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1、基于图像识别和在线测评技术的教育考评系统的设计教育考评管理与信息采集技术整合的研究广州市第一中学 信息技术科 摘 要：测评是现代教育管理活动中非常重要的环节，是教学和管理过程中实施阶段性考核活动的主要手段。公正而有效的考核测评与被测评人的切身利益的相关，也促使管理者改良管理方法，提高工作效率，形成行业推动力，为教育及管理部门促进改革创新奠定良好基础。目前我国倡导中小学阶段加强实施素质教育，如何灵活全面地实施测评已经成为教育管理工作中亟待解决的问题。因此，信息化考核测评系统的应用越来越受到重视，并具有广阔的发展空间。 本文以所处全国示范性普通高中测评系统工程建设为背景，在对国内外考核测评系统研究
2、对比的基础上，采用B/S架构和C/S架构相结合的方式建设有纸和无纸化测评综合系统，以解决教育部门和管理机构中在考试和投票活动中如何实施有效测评的问题。系统在传统光标阅卷系统基础上，根据教育测量学规范，结合使用方实际需求，利用图像组件的识别定位技术，集成.NET2.0平台下的Enterprise Library 5.0企业级组件包，设计开发了基于图像识别技术的测评系统。系统结合市场上流通的大部分扫描硬件设备特点，依托校园局域网络，建设考评卡扫描识别统计系统和在线测评系统，实现考评卡信息采集分析技术和网上测评信息采集技术相结合的测评综合管理系统。通过数据归并，实现测评数据合并统计，提高测评项目实施
3、灵活性和时效性。本系统对传统光学标记识别阅读机（OMR）存在的缺点进行改良，增强测评卡设计灵活性，充分发挥了图像处理技术的优势，大大降低了使用成本，为普通中小学实现廉价考试测评提供了应用基础。本系统不仅促进教育发展而且可以在绩效管理、民主测评等管理活动中广泛应用，具有巨大的市场收益和深远的影响力。 关键词：测评 图像识别 C/S架构 B/S架构 光学标记识别1引言随着国家经济的发展和社会的进步，标准化考试已经在大、中、小学日常教学评测活动中十分普及，OMR答题卡识别技术是我国高、中考等大型考试辅助评卷中的主流技术，此类考评活动一般由省市教育部门统一组织，成本较高。然而随着国民对素质教育要求的提
4、高，教学质量成为学校教学的生命线，广大教育部门工作者清楚认识到，不同规模的考试、测试活动在中小学阶段实施的频率更高、形式更为复杂和多样化。大部分学校和教育机构需要一种既高效准确又能适应不同形式考核的简单易用的答题卡测评系统，因此基于图像识别技术的测评系统的推广和应用极为重要。传统的答题卡判卷采用流行多年的光电识别方法，这种方法在一定程度上解决了判卷识别准确率的问题，但也由于其设备昂贵、兼容性较差、纸张成本高，印刷不方便，制版灵活性不足，铅污染、纠错流程复杂、判卷透明性差、图像不能保存待查、操作专业性强等问题制约了该类系统的发展，高成本的传统的光电识别技术难以适应政府、教育、企事业单位中各种基于
5、信息卡数据采集技术应用的系统实施。因此，有必要基于图像扫描处理和图像识别技术开发一套使用成本低廉、准确可靠、使用简单方便的图像识别评卷系统，以适应频繁使用信息卡采集信息的行业的应用需求。本课题提出的图像识别测评系统针对答题卡光电识别模式的高成本、答题卡模板制作复杂的缺点，采用表单自动识别定位技术，在企业级三层架构设计思想指导下，结合C/S结构和B/S结构的技术优势进行开发。利用答题卡模糊定位技术解决了图像纠偏后识别区域分割不准确的问题。利用web分层式设计构建包括题库管理在内的在线测评系统，通过数据库网络传输协议实现测评项目数据整合，以满足学校及教育部门内部对纸质信息卡信息采集和计算机信息采集
6、活动的需求。系统可在保持原来传统技术优势的基础上改善以往应用灵活性不足的缺陷，能结合最广泛的中小学教育测评需求为广大测评管理机构带来更高的使用效率和人性化的操作体验。本课题来源于广东省国家级示范高中影像化阅卷及在线测评综合管理系统项目。该项目是以提高教学测评质量和效率，推进教学绩效管理信息化进程为目的，建设实用性强，可操作性好的高效综合测评管理系统。该系统的投入使用能增强教学考核测评的可信度，提高教师及教务人员工作效率及积极性，强化学校对教职员工工作绩效管理，为教学考评制度的确立提供可靠准确的依据。2系统需求分析基于图像识别技术的测评系统建设的基本目标是：1）建立扫描识别子系统，采用主流高速扫
