（工程力学专业论文）基础力学作业图形识别技术的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 作业是教学过程中的一个重要环节 现代教育技术的迅猛发展以及传统 作业技术手段的落后使作业环节手段改革的问题被提了出来 远程作业系统 在作业技术手段改革方面进行了有益的尝试 解决了数学表达式的自动 别 和批改的难题 然而对于基础力学等理工科基础课程而占 作业题目中常常 包含一些图形内容 学生经常需要绘制作业图形 本论文对作业图形自动批 改进行了比较深入的研究 首先本论文建立了完整的答案图以及学生图形的拓扑关系 将整个图形 元素看作一个整体 提出了分别用1 1 种相邻关系 1 2 种位置关系组成的空 间关系特征表的构建方法 利用这个特征表有效地描述图形元素之问的几何 关系 本论文提出了由图形类型 线条属性 图素参标和空问关系 包括相邻 关系以及位置关系 四类评判要素组成的识别评判标准 学生的绘图错误分 类为匹配错误以及属性错误 两类作业错误的识别分别对应两个识别模块 即图形匹配以及属性检测模块 本论文针对作业图形无绘图起点 无绘图顺序 无精确尺寸 无固定比 例尺等四 无 定性图形的特点 提出了利用相邻关系和位置关系对定性图 形进行识别的算法 以及通过基准图对实现的识别控制策略 本论文设计了作业图形的辅助识别模块 包含图形标注识别 特殊指定 识别 图形识别评分算法 评分结果显示模块 包括错误显示与最终得分 在以上 r 作基础上 本论文编写作业图形识别与批改的程序 丌发了基 于网络环境下的作业图形识别模块 经过验证 取得了良好的识别效果 关键词作业图形 图形识别 基准图对 图形匹配 属性检测 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 a b s t r a c t t h eh o m e w o r ki sa ni m p o r t a n tl i n ki nt h et e a c h i n gp r o c e s s t h ef a s t d e v e l o p m e n ti nt h em o d e r ne d u c a t i o nt e c h n i q u ea n dt h eb a c k w a r d n e s so ft h e m e a n so ft r a d i t i o n a lh o m e w o r kt e c h n i q u em a k e st h ep r o b l e mo ft h er e f o r m a t i o n o fh o m e w o r kl i n km e a n sp u tf o r w a r d t h e l o n g d i s t a n c eh o m e w o r ks y s t e m c a r r i e so nt h eb e n e f i c i a lt r i a l i nt h er e f o r m a t i o no fh o m e w o r kt e c h n i q u em e a n s w h i c hcana u t o m a t i c a l l yr e c o g n i z em a t h e m a t i c se x p r e s s i o na n ds o l v et h eh a r dn u t t oc r a c kf o rm a k i n gc o r r e c t i o n s h o w e v e r f o rs u c h f o u n d a t i o nc o u r s eo ft h e s c i e n c ea n de n g i n e e r i n ga st h ef o u n d a t i o nm e c h a n i c sa n dt h el i k e u s u a l l ys o m e g r a p h i c sc o n t e n t sa r ei n c l u d e di nt h eh o m e w o r ks u b j e c ta n dt h es t u d e n tu s u a l l y n e e d st od r a wt h eh o m e w o r kg r a p h i c s t h i sp r e s e n tt h e s i sc a r r i e so nt h er e l a t i v e l y i n d e p t hr e s e a r c hi nt h ea u t o m a t i cc o r r e c t i o no fh o m e w o r kg r a p h i c s f i r s t t h i st h e s i sb u i l d su pa ni n t e g r a t e da n s w e rg r a p h sa n dt h et o p o l o g i c a l r e l a t i o n so fs t u d e n t sg r a p h s t h ew h o l eg r a p h i c se l e m e n ti sr e g a r d e da sa n i n t e g