，得到准确的考生信息、考生答案和最终成绩等数据信息，并将这些数据信息存储到数据库服务器中。山东大学硕士学位论文第二章图像采集与预处理网上阅卷系统是一个复杂庞大的系统，包含众多的功能模块，涉及图像采集、图像处理、客观题评判、主观题网络评判、数据库设计等，而每一方面又涵盖多个子模块，其整体设计的复杂度很高。本章从网上阅卷的需求出发，提出答卷的处理流程，对图像采集、图像预处理、图像压缩模块的处理进行了具体阐述。图像工程概述现实生活中，人们通过电视节目了解整个世界；医生通过光图片诊断疾病，降低误诊率；气象工作者利用遥感卫星资料，跟踪天气变化，发布天气预报。生活中很多方面都用到图像信息，图像的应用己深入到人类生活的方方面面。图像工程是对整个图像领域进行研究和应用的新学科，它的内容非常丰富，根据抽象程度和研究方法的不同可分为三个各有特点的层次：图像处理、图像分析和图像理解【。图像处理着重强调在图像之问进行变换以改善图像的视觉效果。图像分析主要对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获取它们的客观信息从而建立对图像的描述。图像理解是在图像分析的基础上，进一步研究图像中目标的性质和它们间的相互联系，并得出对原始图像客观场景的解释，从而知道和规划行为。图像处理、图像分析和图像理解具有不同的操作对象。图像处理是比较低层的操作，它主要在图像像素级上进行处理。图像分析则进入了中层，它侧重对像素集合即目标的表达测量描述。图像理解主要是高层操作，基本上是对从描述中抽象出来的数据符号进行运算推理。图像处理主要包括几何处理、算术处理、图像增强、图像复原、图像重建、图像编码等。图像识别是从数字图像处理技术中延伸出来的一个重要研究方向，将数字图像处理技术成功应用在无纸化网上阅卷的试卷处理中是新式网上阅卷发展的趋势。近年来，数字图像处理技术同趋成熟，已经广泛应用于空间探测、遥感、生物医学、人工智能以及工业检测等领域，并促使这些学科产生了新的发展。在机器视觉系统中，视觉信息的处理技术也主要依赖图像处理，包括图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割、特征抽取、图像识别与理解等内容【”】。经过这些处理后，输出的图像质量得到相当程电信号变换成为数字电信号，最后通过计算机接口送至计算机中，从而在计算机中能看到原始答卷的无纸化电子图像。扫描仪中有两个元件起关键作用【】：感光元件（或）和变换器。感光元件将光信号转换成为电信号，变换器将模拟电信号变为数字电信号。（）称为电荷耦合器件，它是利用微电子技术制成的表面光电器件，可以实现光电转换功能。图给出了相关结构的示意图。芯片上有许多光敏单元，它们可以将不同的光线转换成不同的电荷，从而形成对应原稿光图像的电荷图像。接触式感光器件又称技术，是一种由佳能独创的技术，它与技术几乎同时出现，使用的感光材料一般是用来制造光敏电阻的硫化镉，它很容易制成一条长的阵列，而且生产成本只有的。变换器将模拟量（）高速扫描仪（）（）图扫描仪及感光器件数字化，比如将至的线性电压变化划分等级时，将的电压变换为，卜的变换为的变换为。它能表示的范围远大于，通常是、或。若扫描仪说明书上标明的灰度等级是，则扫描仪能将图像分成个灰度等级；若标明色彩深度为，则说明红、绿、蓝各通道都有个等级。公司提供给位控件。柯达控件组包含图像扫描、图像编辑、图像管理、图像缩略图和图像动画五大类控件，应用起来很方便，将图像扫描和图像编辑两控件结合，配合扫描仪就可采集到效果很好的答卷图像。本文选择格式保存扫描到的答卷图像。首先是系统保存图像的通用文件格式，在数字图像处理方面占有重要地位。其次图像数据是山东大学硕士学位论文一种（，即设备无关位图），是标准的位图格式，它自带颜色信息，调色板管理非常容易。表给出了文件结构的四个组成部分以及各个部分的名称、符号和各自参与的作用。表位图文件结构组成位图文件的组成结构名称符号表示作位图文件头（类璎、人小、位置：）位图信息头（人小、压缩类型、颜）色格式彩色表【】颜色控制图像数据阵列字节【】数据排列答卷图像的预处理用扫描仪采集图像时，可能因答卷纸放置不端正而使扫描到的图像发生倾斜，无意问加入的污点或噪声也会影响图像质量，这些都会对后续分割和识别工作带来困难。本节讨论图像质量的增强和图像倾斜矫正环节，我们将图像质量的增强安排在先，是考虑到图像增强后的效果可以更好地进行图像倾斜矫正处理。答卷图像的质量增强一幅图像边缘部分过于模糊、一幅相当满意的图像上多了一些黑白点、图像失真或者变形等，这些影响视觉效果的因素统称为“质量”问题【】。图像增强的目的就是通过采用一系列的图像处理技术达到改善图像质量的目的，或将图像转换成更适合计算机进行分析处理的形式。常见的图像增强的方法有空间域法和频率域法两种，前者是以对图像像素的直接运算处理为基础，后者则是通过修改图像的傅氏变换来实现的。本文设计的系统中，使用了空问域法对数字图像进行增强处理【。在空问域法的处理中，选择平均法只对灰度值相同或相近的像素进行平均，或按照灰度特殊的程度加权之后再求和，可以避免目标边缘的模糊。如果选择的模板过大，去噪声的效果会更明显，但计算就复杂了，因为涉及的像素多会容易把细节部分抹掉，造成模糊不清。考虑到网上阅卷的实际需要，文中选取的模板。在模板去噪声效果其中霉。模板的系数之和为，用这样的模板在处理常数图像时，图像会没有变化；但在处理一般的图像后会保持整幅图像的平均灰度值不变。答卷图像的倾斜矫正处理图像倾斜矫正分为两步：图像倾斜角度检测和图像旋转【协】。现有的倾斜角度检测方法主要有五种【】：变换法，侧面水平投影法，傅立叶变换法，一近邻聚类法，直线拟合法。其中变换较为常用，但计算量大，在实时性方面不能够满足实际阅卷的需求。本文采取一种改进的变换，对倾斜的答卷图像进行矫正处理，大大减少了计算量。实际应用中，形式的直线方程没法表示形式的直线（直线斜率无穷大），就采用（）的参数方程来表示直线，其中表示直线相距原点的法线距离，表示该法线与轴的夹角。口（）变换【捌就是利用在原始图像坐标系下的点对应了参数坐标系中的曲线，原始坐标系下呈现直线的所有点，它们的斜率和截距相同，在参数坐标系下对应于同一个点。这样在将原始坐标系下的各个点投影到参数坐标系下之后，看参数坐标系下有没有聚集点，这样的聚集点就对应了原始坐标系下的同一条直线。变换在检验已知形状的目标方面具有受曲线问断影响小和不受图形旋转影响的优点，使目标稍有缺损或污染也能被正确识别。它是对整幅图像逐点计算，求出图像中可能存在的直线，计算量大。根据课题研究的需求和答卷的特点，本文采取改进的变换，它是寻求图像的边缘点，然后利用这些点进行山东大学硕士学位论文变换来求倾斜角。具体实现步骤如下：步骤：取原始图像的二值化图像，使背景和图像部分有所区别。步骤：从第行开始从左往右扫描，遇到像素值发生变化的点，就以此点为基准，开始从上往下进行扫描，若连续的个像素均为则记录此点，结束此行的搜索，直接转入步骤，否则直至本行结束再转入步骤。步骤：从第，列开始从上往下扫描，遇到像素值发生变化的点，就从此点开始继续从左往右扫描，若满足连续个像素值均是就记录此点，结束此列搜索，直接进入步骤，否则继续搜索直至本列结束再转入步骤。步骤：，重复步骤。步骤：，重复步骤。步骤：对获得满足条件的点利用公式进行变换，求出参数空间值的平均值，此平均值即是图像的倾斜角。检测到图像倾斜角度乡后，旋转即可得到矫正图像，图是点旋转示意图，将原始倾斜图像中的点（，）（与轴央角为）变换到新坐标点（，），即可实现图像矫正。图是图像矫正结果。图像在旋转前后分别为，（）【（）抵卵们咖（）（）矩阵表达形式为，）图图像旋转（）原始图像答卷图像的压缩图图像倾斜矫正墨毫：！嚣！一爵薰垂正二【。，一（）矫正图像（）（）（）图像压缩，也称图像编码，是数据压缩技术在数字图像上的应用，指用较少比特有损或无损地表示原像素矩阵，达到减少图像的冗余数据信息，更加高效地存储和传输数据的目的【。由于答卷数量众多，而且每幅图像的数据量大，在存储、传输、处理时有所困难，因而图像压缩