基于計算機視覺的學生考試自動監考系統設計與實現

張海濤+唐權華

摘 要： 針對當前視頻監控進行考試監考的丟包率大和智能化程度不高的問題，在計算機視覺下進行學生考試自動監控系統優化設計，提出一種基于視頻幀循環糾錯編碼的計算機視覺自動監考系統設計方法。系統設計分為硬件和軟件部分，包括A/D電路、時鐘電路、視頻幀循環糾錯編碼電路、程序加載電路和輸出接口電路。實驗測試結果表明，該系統能有效降低監考過程中的視頻丟包，提高監考區域的視覺覆蓋度，系統集成性和智能性較高。

關鍵詞： 計算機視覺； 考試； 自動監考； 視頻幀

中圖分類號： TN957.52+3?34； TP373 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）14?0099?03

Abstract： In view of the high packet loss rate and low intelligent degree of the current video monitoring for test invigilation， the optimal design was carried out for the computer vision based automatic monitoring system of student examination. A video frame cycle error correction coding based design method of automatic invigilation system based on computer vision is put forward. The system design is divided into hardware and software design， including the A/D circuit， clock circuit， video frame cycle error correction coding circuit， program load circuit and output interface circuit. The experimental test results show that the system can reduce the video packet loss in the invigilation process effectively， improve the vision coverage degree of invigilation area， and has high system integration and intellectuality.

Keywords： computer vision； examination； automatic invigilation； video frame

0 引 言

隨著視頻圖像處理技術的發展，采用計算機視頻監測方法進行現場監控設計，提高對監控區域的自動化識別和管理能力[1]。學生考試自動監考系統是考試智能化管理系統的重要部分，采用計算機視覺分析方法進行自動監考，首先采用計算機視頻監控方法進行考試現場的實時視覺畫面采集，從而實現對考試現場的檢驗分析和指導。研究學生考試自動監考系統，在促進智能化考試管理和提高考場監考的管控能力方面具有積極重要意義[2]，對學生考試自動監考系統是建立在視頻圖像分析基礎上的，結合系統硬件設備設計和軟件開發，采用計算機視覺分析方法進行監控現場的異常信息特征提取和分析，采用視頻幀循環糾錯編碼避免監控過程中的丟包和誤碼失真。首先進行系統的總體構架分析，然后進行監考系統的硬件模塊化設計，最后進行系統調試分析，得出有效性結論。

1 系統設計與實現

1.1 外圍器件選擇

根據上述設計思想和總體設計構架，進行基于計算機視覺的學生考試自動監考系統的硬件模塊化設計，學生考試自動監考系統的數據采集系統是整個系統的基礎。通過PCI橋接芯片與PC機進行數據通信，采用PCI9054的LOCAL 總線設計方法，進行數據特征采集，把學生考試監考現場的視頻信息存儲到PCI總線上，在嵌入式RAM中對監控視頻信息進行收發轉換和視頻幀間編碼，基于視頻幀循環糾錯編碼方法進行視頻糾錯。硬件設計主要包括如下幾個部分：學生考試監考現場的視頻信息的DSP信號處理器、模擬信號預處理機、視頻信息的邏輯控制設備、外部I/O設備以及A/D設備和電源供電設備，用DSP控制A/D轉換FLASH寄存器寄存學生考試監考現場的視頻視覺特征信息，同時DSP與PCI通信，DSP接收PCI總線的用戶信息，輸出多路視頻編碼到功率放大器。通過串行E2PROM進行配置校驗，在C 模式下通過PCI總線送采樣數據或處理結果到PC機進行監考現場的監控信息分析。

1.2 監考系統的電路設計

根據上述總體設計要求，結合選擇的外圍器件，采用可編程DSP芯片ADSP?BF537作為核心處理芯片，進行學生考試自動監考系統的電路設計，主要包括了A/D電路、時鐘電路、視頻幀循環糾錯編碼電路、程序加載電路和輸出接口電路等，分別設計描述如下：

（1） A/D電路。學生考試監考系統的A/D電路是實現對輸入視頻采集信息的數/模轉換，提供給計算機和DSP芯片可識別的原始計算機視覺信息，結合視頻幀循環糾錯編碼方法進行可視化校對和視頻編碼。外部I/O設備包括A/D轉換器AD7864兩片，A/D電路的分辨率為12位，最大采樣頻率25 kHz，采用AD7864（以下簡稱7864）作為A/D芯片，它是4通道輸入、轉換速度1.65 μs的高性能AD芯片，自動監考系統的A/D輸入電壓滿足：

