CN102855495A - 电子版标准答案的实现方法及其应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子版标准答案的实现方法及其应用系统。其中，系统包括一台计算机和在其上运行的系统软件，该系统可以包括图像采集模块及其硬件如相机、光源、机械运动装置等，也可以不包括它们而使用别处扫描获得的图像。计算机上包括完整的系统软件，其架构是分层的。其用户界面连接诸应用层模块包括答卷编辑，答案编辑，扫描判卷，结果显示和管理，帮助，系统管理。应用层下的系统控制层包括数据通讯模块，图像处理模块及其模式匹配模块，数据管理模块和数据库。电子版标准答案再结合既定图像处理模式匹配算法，使该可编辑答题卡系统能提高判卷效率如限定比对区域来加速判卷，和支持复杂应用如多种答卷卷型、多页、大规模考试判卷。

Description

电子版标准答案的实现方法及其应用系统

技术领域：

本发明涉及用于机器判卷的数字图像处理技术，特别涉及一种电子版标准答案的实现方法，以及应用该实现方法的可编辑答题卡系统。

背景技术：

在许多学校考试或职业考试中使用答题卡可以节省教师判题时间和提高判题准确率。

当前市场上的答题卡系统/仪器/设备，即传统的答题卡系统全都是一类专门的电子仪器，或台式或可手持式。答题卡适用于选择题，包括单选题，多选题，和判断题/是非题，通常以英文字母(A)，(B)，(C)，(D)，…标识。选择答案时，考生需要用铅笔涂黑相应字母。使用分两个步骤。首先用户(即使用者、出题者而非考生)选择和试题想匹配(包括题目类型和个数等内容匹配)的答题卡，先填写一份代表正确答案的答题卡，用答题卡仪器/设备扫描它作为标准。考试后，再逐一扫描学生答题卡，和标准答案比对，获得该考卷的总成绩。

所有这些市场上的答题卡系统/设备都有一些共同的缺点，特别在当前计算机技术非常先进.同时也十分普及情况下，这些缺点就显得更加突出。他们包括：

1)系统绑定一个专用设备/仪器，因此不能利用普通计算机上的强大软、硬件工具如图形软件工具，数据和文件管理工具，强大而灵活的计算机语言等。也不利于普及。

2)依赖于特定体型设计，用户不能创建、编辑卡面设计，不方便，也不利于防作弊。

3)依赖于特定纸张，而不能用普通打印/复印纸。因而不仅使用成本较高，对许多用户来讲也极不方便。

4)不能远程判卷，这在计算机和网络技术十分发达、普及的今天，显得十分不便。

5)对其结果的管理也不如在普通计算机上灵活、易用、可靠方便。普通计算机则有强大数据管理软件工具和第三方软件(例如微软的Office软件)；

6)其标准答案需要事先制定于一个答卷之上，经过扫描录入，不能随意编辑修改，使用不方便。在使用过程中如果标准答卷保存不当，还容易导致题目泄漏。

另外，针对当前市场上的答题卡系统产品普遍的不足和技术的缺点，出现了一种全新的解决方案，即一种可编辑答题卡系统及其实现方法，参见中国专利申请号：201210134702.X，发明名称为《基于图像处理的可编辑答题卡系统及其实现方法，》。然而该参考专利方案中在一些关键的地方，特别是在关于电子版标准答案的创建、编辑、使用方面仍然有许多严重不足。例如：

1)答卷创建时只允许使用软件图形用户界面上提供的模板库，以鼠标拖拽的方法产生答卷中各组成部分。这样创建、编辑答题卡的过程繁冗，速度慢，还容易导致出错。

2)标准答案的创建完全限于用户在软件图形用户界面上，以鼠标选择答案的方式，尽管过程很直观，但是不仅速度非常慢，过程繁冗，易于出错，不利管理。也不利于在必要时进行人工复检。

3)标准答案的创建完全限于用户在软件图形用户界面上，使得软件内部只能以图形或图像形式保存，占用计算机存储资源较大，不利于管理。最为重要的是，它不能支持对于一种考卷多种卷面形式(例如为了防作弊，可以有A卷，B卷，C卷)情况下，并且考卷有多页时同意判卷(所有多种卷面形式的考卷集中起来判卷而不是分别判卷)。也不能支持大规模考试时远程判卷和分配判卷。

4)传统扫描获得的标准答卷和参考专利中描述的电子版标准答卷需要将多标准答案图像和每个考卷图像进行全图像比较，占用大量计算机CPU时间，运算速度慢。

发明内容：

针对上述这些技术问题和缺陷，本发明在参考专利的基础上对系统和方法上进行了重大改进，通过利用图像处理和模式匹配技术，提出了一种全新的电子版标准答案的实现方法。同时围绕该方法，还提出来一种用来实现该方法的新的可编辑答题卡系统。从而用以解决上述全部问题。具体技术方案如下：

电子版标准答案的实现方法，该方法用于可编辑答题卡系统中电子版标准答案的创建和使用，通过使用者对系统软件的设置来实现，其包括如下依次步骤：

i)用户启动答题卡系统，由系统软件进行设备初始化，检测判断系统是否自带图像扫描子系统、硬件，如果是则对那些检测到的子系统、硬件进行初始化；

ii)用户登录系统软件主界面，通过选择性地启用系统软件提供给用户的答卷编辑、答案编辑、扫描判卷、结果显示和管理、系统和帮助等这些应用选项来完成答卷设计，答案设计，扫描判卷和结果管理等一系列完整的应用过程；

iii)用户设计、编辑答卷，即设计答卷，或打开之前保存的答卷进行编辑、修改；由系统软件提供答卷配置表，其内容包括答题卡上所需的全部信息；用户只要在该配置表上选择所需选项，系统软件根据既定排版算法，产生答卷，并自动标记页信息和答卷卷型信息；此时用户还有一定的自由度安排部分答卷信息的位置，取向(例如可以是从上到下的，也可以是从左到右的)。编辑答卷完成后，系统提示让用户保存答卷，并有密码保护；这些都可以用软件来实现。不同类型的答卷需要保存到不同文件名下。

尽管本发明的核心是关于电子版标准答案的，但其产生和使用离不开可编辑答题卡系统(例如标准答案配置表依赖于标准答卷配置表)，并且能够进一步提升可编辑答题卡系统功能，解决前面背景技术中所述的全部问题的。

iv)用户设计、编辑电子版标准答案，由系统软件提供标准答案配置表，其内容包根据相应卷配置表，给出全部题目的正确答案选择；系统软件可根据标准答案选择和答卷配置/设计，产生标准答案答卷图像，可以在计算机上显示给用户并让用户保存；

由于标准答案是全电子版的，也是依附相应答卷的，即一对一绑定相应答卷的。而答卷文件是有密码保护的，使得标准答案进而也有了密码保护。

当然，系统软件同时也支持传统方法建立标准答卷，即填写标准答卷并扫描的方法建立标准答案，此时用户仍可以编辑标准答案配置表，系统软件更进一步提供检验功能，检验扫描的标准答卷和准答案配置表中信息是否一致，检验方法和判题时的方法相同，主要是用一些图像处理、模式匹配算法。

v)考试后，用户收集考卷；用户通过系统软件，指示扫描全部答卷并判题；如果系统不自带图像扫描子系统，软件也支持用户读入从别处扫描的全部答卷。

由于本发明中采用a)卷面页信息(包括文字信息和识别图形信息，关于总页数和当前所在页)，b)卷型信息(如果同一考试中用户有如A卷，B卷，C卷，D卷等多样卷面设计)，c)每页都有考试标识信息如证件号；这样结合图像处理、模式识别方法，能够支持一次判题时同时有多种卷型，多页，大规模考试且考卷无需安排的情况；

vi)系统软件根据标准答案和既定算法进行判卷；判卷包括对答卷图像和每份扫描答卷图像进行预处理，对准，比对，判断对错，统计总分，并将获得的结果显示给用户；该结果包括每份答卷考生信息和总分，以及全部答卷信息和得分总汇；

vii)系统软件支持用户进一步组织、显示、保存判卷结果，同时还能够将结果转移到其他办公软件如微软OfficeTM中的ExcelTM下。

上述方法中，所述步骤iii)中，当用户选择主菜单栏“答卷”下“创建”时，系统软件在界面上提供答卷配置表，它包括考卷标题，考生姓名，证件号码，使用说明，考卷注释，各类题型(如单选题，多选题，二选一(判断)题等选择)，及各类题型下的题数和得分、罚分规定等这些答题卡上所需的全部信息；这使得用户只要在该配置表上选择所需选项，选择所需信息，系统软件就可以根据这些信息按照既定排版方法产生答卷图形和答卷图像；且系统软件提供对于这些用户提供的配置表信息的准确性、完整性检验，如遇到问题，可及时反馈给用户。例如每道题必须有答案，单选题和二选一只能有一个答案等。另外部分信息如证件号是必选的。

上述方法中，所述步骤iii)中，系统软件有既定排版算法是指对于诸如考卷题目，使用说明，考生姓名(涂选汉语拼音字母或手输)，注释等非答案信息，软件有既定大小的模板和放置位置；其大小相对于打印纸尺寸有固定比例；

