北京石油附中 殷逐云

二維條碼的新用途

北京石油附中 殷逐云

信息需要輸入計(jì)算機(jī)才能進(jìn)行后續(xù)處理?，F(xiàn)在，手寫筆跡只有通過照相機(jī)、掃描儀來輸入。但裝訂好的筆記本、試卷很難拍照掃描，文字識(shí)別率也很低。將二維條碼印刷在紙上，在筆式攝像機(jī)上安裝筆芯。手持?jǐn)z像機(jī)書寫，書寫過程中攝像機(jī)將二維條碼拍照下來，并通過USB/藍(lán)牙/WIFI傳入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)識(shí)別二維條碼就可以得到攝像機(jī)的位置，從而得到筆跡的電子坐標(biāo)。

二維條碼；筆式攝像機(jī)；手寫筆跡

教育大數(shù)據(jù)正在迅猛發(fā)展，這是因?yàn)榻逃鎸?duì)的是一個(gè)個(gè)學(xué)生，因此，教學(xué)必須做到以人為本，多方面、多維度來跟蹤和研究每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，從而找到各自的問題，并予以針對(duì)性的解決。

現(xiàn)在城市里的學(xué)校，每個(gè)教室都有計(jì)算機(jī)、投影儀，基本上每位老師、學(xué)生都有計(jì)算機(jī)，查詢資料、講課都沒有問題，但是每天都會(huì)大量書寫，比如試卷、筆記，這些信息是大數(shù)據(jù)的最重要部分，卻很難方便地輸入計(jì)算機(jī)。目前是通過照相機(jī)、掃描儀來輸入。這導(dǎo)致3個(gè)問題，1是很多卷子是裝訂好的，掃描困難繁瑣，而且中間變形厲害，圖像變形甚至缺失。2是試卷、筆記都是有順序的，掃描拍照后是獨(dú)立的jpg圖片，必須將圖片和實(shí)物一一對(duì)應(yīng)，很繁瑣。3是計(jì)算機(jī)收到的是圖片，筆劃丟失潦草、皺褶、臟點(diǎn)會(huì)使得OCR識(shí)別率很低，而很多情況下文本是需要的。依靠人工當(dāng)然可以處理這3個(gè)問題，但由于試卷、筆記太多，老師、學(xué)生又有很多其它事情，很難做到。最終就是學(xué)生手上有大堆試卷和筆記本，每次查找都很費(fèi)事，丟失也十分常見，老師對(duì)每個(gè)學(xué)生的信息掌握不全，大數(shù)據(jù)分析也就十分困難。

上述問題的核心在于手寫筆跡如何電子化，這可以利用二維條碼和筆式攝像機(jī)來解決。

二維條碼是按照一定的數(shù)學(xué)公式將各種元素，如點(diǎn)、短線、長(zhǎng)線、折角等形狀組合后產(chǎn)生的圖像，在橫向和縱向同時(shí)表達(dá)信息，能在很小的面積內(nèi)表達(dá)大量的信息，已在各行各業(yè)廣泛使用，如微信、支付寶等等。

二維條碼必須通過攝像機(jī)拍攝后才能解析其信息。目前的筆式攝像機(jī)很多，價(jià)格也很低，稍加改造就可以用于手寫筆跡的采集：將筆芯嵌入攝像機(jī)，以便書寫時(shí)留下油墨筆跡；改變形狀，以方便握持；筆芯尾部增加壓力傳感器，書寫時(shí)產(chǎn)生的壓力可以啟動(dòng)攝像機(jī)。

首先將一個(gè)個(gè)不同的二維條碼印滿整個(gè)紙面，保證攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)到任何地方都至少可以拍到一個(gè)條碼。

由于紙面上還有原有信息，不能被二維條碼遮擋。一種解決方法是選擇占用面積十分微小的二維條碼，布置在紙面的空白處，優(yōu)點(diǎn)是使用常規(guī)油墨，缺點(diǎn)是如果空白處太小，二維條碼還是會(huì)放不下，所以要預(yù)先分析紙面內(nèi)容的分布。由于攝像機(jī)拍攝面積很大，并且紙面內(nèi)容通常不會(huì)太密，所以二維條碼通常還是可以放下的。

另外一種方法是利用紅外隱形油墨來印刷條碼。人眼只能看到360-720nm波段的光線，這種油墨在可見光范圍內(nèi)是無色的，肉眼不可見，但在紅外波段如850nm則是黑色的。普通油墨在可見光范圍內(nèi)是有色的，在紅外波段是看不見的。目前的攝像機(jī)都可以拍到紅外光，紅外隱形油墨價(jià)格也很低，這樣就完美解決了條碼和紙面內(nèi)容的沖突。

攝像機(jī)拍到圖像后，可以先存儲(chǔ)在筆內(nèi)，或者實(shí)時(shí)通過USB/藍(lán)牙/WIFI發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，這些技術(shù)已十分成熟。

計(jì)算機(jī)收到圖像后，根據(jù)條碼產(chǎn)生公式，對(duì)圖像進(jìn)行逆運(yùn)算，解析出條碼信息。攝像機(jī)連續(xù)攝像，每張圖片都會(huì)解析出一個(gè)條碼，由于每個(gè)條碼的印刷位置是已知的，將各個(gè)位置連起來，就恢復(fù)了筆跡。二維條碼信息量很大，除了包括位置，也包括了頁(yè)碼，計(jì)算機(jī)可以根據(jù)頁(yè)碼，將本頁(yè)的原有內(nèi)容以圖片方式顯示出來，然后再將筆跡顯示在其上面，這樣用戶在計(jì)算機(jī)上既看到了紙面原有內(nèi)容，也看到了筆跡，和實(shí)際紙面完全一致。

由于紙面上本來就要印刷內(nèi)容，多印刷些條碼也不增加成本。

這種解決方案優(yōu)點(diǎn)很多。首先是價(jià)格很低。其次是無需培訓(xùn)：使用者書寫時(shí)，筆尖接觸紙面就會(huì)自動(dòng)開啟攝像機(jī)，沒有任何額外的操作。再次，攝像機(jī)只要拍攝到一個(gè)條碼，計(jì)算機(jī)就可以計(jì)算出筆尖位置，所以即使紙張上有皺褶、臟點(diǎn)，對(duì)計(jì)算的影響也很小。最后一點(diǎn)是本頁(yè)的原有內(nèi)容圖片是用word/ PDF等生成的，和實(shí)際紙面情況無關(guān)，所以非常清晰干凈，紙張上的皺褶、臟點(diǎn)都不會(huì)顯示出來。

計(jì)算機(jī)還可以對(duì)筆跡進(jìn)行ICR（智能筆跡識(shí)別）識(shí)別，得到文本文件。攝像機(jī)內(nèi)部是有時(shí)鐘的，所以每個(gè)圖片都有時(shí)間，計(jì)算機(jī)也就知道了每個(gè)筆劃的書寫時(shí)刻。常見的OCR識(shí)別（光學(xué)字符識(shí)別），比如對(duì)書本、車牌拍照掃描后的圖像的識(shí)別，由于文字是標(biāo)準(zhǔn)體，所以識(shí)別率很高，接近100%，但對(duì)手寫筆跡就不行了，因?yàn)槭謱懝P跡通常很亂，連筆、丟筆劃的情況也很多。ICR則將字符的筆劃順序也考慮進(jìn)去，大大提高了識(shí)別準(zhǔn)確率。

這個(gè)產(chǎn)品一旦上市，在學(xué)習(xí)中會(huì)有很多用途。

首先是筆記本，學(xué)生可以將所有筆記都存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)，還可以進(jìn)行ICR識(shí)別。由于變?yōu)榱擞?jì)算機(jī)文件，大家可以方便的交流。老師、家長(zhǎng)也可以隨時(shí)了解學(xué)生的情況。

其次通過藍(lán)牙/WIFI，可以隨時(shí)將筆跡數(shù)據(jù)傳到教室的計(jì)算機(jī)，學(xué)生不用起身，在座位上就可以回答問題，其筆跡可以通過投影儀顯示出來。由于藍(lán)牙和WIFI都支持多個(gè)終端，所以可以多個(gè)學(xué)生同時(shí)回答，大大節(jié)省了課堂時(shí)間。

試卷也被收集進(jìn)入計(jì)算機(jī)，老師、家長(zhǎng)可以對(duì)學(xué)生的多個(gè)試卷進(jìn)行分析。

由于知道筆跡的時(shí)間，老師可以輕松地知道每個(gè)學(xué)生在各個(gè)題目所花的時(shí)間，從而知道學(xué)生的難點(diǎn)，進(jìn)行針對(duì)性的指導(dǎo)，還可以對(duì)試卷進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。在外國(guó)人、小學(xué)生學(xué)習(xí)寫字時(shí)，可以方便地知道其筆劃順序是否正確，避免倒插筆。

老師在課堂上用word/PPT講解，經(jīng)常會(huì)加入新的內(nèi)容。黑板上書寫的內(nèi)容擦掉就全沒了?？梢詫ord/PPT和條碼一起打印出來，課堂上用本產(chǎn)品在紙面上書寫，所寫內(nèi)容通過藍(lán)牙/WIFI傳入計(jì)算機(jī)，和原有word/PPT文件合在一起，并實(shí)時(shí)投影。

總之，由于手寫筆跡可以方便地電子化，且每個(gè)筆劃的時(shí)間都準(zhǔn)確地獲得，就解決了很多問題。

如果攝像機(jī)再加上錄音功能，還可以在書寫時(shí)同步錄音。由于筆劃含有時(shí)間，錄音文件也含有時(shí)間，使用者在計(jì)算機(jī)上選中某個(gè)筆劃，就可以方便的找到其對(duì)應(yīng)的錄音。

附圖1