采樣通道數由DSP數據總線dspD[3：0]控制[3]，A4～A0和譯碼，利用信號作讀數標志信號，得到A/D電路的接口硬件設計圖如圖1所示。

考慮到系統處理視頻傳輸信息的時間和讀數匹配問題，在進行A/D設計中，需要考慮7864模擬輸入/輸出對應碼表，見表1。

（2） 時鐘電路。時鐘電路執行學生考試自動監考系統的時鐘中斷控制功能[4]，采用5409A 作為自動監考系統的時鐘中斷的核心控制芯片，5409A有3個多通道緩沖串口McBSPs，提供串行A/D、D/A 設備以及其他的串行器件直接接口，本地總線支持復用/非復用的 32 位地址/數據，包括 PCI 總線操作和LOCAL總線操作，PC9054 內部CI9054的LOCAL 總線與PCI總線通過異步操作實現兩個 DMA數據的串行接口輸入和輸出。時鐘電路的引腳設計如圖2所示。

（3） 視頻幀循環糾錯編碼電路。視頻幀循環糾錯編碼電路是整個系統設計的核心模塊，視頻幀循環糾錯編碼通過Emulator由JTAG（Joint Test Action Group）口下載到DSP中運行，在IEEE 1149.1標準協議下進行 5409A芯片外圍器件的操作測試，芯片采用4通道高性能運放，帶寬為10 MHz。使用ADUM1201進行幀同步信號設計[5]，選擇Motorola 公司高性能 MPC850/86作為自動監考系統的三維特征分析模塊，從外部16位存儲器讀取監測視頻圖像的編碼特征，引出雙排的14腳插針外接上拉或下拉電阻，選擇引腳、時鐘信號輸入引腳，數據總線LD 9054與應用電路連接，以串行E2PROM的配置電路作為I/O 初始化控制寄存器模塊單元，直接從地址0x20000000執行16位打包模式實現視頻糾錯編碼，得到視頻幀循環糾錯編碼電路設計如圖3所示。

（4） 程序加載電路。選擇Motorola 公司高性能 MPC850/86作為學生考試自動監考的可視化校驗視覺分析的程序加載電路的核心處理芯片。在程序加載電路中，采用可編程邏輯芯片PLC進行圖像信息分析，在程序加載中，從外部16位存儲器直接執行16位打包模式，引導ROM配置異步存儲器空間，通過連續讀取0x00字節的個數來確定學生考試自動監考系統的SPI存儲器的片選[6]，程序加載電路設計如圖4所示。

圖4中，在VCC和地之間并聯1個電容，滿足程序加載電路的可編程的硬件寫保護和片內的偶然性的寫保護功能。

（5） 輸出接口電路。輸出接口電路設計中，通過JTAG接口訪問CPU的內部寄存器，通過串行E2PROM進行配置校驗。使用JTAG仿真器執行12通道DMA異步串行口設計，采用分立元件構成串口復位電路，降低DSP的能耗。開關頻率也可在0～1間調節，內核電壓在0.8～1.2 V間調整，內核電源通過10 和0.1 電容濾波，以減少電源噪聲。實時時鐘電源與I/O電源采取分別供電策略，綜上分析，得到輸出接口電路見圖5。

在上述進行系統的硬件模塊化設計的基礎上，進行系統集成設計與軟件開發。

2 實驗測試分析

對上述學生考試自動監考系統進行軟件開發和系統調試分析。軟件開發建立在CCS 2.20開發平臺下，借助于 LabWindows/CVI，C/C++開發計算機視覺下的圖像和視頻信息處理程序。根據編寫的PCI卡驅動程序進行視頻信息采樣和監考系統的原始數據采集，得到學生考試自動監考的視頻采集分析界面如圖6所示。

從圖6可見，采用本文設計的考試自動監考系統，能有效實現計算機視覺下的監考視頻信息傳輸。為了定量測試系統的性能，圖7給出了不同方法進行監考視覺分析的視頻丟包率對比結果，從圖7得知，該系統能有效降低監考過程中的視頻丟包，從而提高監考區域的視覺覆蓋度。

3 結 語

本文提出一種基于視頻幀循環糾錯編碼的計算機視覺自動監考系統設計方法。系統設計分為硬件和軟件部分，首先進行了學生考試自動監考系統的總體設計構架分析和功能指標描述；然后以ADSP?BF537并行微處理芯片為核心進行監考系統的硬件設計，包括A/D電路、時鐘電路、視頻幀循環糾錯編碼電路、程序加載電路和輸出接口電路；最后在Visual DSP++集成開發環境中進行自動監考系統的軟件開發設計，結合視頻幀循環糾錯編碼進行程序加載，實現計算機視覺下的自動監考。實驗測試結果表明，該系統能有效降低監考過程中的視頻丟包，提高了監考區域的視覺覆蓋度，具有優越性能。

參考文獻

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