7、描仪进行图像采集，利用图像识别处理技术，包括图像的扫描、黑白二值转换、图像纠偏、图像去噪以及图像填涂对比度分析等关键技术的实现。结合国外表单信息智能识别技术，专门针对教育系统标准化试卷智能阅卷的需求开发而成。本系统的设计目标是支持各类信息卡规格，具备图像模糊定位能力（无需特别的特征点、线进行辅助定位符）、高精确度填涂识别率（98%）、误码率（1%）、高效率扫描识别速度（1张/秒）的系统性能以及专门为教育应用而设计的统计分析报表和人性化操作流程等系统功能。2）建立基于Web的网络测评子系统，实现测评考核题库管理，能根据考核组织方需求，实现不同类型、不同答题约束设置的组卷管理，支持对测评人和被测评
8、人动态分组管理，支持大并发量的在线测评活动，具备参考性较强的数据报表和图形分析能力。3）实现对扫描子系统数据输出和网络测评子系统数据输入的融合，基于纸质信息卡和基于web浏览器的信息采集在测评系统中的综合应用，实现有纸考评和无纸考评的统一。系统软件要求系统操作简便、灵活、清晰，用菜单和向导结合的方式引导使用者完成定义测评卡模板、扫描识别测评卡过程。扫描客户端具有试卷图像存档功能，能支持图片直接识别和网络存储功能。具有系统数据库容量检测和识别参数调节功能，适应不同程度图片扫描质量变化。具有大容量分科成绩统计功能，导出过程自动化，无需人工干预的能力。具有在线组卷功能，能自由设置测评题目答题约束关系
9、。具有在线测评项目进度控制和消息通知功能和历史项目统计数据备份功能。系统硬件配置遵循经济性和兼容性较好的原则，选用附带TIF图像黑背二值输出的高速扫描仪，配合普通双核CPU处理能力的兼容机作为扫描客户端硬件平台。软件系统遵循持久高效与运行效率相结合原则，采用面向对象分析和设计的思想实施开发。3系统架构设计图像识别的测评系统使用单位是大、中城市的中小学以及教育机构。系统建设的目标是设计可运行于硬件配置要求不高，兼容性强的计算机，拥有人性化流程设计和扫描识别效率高的图像识别评卷系统。系统设计基于C/S模式和B/S模式混合设计，扫描识别子系统部署在局域网内PC机，使用单机数据库进行图像和识别信息的采
10、集，考评系统部署在网络内Web应用服务器上，大容量测评数据存储在数据库服务器，单机数据库的数据通过数据库传输协议与大容量数据库进行交换。基于系统使用环境、系统成本以及使用者水平的综合考虑，可在.NET 2.0平台下使用C#语言编写扫描识别子系统，配合SQL Server 2005 Express数据库作为单机数存储和处理容器，引入图像识别中间件，完成从信息卡定义、信息卡扫描存储、信息卡识别及处理、统计报表输出的信息处理过程。使用ASP.NET技术实现在线测评系统的开发，配合SQL Server 2005企业版数据库管理系统建立大容量的后台数据库，实现数据分析处理和分布式数据库的数据交换。系统为
11、分层结构设计，测评系统接入层实现对测评项目数据的收集和统计数据的输出，扫描识别系统承担考试或者测评数据的采集。各子系统商业逻辑层由对应的系统逻辑封装包和商业组件构成，由接入层调用并执行相应的数据处理。图像扫描识别系统运行于C/S模式下，数据存储层由桌面数据库构成。测评子系统运行与B/S模式下，数据存储层由企业级数据库构成。数据存储层与系统逻辑层以ADO.NET数据存取组件为桥梁，实现数据交换。系统软件架构如图3.1所示：图3.1 系统软件架构图像扫描识别评卷子系统包括模板管理子系统和扫描识别管理子系统。模板管理子系统管理信息卡识别使用的图像模板，具备模板创建、修改、存储和导入导出模板的功能。扫
12、描识别管理子系统承担系统评卷功能，包括评卷项目管理、评卷过程管理、异常试卷管理、异常答案信息管理、系统统计管理及系统环境管理等功能。该子系统针对客观题答卷辅助评卷应用和考核测评应用设计，系统以简约而人性化流程设计为原则。注重系统流程执行过程的连贯性，最大限度削减用户操作系统的步骤。因此，图像识别评卷系统业务流程主要以评卷项目操作、评卷输入、数据统计报表输出三阶段实施。用户可根据评卷需要，随时修改评卷过程中出现的考号异常试卷和答案信息异常的试卷。在线测评子系统以系统设置可重用性为设计重点，包含题库管理、测评项目管理、测评试卷管理、评估设置、数据管理、系统统计等功能。对试题、考评卷、评分组、被评组
13、、评价规则、统计组等进行动态管理。测评项目管辖在线评估子项目，用户可设置评估子项目对应的投票组和被评组，并可根据需要对各项评估数据进行合并统计，统计数据采集可根据项目属性设置通过评分人网上评分进行，也可通过扫描识别子系统从数据采集库汇入。系统基于web三层架构设计，接入层使用WebForm页面，引入.Net组件，并运用Ajax技术呈现系统输入输出减轻系统传输流量负荷，使用web master与自定义组件技术统一UI呈现样式。业务层引入Enterprise Library5.0企业级组件并封装系统逻辑，处理接入层传递数据请求，并按照规则处理传入数据，并将请求传递到数据库服务层。数据服务层商业逻辑