r a t e dw h o l e a n dam e t h o di sp r o p o s e df o rt h ec o n s t r u c t i o no ft h et a b l eo f p r o p e r t i e so fs p a c er e l a t i o n s h i p sp o s e db y1 1 k i n d so fa d j a c e n c yr e l a t i o n sa n d12 k i n d so fp o s i t i o nr e l a t i o n s 1 3 yu s i n gt h i st a b l e a ne f f e c t i v ed e s c r i p t i o nc a nb e m a d ea b o u tt h eg e o m e t r i c a lr e l a t i o n s h i p sb e t w e e ng r a p h i ce l e m e n t s t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dt h es t a n d a r do fr e c o g n i t i o na n de v a l u a t i o nb a s e do n f o u rt y p e so fc r i t e r i a n a m e l yt h et y p eo ft h eg r a p h i c t h ep r o p e r t yo fl i n e s p a r a m e t e r so ft h eg r a p h a n ds p a t i a lr e l a t i o n si n c l u d i n gt h ea d j a c e n c yr e l a t i o n s a n dt h ep o s i t i o nr e l a t i o n s t h es t u d e n t sd r a w i n gm i s t a k e sc a nb ec l a s s i f i e di n t o m a t c h i n gm i s t a k ea n dp r o p e r t ym i s t a k e t h er e c o g n i t i o no ft h et w ok i n d so f h o m e w o r km i s t a k e sc o r r e s p o n d st ot w o r e c o g n i t i o nm o d u l e s n a m e l yt h e g r a p h i c sm a t c hm o d u l ea n dt h ep r o p e r t y e x a m i n i n gm o d u l e t h i st h e s i sa i m sa tt h ef o u ri n d e f i n i t ef e a t u r e so fh o m e w o r kg r a p h i c s n a m e l yn op l o tj u m p i n g o f fp o i n t n op l o ts e q u e n c e n oa c c u r a t es i z e a n dn o f i x e dp r o p o r t i o ns c a l e a n dp u t sf o r w a r dt h er e c o g n i t i o na r i t h m e t i cf o r t h e g r a p h i c st h a tm a k eu s eo ft h ea d j a c e n c yr e l a t i o n sa n dt h ep o s i t i o nr e l a t i o n s a n d t h ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nt h ec o u p l eo ft h eb e n c h m a r kg r a p h i c s t h i st h e s i sd e s i g n st h ea s s i s t a n tr e c o g n i t i o nm o d u l ef o rh o m e w o r kg r a p h i c s i n c l u d i n gt h eg r a p h i c sm a r kr e c o g n i t i o n t h es p e c i a ld e s i g n a t i o nr e c o g n i t i o n t h e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 g r a d e da r i t h m e t i co fg r a p h i c sr e c o g n i t i o n a n dt h em o d u l ef o rt h em a n i f e s t a t i o n o fg r a d ep o i n t s i n c