对于答案部分，软件根据配置表中用户选择次序安排每类题型次序，每类题型中根据配置表中用户选择题数，根据用户在软件界面中选用区域大小，从左到右，从上到下安排答案。如有需要，答卷自动加页；本发明中假定非答案部分信息的内容和尺寸基本固定不变，手输的文字信息有字数限制，只有答案部分需要根据题型，题数相应改变。

系统软件安排的答卷的每页都有页信息包括总页数和当前页号，答卷类型信息以便支持同一考试多种考卷(如A、B、C卷)以及考生姓名、证件号等考卷标识信息；其字体和大小也不变，即相对于打印纸尺寸也有固定比例。

上述方法中，所述步骤iii)中，答卷创建过程中，系统软件自动提供参考点，实际上是区域或子图像，也就是用于模式识别/模板匹配的模板图像，因此要保证其质量包括尺寸，该参考点通常选用答卷左上角和右下角至少两个，具有唯一性，包括较丰富的水平和垂直特征(在图像处理领域就是边缘，像素灰度值急剧改变的区域)。由于采用电子版标准答卷，其中全部信息内容在图形转化到图像中位置(相对于参考点)都是已知的，有利于将来判题时在扫描答卷相应的邻域内搜寻这些模板/参考点。另外软件也让用户可以自行改变参考点位置；所述参考点(区域)作为模板，用于标准答案图像和扫描答卷图像间对准，而标准答案答卷图像和扫描图像间的对准是判卷的必要条件；

所述系统软件根据参考点和电子版标准答案中各信息部的位置，在扫描答卷上确立了一个坐标参考系，它能确定判题时图像比对的区域，使得判题时的图像预处理、比对、答案检测都可以限于特定区域内；用于其面积总和通常占全部扫描图像的25％以下，这样就能减少数据处理量，减少了判题时间，提高判题速度。

上述方法中，所述步骤iv)中，用户选择建立标准答案时，系统软件参照答卷配置表生成标准答案配置表，其中包括根据该表和答卷设计表产生的标准答案答卷图像，是全电子版的，及全都是软件的，脱离了普通纸张。这对于标准答案乃至考试的安全性，易用性，灵活性和完备性(支持多页，多卷型，大规模考试)；所述标准答案配置表的内容包括答题卡中各类题型(如单选题，多选题，二选一(判断)题型)的每道题的正确答案选择；用户只需要填写就可以建立标准答案，所述标准答案配置表是确定考卷答案的唯一依据，不再如传统方法中的扫描图像，以便能支持支持多页，多卷型，大规模考试多考卷一次判卷或分批判卷；另外，系统软件针对不同题型，提供每道题选择的正确性保障和检验漏选；

上述方法中，所述步骤iv)中，系统软件同时支持另一种方法，即传统方法建立标准答案；主要是为了兼顾部分用户的习惯，尽管本发明中电子版标准答卷在安全性，易用性，功能性方面比传统方法增加许多；此时系统软件扫描该标准答卷，允许用户编辑相应的标准答案配置表，同时用和判卷时同样的图像处理、模式匹配方法，比对二者以确保它们的一致性。其过程是，先由计算机根据答卷设计和标准答案配置表产生标准答案答卷图像，再和扫描的标准答卷比较，其余过程和判卷时的方法、步骤相同，包括图像预处理，图像对准，图像相减，取绝对值，连通域探测，连通域过滤等。

上述方法中，所述步骤vi)进一步包括：

i)系统软件读入标准答案文件，它包括标准答案配置表和标准答案图像；其中标准答案图像或由标准答案配置表结合答卷配置表产生，或由传统扫描方法获得；标准答案图像可以是包括多页也就是多张图像，多种答卷卷型(如区别A卷，B卷，C卷)，用图像处理、模式识别方法判断页信息和卷型信息；

ii)系统软件扫描全部答卷，逐一读入每张扫描答卷；对每张扫描答卷进行图像预处理。预处理包括黑白灰度倒置，探测是否有180°倒置并校正倒置，按照既定算法确定一阈值(如计算图像直方图，再在其两灰度峰值间取某一值为阈值)，用其将扫描图像二值化(此时电子版标准答卷产生的图像已经是二值的，不需要再二值化)；

iii)用图像处理、模式匹配算法判断答卷卷型(如A，B，C多样答卷情况)和探测页信息；

iv)用模式匹配算法如互相关算法或逻辑“与”算法将标准答案答卷图像和扫描答卷图像对准；答卷设计时确定的至少两个参考点，探测标准答案答卷图像和扫描答卷图像间相对几乎偏差主要是位移和较小的转动角度，相应地修正扫描答卷图像(平移，转动)，使这两幅图像对准，这样就能在扫描答卷图像上建立坐标参考系，进而也就确定了扫描答卷中其他重要区域的位置；重要区域包括需比对或识别的答案区域，证件号码区域，页信息区域，考卷卷型区域等；

v)计算标准答案图像和扫描答卷图像之差的绝对值图像，即差别图像；

vi)用图像处理中连通域探测方法，找到差别图像中全部连通域(blob)。然后根据既定算法和阈值例如关于连通域外接矩形的宽、高阈值和其中包含前景像素的多寡作为阈值，滤除较小的连通域；通常由于纸张污染，扫描仪污染，涂写不足或出界，等造成的连通域，和答错题导致的连通域比都较小，可以被滤除；

vii)根据错误答案和题目得分、罚分规定给每道题判分，最后总汇全部得分。此时每道题的答案都有相应的坐标位置，另外传统的答卷边缘条形序列标记也可以独立判定或协助检验每道题的判别位置；

x)系统软件总汇全部考卷总分以及标识信息如姓名、证件号等，建立判卷汇总表，在计算机显示屏上显示给用户；用户可对该表做简单操作如按不同列名排序，增减考生和修改个别答卷结果；当用户修改个别答卷结果是，系统软件实施相应的修改汇总表中单个考卷/考生结果，以保持信息一致。用户可以保存结果，通常也是有密码保护的。

上述方法中，所述建立标准答卷步骤，和判题步骤进一步包括以下步骤：

i)在用户创建答卷时，系统软件允许用户在答卷配置表中填写答卷类型，如A卷，B卷、C卷等信息，系统软件在产生标准答案答卷图像时，自动在答卷下部生成该信息；其字体，尺寸(相对于打印纸尺寸)不变，以利于将来通过图像处理、模式匹配方法探测；系统根据答卷配置表，在产生答卷图像时，根据既定排版算法和题型、题数，在需要有多页的情况下，自动产生多页答卷，并在每份下部显示页信息；系统软件安排的页信息包括文字信息和图形标识信息；文字信息是给考生看的，图形标识信息使得计算机判卷时能够用图像处理的方法判断页信息，包括总页数和当前所在页；简单的图形标识如正方形，总个数标识总页数，当前页对应于未填充正方形，其余为填充正方形；

ii)类似地也可以用其他方法标识页信息，例如用1维条形码的方法；另外由于标识页信息的文字是软件内部确定的，字体和大小都固定(相对于打印纸尺寸有固定比例)，这样可以直接用图像处理和模式匹配方法检测而不需要考卷页的图形标识信息；

iii)判卷时，系统软件结合每页扫描答卷的页信息，卷型信息，考生信息如以及证件号码信息加上考生姓名(限于汉语拼音涂选部分)，就可以对无序排放的众多考卷同时判卷，即便这些考卷的排放无一定次序。对于大规模考试考卷特别多而一次扫描无法完成的情况下，分段扫描而无需担心考卷安排次序；

iv)对于判题异常，实在无法机器判卷的情况，系统软件保留原始扫描答卷，在全部答卷判卷结束后，提醒用户人工干预；由于用户可以编辑判卷结果，人工干预可以修正自动判卷无法进行的部分；特别是非系统自带图像采集硬件的情况，外部扫描系统质量难以保障，另外还可能有通讯故障和，纸张问题，多页情况下考生信息笔误等情况，判卷时不可避免地偶尔会出现异常。此时软件继续判卷，保存异常答卷，继续判卷，最后让用户人工干预是最合理的解决办法。判卷完成后，如有异常，用户可以调用保存的有异常的扫描答卷判卷，添加、修改该考卷结果。

另外，根据上述电子版标准答案的实现方法，本发明还提供了应用该方法的可编辑答题卡系统，该系统包括：

一计算机，从普通PC机到工控机都可以，CPU和操作系统不限。但以x86系列CPU和Windows操作系统较为方便、普及。计算机可运行答题卡系统软件。在计算机上运行答题卡系统软件，是分层的，最上面的用户界面，连接应用层包括答卷，答案，判卷，结果，帮助和系统等应用模块，这些都是抽象的软件模块，每个模块负责一项具体应用。工作时通过调度下层模块来实现，下层模块中有可能包括硬件驱动模块，所有工作都从上层软件主界面开始，通过人机对话，软件获得用户指示，控制下层模块完成应用任务。其下负责工作流程和控制层有：