14、统一由存储过程、函数封装到数据库管理系统中，由系统业务层调用并提供数据服务。在线测评子系统以系统对图像扫描识别评卷子系统本地存储的数据进行汇入，整合到企业数据库服务器中，实现统计数据整合，达到系统数据一致。4系统实现4.1 系统物理结构实现系统物理设备部署在以太网局域网内部，web服务器和数据库服务器均选用Dell Power Edge R710并配置Raid 5磁盘阵列，通过千兆主干和核心交换机相连。信息卡扫描终端选用联想启天M6900台式机，使用USB接口方式配接Canon DR-7580高速扫描仪。信息卡扫描终、客户终端和网络打印机通过百兆主干和二层交换机组相连，并上联核心交换机DCRS
15、-7600E。Web服务器部署在线测评子系统，数据库服务器部署Microsoft SQL Server 2005 Enterprise Edition数据库管理系统，提供数据存储服务。扫描终端部署图像扫描识别评卷子系统，并安装Microsoft SQL Server 2005 Express Edition数据库管理系统，提供数据采集和统计服务。终端用户使用安装Windows 系列操作系统的终端设备进行系统操作。系统网络拓扑图如图4.1所示：系统网络拓扑图 4.14.2 软件系统实现（1）图像扫描识别评卷子系统实现 1）系统用例分析图像扫描识别评卷子系统采用C/S软件架构设计，实现考评卡实现模
16、板制作管理、考评卡项目管理、考评卡扫描识别管理和统计数据输出等功能。系统用例图如图4.2所示：图像扫描识别评卷子系统用例图 4.22）系统用户维护考评卡模板活动图系统用户操作扫描考评卡项目前必须维护相应的考评卡模板，如果考评卡模板不存在则先创建相应的信息卡模板，否则可根据需要修改考评卡模板信息设置，包括信息卡图像及属性、信息卡识别区域定位，识别区域属性及客观题类型和数量等信息，并将信息卡模板更新到系统数据库中。系统用户维护考评卡模板活动图如图4.3所示：系统用户维护考评卡模板活动图4.3系统用户可根据需要选择扫描考评卡或打开考评卡图像进行识别，并将识别结果和考评卡图像存入到数据库，最后由系统统
17、计数据并导出数据报表。考评卡扫描识别活动图如图4.4所示：图4.4 考评卡扫描识别活动图3）系统用户创建考评卡模板顺序图系统用户创建考评卡模板需要从扫描仪导入试卷图像或者导入多页格式的TIF考评卡图像，通过鼠标在图像上描绘识别区域，设置区域中的识别项数量和类型，并设定模板关键子区域以区分每份不同的考评卡。创建过程需要类FormTemplate 、FormTemplateOption 、FormTemplateProperty、CTemplateConfig、CScanConfig、CScan、CTemplatePage FormPageProperty、 T_OMRArea、CSubArea、
18、FormAreaProperty、CTemplates、CTemplateFields对象的协同工作共同完成。以系统模板维护部分为例选取有代表性类说明类设计过程：CTemplates类设计CTemplates类处理考评卡模板相关的方法逻辑，其主要函数有增加考评卡模板，删除考评卡模板，获得考评卡模板信息等。保存考评卡模板函数如表4.1所示：表4.1 SaveTemplate方法SaveTemplate：增加考评卡模板说明 创建考评卡模板，将模板相关属性值存入数据库返回值无参数数据类型描述sqlcmdSqlCommandSqlCommand 类实例widthint考评卡宽度(px)heightin
19、t考评卡高度(px)删除一个考评卡模板函数如表4.2所示：表4.2 DeleteTemplateByTempId方法DeleteTemplateByTempId：删除一个考评卡模板说明 根据考评卡模板ID从数据库删除考评卡模板及相关属性信息返回值无参数数据类型描述TemplateIdInt考评卡模板ID加载一个考评卡模板信息函数如表4.3所示：表4.3 LoadTemplateByTemplateId方法LoadTemplateByTemplateId：加载一个考评卡模板信息说明 根据考评卡模板ID从数据库加载一个考评卡模板及相关属性信息返回值无参数数据类型描述in_templateidInt
20、考评卡模板ID更新考评卡模板信息函数如表4.4所示：表4.4 UpdateTemplate方法UpdateTemplate：更新一个考评卡模板信息说明 更新考评卡模板信息到数据库返回值 无参数数据类型描述sqlcmdSqlCommandSqlCommand类型templateidint考评卡模板IDwidthint考评卡宽度(px)heightint考评卡高度(px)5）数据库逻辑设计及实现 通过对数据库需求的分析，使用E-R图对数据库进行逻辑设计。限于篇幅，以考评卡模板管理部分数据库设计为代表，列出考评卡模板信息维护模块相关的数据库表整体设计，其中具有代表性的数据库表逻辑设计如图考评卡模板管
