Đang tải... (xem toàn văn)
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 :
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 Page 1 of 73 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 kỳ thi lớn. Còn ở các kỳ thi nhỏ hơn như thi học kỳ, các bài kiểm tra 1 tiết ở các cấp bậc khác như phổ thông thì đa số vẫn 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 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 Page 2 of 73 Máy chấm thi trắc nghiệm chuyên dụng, hay còn 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 định tô bằng bút chì 2B trở lên. Thường thì cảm biến này là cảm biến hồng ngoại loại phản chiếu, dựa trên tính chất phản xạ hay hấp thụ ánh sáng của vật thể. Tuỳ theo mức độ phản xạ của vật thể mà chùm tia phản xạ có thể mạnh hay yếu, từ đó xác định được vùng nào là phần thí sinh tô đen, phần nào là phần nền 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 Tính ổn định và độ chính xác cao của hệ thống làm cho máy OMR có được độ tin cậy cao và thường được sử dụng ở những tổ chức giáo dục và đánh giá lớn. Nhưng những tính năng này cũng tạo nên giá thành cao của hệ thống và cản trở việc phổ biến máy OMR trên thị trường. Không những giá thành của Page 3 of 73 chúng rất đắt mà chi phí vận hành phải đi đôi với việc tiêu thụ rất nhiều giấy chuyên dụng. Do đó, những tổ chức giáo dục vừa và nhỏ, những trường học muốn tổ chức những kỳ thi trắc nghiệm riêng của họ để tiến hành đánh giá học sinh, sinh viên định kỳ lại không đủ chi phí mua cũng như duy trì những chiếc máy như thế này. 2.2 Phần mềm OMR Trong khi những chiếc máy OMR làm chủ công nghệ và thị trường phục vụ nhu cầu đánh giá kỳ thi trắc nghiệm thì vẫn tồn tại những nhu cầu về một thiết bị nhỏ gọn hơn mà thỏa mãn được những yêu cầu về độ ổn định và độ chính xác cao. Phần mềm OMR được phát triển nhanh chóng nhằm lấp đầy những nhu cầu trên. Sự ra đời của phần mềm OMR kết hợp với máy scan thực sự đã là một giải pháp thay thế cho việc chấm thi trắc nghiệm tự động. Đây là một giải pháp phần mềm, để thực hiện chấm thi được cần phải kết hợp với một hệ thống máy tính và máy scan. Máy scan là một loại thiết bị văn phòng phổ biến và sẵn có với đa dạng chủng loại cùng giá thành trên thị trường. Có hai loại máy scan cơ bản mà chúng ta cần chú ý khi kết hợp với phần mềm OMR. Máy scan ép phẳng (flatbed scanner) dùng để quét những tài liệu nhỏ lẻ hoặc những mẫu đơn rời. Nhược điểm của loại máy scan này là người sử dụng phải thao tác bằng tay khi họ muốn scan tài liệu. Điều này đồng nghĩa với tính tự động và tốc Page 4 of 73 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 phần mềm OMR, máy tính, và máy scan ADF rất đắt. Chính vì vậy nên rất nhiều trường trung học phổ thông, đại học và các tổ chức giáo 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 tời giấy nhanh, tính tự động cao, giá thành rẻ. • Thuật toán xử lý, nhận dạng nội dung phiếu thi phải nhanh,đảm bảo được độ chính xác, tin cậy cao. Thuật toán này phải nhận dạng được cả các phiếu thi in trên các loại giấy thông dụng, yêu cầu về độ chính xác khi in ấn không