一负责连接外部图像数据获取装置，获取外部图像信息的数据通讯模块；通讯方式可以是TCP/IP.IEEE 1394b，USB，RS232等。

一包括模式识别模块的图像处理模块。这里讲的模式识别就是模板匹配，通常灰度图像模板匹配用互相关算法，黑白二值图像用逻辑“与“运算。图像处理模块用于对标准答案图像和答卷图像进行预处理包括滤波去噪，黑白灰度值转换，形态学运算，边缘提取，以及转动、缩放和差值。模式识别模块用于将标准答案图像和扫描答卷图像对准，以便可以逐像素相减获得绝对差别图像，继而从中提取连通域，确定错答题位置。模板匹配还用于搜寻答卷页信息(总页数和当前页)，答卷卷型(如区别A，B，C卷)，结合考试信息识别，以便支持同一考试多种答卷类型，多页考卷，大规模考试时有大量考卷等应用。

一数据管理和显示模块，所述数据管理和显示模块包括一答卷管理模块、一答案管理模块、一结果管理模块和一数据库。数据库可以是常见的商业数据库，关系数据库类型如OracleTM，MySQLTM。

软件系统下层还包括一图像采集模块，以及如果系统自带扫描硬件的话，与它分别连接的一控制扫描设备的扫描控制模块、一控制相机设备的相机控制模块和一控制图像光源的光源控制模块；同时所述系统也支持通过计算机连接扫描仪、相机和照明光源这些图像信息采集的外设，例如自动馈纸式扫描仪。

由上述本发明所述技术方案，可以看出其结合了多种技术手段包括：

1)计算机软件(图形用户界面/GUI、分层设计，数据库、通讯、人机对话机制等)；

2)计算机图形(答卷信息模板、答卷自动排版方法、图形向图像转换方法等)；

3)数字图像处理(滤波去噪，灰度分割，黑白转换，连通域计算，方位判断，模式匹配等)；

4)答卷设计配置表和标准答案配置表。

通过采用这些技术手段后的本发明所述方法和系统的方案具有众多如下优点包括：

a.用户不需填写答卷并扫描，答案始终是电子版的，且有密码保护；保密性高。

b.很容易支持多卷型答卷，可以支持A，B，C卷，以利于防作弊，同时不会增加判卷负担。

c.系统自动化程度高，使用方便，用户无需填写答卷再扫描，那样除了不够安全，也比较浪费时间和纸张，且容易出错；

d.本发明适用面广，小到支持单个小规模考试，大到支持大规模和远程判题。这是由于采用卷型标识、页数标识、图像处理、模式匹配、数据库、答卷设计时每页包括考生标识信息，使得多题型、多页、多考卷无序收集的答卷可以如常自动判卷。这些优点当然还得益于本发明中的软件设计支持i)判卷暂停和恢复；ii)多次判卷结果合并；iii)用户结果修改机制。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1a为本发明所述答题卡系统架构原理框图。

图1b为本发明所述答题卡系统具体实物示意图。

图2为本发明的一个实施方案中，一例答题卡示意图。

图3为本发明的一个实施方案中，答题卡系统使用方法的数据流图。其中包括建立和使用电子版标准答案。

图4为本发明的一个实施方案中，用配置表创建答卷的方法意图。答卷包括了考试、考试信息部分和答案部分。

图5为本发明的一个实施方案中，用配置表创建有多页的答卷后其效果显示图中答卷的第一页。

图6为本发明的一个实施方案中，用配置表创建有多页的答卷后其效果显示图中答卷的第二页。

图7为本发明的一个实施方案中，答卷设计时部分答卷内容模板示意图。

图8为本发明的一个实施方案中，用配置表创建答电子版标准答案方法示意图。

图9为本发明的一个实施方案中，用配置表创建答题卡电子版标准答的排版效果示意图。

图10为本发明的一个实施方案中，答题卡系统判题流程示意图。

图11为本发明的一个实施方案中，系统软件将标准答案答卷图像和扫描图像对准时，寻找答卷右下角参考点时的进行模板匹配的示意图。

图12为本发明的一个实施方案中，扫描图像灰度直方图示意图，用于确定对图像二值化时的灰度分割所用的阈值。

图13为本发明的一个实施方案中，系统软件用页信息模板图像到答卷下部搜寻最佳匹配时的示意图。

图14为本发明的一个实施方案中，示意部分标准答案的答卷图像和扫描答卷图像(答案部分)，以及二者之差并取绝对值的图像。

图15为本发明的一个实施方案中，判卷结果显示示意图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1a和图1b所示，作为本发明的实施方案之一，本发明中的答题卡系统100包括一台计算机191和在其上运行的答题卡系统软件111和图像扫描仪193。答题卡系统软件111是主控单元。计算机191可以是个人或工业计算机，也可以是嵌入式处理器加附件。CPU和操作系统不限，但以x86系列CPU和Windows操作系统比较方便、普及。计算机可运行答题卡系统软件，其软件设计结构是分层的，最上面的应用层包括用户界面1100，及答卷1110，答案1111，判卷1112，结果1113，帮助1114和系统1115等模块。这些都是抽象的软件模块。每个模块负责一项应用。工作时通过调度下层模块来实现，下层模块中有可能包括硬件驱动软件模块，所有工作都从上层软件主界面开始，通过人机对话，软件获得用户指示，控制下层模块完成应用任务。图像扫描子系统可以是独立的图像扫描仪193，它和计算机191间可用通讯协议的办法联接，通讯方法可包括TCP/IP，USB，IEEE 1394b等；图像扫描子系统也可以是建构在系统之内的图像采集子系统，包括一个工业相机194和其前端的镜头195以及照明装置196，全部由计算机191上的答题卡系统软件111控制。相机194可以是线扫描CCD或CMOS相机，镜头195的选择由相机感光区域尺寸和工作视场决定。照明光源196可以是宽波段LED。扫描时答题卡相对相机移动，同时相机采集图像，如图1b中箭头197所示。

图1a中的答题卡系统软件是系统核心部分，全面负责系统的用户界面，应用流程，系统控制，数据管理。它是按照功能分层的。软件上层111包括户图形界面(GUI)，有其主界面和控件包括菜单导出的次级界面，向外负责和用户对话，输入、输出，对内有任务调度和管理，数据流管理，异常扑捉等。其下的应用层包括答卷(创建、编辑)1110，答案(创建和编辑)1111，判卷1112，结果(显示和管理)1113，帮助1114，和系统(维护)1115等模块。图形用户界面能让用户能通过人机对话方式创建答卷，创建答案，扫描判卷和管理结果。所有答题卡相关的操作都从该软件主界面开始。答题卡系统软件111直接下辖的子系统/模块包括：图像采集子系统120；数据通讯模块131；图像处理模块141，数据管理和显示模块151。

图像采集子系统120中又包含了图像采集模块121，其下又用到扫描控制模块122、相机控制模块123和光源控制模块124。它们在一起配合工作就能采集所需图像。

本发明所描述的答题卡系统是灵活的，它自身可以包括一个图像采集子系统，也可以不包括自己的图像采集子系统。即以数据通讯的方式从别处(例如一台自动馈纸式扫描仪)来获得考卷图像。或者从计算机191的硬盘中读入事先从别处扫描获得的答卷图像。

数据通讯模块131负责获取采集到答题卡扫描图像。本发明中答题卡设计灵活，图像采集模块120相对独立。它可以是系统自带的，也可以是外部的197。无论设置如何，数据通讯模块都负责获取图像。

图像处理模块141是系统的核心之一，负责对标准答案答卷图像和考生的扫描答卷间图像进行预处理、对准、比对，因为这里通常要用到两图像之差的绝对值，二值化，灰度值倒置，直方图，形态学运算，连通域(blob)探测和信息提取等图像处理功能。比对之前先就要将两幅图像进行对准，而图像对准要用到其模式识别子(模板匹配)模块142。两图像的对准就是要探明二者之间的相对位移、转动角度、缩放。在本发明中涉及的标准答案图像和扫描答卷图像间会有一定的相对位移，还可能有较小的转动角度(＜3°)以及基本上可以忽略的缩放。而在图像对准和比对之前往往还要对图像进行预处理，包括滤波去噪，二值化和像素黑白灰的颠倒，考卷180°颠倒处理等。

区别于传统答题卡装置，本发明中的答题卡系统在扫描前和扫描后的数据管理系统都更丰富，体现在数据管理和显示模块151上。数据管理和显示模块151进一步包括答卷管理模块152，它为答题卡的设计提供了方便的局部模板和整体模板，局部模板如使用说明和证件号码模板，大小固定(相对于打印纸有固定比例)，整体模板指的是一些现成的答卷设计，用户只要修改极少的信息例如考试名称等，就可以用了。数据管理和显示模块151还包括答案管理模块153，结果管理模块155，和数据库系统156。数据库系统通常为商业数据库系统，关系数据库类型，如Oracle，MySQL等。