21、理数据模型图 4.5所示：考评卡模板管理数据模型图 4.5上述数据库表逻辑设计对应的物理设计如表4.5所示表名称：Templates描述：存储考评卡模板数据信息表表4.5 考评卡模板数据信息表PKNameTypeNot NullUniqueLenTrueTemplateIdintTrueTrueFalseTemplateNamevarcharFalseFalse50FalsexkbmvarcharFalseFalse50FalseTemplateImageimageFalseFalseFalsePageCountintFalseFalseFalsePageValuevarcharFalseFa
22、lse200FalseSMarkintFalseFalseFalseSunmarkintFalseFalseFalseSMinintFalseFalseFalseMmarkintFalseFalseFalseMunmarkintFalseFalseFalseTMarkintFalseFalseFalseTUnmarkintFalseFalseFalseTMinintFalseFalseFalseIsMedianintFalseFalseFalseIsCropintFalseFalseFalseWidthintFalseFalseFalseHeightintFalseFalse表名称：Templ
23、atePage 描述：存储考评卡模板图像页信息表表4.6 考评卡模板图像页信息表PKNameTypeNot NullUniqueLenFalseIdintTrueTrueFalseTemplateIdintFalseFalseFalsePageNamevarcharFalseFalse50FalseImageimageFalseFalseFalseFileNamevarcharFalseFalse200FalsePageSerialNointFalseFalseFalseImageNameTypevarcharFalseFalse50FalseAngleTypevarcharFalseFals
24、e50表名称：TemplateFields描述：存储考评卡模板识别项信息表表4.7 考评卡模板识别项信息表PKNameTypeNot NullUniqueLenFalseIdintTrueTrueFalseTemplateIdintFalseFalseFalseFieldIdintFalseFalseFalseFieldNamevarcharFalseFalse50FalseLeftintFalseFalseFalseTopintFalseFalseFalseWidthintFalseFalseFalseHeightintFalseFalseFalsePageintFalseFalseFals
25、eTypeintFalseFalseFalseAreaIdvarcharFalseFalse50数据统计模块中分数计算部分存储过程实现如下存储过程名称：cjtj_setpoint功能描述：按照考评卡项目评分设置对考评卡识别信息计算得分代码实现：USE EPMSGO/* 对象: StoredProcedure dbo.cjtj_setpoint 脚本日期: 08/10/2011 07:52:06 */SET ANSI_NULLS ONGOSET QUOTED_IDENTIFIER ONGOALTER procedure dbo.cjtj_setpointprojectid varchar(50)
26、ASdeclarefieldname varchar(50),key varchar(50),point float,totalpoint float,type intdeclareexamineeno varchar(200),fieldresult varchar(50)declarecount int,i int,tem_multi_result varchar(50),j intdeclare rightkey as table(sid int identity(1,1), fieldname varchar(200), type int , point float, totalpoi
