Đang tải... (xem toàn văn)
Xây dựng hệ thống chấm điểm trắc nghiệm sử dụng Camera.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN NGUYỄN MINH TOÀN XÂY DỰNG HỆ THỐNG CHẤM ĐIỂM TRẮC NGHIỆM SỬ DỤNG CAMERA Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Tiến Dũng Hà Nội, 5-2013 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Trần Nguyễn Minh Toàn 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 2 MỤC LỤC 3 DANH SÁCH HÌNH VẼ 6 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 8 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 9 MỞ ĐẦU 10 1. Thực tiễn của đề tài 10 2. Những hệ thống chấm thi trắc nghiệm trên giấy hiện nay 11 2.1 Máy OMR 11 2.2 Phần mềm OMR 12 3. Mục tiêu và nội dung thực hiện của đề tài 13 4. Kết quả đạt được 14 Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15 1.1. Những khái niệm cơ bản về ảnh số 15 1.1.1. Pixel 15 1.1.2. Độ xám 15 1.1.3. Nhiễu ảnh 16 1.2. Những kỹ thuật xử lý ảnh cơ bản 17 1.2.1. Lấy mẫu và lượng tử hóa 17 1.2.2. Xứ lý và nâng cao chất lượng ảnh 21 1.2.3. Lấy ngưỡng 23 1.2.4. Những bộ lọc không gian 25 4 1.3. Kỹ thuật xử lý ảnh nhị phân 29 1.3.1. Điền đầy 30 1.3.2. Ăn mòn 30 1.3.3. Phép mở (opening) 30 1.3.4. Phép đóng (closing) 30 1.4. Biên và các kỹ thuật tìm biên 31 1.4.1. Phương pháp phát hiện biên cục bộ Gradient 31 1.4.2. Thuật toán tìm biên Canny: 34 Chương 2 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHẤM THI TRẮC NGHIỆM BẰNG CAMERA 36 2.1. Mô tả hệ thống 36 2.1.1. Yêu cầu đặt ra 36 2.1.2. Sơ đồ khối hệ thống 36 2.1.3. Cơ chế làm việc 37 2.1.4. Phần mềm chấm thi trắc nghiệm 38 2.2. Giới thiệu về thư viện mã nguồn mở OpenCV 39 2.3. Thuật toán nhận dạng và chấm điểm trắc nghiệm bằng camera 40 2.3.1. Nhận dạng phiếu thi 41 2.3.2. Tìm vùng chứa thông tin trên phiếu thi 42 2.3.3. Nhận dạng thông tin 46 Chương 3 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN 49 3.1. Xây dựng phần mềm chấm thi trắc nghiệm 49 3.1.1. Quản lý kỳ thi 49 3.1.2. Chấm điểm từ file 52 5 3.1.3. Chấm điểm từ camera 54 3.2. Kết quả của thuật toán 55 3.2.1. Dữ liệu ảnh đầu vào 55 3.2.2. Kết quả xây dựng thuật toán 57 3.2.3. Kết quả của thuật toán chấm thi trắc nghiệm đã đề xuất 65 3.3. Đánh giá kết quả 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 6 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Các dạng mẫu điểm ảnh 20 Hình 1.2 Quá trình lượng tử hóa 20 Hình 1.3 Khuông lượng tử theo L mức xám 21 Hình 1.4 Lấy mẫu và lượng tử hóa 21 Hình 1.5 Kéo dãn độ tương phản 22 Hình 1.6 Tách nhiễu và phân ngưỡng 23 Hình 1.7 Lấy ngưỡng 23 Hình 1.8 Ảnh trước và sau bộ lọc Median 28 Hình 1.9 Phép điền đầy 30 Hình 1.10 Phép ăn mòn 30 Hình 1.11 Phép mở 30 Hình 1.12 Phép đóng 31 Hình 1.13 Mặt nạ 8 hướng theo 34 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống chấm thi trắc nghiệm 37 Hình 2.2 Tổ chức thư viện OpenCV 39 Hình 2.3 Lưu đồ thuật toán tìm phiếu thi 41 Hình 2.4 Thực hiện phép biến đổi phối cảnh để chuẩn hóa phiếu thi 42 Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán tìm các vùng thông tin trên phiếu thi 43 Hình 2.6 Đặc điểm của các vùng chứa thông tin trên phiếu thi 45 Hình 2.7 Lưu đồ thuật toán nhận dạng thông tin 46 Hình 2.8 Xác định nội dung thông tin vùng số báo danh và mã đề 47 Hình 2.9 Xác định nội dung thông tin vùng trả lời 47 Hình 3.1 Giao diện chính của chương trình 49 Hình 3.2 Giao diện module quản lý kỳ thi 50 Hình 3.3 Các chức năng thêm, sửa, xóa kỳ thi 50 Hình 3.4 Các chức năng thêm, sửa, xóa môn thi 50 Hình 3.5 Chức năng thêm đề thi 51 7 Hình 3.6 Chức năng sửa đề thi - đáp án 51 Hình 3.7 Cấu trúc file kythi.xml 