本发明中答卷外观和传统答题卡差别不大，都包含一些需比对信息和无需比对信息，当然最大的不同之一在于，本发明中答题卡的答卷时可编辑的，并且是支持电子版标准答案的。如图2所示，答题卡201包含了一些信息组件，有无需比对信息的和需要比对信息。在此以及本文中其他地方所讲比对是指答题卡系统扫描图像，在计算机中进行两幅图像间的比对。答题卡201中无需比对信息包括标题205，考生姓名、年级的文字部分210，使用说明230等。它们通常也都不是必需的，出题人常根据具体考试情况增减和修改其标题和内容。答题卡中需要比对的部分包括证件号码信息(通常是考卷的的唯一性标识)220，以及答案部分。在答案部分，不同类型的试题是通常分开的，其中有多选题240、单选题245和判断题(二选一类型)250。图2中这些答案部分都是作为例子，一次考试中不是每种类型的考试都要用到的，有的试题可能只有单选题。本发明中涉及的答题卡信息和题目答案选择部分可以有颜色，没有限制，各行/列可以使用不同的颜色或灰度值，如图2中223列所示。通常可以选用浅灰色，以区别答案部分(通常用B2铅笔涂抹)。答案部分的选择考生用铅笔涂抹填充，如270所示。

答卷201右边是纵向条形序列标记202，中间在答题部分开始之前是水平方向(横向)条形序列标记203，它们用以常规答题卡装置扫描判题时对题目所在行定位，也可以给其他需比对部分例如证件号的选择定位。横向条形序列标记203也可以放在考卷底部。

由于本发明中答题卡系统是基于图像处理技术的，因此竖直和横向的条形序列标记都不是必须的。但在一些情况下，这些标记有助于检验判题在答卷上的位置。

每张答卷的最底部，本发明又添加了页数信息，包括答卷总页数和当前所在页。它包含文字信息248和相应的图形信息2481。文字信息248是给考生看的，图形信息2481是给计算机软件判卷用的。根据图中图形信息2481，本发明中图像处理软件可以用连通域分析或图形模板匹配的方法判定总页数和当前所在页。当然如果仅仅是给计算机软件看的话，用1维条形码也可以。

另外边还有卷型名称和标记249，例如可有A卷，B卷，C卷，题目内容相同，次序不同，以防作弊。为了方便在判卷时用图像处理、模板匹配的方法在扫描答卷上探测页数信息和卷型信息，这些信息的字体是固定的，尺寸也固定(相对于打印纸尺寸有一个固定到比例)。

图3中的数据流图300，描述了本发明中的答题卡系统的工作方法的一个实例。这里只是描述一个总体的使用方法流程图，其中许多实现细节将在后面更详细地描述。参照图3，用户首先启动计算机191上答题卡系统软件111，开始运行310。首先检测系统是否包括图像采集硬件131，如果是的话，需要对系统进行初始化312。实际上初始化是整个系统的初始化，包括软件、硬件，都由系统模块表示，都由软件管理(通过驱动)。而系统软件如图1a中描述的，是有层次的，初始化是由上而下逐级进行的，每个上级模块先初始化下级诸模块最后完成本身初始化。每个模块只能被初始化一次。每个模块都有自己的生命周期。软件中每个模块都支4个接口：1)初始化，2)反初始化，3)停止工作，4)目前状态。系统硬件可以包括图2中的相机194，照明196，运动机械部分197，当然如果系统硬件状态参数显示系统硬件已经初始化过了，就不必再进行初始化了。通常在系统硬件初始化时，需要检查硬件是否处在正常工作状态，工作参数范围是否有效等。

下一步就是让用户使用系统提供的软件工具创建答题卡314。在此完全不同于背景技术中所提及的参考发明，在参考发明中答题卡系统软件111会提供多种答题卡中组件模板由用户通过计算机鼠标选择、移动。组件就是指答题卡中的信息考卷名称，考生姓名和证件号，使用说明，答案部分等，即如图2所示的考生姓名信息210模板，使用说明信息230模板，证件号信息220模板，答案信息240，245，250模板等。而本发明中改进的地方是，软件提供给用户一个包含上述组件信息的表，即答卷配置表。此时用户也可以选择创建答卷，也可以读入事先创建并保留的答卷编辑并保存。如图3所示，在创建答卷时，软件提供一个工作区域205，其中最重要的就是这两张答卷配置表。答卷配置表206包括答卷中除了答案部分以外的其他信息如考试题目，使用说明，证件号码，姓名(手输部分和字母涂写部分)，以及注释等。用户只要在表中选择所需信息即可。答卷配置表207包括各种题型的配置，如单选题，多选题，二选一(判断)题，用户只要选择所需题型以及他们个数即可，没有被选择的题型将不出现。答卷配置表207中还包含每类题型的得分、罚分规定，由用户选择的。卷面安排则有系统软件111自己内部根据既定算法来安排，包括多页答卷的安排，用户只需要用配置表选择答卷内容。编辑过程中，通过选择图4“显示”健423，用户可以随时看到根据配置产生的答卷(图5)。

系统软件提供对于这些用户配置信息的准确性、完整性检验，如有问题，及时反馈给用户。答卷本身是有一定限制的，例如考题总数有限制，部分信息如证件号是必选的。

本发明中关于答卷的创建方法，即用答卷配置表的方法，其本身不仅可以提高用户创建答卷的效率，方便性，防止出错，更因为这是后面要描述的本发明的重要部分，创建电子版标准答案时做必须的。

用户完成答题卡设计后，下一步首先建立标准答案315。然后根据系统配置(如系统是否包括扫描硬件部分)，决定是否需要扫描标准答案317。如有需要就要就扫描标准答案图像318。这是考虑到部分用户的使用习惯，系统仍然可以支持传统的标准答卷创建方法。

由于设计灵活，系统可以不包括图像采集子系统即没有扫描硬件部分，这时用户也可以上传从别处扫描的标准答案图像318。使用者可以先填写标准答卷，扫描获得准答案图像；参考发明和本发明中的答题卡系统还有全新的方法，就是都让用户建立完全电子版标准答案319。本发明较参考发明有了许多改进包括使用表格形式创建标准答案而不是参考发明中的用计算机鼠标逐一选择形式，那样操作过程太冗繁，也容易出错，而本发明中描述的用标准答案配置表方法更加简单、直接、可靠。此时软件提供给用户一个表格208，用户在表上选择答卷上每道题的正确答案选择。系统软件此时会对用户选择进行检验，例如限制单选题、判断题只有一个答案，所有题必须有答案，否则在用户保存

本发明中的标准答卷方法可以极大提高了标准答案创建的速度，降低了人为出错的可能性，还可以规定判题时图像比对区域，极大提高判题速度。本发明中的标准答卷方法还能支持同一考试多种答卷形式(例如区分A，B，C卷)，提高防作弊性能。

有标准答案的考卷也可以作为图形显示于计算机屏幕上，供使用者审阅。它也可以转化为图像保存，而且这也是必须的一步319，因为将来判卷比对时总是在图像(标准答案答卷图像和扫描图像)之间进行的。在计算机上能把图形转化为图像的方法很多，只要确定每个像素的尺寸，然后把图形内容定为黑，把图形背景定为白色即可。因此只要在显示答卷时，从计算机中获取其该缓存空间，就是图像形式的答卷。

用户完成答题卡设计和标准答卷之后，就可以打印答题卡，使用答题卡进行考试。待考试完毕以后就可以收集、扫描考卷320。如果系统包括图1(100)中图像采集模块120，则答卷扫描和评判可以由系统软件111控制一气呵成，否则用户上传别处扫描获得的答卷，比对标准答案(通过图像处理、图像比较的方法，而本发明中将在后面详述)来进行判题320(发明中通过电子版答题卡限定比对区域，极大提高比对速度以及支持统一考试多种答卷的机制，将在后面特别详述)。系统软件111给每份考卷判题，并根据考题设计算出每份答卷的总分322，以及全部考卷的分数汇总。结果可以以表格形式或其他形式显示给用户，用户可以用答题卡系统软件111，对结果进行更多的组织、处理并保存结果323。

后处理包括将原始得分向不同分数制的转换，例如将原始得分转为百分制分数，5分制分数，或按照曲线分布给出相对分数如美国学校常用的A，B，C，D，F制分数。还可以做成统计表以便公布，表中部分信息可以隐藏以保护考生隐私，也包括对表中行、列的各种统计学计算等。这样就完成了一例完整的答题卡系统应用325。

上面是本发明中可编辑答题卡和其中电子版标准答案创建、使用流程的基本描述。下面是对其中关键部分的实施作更加仔细地描述。

答题卡系统软件111为卡的创建和管理提供了图形用户界面(GUI)1100。如图4所示，它包括了一个软件视窗400。视窗上有菜单栏401，其中包括“答卷”401，“答案”402，“判卷”403，“结果”404，“帮助”405和“系统”406等子菜单。“答卷”401下有子目录4011，其中包括一系列为创建答卷所需内容如“创建”，“读入”，“保存”，“另存为”和“参考点”等选项。其中“创建”选项提供一空白答题卡页面4001，它限定将来答题卡尺寸，最大为打印纸尺寸(不同国家打印纸尺寸不同，软件111提供配置机制)。