cần quá cao. Page 5 of 73 Do hạn chế về mặt thời gian nên đề tài này tập trung giải quyết các vấn đề sau: • Thực hiện giao tiếp giữa máy tính và camera, hiển thị hình ảnh ghi được từ camera lên máy tính • Nghiên cứu, đề xuất hệ thống, thuật toán nhận dạng vùng ảnhvà xử lý thông tin của phiếu thi • Thiết kế, xây dựng dữ liệu quản lý tham số bài thi phục vụ công tác chuẩn bị trước 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 bằng camera. Phân tích thuật toán chấm thi trắc nghiệm đã đề xuất. Chương 3: Đánh giá kết quả thực hiện 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: Page 6 of 73 • Module quản lý kỳ thi nhỏ, gọn, trực quan. • Hiển thị hình ảnh từ camera và chấm điểm. • Chấm điểm với nhiều file ảnh phiếu thi chụp từ trước. • Thực nghiệm cho thấy thuật toán đã đề ra đạt độ chính xác 100% với các mẫu phiếu thi đã chuẩn bị, thời gian chấm thi nhanh. Để có thể thực hiện và hoàn thành đề tài này, tôi xin được chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Tiến Dũng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Mặc dù đã cố gắng và nỗ lực hết mình để hoàn thành luận văn, song chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót và hạn chế. Vì vậy, tôi rất mong sẽ nhận được sự đóng góp ý kiến để đề tài này được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn. Học viên TRẦN NGUYỄN MINH TOÀN Page 7 of 73 Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Những khái niệm cơ bản về ảnh số 1 Pixel Một bức ảnh hay một bức tranh ta nhìn thấy bằng mắt thường là một sự liên tục về không gian cũng như độ sáng. Khi kỹ thuật số được ứng dụng vào lĩnh vực nhiếp ảnh, rất nhiều khái niệm mới đã được ra đời. Kỹ thuật số là một kỹ thuật xử lý rời rạc trên máy tính, kỹ thuật này chỉ áp dụng đối với các bit (các con số), chính về vậy các bức ảnh liên tục về không gian và độ sáng cần phải được “số hóa”. Số hoá ảnh thực chất là sự biến đổi gần đúng một ảnh liên tục thành một tập điểm rời rạc phù hợp với ảnh thật về vị trí (không gian) và độ sáng (mức xám). Khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được thiết lập sao cho mắt người không thể phân biệt được ranh giới giữa chúng. Chính vì vậy, khi chúng ta nhìn một bức tranh là tập hợp của rất nhiều điểm rời rạc, chúng ta sẽ có cảm giác đó là một bức ảnh liên tục. Mỗi một điểm như vậy gọi là một điểm ảnh (Picture Element hay gọi tắt là pixel). Trong khuôn khổ ảnh hai chiều, mỗi pixel ứng với cặp tọa độ (x, y). Điểm ảnh là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ xám hoặc màu nhất định. Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được chọn thích hợp sao cho mắt người cảm nhận Page 8 of 73 sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu) của ảnh số gần như ảnh thật. 1 Độ xám Mỗi một điểm ảnh sẽ được đặc trưng bởi hai tham số chính về không gian và độ xám. Trong khuôn khổ ảnh hai chiều, tham số không gian được xác định bởi tọa độ Descartes (x,y) của điểm ảnh đó. Tham số độ xám được xác định là giá trị cường độ sáng tại điểm đó. Máy tính thường sử dụng đơn vị byte (8bit) để biểu diễn giá trị số. Chính vì