l u d i n gt h em i s t a k em a n i f e s t a t i o na n dt h ef i n a ls c o r e o nt h eb a s i so ft h ea b o v ew o r k t h i st h e s i sw r i t e sp r o g r a mf o rg r a p h i c r e c o g n i t i o na n de v a l u a t i o n a n dd e v e l o p st h eh o m e w o r kg r a p h i cr e c o g n i t i o n m o d e li nt h ei n t e r n e tc o n t e x t t h et r i a lr u no ft h em o d e l st u r n so u tt ob ee f f e c t i v e i nr e c o g n i t i o n k e y w o r d h o m e w o r kg r a p h i c s t h eg r a p h i c s r e c o g n i t i o n t h eb e n c h m a r kc o u p l e g r a p h i c s g r a p h i c sm a t c h p r o p e r t ye x a m i n a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 前言 第l 章绪论 随着信息技术的广泛应用 现代教育技术已经向数字化 网络化方向发 展 课堂数字化和多媒体技术的应用 使得教学效果与效率大大提高 作 业是作为教学过程中一个重要教学环节 由于作业的批改是一次智能行为特 别集中的工作过程 又由于人工智能在教育技术中的应用水平不高 因此使 作业仍然停留在原始手工批改阶段 随着学生人数大量增加 教师批改作业 的工作量大大提高 从而使得作业批改质量下降 反馈信息的数量和质量都 大打折扣 教师在作业环节中付出的工作越柬越繁重 作业技术手段上的落 后所产生的弊端已越柬越明显i z j 1 教师对学生少做 缺交和抄装等违反作业纪律的现象缺乏约束力量 2 而机械的作业批改工作使教师苦不堪吉 作业批改的数量和质量大大 降低 3 通过作业给学生反馈信息的数量和质量受到很大的影响 4 学生作业中包含对各部分知识掌握情况的重要信息大量流失 教师对 学生学习情况的掌握仅仅是大概 模糊的和停留在经验上的 而不是全面的 准确的和定量的 5 课章上作业评讲占用2 0 的课时 使课章教学的时效性降低 尽管 这种针对典型问题的评讲并不是适合每一个学生 计算机普及和应用已同益广泛和深入 计算机硬件技术和软件技术的迅 猛发展 不但使教学向数字化 智能化迅猛发展 同时也为传统作业方式向 现代技术作业方式转变提供了必要的基础 针对现代作业技术方式的改革 远程作业系统p j 已经走在前列 其做了 大量的工作 不断的进行研究 2 0 0 1 绒博士研究生杨宁学与硕士研究生杨继 宏在龚晖老师的带领下 在丌发远程作业系统软件平台上做了一些丌创性的 工作 给出了远程作业系统的公式识别详细周密的算法1 4 为了适应当前远 程教育的需要 设计丌发完成了数据库的存储和基于网络的远程连接模块 也实现了远程作业自动批改除了作业图形以外各类公式 文字 题型的识别 功能 能够对作业评分 指出作业的错误 并有适当的评语与错误评价 并 把这些错误反馈给教师 不仅解放了学生 也在解放教师的同时达到同样甚 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 至更好的效果 在大量理工科专业的基础课程中 作业内容都涉及到大量的图形元素 例如高等数学 理论力学 材料力学和电路分析等课程 不仅在作业题题目 中采用图形给予说明 同日寸也要求学生绘制图形答题 对于这些课程来讲 图形是一个题目币确解答的重要组成部分 学生解答是否讵确不仅仅取决于 数学表达式推演过程的数值计算垆j 还取决于图形的绘制是否 f 确 例如理 论力学中的大部分作业 不仅要求解计算结果 而且要求绘制诈确的图形 甚至一个题目的解答全部都是图形 例如材料力学中的弯矩图 剪力图 远程作 世系统功能很强大 利用计算机与人工智能技术模拟了传统作业 的自动批阅 很大程度上解决了计算机作业自动批阅的难题1 6 特别是公式 识别技术填补了国内外对解答题 证明题等一些逻辑性强的题型的自动批阅 的空白 远程作业系统尽管是这样一个很优秀的软件 然而对作业图形而言 远程作业系统显得无力 如果学生绘制的作业图不能得到自动批改信息反馈 会直接影响到计算 机作业的效果 那就更会影响教学的效果 因此远程作业系统迫切需要一个 具有一定智能的作业图形批改系统 末帮助教师完成绘图作业的批改任务 让先进计算机技术真币彻底地通过远程作业系统体现作业传统技术的改革 设计一个通用的 具有一定智能的作业绘图批改软件是一项很复杂的系 统工程 其中涉及到预处理 识别算法 图形比较 数据库访问等关键技术 目f j i 国内外已有的图形的自动识别也仅限于对精确尺寸的a u t o c a d 图形 特别是一个完整精确图形的某一部分的识别 而列于定性 不精确 没有固 定起点 没有固定比例尺 没有绘图顺序 图形的识别 一直是图形识别避 丌的话题 还没有建立一种比较理想的自动u 