CN103473572A - 一种手写汉字美观度的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种手写汉字美观度自动评价的方法，具体实现步骤为：建立汉字的包围盒网格结构；将标准汉字包含笔段判定为“横竖撇捺”中的一种，抽取汉字上的特征点；将标准汉字特征点映射到对应网格中,并对网格进行加边处理及松弛化计算，获得标准汉字在包围盒内的变形网格；获取手写汉字的像素点集合，并进行笔段拆分与判定，抽取手写汉字的特征点；获得手写汉字在标准汉字变形网格基础上形成的二次变形网格；计算两个变形网格之间的能量差异；根据能量差实现对于用户手写汉字的美观度评价。本发明的手写汉字美观度的评价方法，能有效解决目前手写汉字练习过程中实施易、评价难的问题，具有非常重要的应用价值。

Description

一种手写汉字美观度的评价方法

技术领域

本发明涉及利用计算机对汉字书写进行评价的技术领域，尤其涉及一种手写汉字美观度的评价方法。

背景技术：

伴随着电脑的普及，人们对电脑打字越来越依赖，手写汉字的机会则越来越少。手写汉字的关注程度和练习强度被大大弱化，致使当前社会很多人不仅写不出漂亮的汉字，甚至挂在嘴边的字，也经常提笔就忘，提升国人汉字书写能力的已成为一个亟待解决的问题。

《计算机工程与应用》2010年第46期的《规定格式文字书写练习质量普适评价》中针对规定格式手写字母，通过建立标准模板，利用距离比较法，检测二者之间的相似度，而提出了一种普适质量评价方法，取得了一定的实验效果，然而这一方法针对手写汉字效果并不理想，因为汉字类别众多，结构复杂，手写汉字具有更大的随意性，从而导致其结构产生较大的模糊性。

《计算机工程与应用》2012年第6期的《汉字书写质量的模糊分析方法》中提出书写笔画以关键点为特征，书写结构以比例、大小及位置等为特征，关键点直接采用高斯法进行模糊化，书写结构特征通过统计实验模糊化，通过模糊贴近度实现汉字书写质量分析的评价方法，但该方法的核心是计算手写汉字与模板汉字的整体相似度，并不能很好的把握细节特征差异，较难形成针对用户手写汉字的指导意见。

中国发明专利“手写汉字笔画交接离的规范性判定方法和装置”（公开号：CN101320422A）公开了一种通过判断手写汉字笔画交接离关系判断手写汉字书写是否规范的方法。该方法仅能实现对于手写汉字笔段数量及异类笔段间拓扑关系规范性的判断，并不能实现对于汉字书写美观度及结构规范性的评价。

发明内容

本发明提供一种手写汉字美观度的评价方法，该方法通过构建弹簧模型，考察手写汉字特征点与模板汉字中特征点位置的差异性导致弹簧模型中网格的变形情况，实现对于用户手写汉字的美观性评价。

本发明采用的技术方案如下：

一种手写汉字美观度的评价方法，包括：

1.采用等比例切分的方法，建立标准汉字的包围盒网格结构，将标准汉字置于包围盒中：

令标准汉字的包围盒B的大小为H*W，H为包围盒B的总高度，W为包围盒B的总宽度，确定其网格化的分辨率为N,生成包围盒的网格点集为{m_ij}i=0..N,j=0..N,其中，每个网格单元的高度为

宽度为

则m_ij为二维平面点(Δh·i，Δw·j),i=0..N,j=0..N；对于任意的i=0..N-1,j=0..N-1，定义由四个顶点m_i,j,m_i+1,j,m_i,j+1,m_i+1,j+1构成的四边形为一个网格单元；由此，包围盒B被分割成N*N个大小相等的网格单元，记为M₀；

2.判断构成标准汉字各个笔段的类型，提取笔段上的特征点，并构造特征点集：

以标准汉字每个笔段中间点为原点构建二维坐标系，横向标示为X轴，纵向标示为Y轴，计算笔段首尾两端连成的线段与X轴夹角α,若0⁰≤α≤10⁰或者170⁰≤α<180⁰，则笔段标记为“横”，若10⁰<α<80⁰则笔段标记为撇，若80⁰≤α≤100⁰，则笔段标记为“竖”，若100⁰<α<170⁰，则笔段标记为“捺”，抽取“横”、“竖”两端，“撇”、“捺”两端及中间点为特征点，特征点集合为P={P_k，k=1..n}；