不同于参考发明，在参考发明中答题卡系统软件111会提供多种答题卡中组件模板。组件就是指答题卡中的信息考卷名称，考生姓名和证件号，使用说明，答案部分等，如图2所示的考生姓名信息210模板，使用说明信息230模板，证件号信息220模板，答案信息240，245，250模板等。比较参考发明，本发明中改进的地方是，软件提供给用户一个包含上述信息的答卷配置表。如图4所示，在创建答卷时，软件提供一个工作区域205，其中最重要的是两张配置表。答卷配置表206中包括除答案部分以外的其他信息如考试题目，使用说明，证件号码，姓名(手输部分和字母涂写部分)，以及注释等。用户只要在表中选择所需信息即可，有的信息需要用户自己输入文字例如考卷标题(有字符数限制)，有的不是必须的如使用说明，也有的需要等到考试时由考生填写或涂抹如考生姓名部分，没有被选择的信息将不出现。答卷配置表207包括各种题型的配置，如单选题，多选题，二选一(判断)题，用户只要选择所需题型以及他们个数即可，没有被选择的题型将不出现。该软件界面还有其他控件部分，如答卷显示限制区域4001，将来所有设计显示都在此范围之内。本发明中规定其最大尺寸为打印信纸大小，由于不同国家的信纸大小可能稍有不同(例如中国和美国打印纸信纸大小稍有不同，软件会提供一个配置选择)。该软件界面还包括水平滚动条425和垂直滚动条426。菜单栏中“读入”选项让用户读入已经保存于计算机硬盘里的答题卡文件(文件格式可以是软件111自定义的)，让用户编辑。由于标准答案是依附于相应答题卡的，为了安全起见，打开答题卡文件时需要密码。用户首次创建答题卡时，保存文件时软件111会提醒用户给一个密码，缺省情况下答题卡答卷密码就是用户登录密码。

卷面安排有软件111自己内部根据既定算法来安排，用户只需要用配置表206、207选择答卷内容，不需要负责安排这些内容在答卷里的位置。

软件界面里有两个显示页，一个用于显示创建时的表格内容，如图4所示，一个用于显示当前表格所对应的答卷卷面设计效果，如图5所示。完成配置后用户可以用“显示”键423来看答卷效果，也可以来回切换“创建”键422和“显示”键423修改配置。图5显示软件111在用户创建答卷时，显示所配置答卷的结果。非答案信息部分的尺寸大小都可以事先确定，软件111可以像图5中那样安排考试名称部分408，考试姓名部分210，证件号码部分220，使用说明部分230。至于答案部分，首先要根据配置表207题型的次序安排，然后在每类题型中，从小到大从左到右安排，如图5、图6中的240，245，250所示，并且题号跨题型连续，从1到最后一道题。题目较长时，软件111自动安排多页，如图6所示，该答卷共有2页，滚动条控件245可以让用户在同一软件界面中看到全部答卷内容。考虑到打印，软件还是将答题卡分页的。本发明中规定当答卷有多页时，每张答卷都有证件号码信息220和考试姓名信息210需要考生填写。软件111在考卷底部自动添加考卷总页数和当前考卷所在页信息248，2481。这些关于页的文字信息248是给考生看的，关于页的图形信息2481让软件识别总页数和当前所在页。简单的图形标识如正方形，总个数标识总页数，当前页对应于未填充正方形，其余为填充正方形。此时如果答卷有多页，每页的页信息模板图像都随答卷保存。右边和下边的条形边码通常也是保留的，用于辅助或检验答案位置。答卷中除答案之外的其他需比对信息如姓名(涂选部分)和证件号，软件都会提供固定模板430，如图7中所示。答卷右下方还有卷型显示，卷型为A卷，B卷，C卷，根据配置表206中用户选择而定。页信息和卷型信息中用到的字符字体不变，尺寸也不变(相对打印纸尺寸有固定比例)，以利于将来判题时用图像处理、模式识别方法来识别这些谢谢。

本发明中用到的页信息，加上考卷类型信息，以及页考卷都需要的证件号码信息，结合在一起就能够支持判卷同时有时多种卷型，多页的情况，考卷不必特别按照顺序安排。

另外整个答题卡中内容的安排是从上到下的竖直的，也可以是从右到左或从左到右横的(未显示)。卡中每个模块都可以转动，即所有信息包括需比对部分都可以是横向的。这是由于较多地采用图像处理技术(后面将详述)，使得设计可以十分灵活。同一套题A、B、C卷中除了题目/答案位置可以不同，卡中信息模块位置、方向也可以不同，更能够防作弊。

用户可以根据试题A先产生A卷，然后根据试题B稍加修改答卷设计(包括卷面信息位置调动，题目次序重新安排等)产生B卷，C卷等。可编辑答题卡的好处是它是否灵活，同一次考试同一套考卷可以有多种不同的答卷形式，同一次考试不同套考卷(考题内容、数量不变，次序改变)可以有同一类型和不同类型的答卷设计。

“参考点”主要是为软件对于该答卷简历内部坐标系所用的，实际上是卷面上的一些局部图像区域，如答卷左上角和右下角有图案部分2401，2402，也就是用来作模板匹配的模板，至少要2个。判卷时软件先用两个模板在扫描答卷相应区域搜寻最佳匹配(如果没有时还要转动模板180。看看答卷是否颠倒)这样两点就可以确立扫描答卷图像的取向。由于它们实际上是参考区域，每个参考点有相对于图像原点(左上角)的顶点位置坐标(x，y)和宽、高(w，h)描述(以像素为单位)，且要和答卷文件一起保存。其他更多的“参考点”还包括1)不需比对区域如210姓名手输部分，2)特定比对区域如考卷页信息248，2481和卷型信息249。由于采用电子版标准答案(后面将要详细描述)，用户不需要用提供参考点位置，软件会显示这些信息缺省值给用户参考。用户可以在有限范围内改变它们，例如用户可以用鼠标修改参考点位置，使其包含更多图案，以利于模板匹配。主要一旦建立了参考点(如图5中505)，所有答案位置和需比对信息位置都可以参考它，为将来信息比对提供基础。例如可以以左上角参考点为坐标原点，以像素为单位。由于位置都是相对的，因此坐标可以是右手系或左手系，没有限制，只要始终保持一致就行。答题卡系统根据参考点，可以记住每个正确答案位置。

图5、6中显示的答卷设计效果，也可以转化为图像保存。在计算机上能把图形转化为图像的方法很多，只要确定每个像素的尺寸，然后把图形内容定为黑，把图形背景定为白色。软件内部需要规定字体大小，答案大小相对于打印纸张尺寸不变。计算机上显示图形的方法无非就是现有一个缓存空间(内存中数组空间)，把要显示的图像写上去，再把在图像上显示的叠加层内容(几何图形，文字等)叠加上次(通常是覆盖原来图像中的部分像素)，最后将该缓存交由计算机软件显示。因此只要在显示答卷时，从计算机中获取其该缓存空间，就是图像形式的答卷。常见的BMP，JPEG，PNG图像格式都可以，由于判题算法对于图像质量要求不高，有损压缩图像是可以用的。

如图8所示，菜单栏中“答案”402下有子菜单4021，包括“编辑”，“保存”“扫描”等选项，它让用户直接简历电子版标准答案。在“编辑“选项下，软件提供给用户如图8中所示界面，其中包括标准答案配置表208。该表是依赖于答卷配置表的，根据答卷配置表确定各种题型是否包括在其中，以及每种题型的题数。因此如前所述，标准答案的建立是依赖于答卷配置表的。用户在表中确定每道题的正确答案。软件111本身也进一步做验证，例如单选题时只能允许一个答案，如果有题目没有答案，软件也会提示用户。用户完成答案以后，可以选择“保存”。建立标准答案时，用户随时可以用“显示”键423来看带有标准答案的答卷效果，如图9所示。本发明中涉及答题卡不一定需要条形序列标记202，203，当然有它们也可以辅助判卷，提供多一层的保险，毕竟扫描图像的质量比起传统答题卡设备用的专用纸张和专用扫描转置获得的图像质量要差，且有一定的不确定性。同时“扫描”选项这是让用户扫描一份标准答案，就是说也系统仍然支持传统的方式。此时用户打印当前答卷，自行填写一份标准答案答卷图像，扫描后由软件111保存，同时也可以填写一份标准答案配置表，软件111比对标准答案答卷图像和由标准答案配置表产生的图像，检验二者一致性。比对方法和在后面描述的扫描判卷方法相同。

图5、6、8中的菜单栏下“帮助”为用户提供如何使用该软件信息以及软件本身版本信息。

图5、6、8中的菜单栏下“系统”为用户提供系统维护界面，包括软件升级登录(管理员管理全部用户权限，普通用户需要有账号和密码才能使用该软件。

有了标准答案，用答题卡完成考试后，用户收集答题卡进行判题。图5、6、8中的菜单栏中“判卷”403下有子菜单4031，它包括“扫描判卷”，“读入判卷”等选项(未显示)。