别算法1 7 1 国内已有的几款计算机作业图形识别软件 能够完成计算机辅助设计中 画法几何作业图 属于精确的定量图形 的自动批改 而画法几何作业的图 线较为单一 尺寸比较精确 只是部分图形的补全 其正确答案通常唯一 识别和批改功能容易编程实现 其它课程作业中的图形内容要复杂的多 不 但包含了点 线 矩形 圆等多种图形元素 而且图形的平面位置 尺寸 比例尺有很大的随意性 这些定性图形 给批改软件的设计带来了很大的困 难 因此 目日u 国内外尚未见到比较成熟的作业图形批改软件 远程作业系统的作业图形模块研究具有重大意义 首先 图形模块的成功实现 避免了以前远程作业系统只能批改不合图 形题的作业 而有些课程不含有作业图形则不是一个完整的作业 作业图形 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 自动批改的实现使选题范围大大扩大 使远程作业系统又向6 h 迈出了 步 其次 图形模块的研究 提出一种新的算法 本论文某种程度采用了图 像识别的算法 将图像识别的算法扩大到图形识别领域 扩大了图形识别算 法领域 再次 针对国内外没有涉足的定性图形识别领域 提出新的识别算法 并在本论文用程序实现 是在定性图形识别领域的探索 最后 由于远程作业系统本身可以促进作业环节教学质量 效率和效益 的全面提高 图形识别丌发的成功实现将更大地扩大这些成果 为了在有限的时 日j 内取得较好的研究效果 本论文首先归纳了远程作业 图形的基本特征 然后根据这些关键基本特征进行特征分析 1 并针对作业 图形识别的若干关键特征 除了提出相应的解决方法 最后加以编程验证 本文将以特定学科一一材料力学为研究对象 运用人工智能等技术 分析研 究用于计算机自动批阅材料力学绘图作业的知识表示方法 推理控制策略以 及与适合于计算机识别图形题的结果表示 本论文的完成将有助于后续软件 的丌发 对实现所有作业绘图的自动批改 具有重要的现实意义 1 2 国内外常用图形识别技术的研究与进展 7 0 年代丌始 国外丌始智能化研究模式 以人工智能科学 认知科学和 思维科学为理论基础 研究人类学习思维的过程和特征 以寻求学习认识模 型 达到个别化的自适应学习 但是大量的文献研究和从相关的国际会议收 集到的信息 0 以及对归圈人员的访谈均表明 国外在相关领域的研究和丌 发与国内的状况大致相同 在实现作业环节全程微机化和网络化的软件开发 方面仍为空白 作业中图形内容的批改更没有找到合适解决问题的方法 在 目6 u 的教学过程中学生仍然采用纸笔答题和教师仍然采用传统手 i 批改方式 来批改作业 国内由于画法几何和机械制图作业批改软件在广大的工科院校都有使用 和推广的价值 不少的人士已经在基于a u t o c a d 的图形识别这方面进行了 探索 从已经发表的相关论文 我们可以归纳出目前一些典型的图形批改软 件系统采用的基本的批改方法 承德石油高等专科学校的吴学文针对一些简单的制图作业写出了自己的 批改系统 l 吴学文提出了两种批改方法 一种是比较学生作业图元数掘与 答案图元数据 一种是比较学生作业图形与答案图形块 但是 这两种方法 主要适合检验补画图线 补视图等答案唯一的这类习题 前一种方法具有简 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 单智能化功能 是完全由计算机自动检验作业情况能很方便地判断学生作业 中的作图是否精确 可以重点用来检验学生的精确绘图能力 后一种方法的 丌发虽然简便 但使用时还须靠使用者来检验作业情况 因而很难判断学生 作业中的作图是否精确 显然 这两种方法都有比较大的缺陷 郑州轻工业学院的何培英与华中科技大学的常明联合丌发了一套基于 w e b 的工程制图作业批改系统1 1 2 1 它针对的是华中科技大学c a d 中心研制 丌发的凯图c a d t o o l 2 0 0 0 工程绘图软件 这套批改系统具有作业批改 作业 评分 成绩统计 批改后的作业保存等比较完整的功能 在算法上采用图形 直接比较法 即以标准答案为模板去核对学生的作图情况 从而判断学生作 止中的正误 由于凯图c a d 采用链表数掘结构 故采用遍历法进行比较 批改流程是 打丌学生作业 调入对应的标准答案 从作业图形中取出一图 素 然后遍历下确答案图判断该图素是否对应存在 如果存在则萨确并标示 如果不存在则用细红线显示并记录 重复此过程 直到学生作业中图素全部 判断完毕 然后判断标准答案中是否存在未标示的图素 如有则用红色显示 未标示的图素并一一记录 为了提高批改的准确性 在两个图形进行比较时 需要对以下几个问题进行处理 非一次画成的直线 圆弧 直线起始点的确 定 图层 线型匹配问题和两图形比较时定位点的问题 这套批改系统虽然 功能是比较完善的 但是只能针对比较简单的图形 而且对绘图过程有诸多 限制 西北工业大学制图教研室李西琴老师带领弟子在机械作业制图批改系统 上投入了巨大的精力 9 8 级硕士研究生许占民以a u t o c a d 2 0 0 0 作为丌发对 象 使用它的专用针对轴套类作业进行丌发i 川 他们采用的算法都是直接的 图形直接比较法 2 0 0 0 级研究尘袁宁采用的丌发平台也是a u t o c a d 2 0 0 0 但是他采用的算法是扫描线法 提出了一系列重要的思路和算法i l 除了以上提到的图形批改系统外 还有一些目前没有实现的批改算法和 思路 有一种理想中的方案 i 期待不用建立各种标准图库 而是建立图形 