3.对网格M₀进行加边：

取标准汉字每个笔段的任一特征点P_k:

（1）若P_k与某个网格顶点m_ij重合，则将m_ij标记为特征点P_k；

（2）若点P_k在网格M₀的某一条边l上，则将点P_k插入到边l上,使边l被分割为两条边，且这两条边均有一个顶点为P_k；

（3）若点P_k在某个网格单元{m_ij,m_i+1,j,m_i,j+1,m_i+1,j+1}内，则向网格M₀中添加四条边

其中m_i分别取网格单元{m_ij,m_i+1,j,m_i,j+1,m_i+1,j+1}的四个顶点之一，加边后的网格记为M₁；

4.对网格M₁进行松弛处理：

设定迭代次数n,迭代执行下述步骤实现对于网格M₁的松弛处理：

对网格M₁中的任一顶点V，

（1）若点V为包围盒B的边界顶点或由加边过程中引入到网格M₁中的特征点，则保持其坐标不变；

（2）若点V既不是包围盒B的边界顶点，也不是添加到网格M₁中的特征点，则令N(v)={v_i,i=0..k}为网格M₁中与点V直接邻接的顶点集，其中k为V在M₁中的度，则更新点V的坐标为

松弛操作完成后，记得到的新网格为M₂；

5.计算手写汉字对应的变形网格

复制标准汉字网格M₂为M₃,对用户手写汉字进行笔段拆分与判定操作，笔段拆分方法为:

令t=(y_i+2-y_i)/(x_i+2-x_i)，如果y_i+1-t×x_i+1+t×x_i-y_i<L,则p_i、p_i+1、p₃₊₂同线，否则p_i+1是折点；其中，x_i,y_i为点p_i坐标，x_i+1,y_i+1为点p_i+1坐标，x_i+2,y_i+2为点p_i+2坐标，t表示点p_i+2与p_iy坐标差与x坐标差的比值，L为判定是否折点的阈值；

如果点p_i+1是折点，则点p_i、p_i+1构成一个独立笔段，否则点p_i+1、p_i+3建立直线，考察点p_i+3是否在此直线上。

笔段判定方法同步骤2，根据上述操作抽取出手写汉字特征点为p′_i,令其对应于标准模板汉字上的特征点为p_i，并将网格M₃中点p_i坐标置换为点p′_i的坐标，针对手写汉字重复上述步骤3与步骤4操作，得到的新网格记为M₄；

6.统计网格变形能量

因为网格M₂与网格M₄中的顶点和边存在一一对应关系，令边l_i∈M₂在M₄中对应的边为l′_i,则定义

其中，N为网格分辨率，|l_i|，|l′_i|分别为边l_i，l′_i的长度，求和过程遍历网格M₂中的所有边。

E即为网格M₂变形为网格M₄后产生的能量变化，其反映了标准汉字与手写汉字之间的相似性，即能量E越小则手写汉字与标准汉字越接近，美观性越高。

本发明与现有技术相比的有益效果：

（1）提供一种手写汉字美观度的评价方法，能有效地解决目前手写汉字练习过程中实施易、评价难的问题，具有非常重要的应用价值。

（2）利用模拟弹簧受力变形的原理，通过计算变形产生的能量差来对手写汉字的美观度进行评价，这一方法更加切合大众的主观审美标准。

（3）评价过程仅与标准模板相关，与汉字字体无关，因而对于不同类型的字体具有同样的评价效能，具有较强的拓展性。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是标准汉字建立包围网格及提取特征点的示例图；

图3是判断笔段类型的示意图；

图4是标准汉字经过加边及松弛化处理后的示例图；

图5是手写汉字汉字经过加边及松弛化处理后的示例图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做详细说明。

如图1，一种手写汉字美观度的评价方法，其具体实施步骤如下：

1.采用等比例切分的方法，建立标准汉字的包围盒网格结构，将标准汉字置于包围盒中：

标准汉字的存储形式为：点集数据P={P_k（x_k,y_k），k=1..n}，其中n表示该标准汉字所包含的点集数量，x_k,y_k为点P_k的平面坐标，笔段数据S={S_i（p₁,p₂..p_j），i=1..m}，其中m为该标准汉字笔段的数量，j表示某一笔段中包含的点集数量，p_j为笔段S_i包含的点，标准汉字按照上述形式预先获得并存储。