无论用户选择“扫描判卷”或“读入判卷”，在判卷完成后，软件111都提问用户是否有“更多”，用户只能回答“是”或“否”。用户回答“否”就结束本次判卷，而用户回答“是”就让用户继续同样的判卷。这是考虑到某些考试答卷多，无法一次放入扫描设备扫描的情况，使用户可以多次扫描或多次上传已经扫描的答卷图像，最后获得一个汇总的判卷结果。

用户如选择“扫描判卷”，则系统图像采集模块120扫描考生答题卡获得图像，扫描以及可以是系统自带的也可以是通过通讯方式连接的外部设备。系统利用数据通讯模块131，送给系统软件111。扫描是对所有答卷连续扫描的，自动馈纸式的。然后系统软件111调用图像处理模块141及其模式识别模块进行比对、判题，获得结果并保存在计算机(内存)中。当然判卷时软件首先要检测是否已经有标准答卷才能执行，如果有的话就继续判卷，否则反馈警告信息给用户，不进行判卷。扫描判卷执行之前，软件111还可以弹出视窗，让用户选择是否需要保存原始扫描结果。如果用户需要的话，用户需要给定计算机上保存扫描原件的路径以及密码，软件在扫描判卷的同时保存扫描件。每次扫描判卷时保存的扫描件是加密的。

主菜单栏403下，用户可以不选择“扫描判卷”而选用“读入判卷“(未显示)，此时软件111读入别处扫描获得的答卷图像，例如在计算机硬盘的一个文件夹中的全部图像文件，然后逐一判卷。此时软件仍然首先要检测是有已经有标准答案答卷才能执行。在系统没有连接扫描装置时或扫描的答卷来自远程，例如远程考试，集中判题的情况，都是十分有用的。

软件111内部的判卷过程如图10中的数据流图所描述。软件首先用户读入标准答案图像351，包括多页和多型考卷(A，B，C卷等)，通常可以假定扫描的答卷图像相对标准答案图像不会有太大的相对转动角度(＜3°)和考卷页信息以及卷型信息的搜寻范围足够大，模板匹配/模式识别可以找到该答卷的页信息和卷型信息。然后软件对扫描答卷作预处理，预处理也包括探测答卷是否有180°颠倒的情况，此时如果参考点匹配模板在扫描答卷既定区域内找不到理想匹配时，转动180°在全部扫描答卷中搜寻最佳匹配。例如，图11显示对准时，软件用答卷中保存的参考点2(答卷右下角)的模板2402，到扫描答卷201中搜寻区域2488中寻找匹配。系统软件会同样寻找答卷左上角的参考点3401。

如果标准答案是电子版的，实用中大部分也是这种情况，答题卡系统软件111将其转换成8比特(bit)黑白灰度图像，其转换方法如前文所述。

标准答案图像通常需要作一些预处理。如果标准答案图像是扫描获得而非由电子版转换过来的，通常要进行滤波，例如高斯平滑滤波(一种低通滤波)和/或中值滤波。通常可以用空域里核为3×3的高斯滤波算子

$G=\left(\begin{array}{ccc}1& 2& 1\\ 2& 4& 2\\ 1& 2& 1\end{array}\right)/16$ 公式1

用它和图像卷积就达到滤波去噪的目的。高斯滤波算子也可以是5×5的或更高阶的。常用3×3的中值滤波算子是在该像素所在3×3领域(9个像素包括它自己)以中值取代该像素值，它也可以是5×5的。电子版标准答案图像已经时黑白二值化的图像了，不需要再进行二值化。如果是扫描获得的标准答案图像，是灰度图需要则需要进行二值化。二值化方法如图12所示，由于答卷图像像素灰度基本上是二值分布的，如图12中图像直方图601所示，背景图像为白(像素灰度值高)，前景图像为暗(像素灰度值低)，可以选择两个分布峰中间的一个灰度值如T来分割图像，可以选用比较前景(灰度反转之前背景为亮，前景即答卷上的文字和涂抹为暗)的阈值T1来分割图像，获得二值化图像。然后图像要进行灰度反转(颠倒)，以8-bit图像为例，每个像素都经过

I(i，j)＝255-I(i，j)公式2

其中I(i，j)为图像在(i，j)位置的灰度值。

扫描获得的标准答案图像还可以进行形态学的“闭合”运算。用结构元B对图像中某区域A进行闭运算的公式为

公式3

如果标准答案图像是由自电子标准答案转换而来，则已经是黑白二值化的图像，且质量较高，则不需要滤波去噪和形态学运算了。

下面一步就是扫描或读入一幅答卷图像。如果系统自带图像采集模块120就扫描获取一份答卷图像，否则就从外部扫描设备或取图像(通常是连续获取的并放入软件111缓存中，获取图像和处理图像是在两个分开的线程上执行的任务)，或读入一幅别处扫描获得的答卷图像。答卷图像通常需要做预处理，包括滤波去噪(公式1)，二值化，形态学“闭合”运算(公式2)，和像素灰度值黑白反转。扫描答卷二值化操作和扫描标准答案的二值化操作一样，在8比特(bit)灰度图像情况下，先获得图像直方图，根据图12中两个灰度峰值，定出它们之间的某值例如T为阈值，将像素值低于该阈值的像素值置为0，将像素值高于该阈值的像素值置为255。

为识别答卷页信息，还需要根据答题卡底部页数信息部分2481的图像，求连通域，获得的连通域个数和探测是否中空，以判断总页数和扫描答卷当前所在页，因为答卷有可能包含多页纸。同时也根据答题卡底部卷型部分图像，判断答题卡卷型即判定当前答卷是A卷、B卷、还是C卷。由于字符“A”，“B”，“C”是在产生答卷阶段由软件提供的，因而比对时并不需要用传统的光学字符识别(OCR)算法，因为OCR算法(例如Hu氏矩方法7种归一化的矩，或Fourier Descriptor方法)大多非常耗时，因此本发明中仅用模板匹配的方法。只要在答卷创保存时，同时保存其卷型字符图像即可，因为整个应用中字体和字符大小不变。图13显示用模板匹配方法探测页信息，其中页信息模板2481在答卷创建完毕时就已经存在了。而匹配就是要到区域2488中寻找其最佳匹配位置(有最大的相似度)。此时如果答卷有多页，每页都有相应的页信息模板。

判卷中的下一步353就是将答卷图像和标准答案图像进行对准(alignment)，因为只有对准的图像才可以逐像素比对，否则如果两幅图像间有相对位移或相对转动都会影响比对的准确性。对准可以用图像处理中模式匹配的方法，首先在标准图像中选取两幅模板图像，如图5、7中区域2401和2402，基本上在答题卡左上角和右下角，但不一定严格地需要在答卷的左上角和右下角，因为首先要保证模板区域子在整个答卷中是唯一的，同时要保证其中有丰富的特征，包括水平特征和垂直特征都不可少，另外其中还要还没有可能改变的部分(例如用户名和答案部分，每份考卷上都可能不同，则要尽量避免使用)。由于使用电子版答题卡，答卷上各种信息的内容和位置都是已知的，软件111可以有许多方法来选择模式匹配区域2401和2402，避开图像会改变的区域。然后到需要比对的答卷图像中左上角区域和右下角区域分别寻找和模板相似的匹配图像。搜寻区域通常比模板图像尺寸大，在垂直和横向都可以是模板图像尺寸的2倍直至全部扫描答卷图像。图像间相似度可用归一化互相关算法(Normalized Cross Correlation)方法计算，在空域中，用模板图像在目标图像搜索区域每次都计算：

$r=\frac{\mathrm{N\ΣMT}-\left(\mathrm{\ΣM}\right)\mathrm{\ΣT}}{\sqrt{[\mathrm{N\Σ}{M}^2-{\left(\mathrm{\ΣM}\right)}^2][\mathrm{N\Σ}{T}^2-{\left(\mathrm{\ΣT}\right)}^2]}}$ 公式4

其中M代表模板图像，T代表搜索区域中目标图像相应的部分，每次求和遍历模板图像/搜索区域中目标图像相应的部分全部像素。N是模板图像/搜索区域中目标图像相应的部分全部像素总个数。然后逐个像素移动，每次都用公式3中归一化互相关算法。于是在搜索区域运用归一化互相关公式2获得的值构成一个数组，其宽度/高度为：搜寻区域宽度/高度-模板图像宽度/高度+1。通常称之为互相关曲面(correlation surface)，其峰值对应于最佳匹配或相似度最高点。实际运用中，通常需用互相关曲面峰值周围的点，做二次曲面拟合。为了提高运算速度，可以近似地有二次曲线

f(x)＝ax²+bx+c    公式5

分别在X和Y方向，以峰值附近3点进行曲线拟合，以找到更加精确的亚像素的峰值位置。相似度最差为0，最佳为1(完全相同)。实际应用中，相似度r达到0.60以上就可以认为是找到匹配了。在此已经假定扫描件图像相对标准答案图像相对转动较小，例如3°之内，否则在模板匹配的互相关算法之上还可以有一层转动搜寻，即循环，就是将保存的模板在一定范围内以一定的步长间隔转动，在每个角度下进行模板匹配搜寻，找到最佳匹配及相应的转动角度。但这是非常罕见的情况，因为普通自动馈纸式扫描仪都能够保证扫描件的取向不会有3°以上的转动。