评判的各种规则 通过规则的推理和判断 分析出错误图线 规则的建立通 过如下的方法实现 把图形的有关知识总结出来 分成事实和规则 并以适 当的形式存入计算机中 建立起一个知识库 根据这些专门的知识 系统可 以对输入计算机的原始数掘进行推理 做出判断 该方法对知识库有以下几 点要求 能理解自然语言 具有较强的联想能力 能根据用户的大致描述找 到有关知识 具有推理能力 能方便地进行知识的增 减 改 能实现知识 的相关性和完备性检查 并具有一定的自学能力除了存储专门的知识外 还 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 要存储许多的常识 这无疑是一个完美的想法 也无疑是 个不现实的方法 按照这个想法建立的将是一个具有比较完整的高智能的复杂的专家系统 建 立这个知识库的每一个要求都是一个高难度的论文 需要用高度的智慧 诸 多专业的知识和大量的时间与精力才有可能取得一些进展 对于一个时间要 求有限 水平要求有限的论文柬说 使用这种方法是不适 白 的 总之而言 国内外对于图形识别的研究大致在同一水平 研究最多的图 形均是精确尺j 的图形 也称定量图形 这类图形最大的特点就是尺寸比较 精确 识别时也一般就是简单进行尺寸的扫描比较识别 即使这种精确尺寸 的比较识别算法仍处于探索阶段 没有形成最优算法 课程作业中作业图形 它们的最大特点就是尺j 十随意 也称定性图形 而国内外对于定性图形的识 别基本还是空白 也一直是图形识别领域避丌的话题 也没有提出一种比较 理想的算法 对于这种图形识别算法的探索也就处于原始初级阶段 1 3 作业图形识别技术的特点 1 3 1 作业图形的基本特征 远程作业系统工具系统 在第二章给予详细介绍 自身携带的绘图工具 可以绘制各种图形 能够满足常用各种作业题目绘图的需要 本论文的研究 工作主要是基于远程作业系统绘图工具绘制图形进行识别与批改 此类作业 中图形部分大都存在以一f 共同特点 1 无固定平面位置 学生可以在答题窗口内选择任意位置束绘制图形 2 无精确尺寸 图形元素均被用束定性描述相关的概念和规律 同时图 素之i 旬的相对位置也不确定 3 无固定的绘图比例尺 学生可以自己指定每一个图形元素的比例尺 来定性描述图形元素之问的关系 4 无固定的绘图顺序 学生根掘自己的习惯可以选取某一部分图形优先 绘制 本论文所研究的就是以上具有四 无 特点的定性作业图形的识别研究 剖析四 无 特点 进行批改作业图形 具体而言 是批改远程作业绘图是否 币确 图形标注值是否正确等 并围绕这个目标作了大量必不可少的相关工 作 1 3 2 远程作业图形作业批改程序的设计要求 本论文中作业图形批改的主要设计特点是 1 针对远程作业绘图方法 主要指远程作业工具系统提供的绘图工具绘 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 制的图形 不保证能够批改用其它非常规的方法 其它绘图软件 完成的作 业图 2 针对学生平时作业绘制的图 而且目前还不能适应所有的画法情形 如 立体图等 3 主要以标准答案图为判别依掘 但还注意利用其它一些特别设定 4 不要求有错必究 只能尽可能多地检测出学生作业图中的典型绘图错 误 对于一幅完整的作业答案 除了公式作业部分给予解答 图形部分也应 该绘图 同时需要在图形中标注一部分文字公式计算结果 由于图形 标注 与公式数字解答是相互关联 相互补充的 最终形成一个整体解答 因此对 程序的 智能化 要求较高 从编程实现的角度来讲困难大大增加 1 3 3 作业图形批改软件运行平台以及编程语言的选择 1 3 3l 作业图形批改软件 模块 的运行平台选择 目6 i 有很多c a d 软件都可以完成矢量图形的绘制 而且对于非精确的 示意图则还可以根掘w o r d 的图形工具绘制 通常不同的绘图软件生成的图 形数掘也完全不同 本远程作业系统的图形批改软件 模块 在设计最初考 虑不是适用任何工具绘制图形 也不是适用于常用的绘图软件绘制的图形 而是根据本论文需要 运行平台只考虑远程作j 世系统平台 主要考虑有三点 1 专f j 为远程作业系统量身定做的图形识别软件 并作为其中的 个模 块 弥补远程作业系统平台对图形作业不能批改的缺陷 而且此远程作业平 台本身自带绘图工具能够绘制满足作业图形绘制的需要 而不需要借助其它 的图形工具绘制图形 而且暂时不兼容其它绘图工具绘制的图形i 6 i 所以实 际需要 只能采用此远程作业系统平台 不过作为后期丌发研究 在完成此 图形模块功能之后 可以导入其它图形软件绘制的图形数据 a u t o c a d w o r d 等 进行识别 还可以专门为某一种通用的图形数掘专门识别 如a u t o c a d 但目日u 此使用此平台作为毕业设计 2 有大量功能强大的函数与接口可以利用 前期远程作业平台在丌发可视化界面 图形表述以及公式文字识别过程 中 丌发很多函数以及各类接口 7 在图形表述中提供了众多的绘图函数和 图形数掘操纵函数 常见的图形数据处理和变换 例如图形的旋转 缩放 图形数据转换为文字 文字转化为图形 图形数据存储等操作 都可以直接 调用其已有的函数来完成 这就简化了图形作业批改程序设计过程 使得可 以将主要精力放在各个关键技术研究上 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 3 可以保持论文研究的连续性 2 0 0 1 级博士研究生杨宁学 硕士研究生杨继宏的论文 