二維條碼的新用途

北京石油附中 殷逐云

二維條碼的新用途

北京石油附中 殷逐云

信息需要輸入計算機才能進行后續處理。現在，手寫筆跡只有通過照相機、掃描儀來輸入。但裝訂好的筆記本、試卷很難拍照掃描，文字識別率也很低。將二維條碼印刷在紙上，在筆式攝像機上安裝筆芯。手持攝像機書寫，書寫過程中攝像機將二維條碼拍照下來，并通過USB/藍牙/WIFI傳入計算機。計算機識別二維條碼就可以得到攝像機的位置，從而得到筆跡的電子坐標。

二維條碼；筆式攝像機；手寫筆跡

教育大數據正在迅猛發展，這是因為教育面對的是一個個學生，因此，教學必須做到以人為本，多方面、多維度來跟蹤和研究每一位學生的學習行為數據，從而找到各自的問題，并予以針對性的解決。

現在城市里的學校，每個教室都有計算機、投影儀，基本上每位老師、學生都有計算機，查詢資料、講課都沒有問題，但是每天都會大量書寫，比如試卷、筆記，這些信息是大數據的最重要部分，卻很難方便地輸入計算機。目前是通過照相機、掃描儀來輸入。這導致3個問題，1是很多卷子是裝訂好的，掃描困難繁瑣，而且中間變形厲害，圖像變形甚至缺失。2是試卷、筆記都是有順序的，掃描拍照后是獨立的jpg圖片，必須將圖片和實物一一對應，很繁瑣。3是計算機收到的是圖片，筆劃丟失潦草、皺褶、臟點會使得OCR識別率很低，而很多情況下文本是需要的。依靠人工當然可以處理這3個問題，但由于試卷、筆記太多，老師、學生又有很多其它事情，很難做到。最終就是學生手上有大堆試卷和筆記本，每次查找都很費事，丟失也十分常見，老師對每個學生的信息掌握不全，大數據分析也就十分困難。

上述問題的核心在于手寫筆跡如何電子化，這可以利用二維條碼和筆式攝像機來解決。

二維條碼是按照一定的數學公式將各種元素，如點、短線、長線、折角等形狀組合后產生的圖像，在橫向和縱向同時表達信息，能在很小的面積內表達大量的信息，已在各行各業廣泛使用，如微信、支付寶等等。

二維條碼必須通過攝像機拍攝后才能解析其信息。目前的筆式攝像機很多，價格也很低，稍加改造就可以用于手寫筆跡的采集：將筆芯嵌入攝像機，以便書寫時留下油墨筆跡；改變形狀，以方便握持；筆芯尾部增加壓力傳感器，書寫時產生的壓力可以啟動攝像機。

首先將一個個不同的二維條碼印滿整個紙面，保證攝像機運動到任何地方都至少可以拍到一個條碼。

由于紙面上還有原有信息，不能被二維條碼遮擋。一種解決方法是選擇占用面積十分微小的二維條碼，布置在紙面的空白處，優點是使用常規油墨，缺點是如果空白處太小，二維條碼還是會放不下，所以要預先分析紙面內容的分布。由于攝像機拍攝面積很大，并且紙面內容通常不會太密，所以二維條碼通常還是可以放下的。

另外一種方法是利用紅外隱形油墨來印刷條碼。人眼只能看到360-720nm波段的光線，這種油墨在可見光范圍內是無色的，肉眼不可見，但在紅外波段如850nm則是黑色的。普通油墨在可見光范圍內是有色的，在紅外波段是看不見的。目前的攝像機都可以拍到紅外光，紅外隱形油墨價格也很低，這樣就完美解決了條碼和紙面內容的沖突。

攝像機拍到圖像后，可以先存儲在筆內，或者實時通過USB/藍牙/WIFI發送到計算機上，這些技術已十分成熟。

計算機收到圖像后，根據條碼產生公式，對圖像進行逆運算，解析出條碼信息。攝像機連續攝像，每張圖片都會解析出一個條碼，由于每個條碼的印刷位置是已知的，將各個位置連起來，就恢復了筆跡。二維條碼信息量很大，除了包括位置，也包括了頁碼，計算機可以根據頁碼，將本頁的原有內容以圖片方式顯示出來，然后再將筆跡顯示在其上面，這樣用戶在計算機上既看到了紙面原有內容，也看到了筆跡，和實際紙面完全一致。

由于紙面上本來就要印刷內容，多印刷些條碼也不增加成本。

這種解決方案優點很多。首先是價格很低。其次是無需培訓：使用者書寫時，筆尖接觸紙面就會自動開啟攝像機，沒有任何額外的操作。再次，攝像機只要拍攝到一個條碼，計算機就可以計算出筆尖位置，所以即使紙張上有皺褶、臟點，對計算的影響也很小。最后一點是本頁的原有內容圖片是用word/ PDF等生成的，和實際紙面情況無關，所以非常清晰干凈，紙張上的皺褶、臟點都不會顯示出來。

計算機還可以對筆跡進行ICR（智能筆跡識別）識別，得到文本文件。攝像機內部是有時鐘的，所以每個圖片都有時間，計算機也就知道了每個筆劃的書寫時刻。常見的OCR識別（光學字符識別），比如對書本、車牌拍照掃描后的圖像的識別，由于文字是標準體，所以識別率很高，接近100%，但對手寫筆跡就不行了，因為手寫筆跡通常很亂，連筆、丟筆劃的情況也很多。ICR則將字符的筆劃順序也考慮進去，大大提高了識別準確率。

這個產品一旦上市，在學習中會有很多用途。

首先是筆記本，學生可以將所有筆記都存儲到計算機，還可以進行ICR識別。由于變為了計算機文件，大家可以方便的交流。老師、家長也可以隨時了解學生的情況。

其次通過藍牙/WIFI，可以隨時將筆跡數據傳到教室的計算機，學生不用起身，在座位上就可以回答問題，其筆跡可以通過投影儀顯示出來。由于藍牙和WIFI都支持多個終端，所以可以多個學生同時回答，大大節省了課堂時間。

試卷也被收集進入計算機，老師、家長可以對學生的多個試卷進行分析。

由于知道筆跡的時間，老師可以輕松地知道每個學生在各個題目所花的時間，從而知道學生的難點，進行針對性的指導，還可以對試卷進行進一步的改進。在外國人、小學生學習寫字時，可以方便地知道其筆劃順序是否正確，避免倒插筆。

老師在課堂上用word/PPT講解，經常會加入新的內容。黑板上書寫的內容擦掉就全沒了。可以將word/PPT和條碼一起打印出來，課堂上用本產品在紙面上書寫，所寫內容通過藍牙/WIFI傳入計算機，和原有word/PPT文件合在一起，并實時投影。

總之，由于手寫筆跡可以方便地電子化，且每個筆劃的時間都準確地獲得，就解決了很多問題。

如果攝像機再加上錄音功能，還可以在書寫時同步錄音。由于筆劃含有時間，錄音文件也含有時間，使用者在計算機上選中某個筆劃，就可以方便的找到其對應的錄音。

附圖1