另外还可以不直接使用标准答案图像和答卷图像进行模式匹配，可以用它们的边缘图像进行模式匹配，这样有益于某些标准答案图像和扫描图像间图像对比度差别比较比大情况。图像边缘可以用求图像梯度

$\▿T=|{\mathrm{Gx}}^2+{\mathrm{Gy}}^2|$ 公式6

获得。其中T代表图像，Gx和Gy分别代表为X和Y方向的梯度。求图像梯度的方法很多，如Sobel，Canny等方法。最常用的是3×3的Sobel算子

$\mathrm{Gx}=\left(\begin{array}{ccc}-1& 0& 1\\ -2& 0& 2\\ -1& 0& 1\end{array}\right)$ 公式7

$\mathrm{Gy}=\left(\begin{array}{ccc}-1& -2& -1\\ 0& 0& 0\\ 1& 2& 1\end{array}\right)$ 公式8

上述归一化互相关算法足以应付模板和目标图像间相对较小的相对缩放(根据图像内容有一定的变化，但通常3％以下，)和转动(3°以下，根据图像内容有一定的变化)。对于相对缩放较大或相对转动较大的情况，则要在上述模式匹配算法的基础上，产生一系列有缩放的模板和有转动的模板到，目标图像中搜索，找到最佳匹配。上述归一化互相关算法适用于灰度图像比较，对于二值化的图像，模板图像和搜索图像之差，或两图像间的逻辑“与”(AND)逻辑运算

r＝∑M(m，n)∩M(i，j)公式9

也可以反映两幅图像的相似性，且运算速度较快。其中M代表模板图像，T代表搜索区域中目标图像相应的部分，求和遍历模板中所有像素已经与之对应的搜索图像中和模板同样面积内的全部像素。

一旦两个对角模板图像的模式匹配完成，标准答案图像和模板图像间相对位置，角度(基本上没有缩放，除非答卷是在别处扫描获得的，扫描时图像就有缩放)都可以确定。左上角和右下角两处匹配确定两点。其间距离可以确定较小的缩放。标准答案图像中这两点定义了一条直线。同理，每份答卷图像中这两点也定义了一条直线.这个两条直线间的夹角(梯度之差)确定了标准答案答卷图像和扫描答卷间图像间的相对转动角度。根据两图像间相对平移和转动差别，相应改变扫描答卷图像纠正这些差别，就可以将两图像对准，同时也确定的坐标参考系。

由于图像比对对于图像处理要求不高，比对中较小的差别将被过滤不计(下面详细描述)，图像转动时用最简单的最近邻像素差值即可，甚至不需要用双线性差值。

上述模式匹配、图像对准算法在答题卡系统软件111内部，都是由计算机程序调用图像处理模块141，及其下属的模式识别模块142来完成。其内容就是由其中的软件实现上述方法、公式。

完成图像对准以后，下一步354是将标准答案图像和答卷图像相减产生差别图像。这里的两幅原图像是经过二值化的，一幅是标准答案图像，一幅是扫描答卷图像，差别图像是取了像素差别的绝对值的，因此像素值总是全正的。由于本发明中采用电子版答题卡，需要比对区域以及其他重要区域的坐标位置，在参考点确定后就全部确定了，这样图像比对只需要限于所需比对区域如证件号区域和答案区域进行，大大节省了图像比对所需的时间。需比对部分包括考生信息如姓名(涂选部分)和证件号，主要包括答案部分。

然后软件对于差别图像需要求前景像素的连通域(也就是图像处理领域里常说的Blob)356。图14显示判题时答案部分比对情况650。其中标准答案部分图像652，扫描答卷相应部分图像653和二者之差的绝对值图像654。此时软件不需对差别图像进行二值化，因为两幅源图像已经是二值化的了。差别图像中包含许多较小的连通域6540，多由扫描图像质量稍差，标准答案答卷图像和扫描答卷图像对准有较小的误差等引起。通常由于纸张污染，扫描仪污染，涂写不足或出界等造成的较连通域，和答错题导致的连通域比都较小，可以被滤除。真正关心的连通域如图14中6541所指的两个，是由于错误答案造成的，其中一个对应于标准答卷上正确答案位置，一个对应于扫描答卷上错误答案位置357。软件还可以用答卷下边和右边的条形标识(每道题在水平和垂直方法都有一对应的条码)，验证判题位置357。

非零像素联通域探测有4邻域的方法，即考察当前像素的正上方、正下方、正左方、正右方像素是否为非零，如果是就联通为同一个区域。非零像素联通也有8邻域的方法，即不仅考察当前像素的正上方、正下方、正左方、正右方像素是否为非零，也考察当前像素的4个对角方向的像素是否为非零，如果是则也就联通为同一个区域。本发明中连通域探测可以采用4邻域联通方法，因为主要考察尺寸较大的涂抹部分，尺寸小的连通域要被过滤不计。连通域大小首先有其外接矩形宽、高决定，然后再看外接矩形中包括的像素多少。计算机软件赋予每个连通域同一个序列标号(index)，并求出其中前景(非零)像素的个数和其外接矩形(bounding box)的尺寸。

由于在前述创建标准答卷或扫描标准答案图像时已经建立答题卡坐标系，因此所有正确答案的位置以及相应的得分、罚分规则也都已经确定。如果标准答案图像和某一答卷图像相减产生的差别图像在某个正确答案应该在的位置上没有连通域(blob)，那么系统软件111就知道该题答错了，不加分或根据罚分从总分中扣分360。然后答题卡系统软件111统计该答卷总分361。考卷有多页时，为完成答卷结果暂时保留于计算机内存中，等到有其他页的考卷获得判题时，结果信息添加到一起。由于本发明中同时使用页信息识别，答卷卷型识别，和考生证件识别，不会搞乱的。同理，如果答卷结果不完善，例如有缺页，损坏，扫描设备故障等情况，系统软件暂时保留该答卷结果和原始扫描答卷(于计算机内存中)。

如果还有答卷需要判定361，则回到步骤352，扫描或读入下一幅答卷图像。否则答题卡系统软件111进入下一步364，如图15所示，即获得并显示答题卡系统软件111判题结果，包括每个考生/考卷信息7081，7082，7083，包括各类题型题目的原始总分和转换分，和汇总全部答卷分数信息2048，都是以表格形式体现，方便用户将它们转移到其他软件如微软的Office Excel中去。软件111还提供将原始分(考生得分和罚分总和)转换为百分制或5分制下分数。转换时软件111提供以分数区间对照表(未显示)。此时软件还要尽量完善之前未完善或有异常的答卷，例如多页答卷两页不能匹配。如果软件实在无法解决问题，在汇总表中提醒用户需人工干预。由于软件保留所有异常扫描答卷，用户可以调用这些扫描答卷来人工判题。

对于这些考试信息，客户可以选择“保存”(于数据库中)。这些步骤，在答题卡系统100中则是由结果管理模块155和数据库模块156来分别负责的。数据库模块基于市场上流行的关系数据库如OracleTM或MySQLTM。

该例答题卡系统判题过程结束365。

软件111界面400主菜单下还有“结果”选项，其下包括“读入”，“合倂”，“保存”，“另存为...”和“打印”等选项4041。其中“读入”能让用户读入已经保存的某次考试结果。如果当前视窗400中已经有考试、判题结果，用户不需要读入已经保存得结果。当然，用户仍可以暂时放下当前结果，读入以前保存的结果。结果文件如果被调出，会包含考生信息如姓名，证件号，正确题数和总分信息，通常是有密码保护的，并显示于视窗400中。它通常是一张表格，如图15中的表格7081，7082，7083，7084所示。

选项“保存”，“另存为...”让用户保存当前判题结果，内容就是表格7081，7082，7083，7084中的内容，数据格式是软件自定义的，必须通过“读入”件才能让软件111打开该结果文件，同时还需要输入正确密码。密码最早产生于第一次“保存”结果时，用户需要给出密码，否则在缺省情况下用户使用软件111的登录密码就被用于该结果文件的密码。

在“合并”选项下，用户可以指定路径，将计算机硬盘上某一之前获得的结果何当前判题结果合并，保存或另存合并后的结果。这是因为考虑到大规模考生考卷众多，需要分批判卷的情况。

