Thạc Sĩ Xây dựng hệ thống chấm điểm trắc nghiệm sử dụng Camera

LUẬN VẮN THẠC SỸ
NĂM 2013

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
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
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


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 :
ã Có thể tiến hành kiểm tra đánh giá trên diện rộng trong một khoảng thời gian ngắn.
ã Chấm bài nhanh, chính xác và khách quan.
ã 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.
ã 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 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
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:
ã Giá thành cao, thường chỉ được sử dụng ở những tổ chức giáo dục lớn
ã Giấy làm bài thi trắc nghiệm phải là giấy trắng tiêu chuẩn.
ã 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 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 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:
ã Tốc độ lấy mẫu thông qua máy tời giấy nhanh, tính tự động cao, giá thành rẻ.
ã 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.
Do hạn chế về mặt thời gian nên đề tài này tập trung giải quyết các vấn đề sau:
ã Thực hiện giao tiếp giữa máy tính và camera, hiển thị hình ảnh ghi được từ camera lên máy tính
ã Nghiên cứu, đề xuất hệ thống, thuật toán nhận dạng vùng ảnhvà xử lý thông tin của phiếu thi
ã 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:
ã Module quản lý kỳ thi nhỏ, gọn, trực quan.
ã Hiển thị hình ảnh từ camera và chấm điểm.
ã Chấm điểm với nhiều file ảnh phiếu thi chụp từ trước.
ã 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.