27、nt float, key varchar(50)BEGIN -将该项目的rightkey放入临时表#rightkey中insert into rightkey (fieldname,type,point,totalpoint,key) select fieldname,type,point,totalpoint,key from rightkey where projectid=projectid -循环比对并得出分数update examresult set point=0 where projectid=projectidselect count=count(1) from rightk
28、eyprint countset i=1while i0 and fieldresult is not null if(type=6)beginupdate examresult set point = point where projectid=projectid and fieldname=fieldname and fieldresultkey and len(fieldresult)0 and charindex(fieldresult,key,1)0 and fieldresult and fieldresult is not null and len(fieldresult)len
29、(key)update examresult set point = point where projectid=projectid and fieldname=fieldname and fieldresultkey and len(fieldresult)0 and (key like replace(fieldresult,%) and fieldresult and fieldresult is not null and len(fieldresult)len(key)endset i=i+1endEND6）系统代码实现考评卡扫描识别系统通过读取扫描仪传输生成的黑白二值TIF图像二进制
30、流，并转换生成本地图像文档，由识别引擎读取项目对应的考评卡模板信息（包括识别区域信息、识别项信息和考评卡图像页信息），与待识别图像进行定位和对比，并识别引擎分析识别的结果写入数据库，完成后再处理下一张信息卡图像。如图考评卡系统答案识别活动图 4.6所示：考评卡系统答案识别活动图 4.6代码实现：private string GetIdentifyResult(FormImage formimage)picssxicr.hDIB = formimage.ToHdib(false).ToInt32();picssxicr.CreateForm(test form);picssxicr.SetFor
31、mBounds(0, 0, formimage .Width - 1,formimage .Height - 1);picssxicr.AddFormField(pageno);picssxicr.SetFieldBounds(0,0,formimage .Width - 1,formimage .Height - 1);picssxicr.FieldType= PegasusImaging.WinForms.SSXICR4.peFieldType.FIELDTYPE_OMR;picssxicr.FieldOMRMarkType = peOMRMarkType.OMRMARKTYPE_MULT
32、I_MARK ;picssxicr.FieldOMRBubbleShape=PegasusImaging.WinForms.SSXICR4.peOMRBubbleShape.OMRBUBBLESHAPE_RECTANGLE;picssxicr.FieldOMRBubbleReadOrder=PegasusImaging.WinForms.SSXICR4.peOMRReadOrder.OMRREADORDER_HORIZONTAL;picssxicr.FieldOMRColumns = 2;picssxicr.FieldOMRRows = 1;picssxicr.FieldOMRMarkThre
33、shold = 50;picssxicr.FieldRecMinConfidence = 25;picssxicr.SetFieldOMRBubbleValue(1, 1, 2);picssxicr.SetFieldOMRBubbleValue(1, 2, 1);picssxicr.SelectForm(test form);picssxicr.StartFormProcessing();string result = ;int int_result = 0;char split=,;for (int index = 1; index = picssxicr.GetFormNumFields(