选项“打印”是为了方便用户打印结果表格7081、7082、7083、7084。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.电子版标准答案的实现方法，该方法用于可编辑答题卡系统中电子版标准答案的创建和使用，通过使用者对系统软件的设置来实现，其包括如下依次步骤：

i)用户启动答题卡系统，由系统软件进行设备初始化，检测判断系统是否自带图像扫描子系统、硬件，如果是则对那些检测到的子系统、硬件进行初始化；

ii)用户登录系统软件主界面，通过选择性地启用系统软件提供给用户的答卷编辑、答案编辑、扫描判卷、结果显示和管理、系统和帮助等这些应用选项来完成答卷设计，答案设计，扫描判卷和结果管理等一系列完整的应用过程；

iii)用户设计、编辑答卷，由系统软件提供答卷配置表，其内容包括答题卡上所需的全部信息；用户只要在该配置表上选择所需选项，系统软件根据既定排版算法，产生答卷，并自动标记页信息和答卷卷型信息；编辑答卷完成后，系统提示让用户保存答卷，并有密码保护；

iv)用户设计、编辑电子版标准答案，由系统软件提供标准答案配置表，其内容包根据相应卷配置表，给出全部题目的正确答案选择；系统软件可根据标准答案选择和答卷配置/设计，产生标准答案答卷图像，可以在计算机上显示给用户并让用户保存；

v)考试后，用户收集考卷；用户通过系统软件，指示扫描全部答卷并判题；

vi)系统软件根据标准答案和既定算法进行判卷；判卷包括对答卷图像和每份扫描答卷图像进行预处理，对准，比对，判断对错，统计总分，并将获得的结果显示给用户；该结果包括每份答卷考生信息和总分，以及全部答卷信息和得分总汇；

vii)系统软件支持用户进一步组织、显示、保存判卷结果，同时还能够将结果转移到其他办公软件如微软OfficeTM中的ExcelTM下。

2.根据权利要求1的电子版标准答案的实现方法，其特征在于，所述步骤iii)中，系统软件在界面上提供答卷配置表，它包括考卷标题，考生姓名，证件号码，使用说明，考卷注释，各类题型，及各类题型下的题数和得分、罚分规定等这些答题卡上所需的全部信息；且系统软件提供对于这些用户提供的配置表信息的准确性、完整性检验，如遇到问题，可及时反馈给用户。

3.根据权利要求1的电子版标准答案的实现方法，其特征在于，所述步骤iii)中，系统软件有既定排版算法是指对于诸如考卷题目，使用说明，考生姓名，注释等非答案信息，软件有既定大小的模板和放置位置；其大小相对于打印纸尺寸有固定比例；

对于答案部分，软件根据配置表中用户选择次序安排每类题型次序，每类题型中根据配置表中用户选择题数，根据用户在软件界面中选用区域大小，从左到右，从上到下安排答案；如有需要，答卷自动加页；答卷的每页都有页信息包括总页数和当前页号，答卷类型信息以便支持同一考试多种考卷以及考生姓名、证件号等考卷标识信息；其字体和大小也不变，即相对于打印纸尺寸也有固定比例。

4.根据权利要求1的电子版标准答案的实现方法，其特征在于，所述步骤iii)中，答卷创建过程中，系统软件自动提供参考点，该参考点通常选用答卷左上角和右下角至少两个，具有唯一性，包括较丰富的水平和垂直特征；另外用户可以自行改变参考点位置；所述参考点作为模板，用于标准答案图像和扫描答卷图像间对准；

所述根据参考点和电子版标准答案中各信息部的位置，在扫描答卷上确立了一个坐标参考系，它能确定判题时图像比对的区域，使得判题时的图像预处理、比对、答案检测都可以限于特定区域内；用于其面积总和通常占全部扫描图像的25％以下，这样就能减少数据处理量，减少了判题时间，提高判题速度。

5.根据权利要求1的电子版标准答案的实现方法，其特征在于，所述步骤iv)中，用户选择建立标准答案时，系统软件参照答卷配置表生成标准答案配置表，其中包括根据该表和答卷设计表产生的标准答案答卷图像，是全电子版的，所述标准答案配置表的内容包括答题卡中各类题型的每道题的正确答案选择；用户只需要填写就可以建立标准答案，所述标准答案配置表是确定考卷答案的唯一依据，不再如传统方法中的扫描图像，以便能支持支持多页，多卷型，大规模考试多考卷一次判卷或分批判卷；另外，系统软件针对不同题型，提供每道题选择的正确性保障和检验漏选。

6.根据权利要求1的电子版标准答案的实现方法，其特征在于，所述步骤iv)中，系统软件同时支持传统方法建立标准答案；此时系统软件扫描该标准答卷，允许用户编辑相应的标准答案配置表，同时用和判卷时同样的图像处理、模式匹配方法，比对二者以确保它们的一致性。

7.根据权利要求1的电子版标准答案的实现方法，其特征在于，所述步骤vi)进一步包括：

i)系统软件读入标准答案文件，它包括标准答案配置表和标准答案图像；其中标准答案图像或由标准答案配置表结合答卷配置表产生，或由传统扫描方法获得；标准答案图像可以是包括多页也就是多张图像，多种答卷卷型；

ii)系统对每张扫描答卷进行图像预处理。预处理包括黑白灰度倒置，按照既定算法确定一阈值，用其将扫描图像二值化；

iii)用图像处理、模式匹配算法判断答卷卷型和探测页信息；

iv)用模式匹配算法如互相关算法或逻辑“与”算法将标准答案答卷图像和扫描答卷图像对准；答卷设计时确定的至少两个参考点，探测标准答案答卷图像和扫描答卷图像间相对几乎偏差主要是位移和较小的转动角度，相应地修正扫描答卷图像，使这两幅图像对准，这样就能在扫描答卷图像上建立坐标参考系，进而也就确定了扫描答卷中其他重要区域的位置；

v)计算标准答案图像和扫描答卷图像之差的绝对值图像，即差别图像；

vi)用图像处理中连通域探测方法，找到差别图像中全部连通域(blob)。然后根据既定算法和阈值例如关于连通域外接矩形的宽、高阈值和其中包含前景像素的多寡作为阈值，滤除较小的连通域；

vii)根据错误答案和题目得分、罚分规定给每道题判分，最后总汇全部得分。此时每道题的答案都有相应的坐标位置，另外传统的答卷边缘条形序列标记也可以独立判定或协助检验每道题的判别位置；

x)系统软件总汇全部考卷总分以及标识信息如姓名、证件号等，建立判卷汇总表，在计算机显示屏上显示给用户；用户可对该表做简单操作如按不同列名排序，增减考生和修改个别答卷结果；当用户修改个别答卷结果是，系统软件实施相应的修改汇总表中单个考卷/考生结果，以保持信息一致。

8.根据权利要求1的电子版标准答案的实现方法，其特征在于，所述建立标准答卷步骤，和判题步骤进一步包括以下步骤：

i)在用户创建答卷时，系统软件允许用户在答卷配置表中填写答卷类型，系统软件在产生标准答案答卷图像时，自动在答卷下部生成该信息；其字体，尺寸不变，以利于将来通过图像处理、模式匹配方法探测；系统根据答卷配置表，在产生答卷图像时，根据既定排版算法和题型、题数，在需要有多页的情况下，自动产生多页答卷，并在每份下部显示页信息；系统软件安排的页信息包括文字信息和图形标识信息；文字信息是给考生看的，图形标识信息使得计算机判卷时能够用图像处理的方法判断页信息，包括总页数和当前所在页；

ii)标识页信息的文字是软件内部确定的，字体和大小都固定，这样可以直接用图像处理和模式匹配方法检测而不需要考卷页的图形标识信息；

iii)判卷时，系统软件结合每页扫描答卷的页信息，卷型信息，考生信息如以及证件号码信息加上考生姓名，就可以对无序排放的众多考卷同时判卷，对于大规模考试考卷特别多而一次扫描无法完成的情况下，分段扫描而无需担心考卷安排次序；

iv)对于判题异常，实在无法机器判卷的情况，系统软件保留原始扫描答卷，在全部答卷判卷结束后，提醒用户人工干预。

9.一有电子版标准答卷功能的可编辑答题卡系统包括：

一计算机，在其上有答题卡系统软件，是分层的，最上面的应用层包括用户界面，及答卷，答案，判卷，结果，帮助和系统等模块；其下负责工作流程和控制层有：

一负责连接外部图像数据获取装置，获取外部图像信息的数据通讯模块；

一包括模式识别模块的图像处理模块；所述图像处理模块用于对标准答案图像和答卷图像进行预处理包括滤波去噪，黑白灰度值转换，形态学运算，边缘提取，转动、缩放和差值；所述模式识别模块通过互相关算法、逻辑”与”算法将标准答案图像和答卷图像对准，以便可以逐像素相减获得绝对差别图像，继而从中提取连通域，选择形状较大连通域来确定错答题；模式识别模块的图像处理模块也支持答卷页信息识别，答卷类型识别，结合考试信息识别来支持同一考试多种答卷类型，多页考卷，大规模考试时有大量考卷等应用；

一数据管理和显示模块，所述数据管理和显示模块包括一答卷管理模块、一答案管理模块、一结果管理模块和一数据库；

一图像采集模块，以及与它分别连接的一控制扫描设备的扫描控制模块、一控制相机设备的相机控制模块和一控制图像光源的光源控制模块；同时所述系统也通过计算机连接扫描仪、相机和照明光源这些图像信息采集的外设。

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