远程作业批改识 别的研究 m j 也是针对远程作业平台的 尽管他们侧重于针对文字 公式 识别 而不针对图形识别 但在以前相关论文研究过程中 已经积累了不少 宝贵的编程经验 应当加以借鉴和利用 同时 随着远程作业系统软件的不 断发展和更新 其功能也会不断地增强 有利于后续相关论文的丌发和研究 1 33 2 编程语言的选择 远程作业系统平台在当初设计丌发之时 就已经选用d e l p h i 6 0 编程语 言以及数据库s o ls e r v e r2 0 0 0 时过境迁 d e l p h i 6 0 已经更新为最新的 d e lp h 2 0 0 5 版本 远程作业系统业已完成大量的工作丌发 成为一个比较成 熟的软件产品 我们在此软件平台基础l 继续 丁发的图形识别功能 为了与 前期兼容 充分利用以前的函数与接口 同时作为后续丌发的需要 我们仍 将使用d e l p h i6 0 编程语言 同时我们也仍然采用s q ls e r v e r 2 0 0 数掘 库 尽管比s q i s e r v e r 2 0 0 0 更为优秀的数据库有很多 如o r a c le d b 等 d e l p h i 6 0 语言是一种面向对象的高级语占 其各方面功能一点不逊于 v c 而且d e l p h i 语言在数据库丌发方面具有独特优势 使用方便 而对于 比较深层次的数据链表 指针均可顺利实现 同时网络上有许多现成的己丌 发成功的控件 大大节省丌发周期 降低丌发难度 d e l p h i 语言的简单易学 更能降低丌发者的难度 s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库语言是微软丌发中大型数据库语言 同样也 是简单易使用 而且其数据量基本满足远稃作业系统的要求 使用降低丌发 难度 1 3 4 8 件设计过程中遵循的几个原则 1 3 4 1 作业图形批改软件设计的可扩展性原则 尽管本论文只是远程作业系统的图形批改部分 只是原有系统的扩展 但该批改软件仍然是一个较大的系统 到现在代码量已有1 0 0 0 0 行 但也仅 是实现了主要功能 同时也只能针对比较典型的错误 因此 随着软件程序 量的不断庞大 一个合理的 可扩展的结构就显得尤为重要 一个可扩展的 结构可大大有利于程序的调试 功能的增加和完善 以及后续人员的接手 否则程序将随着代码量的增加而变得无法掌握 不可收拾 可扩展性在此主要指以下环节 1 设计合理的数据结构 2 合理的设计各个结构之间的关系 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 3 合理的分配各个模块之f b j 的功能 详细论述见后续章节 1 3 4 2 图形批改设计应以可能出现的错误为出发点 设计一个完美的能批改任何错误的程序实际上只能是一个美好的愿望 其原因在于 i 人工绘图的多变性 i i 个人不同的习惯和j x l 格 i u 错误的类型繁多 不是所有的错误都可以预知的 i v 可允许误差的存在 鉴于此 设计一个实用的且可实现的算法必须 明确的以可能出现的典型错误为出发点 设计尽可能灵活实用的算法 在此算法下做大量的 细致的工作 这 j 是一种现实的念度 而期望设计一个无所不能的批改程序则是不切实际的 即便设计出来也 无法在实际编程中实现 1 3 4 3 批改软件的设计须考虑到可允许误差的存在 在人工计算机绘图中 误差的存在是必然的 其与错误的区别仅在于 误差的大小是否超过可允许的范围 在实际编程中必须考虑到这一点 而这 f 是论文中十分麻烦的一点 其难点在于一方面要从算法上保证对可允许误 差的支持 另一方面对误差的合理范围难以确定 需要大量试验和咨询有丰 富批改经验的老师 考虑到能力和时问有限 这个范围不能很快确定下束 同时由于不同的图有不同的批改敏感度 故在本论文中 误差范围 2o j 的设定 通过一个配置文件 或者是全局变量 来灵活设定 1 4 本论文与前同学程序的关系论述 1 4 1 作业图形批改模块程序在公式识别模块的连续性 龚晖老师设计构思了远程作业系统 并带领2 0 0 1 届博士研究生杨宁学与 硕士研究生杨继宏实现了远程作业系统 完成公式文字识别等核心部分程序 2 1 程序采用的方法在i j i 面已经做过介绍 采用符号机制的机器证明理论 在本论文中 由于专i 3 针对作业图形 无法通过扩展改动其原程序来完成作 业图形的批改 而需要重新设计了一个新程序 并且在这个新程序中 用新 的算法重新设计了作业图形批改的代码 而没有 也无法直接采用公式识别 的算法 但这并不i 兑明在本论文的研究中 抛弃 了前边所做的工作 相反 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 这两部分工作是密不可分的 其关系是延续性的 原因如下 原因一 识别算法的延续性 国内外对图形识别 特别是针对远程作业 系统这种定性不精确图形识别至今仍在初期探索阶段 没有提出一个比较理 想的算法 本程序就是在极大的借鉴了公式识别的算法1 2 提取新的专门针 对图形识别的算法 因此在思想上具有极强的延续性 原因二 本程序虽然是一个新的程序 但仍然是远程作业系统的一个模 块 既然是一个模块 就涉及到与原系统的接口 衔接等问题 本程序与原 程序采用同一编程语言 同一数据库 同一数掘格式 同一显示窗口等 完 全是远程作业系统的一个部分 是对远程作业系统的很好的完善 1 5 本论文的主要工作 1 