vậy, giá trị lớn nhất của độ xám thường được sử dụng rộng rãi nhất là 2 8 = 256 tương đương với việc cường độ sáng của các điểm sẽ nằm trong dải từ 0 đến 255, khi đó, máy tính sẽ dùng 8bit = 1byte để biểu diễn giá trị cường độ sáng. Ngoài ra, còn có các giá trị cường độ sáng lớn nhất khác: 16, 32, 64, 128,… Thông thường, ta sẽ làm quen với 3 loại ảnh sau dựa vào cấu trúc cũng như độ xám điểm ảnh: • Ảnh màu: là ảnh mà màu của các điểm ảnh được tạo nên bởi sự pha trộn 3 màu cơ bản (hệ màu RBG: Red Blue Green) với các tỉ lệ cường độ sáng khác nhau. Với mỗi một màu cơ bản, người ta sẽ sử dụng một byte để biểu diễn cường độ sáng, chính vì vậy cần 3byte (24bit) để biểu diễn một điểm ảnh. Khi đó giá trị màu sẽ nhận giá trị từ 0 cho đến 2 24 (vào khoảng ≈16,7 triệu màu). • Ảnh đen trắng (ảnh xám): là ảnh mà mỗi điểm ảnh chỉ có hai màu đen, trắng (không chứa màu khác) với cường độ Page 9 of 73 sáng (mức xám) ở các điểm ảnh có thể sử dụng nhiều bit để biểu diễn các giá trị khác nhau. • Ảnh nhị phân: là ảnh chỉ có hai màu đen, trắng (không chứa màu khác) với cường độ sáng chỉ có 2 giá trị duy nhất 0 và 255. Người ta dùng duy nhất 2 bit để biểu diễn độ xám, bit “1” tương ứng điểm ảnh đen (0), bit “0” tương ứng điểm ảnh trắng (255). 2 Nhiễu ảnh Trước khi xem xét chi tiết các kỹ thuật xử lý ảnh cơ bản, chúng ta cần phân biệt các loại nhiễu hay can thiệp trong quá trình xử lý ảnh. Trên thực tế tồn tại nhiều loại nhiễu, tuy nhiên người ta thường xem xét 3 loại nhiễu chính: nhiễu cộng, nhiễu nhân và nhiễu xung: 1 Nhiễu cộng Nhiễu cộng thường phân bố khắp ảnh. Nếu gọi ảnh quan sát (ảnh thu được) là X qs , ảnh gốc là X gốc , nhiễu là η, ảnh thu được có thể biểu diễn bởi: X qs = X gốc + η (1.1) 2 Nhiễu nhân Nhiễu nhân cũng thường phân bố khắp ảnh. Nếu gọi ảnh quan sát (ảnh thu được) là X qs , ảnh gốc là X gốc , nhiễu là η, ảnh thu được có thể biểu diễn bởi: X qs = X gốc * η (1.2) 3 Nhiễu xung Khác với nhiễu nhân và nhiễu cộng, nhiễu xung thường chỉ gây đột biến tại một số điểm ảnh. Nhiễu xung là một loại nhiễu khá đặc biệt có thể sinh ra bởi nhiều lý do khác nhau chẳng hạn: Page 10 of 73 [...]... trên phiếu thi Ảnh Hệ thống tời giấy tích hợp cameradạng phiếu thi Nhận Nhận dạng thông tin hoặc CSDL File Hình 2.14 Sơ đồ khối hệ thống chấm thi trắc nghiệm Sơ đồ khối hệ thống chấm thi trắc nghiệm đề xuất nhưhình2.1, trong đó có những khối chức năng cơ bản sau: • Phần cứng Hệ thống tời giấy tích hợp camera, là một hệ thống cơ khí tự động đưa PTLTN từ khay đựng phiếu tới vị trí xác định để camera thu... các thi t 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 đề xuất:gồm 3 thành phần cơ bản: khay tời giấy, camera độ phân. .. 