直接读取构成标准汉字的点集数据P={P_k（x_k,y_k），k=1..n}，遍历P_k,获得点集中x,y的最大值与最小值，构建包围盒B，大小为H*W,其中H=K×(y_max-y_min),W=K×(x_max-x_min),确定其网格化分辨率为N,如图2所示例中N=4，K=1.3。

生成包围盒的网格点集为{m_ij}i=0..N,j=0..N,N为网格分辨率，网格单元的高度可计算为

宽度可计算为

则m_ij为平面二维点(Δh·i，Δw·j),i=0..N,j=0..N。对于任意的i=0..N-1,j=0..N-1，定义由四个顶点m_i,j,m_i+1,_j,m_i,j+1,m_i+1,j+1构成的四边形为一个网格单元；由此包围盒B被分割成N*N个大小相等的网格单元，记为网格M₀。

2.构造特征点集：

将标准汉字中包含的笔段的形式判定为“横竖撇捺”中的一种。

读取标准汉字中的笔段数据S={S_i（p₁,p₂..p_j），i=1..n}，获得每个笔段S的中间点p_m，计算方法为读取该笔段的起点p₁，终点p_j连接点p₁和p_j，得到一条直线，取这条直线的中点，该中点即为该笔段的中间点p_m。

如图3所示，以笔段中间点p_m为原点构建二维坐标系，横向标示为X轴，纵向标示为Y轴，计算笔段首尾两端连成的线段与X轴夹角α,若0⁰≤α≤10⁰或者170⁰≤α<180⁰，则笔段标记为“横”，若10⁰<α<80⁰则笔段标记为“撇”，若80⁰≤α≤100⁰，则笔段标记为“竖”，若100⁰<α<170⁰，则笔段标记为“捺”，抽取“横”、“竖”两端，“撇”、“捺”两端及中间点为特征点，特征点集合为P={P_k（x_k,y_k），k=1..n}，经过构造特征点集操作将原始标准汉字点集降维至每个笔段仅由2至3个特征点表示。

3.对网格M₀进行加边:

遍历标准汉字所有笔段包含的特征点P_k，对于每个特征点P_k，判断点P_k在其所处网格M内的空间位置，分为以下三种情况处理：

（1）若点P_k与某个网格顶点m_ij重合，则将m_ij标记为特征点P_k；

（2）若点P_k在网格M₀的某一条边l上，则将点P_k插入到边l上,使边l被分割为两条边，且均有一个顶点为P_k。

（3）若点P_k在某个网格单元{m_ij,m_i+1,j,m_i,j+1,m_i+1,j+1}内，则向网格M₀中添加四条边

其中m_i分别取{m_ij,m_i+1,j,m_i,j+1,m_i+1,j+1}四个顶点之一。

遍历标准汉字所有特征点P_k，根据上述规则对所有特征点P_k所处的网格空间进行加边操作，加边后的网格记为M₁。

4.对网格M₁进行迭代松弛处理：

设定迭代次数n，n为标准汉字的特征点数量k,迭代执行下述步骤实现对于网格M₁的松弛处理。

对网格M₁中的任一顶点V：

（1）若点V为包围盒B的边界顶点或由加边过程中引入到网格M₁中的特征点，则保持其坐标不变。

（2）若点V既不是包围盒B的边界顶点，也不是添加到网格M₁中的特征点，

令N(v)={v_i,i=0..k}为网格M₁中与点V直接邻接的顶点集，其中k为点V在网格M₁中的度，则更新点V的坐标为

松弛操作完成后，记得到的新网格为M₂，图4为N=4时，标准“大”字的示例。

5.计算手写汉字对应的变形网格

（1）获取用户在触摸屏上书写得到的像素点，并将像素点表示为集合P={P_k（x_k,y_k），k=1..n}，n为用户书写某个汉字所获得的像素点数量，定义用户在触摸屏上从落笔到抬笔为一个连续的书写片段，将用户书写某个汉字的过程划分为若干个书写片段，书写片段数据集合为T={T_i（p₁,p₂..p_j），i=1..m}，其中m为该手写汉字书写片段的数量，j表示某一片段中包含的点集数量。

（2）将用户手写汉字拆分为若干个具有独立走向的笔段，拆分方法如下：

设p₁,p₂,…,p_k是获得的某书写片段T_i中的轨迹点，其中p₁为起点，p_k为终点,点p_i、p_i+2建立一条直线，考察点p_i+1是否在此直线上，具体的做法是：