52 Hình 3.8 Giao diện module “Chấm điểm từ file” 52 Hình 3.9 Giao diện hiển thị các bài thi không nhận dạng được 53 Hình 3.10 Cấu trúc file excel 53 Hình 3.11 Ứng dụng IP WebCam 54 Hình 3.12 Cấu trúc file config.xml 54 Hình 3.13 Giao diện module chấm điểm trực tiếp từ camera 55 Hình 3.14 Mẫu không nhận dạng được vùng phiếu thi 58 Hình 3.15 Ảnh gốc và ảnh nhị phân 58 Hình 3.16 Biên và 4 góc của phiếu thi 59 Hình 3.17 Ảnh đầu ra của thuật tìm phiếu thi 59 Hình 3.18 Ảnh phiếu thi sau khi chuyển mức xám và lọc nhiễu 60 Hình 3.19 Ảnh phiếu thi sau khi tăng độ sáng 60 Hình 3.20 Ảnh phiếu thi sau khi thực hiện phép mở 61 Hình 3.21 Các vùng chứa thông tin trên phiếu thi 61 Hình 3.22 Vùng số báo danh và vùng mã đề 62 Hình 3.23 Các vùng trả lời 62 Hình 3.24 Kết quả nhận dạng thông tin vùng số báo danh 63 Hình 3.25 Kết quả nhận dạng thông tin vùng mã đề 63 Hình 3.26 Kết quả nhận dạng thông tin vùng trả lời 64 Hình 3.27 Kết quả chấm thi trên các mẫu đã chuẩn bị 65 8 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Dữ liệu bài thi 57 9 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT OMR Optical Mark Recognition ADF Automatic Document Feeder PTLTN Phiếu trả lời trắc nghiệm CCD Charge Coupled Device CSDL Cơ sở dữ liệu CV Computer vision 10 MỞ ĐẦU 1. Thực tiễn của đề tài Thế kỷ XXI với những thay đổi to lớn mở đầu cho một kỷ nguyên mới- kỷ nguyên của một nền kinh tế tri thức, một xã hội thông tin. Chính vì thế, giáo dục đào tạo được coi là yếu tố quyết định thúc đẩy đất nước đi nhanh vào nền kinh tế tri thức - một xu hướng phát triển mới của thế giới. Hiện nay, nhiều hình thức kiểm tra được áp dụng từ kiểm tra miệng, kiểm tra vấn đáp, kiểm tra viết, kiểm tra trắc nghiệm, bài tập lớn, tiểu luận, luận văn Trong đó hình thức kiểm tra trắc nghiệm khách quan đang được sử dụng rất rộng rãi do những nguyên nhân sau : Có thể tiến hành kiểm tra đánh giá trên diện rộng trong một khoảng thời gian ngắn. Chấm bài nhanh, chính xác và khách quan. Bài kiểm tra có rất nhiều câu hỏi nên có thể kiểm tra được một cách hệ thống và toàn diện kiến thức và kĩ năng của thí sinh, tránh được tình trạng học tủ, dạy tủ. Sự phân phối điểm trải trên một phổ rất rộng nên có thể phân biệt được rõ ràng các trình độ của thí sinh. Tháng 06/2007, Bộ Giáo dục và Đào tạo đã chính thức chuyển một số môn thi của các kỳ thi cấp Quốc gia như thi tốt nghiệp Trung học phổ thông và thi tuyển sinh vào các trường Cao đẳng, Đại học từ hình thức tự luận sang trắc nghiệm. Tuy nhiên, việc áp dụng các phương tiện kỹ thuật hiện đại cũng gây ra nhiều khó khăn, thách thức. Đối với thí sinh, không những phải tô đậm, chính xác điểm cần tô mà còn phải giữ giấy thi phẳng, ngay ngắn và sạch sẽ. Chỉ một vài thay đổi nhỏ như giấy bị nhàu nát cũng có thể gây ra sự không chính xác trong việc đánh giá kết quả. Bên cạnh đó, các hệ thống tự động chấm thi trắc nghiệm chủ yếu được nhập từ nước ngoài với giá thành rất cao, có cấu trúc cồng kềnh nên việc di chuyển kém linh hoạt và gặp nhiều khó khăn. Hơn nữa, các máy chấm tự động chỉ được sử dụng trong các [...]