34、); index+)picssxicr.SelectFormFieldIndex(index);if (picssxicr.FieldResultStr.Trim() !=) if (picssxicr.FieldResultStr.Contains(,) string arrstr = picssxicr.FieldResultStr.Split(split); foreach (string str in arrstr) int_result += (Convert.ToInt32(str); else int_result += Convert.ToInt32(picssxicr.Fie
35、ldResultStr); picssxicr.RemoveForm(test form);return int_result.ToString ();5考评管理的应用实施基于图像识别技术的教育管理系统在中小学及相关单位在教育测评管理领域应用方面有广阔的应用前景。其中学校教师教学测评活动的应用最典型。现代教育教学水平衡量标准中，学生对教师的教学评价比重逐渐提高，学校比较重视学生对教师教学过程的反馈，这些反馈信息对教师调整教学方法，理清教学思路有重要的意义。以下是在我校结合该教育管理系统对教师教学调查实施测评的过程，教师教学问卷的设计如图5.1所示图5.1 教师教学问卷的设计在测评管理系统中设置
36、相应学年的教学调查项目，并设置项目题目范围和类型，即可进入学生答题卡扫描过程。通过对年级的所有学生答题答案信息识别和采集，汇总各班的题目识别答案表，将表导入测评系统统计子系统即可统计教师调查分数。测评卡扫描识别过程如图5.2所示：图5.2 学生考评卡信息采集图学校从系统输出的报表作为教师绩效考核统计的依据，实施教育测评管理。教师教学调查统计报表如图5.3所示：图5.3 教师教学调查统计报表图结合本系统的教学测评项目的实施有效提高教学质量和管理效率。通过本系统的实施，可以对学校的教学资源整合、优化，利用各种教学管理系统进行信息自动自动处理，并且处理传输迅速和适时监控，给学校带来了教学过程公开、教
37、学管理公开和教学反馈公开的作用。促进教学管理的改革，提高教学质量。提高管理的整体水平和管理的效率。利于推动教学管理的规范化、科学化、标准化，更加便于管理部门的管理和监控，实现规范化、有序化和模式化管理，同时有利于教师之间相互促进，相互提高，促进教师提高本身的业务水平。信息化的教学管理将任课教师制定的教学文件公开，使得教师在制定教学文件中认真负责，并且严格按教学文件执行教学内容，通过教学督导部门随时检查其授课情况，对其起到督促作用。系统的实施实现教学管理资源的共享化，为学校的评价决策行为提供可靠的依据、为学校运作的信息集成化准备基础数据。利用现代信息技术，建立学校教学管理信息系统，生成学校的教学
38、数据库，能集中教学信息，有效减少数据的分散度，减少数据输入、保存的重复劳动，避免在传递的过程中出现失误。6结束语国内目前结合图像识别技术实现信息卡信息采集应用还未进入普及阶段，但行业使用者对图像识别技术的了解正逐步加深，高速扫描仪研发技术日新月异，设备生产成本不断下降，在基础教育行业广泛推广基于图像识别技术的考评卡信息系统，取代旧信息卡采集技术是大势所趋，但系统是否能成熟应用于各领域也值得深入研究和探讨。目前，系统物理环境搭建、数据库和软件部署已完成，整体顺利完成联合通调，系统运行良好，并已投入使用。但在实际应用中发现系统仍有不足之处，有待改进。参考文献1姜伟光. 嵌入式计算机智能票箱 J.自
39、动化与仪表，20002 赵荣椿. 数字图像处理导论 M. 西安：西北工业大学出版，1998 3 李建平. 计算机图形学 M. 北京：电子科学技术出版社，19984 王虎 基于图像识别的标记阅读机及选举计票系统研究 D安徽大学，2006 5 孟立凡. 郑宾主编传感器原理及技术M北京：兵器工业出版社，2002：1481566 张婷，吴元君，黄俊，吴建国图像预处理在选举计票系统中的应用J计算机技术与发展，2007，16(3)：87887 覃胜，刘晓明基于图像的OMR技术的实现J计算机应用200310：17198 姜伟光OMR国内l0年研究进展综述J电子计算机外部设备，l995，l9(41：l0149 李俊山,李旭辉. 数字图像处理M.北京:清华大学出版社，2007 10 丁光惠，杨伟，许强兵，李晓霞，高校二级单位网络教学管理系统研究与开发，湖北汽车工业学院学报，2008