令t=(y_i+2-y_i)/(x_i+2-x_i)，

如果y_i+1-t×x_i+1+t×x_i-y_i<L,则p_i、p_i+1、p₃₊₂共线，否则p_i+1是折点。

其中，x_i,y_i为点p_i坐标，x_i+1,y_i+1为点p_i+1坐标，x_i+2,y_i+2为点p_i+2坐标，t表示点p_i+2与p_i y坐标差与x坐标差的比值，L为判定是否折点的阈值。

如果点p_i+1是折点，则点p_i、p_i+1构成一个独立笔段，否则点p_i+1、p_i+3建立直线，考察点p_i+3是否在此直线上，计算该书写片段中所有p_k,将某一片段切分为若干笔段。

遍历计算某一手写汉字的所有书写片段，将手写汉字切分为若干个独立笔段，构成手写汉字笔段数据S′。

（3）将手写汉字中包含的笔段的形式判定为“横竖撇捺”中的一种。

读取手写汉字中的笔段数据S′，获得每个笔段S′i的中间点p_m，计算方法为读取该笔段的起点p₁，终点p_j连接点p₁,p_j，得到一条直线，取这条直线的中点，该中点即为该笔段的中间点p_m。

以笔段中间点p_m为原点构建二维坐标系，横向标示为X轴，纵向标示为Y轴，计算笔段首尾两端连成的线段与X轴夹角α,若0⁰≤α≤10⁰或者170⁰≤α<180⁰，则笔段标记为“横”，若10⁰<α<80⁰则笔段标记为“撇”，若80⁰≤α≤100⁰，则笔段标记为“竖”，若100⁰<α<170⁰，则笔段标记为“捺”，抽取“横”、“竖”两端，“撇”、“捺”两端及中间点为特征点，特征点集合为P′={P′_k，k=1..n}。

（4）复制手写汉字对应的标准汉字网格M₂为M₃，将M₃中p_i坐标置换为p′_i的坐标。

（5）对网格M₃进行松弛处理：

设定迭代次数n，n为特征点数量k,迭代执行下述步骤实现对于网格M₃的松弛处理。

对M₃中的任一顶点V：

（a）若点V为包围盒B的边界顶点或由加边过程中引入到网格M₃中的特征点，则保持其坐标不变。

（b）若点V既不是包围盒B的边界顶点，也不是添加到网格M₃中的特征点，令N(v)={v_i,i=0..k}为网格M₃中与点V直接邻接的顶点集，其中k为V在M₃中的度，则更新点V的坐标为

松弛操作完成后，记得到的新网格为M₄，图5所示为N=4时，手写“大”字的示例。

6.统计网格变形能量

因为M₂与M₄中的顶点、边存在一一对应关系，令l_i∈M₂在M₄中对应的边为l′_i,则定义 $E=\frac{1}{2\&times;N\&times;(N+1)}\mathrm{\&Sigma;}\frac{\left|\right|\left|l_i\right|-\left|{i^{\&prime;}}_i\right|\left|\right|}{\left|l_i\right|},$

其中，N为网格分辨率，|l_i|，|l′_i|分别为边l_i，l′_i的长度，遍历M₂中的所有边，求和。

E即为M₂变形为M₄后网格中产生的能量变化，其反应了标准汉字与手写汉字之间的相似性，即E越小则手写汉字与标准汉字越接近，美观性越高。

Claims (7)

1.一种手写汉字美观度的评价方法，其特征在于：

（1）采用等比例切分的方法，建立标准汉字的包围盒网格结构，将标准汉字置于包围盒中；

（2）构建二维坐标系，判断标准汉字每个笔段与坐标系中X轴和Y轴的角度关系，将标准汉字包含的笔段判定为“横竖撇捺”四种类型中的一种，依据判定的笔段类型依次抽取每个笔段上的特征点，建立对应标准汉字的特征点集；

（3）将步骤（2）中得到的标准汉字特征点映射到步骤（1）得到的包围盒网格中，根据每个特征点在其所处网格内的位置关系进行加边处理，依据加边结果进行迭代松弛化计算，获得标准汉字在包围盒内的变形网格，从而为手写汉字变形网格的差异判断提供基准数据；

（4）获取手写汉字的像素点集合，采用折点判别法并对其笔划进行笔段拆分，将手写汉字拆分成若干个有独立走向的笔段，采用步骤（2）所描述的方法将拆分出来的手写汉字笔段判定为“横竖撇捺”的一种，依据判定的笔段类型依次抽取每个笔段上的特征点，建立对应手写汉字的特征点集；