32 of 73 Chương 2 PHÂN TÍCH VÀ THI T KẾ HỆ THỐNG CHẤM THI TRẮC NGHIỆM BẰNG CAMERA 2.1 Mô tả hệ thống Yêu cầu đặt ra 13 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 thỏa mãn những yêu cầu cơ bản sau: • Yêu cầu về giá thành và độ phức tạp: o Có giá thành cũng như chi phí vận hành rẻ hơn so với hệ thống máy OMR o Bảo... module sau: • Quản lý kỳ thi: cho phép tạo, sửa, xóa kỳ thi, môn thi, đề thi và soạn đáp án Các dữ liệu về kỳ thi sau khi tạo xong sẽ được lưu lại để làm cơ sở cho việc chấm điểm • Chấm điểm trực tiếp từ camera: nhằm thực hiện việc mô phỏng khả năng giao tiếp giữa camera và máy tính, thu nhận hình ảnh từ camera và thực hiện chấm điểm • Chấm điểm từ file: các file ảnh sẽ được chụp và lưu lại từ trước Phần... file ảnh này và cho ra kết quả Mục đích của module này là đo thời gian thực hiện của chương trình, đánh giá độ chính xác của thuật toán chấm điểm trắc nghiệm Đề tài này tập trung vào việc xây dựng thuật toán chấm thi trắc nghiệm nên kết quả chấm điểm sẽ được lưu ra file excel chứ không tạo và lưu vào CSDL để đơn giản hóa chương trình, trong khi đó vẫn đảm bảo in ấn, thống kê được 2.2 Giới thi u về thư... phân giải cao và hệ thống máy tính o Ý tưởng thực hiện khay tời giấy là một khay có thể tự động tời giấy theo thời gian được lập trình Tời định kỳ theo khoảng thời gian mà camera có thể chụp o Camera là thi t bị ghi hình nên yêu cầu có độ phân giải cao và tốc độ chụp nhanh Page 33 of 73 o Hệ thống máy tính có thể là máy để bàn hoặc máy tính xách tay có cài hệ điều hành Windows Sơ đồ khối hệ thống 14 Phần... quả bài thi Kết quả có thể lưu vào file hoặc vào cơ sở dữ liệu phục vụ in ấn, thống kê 16 Phần mềm chấm thi trắc nghiệm Page 35 of 73 Nhằm dễ dàng tạo giao diện, tích hợp thư viện xử lý ảnh, phần mềm sẽ được phát triển từ công cụ Visual Studio 2008, ngôn ngữ C++ Chương trình sẽ chạy trong môi trường Windows, sử dụng thư viện NET framework để tạo giao diện và OpenCV để xử lý ảnh Theo yêu cầu và phạm... làm việc của hệ thống được chia thành 3 quá trình • Quá trình thu nhận ảnh: Page 34 of 73 Tập PTLTN được đưa vào khay tời giấy Thông qua hệ thống tời giấy, PTLTN được đưa đến vị trí xác định để camera thu nhận ảnh Khi PTLTN tới vị trí chụp, tín hiệu chỉ thị chụp được gửi tới camera để thu nhận ảnh Kết thúc quá trình thu nhận ảnh, tín hiệu chỉ thị tời được gửi tới hệ thống tời giấy Hệ thống tời giấy... lời sẽ được nhận dạng và tách riêng ra Công việc còn lại là sử dụng thuật toán nhận dạng dấu tích trên từng vùng để đưa ra kết quả • Quá trình so sánh kết quả và lưu dữ liệu chấm thi: Thông tin bài thi từ quá trình 2 sẽ được xem xét, đánh giá Với mỗi mã đề của một môn thi trong một kỳ thi xác định sẽ có một đáp án tương ứng được lưu trong phần mềm Tiến hành so sánh thông tin bài thi với đáp án tương... thu nhận hình ảnh Camera sẽ được kết nối với máy vi tính có cài đặt phần mềm OMR Phần cứng sẽ được điều khiển bởi driver được cài đặt trên máy tính • Phần mềm: Nhận dạng vùng chứa phiếu thi trong ảnh, vùng chứa thông tin trên phiếu thi (mã đề, số báo danh, phần trả lời) và xử lý thông tin để cho ra kết quả Kết quả sẽ được lưu vào file hoặc CSDL để in ấn, thống kê Mẫu phiếu trả lời trắc nghiệm Cơ chế làm . 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. camera Đề xuất và thi t 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 Thực nghiệm và đánh giá kết quả. thi u 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 thi t kế hệ thống chấm thi trắc nghiệm bằng camera Đề xuất và