5 1 本论文主要工作 本论文的主要工作包括以下几个方面 1 本论文建立了完整的答案图以及学生图形的拓扑关系 将整个图形元 素看作一个整体 提出了分别用1 1 种相邻关系 1 2 种位置关系组成的空l 丑j 关系特征表的构建方法 利用这个特征表有效地描述图形元素之间的几何关 系 2 本论文提出了由图形类型 线条属性 图素参标和空间关系 包括相 邻关系以及位置关系 四类评判要素组成的识别评判标准 学生的绘图错误 分类为匹配错误以及属性错误 两类作业错误的识别分别对应两个识别模块 即图形匹配以及属性检测模块 3 本论文针对作业图形无绘图起点 无绘图顺序 无精确尺寸 无固定 比例尺等四 无 定性图形的特点 提出了利用相邻关系和位置关系对定性 图形进行识别的算法 以及通过基准图对实现的识别控制策略 4 本论文设计了作业图形的辅助识别模块 包含图形标注识别 特殊指 定识别 图形识别评分算法 评分结果显示模块 包括错误显示与最终得分 5 在以上工作基础上 本论文编写作业图形 别与批改的程序 丌发了 基于网络环境下的作业图形识别模块 经过验证 取得了良好的识别效果 1 5 2 程序功能 本论文的最终目的就是通过图形识别达到作业图形的自动批改 进行算 法设计以及程序编制 最后完成的程序功能主要有 i 能够批改出学生作业图形的图形绘制错误 本程序的核心部集中在这一块 首先是算法的设计 没有现成的例子 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 也没有现成的算法 其次是程序的误差控制 最后匹配阈值的选择 这些都 是教师在手工批改作业头脑中模糊的概念 最后转化为计算机语言实现 i i 能批改作业图形中文字标注方面的错误 首先定位文字标注的图形 对象 然后再根据公式 文字 谚 别的算法 对公式 文字 部分给予识别 最后错误标识 i i i 能够批改特殊指定检测 由于定性图形在尺寸上具有很强的随意性 所以如果作业图形在尺寸位置上有特殊要求 必须通过特殊指定检测 i v 根据评分标准给出分数 及显示学生作业图的错误之处 1 5 3 本论文的难点 远程作业系统的作业图形与其他工具绘制的图形 如a u t o c a d 图形 的批改有很大不同 应该说是比较难的一部分 原因在于远程作业系统基本 上都是四 无 定性描述图形 表达十分灵活 其表达手段受个人绘图习惯 影响很大 总的来说 以下几个部分是难点 i 图形元素间的拓扑关系描述的复杂性 本论文采用人工智能的识别策 略 整体考虑作业图形 需要建立图形元素之削的关系 而在远程作业系统 的学生绘图中 1 图形元素各类图形较多 2 同时还要考虑到绘图中合理误 差的存在 3 图形元素个数较多 其分别表达不同概念与规律 如何图形作 业概念与规律保存于拓扑关系有一定难度 故而合理的拓扑的建立也比较麻 烦 本论文最终采用空间关系来建立 但是空i 训关系主要应用与g i s 以及图 像识别领域 22 玎j 首度引入图形识别领域 有一定的不适应性 i i 图形元素的定位和匹配的多样性 由于参考标准答案图和学生作业 图上存在多个可能匹配的图形元素 因此解决如何匹配 谁和谁匹配比较的 问题就十分必要 所以匹配与定位的多样性将影响整个识别精度 i i i 匹配阈值的选择的经验性 根据四个匹配要素 需要设计适当的评 价函数 评价函数的匹配闽值的选取对识别很重要 关系到匹配成功性 如 果闽值过高 找不到匹配元素 如果阈值太低 则匹配元素太多 无法取舍 本论文根据实际教师经验模糊给定 具有很强的经验取值的因素口4 j i v 识别误差设定的模糊性 整个程序设计过程中 无论是建立图形元 素i 日j 的拓扑关系 还是基于拓扑关系识别 甚至最后的图形属性识别 都需 要考虑到合理偏差的存在 而这一偏差完全是一个模糊的概念 这一模糊干 扰因素大大增加了程序的设计难度 v 文字标注的定位的渗透性 图形文字标注是作业图形中十分灵活的 部分 标注对象可能为点 线 单个图素 或者为多个图素 而且多个标注 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 互相影响 渗透 因此对文字标注的定位也比较困难 v i 评分标准设定的比例性 整个图形泌别主要分两个模块完成 分 别为检测匹配错误以及属性错误 最后二者错误在总体评分中比例的大小给 最后评分带来很大的困难 v i i 整个算法的探索性 作为图形识别避丌的定性识别领域 也没有理 想的算法 本论文根据教师人工批改作业的思路 用算法尽可能重现整个批 改过程 但是由于对教师批改思路理解的不透测性 以及模糊思路转化为精 确逻辑计算机语言的的复杂性 所以本论文仍只是一个探索 1 6 后续章节的论述方式简介 后续章节将陆续讲述本论文具体的处理过程 具体如下 第二章 论述远程作业系统 特别是远程作业系统中与图形识别相关部 分的介绍 讲述远程作业图形格式数据保存格式 图形数掘以及后续图形匹 配识别的构成要素 第三章 主要论述本程序的框架结构 总体设计 本程序的模块划分定 义 各个分模块的划分 最后讲述在编程模块没计时所注意事项 如果说前 三章所讲内容是整个批改系统的 骨骼 的话 那以后接下柬的四章所叙述 的则是识别系统的 筋 第四章 主要论述图形识别消噪机制以及预处理模块 处理噪声 加快 后续识别的效率 以提高识别精度 第m 矗章 主要论述图形拓扑关系的建立 建立空l 日j 位置关系 相邻关系 特征表 只是根据识别需要加以分类编程 在论述时要加上自己的定义与建 