（5）将手写汉字置于步骤（3）所得到的对应标准汉字变形网格中，并在此变形网格基础上进行二次变形，获得手写汉字在对应标准汉字变形网格基础上形成的变形网格；

（6）通过计算标准汉字变形网格与手写汉字变形网格各边的长度差值之和，获得标准汉字变形网格与手写汉字变形网格之间的能量差异。

2.根据权利要求1所述的一种手写汉字美观度的评价方法，其特征在于，所述步骤（1）中，包围盒B被分割成N*N个大小相等的网格单元，记由这些网格单元的边界形成的网格为M₀，每个网格单元由四个顶点m_i,j,m_i+1,j,m_i,j+1,m_i+1,j+1构成的四边形组成，顶点m_ij的二维坐标表示为(Δh·i，Δw·j),i=0…N,j=0…N，其中，

为每个网格单元的高度,

为每个网格单元的宽度,H为包围盒B的总高度，W为包围盒B的总宽度。

3.根据权利要求1所述的一种手写汉字美观度的评价方法，其特征在于，所述步骤（2）笔段判定的方法为：

以笔段中间点为原点构建二维坐标系，横向标示为X轴，纵向标示为Y轴，计算笔段首尾两端连成的线段与X轴夹角α,若0⁰≤α≤10⁰或者170⁰≤α<180⁰，则笔段标记为“横”，若10⁰<α<80⁰则笔段标记为撇，若80⁰≤α≤100⁰，则笔段标记为“竖”，若100⁰<α<170⁰，则笔段标记为“捺”。

4.根据权利要求2所述的一种手写汉字美观度的评价方法，其特征在于，所述步骤（3）采用的加边处理过程为：

A、令P_k为标准汉字上的任一特征点，若点P_k与某个网格顶点m_ij重合，则将m_ij标记为特征点P_k；

B、若点P_k在网格M₀的某一条边l上，则将点P_k插入到边l上,使边l被分割为两条边，且这两条边均有一个顶点为P_k；

C、若点P_k在某个网格单元{m_ij,m_i+1,j,m_i,j+1,m_i+1,j+1}内，则向网格M₀中添加四条边

其中m_i分别取{m_ij,m_i+1,_j,m_i,j+1,m_i+1,j+1}的四个顶点之一，将加边后的网格记为M₁。

5.根据权利要求4所述的一种手写汉字美观度的评价方法，其特征在于，所述步骤（3）采用的迭代松弛化计算方法为：

设定迭代次数n,迭代执行下述步骤实现对于网格M₁的松弛处理：

对网格M₁中的任一顶点V，

A、若点V为包围盒B的边界顶点或由加边过程中引入到网格M₁中的特征点，则保持其坐标不变；

B、若点V既不是包围盒B的边界顶点，也不是添加到网格M₁中的特征点，则:

令N(v)={vi,i=0..k}为网格M₁中与点V直接邻接的顶点集，其中k为点V在网格M1中的度，则更新点V的坐标为

6.根据权利要求1所述的一种手写汉字美观度的评价方法，其特征在于，所述步骤（4）中笔段拆分的方法为：

令t=(y_i+2-y_i)/(x_i+2-x_i)，如果y_i+1-t×x_i+1+t×x_i-y_i<L,则p_i、p_i+1、p₃₊₂同线，否则p_i+1是折点；其中，x_i,y_i为点p_i坐标，x_i+1,y_i+1为点p_i+1坐标，x_i+2,y_i+2为点p_i+2坐标，t表示点p_i+2与点p_i的y坐标差与x坐标差的比值，L为判定是否折点的阈值；

如果点p_i+1是折点，则点p_i、p_i+1构成一个独立笔段，否则点p_i+1、p_i+3建立直线，考察点p_i+3是否在此直线上。

7.根据权利要求1所述的一种手写汉字美观度的评价方法，其特征在于，所述步骤（6）采用的计算能量差异的方法为：

$E=\frac{1}{2\&times;N\&times;(N+1)}\mathrm{\&Sigma;}\frac{\left|\right|\left|l_i\right|-\left|i_i\right|\left|\right|}{\left|l_i\right|},$

其中的|l_i|，|l′_i|分别为变形网格中两条对应的边l_i和l′_i的长度，N为包围盒网格化分辨率；E即为标准汉字与手写汉字变形网格不一致所产生的能量变化。

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