電子內窺鏡試卷點數儀

文 湖南師范大學附屬中學肖汝寧

假期學校組織去企業實習，我看到制藥廠流水線機器人能借助“眼睛”攝像頭自動分辨藥丸數量、剔除次品。聯想到每次考試完協助老師手工清點試卷耗時耗力且時有遺漏，于是我想，能否用攝像頭設計一種自動測量試卷數量的儀器？

通過咨詢專家和上網搜索資料，我發現利用高清攝像頭對碼齊的試卷端面成像是一種可行方案。然而，試卷所用紙張厚度只有0.1mm左右，需要高倍放大鏡頭才能清晰成像。同時，工業相機體積較大，很難密集安裝、實現超高疊層試卷數量的單次測量。

在醫院工作的親戚向我推薦了筆式電子內窺鏡，它實際上是一種自帶鏡頭和光源的一體化顯微成像設備。以此為基礎，我設計的試卷點數儀如圖所示，設計原理與模塊功能如下。

一、機械裝置

以化學實驗課所用升降臺、試管架為原型，設計成像平臺。載物臺用于承載、固定被測試卷疊層，中間開槽為成像窗。電子內窺鏡陣列安裝于試管架上，用螺釘固定。成像窗覆蓋石英玻璃，用于阻擋灰塵、保護相機鏡頭。載物臺與試管架間的距離（即物距）可通過升降臺的螺釘調節。

二、圖像分析與線檢測

在高倍電子內窺鏡圖像中，試卷疊層端面表現為明暗交錯的條紋，每一條紋對應一張試卷。借助圖像處理算法中的脊度測量和線檢測算子，得到各試卷條紋紅線標記。理論上，所檢出的條紋數量就是紙張張數。

受成像噪聲和紙張折疊等因素影響，實際圖像中試卷條紋常常出現局部斷裂。針對該問題，我引入垂直條紋方向的多抽樣線模數統計（即中值濾波）進行彌補。

三、圖像拼接

采用多個內窺鏡相機線性排列的陣列模式實現超厚疊層的試卷成像。

為實現有效拼接，相鄰相機圖像間需保持100至200像素的局部區域重疊。多相機圖像拼接的關鍵是計算相鄰圖像間旋轉和平移坐標等參數。在上文試卷條紋線檢測結果的基礎上，采用極坐標（ρi，θi）表示重疊區域各檢出直線，這樣每一條紋對應極坐標空間的一個點。然后尋找相鄰圖像間極坐標點最優匹配結果，求得最終校正參數。多相機拼接后的二值圖包含全部試卷疊層條紋，其條紋數量就是最終的測量結果。

未來，我將考慮采用振動裝置實現試卷自動對齊，并用彎卷機構增加紙張疊層間隙，真正實現零誤差測量。