立标准 第六章 主要论述基准图对图形识别策略控制模块 这是整个图形识别 最核心的模块 控制策略直接影响到识别的精度与效率 中间提出各种提高 效率的方法 原理 第七章 主 要论述图形属性识别模块 属性错误的比较生成直接影响程 序的最后结果分数 属性比较分两个内容 图形属性的比较以及参标比较识 别 而且还叙述了图形标注识别以及特殊指定识别 第八章 用一个材料力学实例证明程序运行的效果 最后给出本论文的结论 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第2 章远程作业系统与作业图形数据格式 2 1 远程作业系统介绍 2 1 1 引言 智能型远程作业系统是一套基于互联网的智能 丌放式 跨学科和多层 次的远程作业系统 泼系统能够实观题目的设计 作业靠冒 学生答题 自 动批阅和评讲总结等作业环节的全程微机化 系统能够自动识别和批阅学生 包括选择题 判断题 填空题 计算题和证明题等题型在内的解答过程 并 且具有自动 透视 功能和动态构筑学生学习 病例 的功能 2 1 2 远程作业系统的模块划分 系统按功能束分 可以划分为数据库服务器 应用服务器 管理系统 学生系统 教师系统和工具系统六个部分 如下图2 1 所示 瘴蹲脏参滞 图2 一i 系统j j 能结构 在远程作业系统的六个功能模块 2 6 j 中 与图形识别相关的只有教师设定 参考标准答案的工具系统以及学生绘图答题的学生系统 下面将分别介绍这 两个功能模块 2 1 2 1 远程作业工具系统简介 工具系统 是教师系统独立出来的一个子模块 利用工具系统 任课 教师对已有的题目进行增 删或改等编辑操作 这也是远程作业系统全丌放 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 式设计架构的一个重要体现 工具系统根据需要可以单独发布 泼系统允许 对文字 图形和公式进行一体化的编辑 用户不再需要依靠其它任何工具软 件即可完成完整的作业题目的设计和制作工作 工具系统不但根据不同的题 型制作题目 还需要设置此题的参考标准答案 后续的文字与图形识别就是 通过工具系统设置的参考标准答案匹配以别的 工具系统1 2 着重对作业题目的设计 所有功能几乎也是围绕文字 公式 图形等设计 具功能侧重与图文混排 丈字公式一体化 公式与图形结合 所有数据格式加以处理 通过远程通讯模块 存储到s q ls e r v e r 数据库中 以后的不管是公式识别还是图形j h 别都是依据读取工具系统设置的参考标准 答案 在于学生的答题给予识别 所以工具系统的对题目的编排 参考标准 答案设置直接影响后续识别的效果 工具系统的界面如下图2 2 所示 图中已经标定了图形绘制工具条 图 形线条属件工具条 题目设计窗口以及答案设胃窗口 图2 2 工具系统窗口界面 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 教师通过图形绘制工具以及图形线条属性设詈工具分别在题目设计窗口 和答案设置窗口绘制作业图形 其中在题目设计窗口的图形属于题目主题带 有的图形 答案设置窗口的图形属于答案图形 图形识别的主要参考标准答 案图数据就是答案窗口绘制的图形 2 1 2 2 远程作业学生系统简介 学生系统 中学生可以选课 完成作 j t 另外还可以利用本系统的核一c 智能识别程序实现作业的自动批阅 并且根据学生的错误给予错误评价 即 病例 最后给予评分 本论文主要讲述与作业图形识别相关的 答题模 块 以及 评讲与总结 模块 答题模块 是学生解答作业题目标模块 在 答题模块 中学生可在 学生答题窗口 基本无约束地输入题目的解答过程 包括文字 图形和公 式等内容 若作业没有全部完成则可在退出 答题模块 时不要求系统批改 作业 即一次作业可以分成几次做完 做完后山系统一次性批改 相反 一 次作业也可让系统分做多次批改 翟xb d匝 图2 3 学生系统答题窗口 若学生在退出 答题模块 时 点击 退出批改按钮 要求系统对作业 进行批改 则系统的 批阅模块 即对已完成的作业部分进行详细的批改 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 根据作业题量的多少和解答复杂程度的不同 批改时间在数秒或几分钟之间 批改的内容包括不仅公式文字部分 而且包括作业图形部分 答题窗口如上图2 3 所示 评讲与总结 模块 2 9 1 供学生了解己经完成或部分完成且已由系统批改 完毕的作业情况 包括每个题目的解答情况和相应的t f 确解答 这个模块主 要讲述学尘作业批改完毕之后的错误情况 也就是学生作业图形的 i 别的结 果统计 与图形作业识别关系不大 不是本论文叙述的重点 2 2 远程作业系统的图形数据存储 2 2 1 引言 智能型远程作业系统已经是一个独立运行的系统 系统除了运行于 w i n d o w s 操作系统以及存放数掘于s q ls e r v e r 数据库以外 不在需要其它任 何软件提供支持 远程作业系统也是一个丌放式的应用系统 工具系统专门 为作业题型定身制作的文本输入 公式编辑器以及图形绘图工具 为题目的 编辑提供了方便 为了保证编辑作业的修改以及对学生布置作业 就必须存 储作业数掘 学生系统与工具系统类似 在上一节已经将二者给予详细叙述 学生在 答题窗口完成作业 包括文字 公式 作业以及作业图形 作业答题数据也将 存储在数据库中 总之 参考标准答案图以及学生作业图数掘均储存在s