... dục vừa và nhỏ đã không chọn phần mềm OMR kết hợp với máy scan làm công cụ chấm thi trắc nghiệm tự động 3 Mục tiêu và nội dung thực hiện của đề tài Với những hạn chế của các loại máy chấm trắc nghiệm trên, mục tiêu của đề tài Xây dựng hệ thống chấm điểm trắc nghiệm sử dụng camera” là đề xuất xây dựng hệ thống chấm điểm trắc nghiệm khắc phục được những hạn chế nói trên: Tốc độ lấy mẫu thông qua máy... so với hệ thống máy OMR o Bảo hành bảo trì dễ dàng, sử dụng các thiết bị sẵn có trong văn phòng o Phần mềm OMR đơn giản và dễ dàng sử dụng Yêu cầu về chức năng: o Hệ thống có thể chấm thi tự động với khay đựng được nhiều giấy o Hệ thống nhận dạng và chấm được điểm thi trắc nghiệm ở nhiều hình thức khác nhau o Hệ thống phải hoạt động ổn định, chính xác ở tốc độ cao Hệ thống chấm thi trắc nghiệm. .. dùng hình thức chấm bằng tay hoặc dùng bằng bìa đục lỗ; nếu chấm bài với một số lượng lớn thì người chấm sẽ tốn nhiều thời gian, dễ xảy ra nhầm lẫn sai sót Trước thực tiễn đó, tôi đã quyết định chọn đề tài: Xây dựng hệ thống chấm điểm trắc nghiệm sử dụng camera” với yêu cầu đặt ra là cấu trúc phần cứng nhỏ gọn, xử lý nhanh, chi phí thấp mà vẫn có khả năng đạt được hiệu quảnhư mong muốn Hệ thống này phảicó... Với những điểm có giá trị gradient nằm trong khoảng và thêm nếu nó liền kề với một điểm có gradient lớn hơn thì điểm này được xem là biên 35 thì kiểm tra Chương 2 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHẤM THI TRẮC NGHIỆM BẰNG CAMERA 2.1 Mô tả hệ thống 2.1.1 Yêu cầu đặt ra Hệ thống đơn giản, giá cả hợp lý mà vẫn đảm bảo được độ ổn định, tính chính xác và tốc độ cao trong quá trình hoạt động Hệ thống phải... khi chấm thi và lưu trữ thông tin sau khi chấm thi Dựa trên các nội dung đó, luận văn này được chia thành 3 chương với các nội dụng chính như sau: Chương 1: Cơ sở lý thuyết Giới thiệu tổng quan các khái niệm cơ bản về ảnh số, các thuật toán xử lý ảnh số sẽ áp dụng để thực hiện đề tài Chương 2: Phân tích và thiết kế hệ thống chấm thi trắc nghiệm bằng camera Đề xuất và thiết kế hệ thống chấm thi trắc nghiệm. .. muốn Hệ thống này phảicó khả năng ứng dụng cao trong các kỳ thi ở mọi cấp bậc, kỳ thi tuyển sinh đại học, các kỳ thi tiếng Anh quốc tế, giảm thiểu đáng kể những chi phí không cần thiết cho việc chấm thi thủ công hoặc sử dụng những thiết bị được nhập về như hiện nay 2 Những hệ thống chấm thi trắc nghiệm trên giấy hiện nay 2.1 Máy OMR Máy chấm thi trắc nghiệm chuyên dụng, hay còn gọi là Optical Mark Recognition... giấy thi Ưu điểm của loại máy này là tính ổn định, độ chính xác, độ tin cậy cao Tuy nhiên lại có nhiều nhược điểm: Giá thành cao, thường chỉ được sử dụng ở những tổ chức giáo dục lớn Giấy làm bài thi trắc nghiệm phải là giấy trắng tiêu chuẩn Bài thi trắc nghiệm phải làm trên mẫu giấy thống nhất, tuân thủ nghiêm ngặt những quy định khi in ấn 11 Tính ổn định và độ chính xác cao của hệ thống làm cho... gọi là Optical Mark Recognition (OMR) Machine là một loại máy được thiết kế ra để chấm điểm thi trắc nghiệm một cách nhanh và chính xác Máy OMR thường được sử dụng để đánh giá kết quả thi thông qua hình thức trắc nghiệm với số lượng lớn Phương thức mà máy OMR dùng để nhận dạng và xác định nội dung của phiếu thi là sử dụng hàng loạt cảm biến để nhận dạng vùng tô bằng chì của sinh viên (ô tròn được quy... và tốc độ của hệ thống chấm thi sử dụng máy scan ép phẳng sẽ rất thấp Máy scan tời giấy tự động (automatic document feeder – ADF) là dòng máy scan chuyên nghiệp hơn Máy ADF có thêm khay tời giấy tự động có thể đựng đuợc 50 tới 200 tờ giấy và scan lần lượt theo thời gian định sẵn Khi kết hợp ADF với phần mềm OMR sẽ tạo nên một hệ thống chấm thi khá khả quan Tuy nhiên giá thành cho cả hệ thống bao gồm... thiết kế hệ thống chấm thi trắc nghiệm bằng camera Phân tích thuật toán chấm thi trắc nghiệm đã đề xuất Chương 3: Đánh giá kết quả thực hiện 13 Thực nghiệm và đánh giá kết quả đạt được với thuật toán đã đề xuất bằng phần mềm được lập trình theo thiết kế ở chương 2 4 Kết quả đạt được Bằng phương pháp thực nghiệm, phần mềm chấm điểm trắc nghiệm bằng camera đã hoàn thành và đáp ứng các các yêu cầu đặt ra: