基于圖像識別的答題卡識別系統的設計與實現

摘 要：本文綜合運用圖像處理，模式識別的理論來構建答題卡的識別系統。當前使用的答題卡閱讀機，均采用光反射閱讀方式。要求使用指定的鉛筆，按嚴格的格式涂填。這與平時的習慣差距較大，容易發生人為失誤。這里，采用圖象處理和模式識別技術，對答題卡進行閱讀，希望解決對書寫工具約束、需要特制答題卡等問題。實現了答題卡的計算機識別 ，采用打鉤的方法答題，方便，快速。

關鍵詞：灰度分割；夾線法；小波變換；霍夫變換；區域連通

針對答題卡的識別，光電識別技術已是應用多年的成熟技術，在世界范圍內廣泛使用，而基于影像模式的OMR識別技術，識別準確率超過了傳統光標OMR閱讀機，但是其兩者都對其填題方式進行了限制，即應用2B鉛筆填涂，超出答題區域在方框外答題的，答案無效，這很大程度上減慢了考生的填題時間，并都存在其誤率，如機械傳動機構復雜、使用壽命短、維護量大、設備一致性差、答題卡出現污點[1]等。

本文設計的系統支持考生使用任何深色筆做答，且最大程度上放寬了對填圖區域的限制，最大優點在于考生可以使用劃鉤子或其他方式來選擇答案，系統采用圖像處理和模式識別技術來自動識別答題卡信息，方便且快速。

1 系統設計流程

（一）讀取并顯示BMP圖象，讀取的BMP圖像如圖1所示。

圖1 原始答題卡

（二）運用雙峰算法計算閾值，二值化圖象，二值化后的圖像如圖2所示。

圖2 二值化后的圖像

（三）運用夾線法求水平與垂直的各投影線，處理后的圖像如圖3所示。

圖3 夾線法求水平與垂直的各投影線

（四）對圖象進行水平與垂直投影，小波變換求投影線中點坐標，處理后的圖像如圖4所示。

圖4小波變換求投影線中點坐標

（五）根據色調的不同，二值化提取鉤子，處理后的圖像如圖5所示。

圖5二值化提取鉤子

（六）識別圖像得到結果圖，如圖6所示。

圖6輸出結果圖

2 系統主要實現技術

（一）求水平和垂直投影線算法的實現

用兩條間距較小的水平夾線平移至線條兩端，橫向掃描兩條直線間的象素點，記錄每水平行象素點的個數，如果大于一定的值，則其為一直線，取其中一條象素點最多的作為水平投影線。這里采用visual c++編碼實現[5]，具體實現代碼省略。

（二）閾值確定算法的實現

圖象的二值化需要一個閾值，先對圖象進行縱向掃描，利用雙峰算法找到圖象中線條部分與空白部分的一系列中心坐標，對各自的一系列中心坐標點的灰度進行最大概率值計算，取各自概率最大的值的平均值，以此值作為閾值，二值化圖象。

（三）Hough變換算法的實現

Hough變換的應用可用如下的方法實現：

在（x，y）域中每一離散數據點變換為域中的曲線。將和分成許多小段，每一個小段和每個小段構成一個小單元。對應于每一個小單元可設一累加器（可定義一個二維數組Accumulator）。在（x，y）域中可能落在直線上的每一點對應于變換域中一條曲線。分別使等于0，，2，3…，便可求出相應的值，并分別計算落在各個小單元的次數，待全部的（x，y）域內數據點變換完后，可對小單元進行檢測，這樣，落入次數最多的單元（也就是求二維數組Accumulator元素的最大值），說明此點為較多曲線的公共點，而這些曲線對應的（x，y）平面上的點可以認為是共線的。檢測出（x，y）平面上n點后，將曲線交點坐標，便可得到逼近n點的直線方程。

Hough變換的一個最大的優點[2-3]就是其抑制噪聲的能力強，它能夠提取處在噪聲背景中的直線，并且能夠把斷了的線段連接起。

（四）連續小波變換的計算機實現

采用連續小波函數Marr小波，就可以根據連續小波變換的卷積定義對信號進行運算。計算機采集實際波形信號時必須以一定的時間間隔采樣數據，只要這個時間間隔滿足先農采樣定理，就可以完全反映連續信號的全部信息[4]。鑒于計算機離散采樣的特點，在算法實現上必須考慮這一特點，即要按照數字信號處理的方法實現連續信號的處理，采用連續小波變換的離散化形式進行計算。

借鑒Mallat的定義方法，直接按卷積來定義小波變換，與之不同的是，我們仍然采用歸一化系數，而不是Mallat定義的：

由于選取的Marr小波是關于t=0對稱的，即，因此

時移因子b的實際意義是平行移動，當時移因子b>0時，沿橫向坐標軸右移，否則向相反方向移動。因此，我們可以將上式改寫成以下形式，而不會改變小波變換的實際意義。

（1）

尺度a的選擇可以根據需要直接調整，計算是直接依賴于最原始的。Marr小波函數的系數只是影響波形的幅值，其有無不會使波形失真，因此選取的小波基函數為：

（2）

可以近似地認為其支集為[-7，7]，在這個區間以外，Marr小波基本為0。由于涉及到指數函數的計算，我們采用插值的技術來計算Marr小波的近似值，即預先計算好從[0，7]的每隔0.05的值共141點（在程序初始化或某個類的構造中如此選定），然后通過普通的插值來實現小波基函數的計算。又由于該小波基函數的對稱性，可以得到自變量小于0的各個函數值。求解Marr小波函數的具體算法如下：

由于Marr小波函數的對稱性，我們只離散化采樣其非負時間軸的值，并且認為時Marr小波值為0。采樣時間為取采樣時間間隔（采樣步長）為0.05，由式（2），Marr小波離散化采樣值為：

（3）

當Marr小波時間變量time不是0.05的整數倍時，需要用插值計算法求出。在此之前，要考慮time<0的情況。由于Marr小波是關于t=0對稱的，可作如下變換：

time= -time，time<0（4）

此時無論原始時間變量是否為正，time都已轉換成非負值。進一步：

（5）

設int[x]表示取的整數部分，引入整數變量：

（6）

此時，就可以用插值法完成對各個具體點的Marr小波函數值wave（time）的求取：

（7）

下面敘述如何用計算機實現式（1）定義的連續小波變換。采用最簡單的數值積分方法—矩形法，也就是按照數字信號處理的習慣將式（1）按時間，時移因子作處理：

其中，是采樣時間間隔，取，則：

其中f（j.dt），是待分析信號按照采樣時間間隔連續采集的數據，設存放于數組tp[j]中，將式（3）～（7）求出的小波函數的離散化形式帶入，得出：

（8）

上述小波變換結果存放在數組中，即：

（9）

（五） 區域填充的掃描線算法的實現

區域填充可以使用遞歸算法實現，其原理和程序都很簡單，但由于多次遞歸，費時、費內存，效率不高。為了減少遞歸次數，提高效率可以采用采用掃描線算法。

算法的基本過程如下：當給定種子點（x，y）時，首先填充種子點所在掃描線上的位于給定區域的一個區段，然后確定與這一區段相連通的上、下兩條掃描線上位于給定區域內的區段，并依次保存下來。反復這個過程，直到填充結束。

區域填充的掃描線算法可由下列四個步驟實現：

（1）初始化：堆棧置空。將種子點（x，y）入棧。

（2）出棧：若棧空則結束。否則取棧頂元素（x，y），以y作為當前掃描線。

（3）填充并確定種子點所在區段：從種子點（x，y）出發，沿當前掃描線向左、右兩個方向填充，直到邊界。分別標記區段的左、右端點坐標為xl和xr。

（4）確定新的種子點：在區間[xl，xr]中檢查與當前掃描線y上、下相鄰的兩條掃描線上的象素。若存在非邊界、未填充的象素，則把每一區間的最右象素作為種子點壓入堆棧，返回第（2）步。

上述算法對于每一個待填充區段，只需壓棧一次；而在遞歸算法中，每個象素都需要壓棧。因此，掃描線填充算法提高了區域填充的效率。

3 實驗結果與分析

實驗采用數碼相機拍攝答題卡圖像，進行圖像預處理、答題卡的標定位置識別，答題卡的涂填處識別，判定矩形框中有無字符、是什么字符，最后對答題卡信息分析和統計。實驗采用80份試卷作為樣本，對12份試卷進行測試，結果識別率達到100%。

4 結論

本文采用圖象處理和模式識別技術，對答題卡進行閱讀。在實驗中以深色筆對答題卡進行勾選，經過數碼相機拍攝答題卡，采集樣本，進行答題卡的自動識別。實驗表明識別率達到100%，解決了對書寫工具約束、采用打鉤的方法答題，方便，快速。

參考文獻

[1]吳元君，張婷，雷驚鵬.一種改進的OMR 技術在標準化考試中的應用[J].計算機教育，2007（13）：250-272.

[2] 龐東虎，金偉杰.英文字符特征提取系統[J].計算機仿真，2007，24（12）：208-210.

[3] 楊玲，毛以芳，吳天愛.基于多特征多分類器的脫機手寫漢字識別研究[J].計算機與網絡，2008（01）：217-217.

[4] 覃勝，劉曉明.基于圖像的OMR技術的實現[J].電子技術應用，2003，29（10）：17-19.

[5] 何斌，《Visual C++數字圖象處理》[M]，人民郵電出版社，2002-4

作者簡介

陳偉華（1977-），湖北襄樊， 講師， 碩士，主要研究方向：計算機教學與.net項目開發。