電子內(nèi)窺鏡試卷點(diǎn)數(shù)儀

文 湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)肖汝寧

假期學(xué)校組織去企業(yè)實(shí)習(xí)，我看到制藥廠(chǎng)流水線(xiàn)機(jī)器人能借助“眼睛”攝像頭自動(dòng)分辨藥丸數(shù)量、剔除次品。聯(lián)想到每次考試完協(xié)助老師手工清點(diǎn)試卷耗時(shí)耗力且時(shí)有遺漏，于是我想，能否用攝像頭設(shè)計(jì)一種自動(dòng)測(cè)量試卷數(shù)量的儀器？

通過(guò)咨詢(xún)專(zhuān)家和上網(wǎng)搜索資料，我發(fā)現(xiàn)利用高清攝像頭對(duì)碼齊的試卷端面成像是一種可行方案。然而，試卷所用紙張厚度只有0.1mm左右，需要高倍放大鏡頭才能清晰成像。同時(shí)，工業(yè)相機(jī)體積較大，很難密集安裝、實(shí)現(xiàn)超高疊層試卷數(shù)量的單次測(cè)量。

在醫(yī)院工作的親戚向我推薦了筆式電子內(nèi)窺鏡，它實(shí)際上是一種自帶鏡頭和光源的一體化顯微成像設(shè)備。以此為基礎(chǔ)，我設(shè)計(jì)的試卷點(diǎn)數(shù)儀如圖所示，設(shè)計(jì)原理與模塊功能如下。

一、機(jī)械裝置

以化學(xué)實(shí)驗(yàn)課所用升降臺(tái)、試管架為原型，設(shè)計(jì)成像平臺(tái)。載物臺(tái)用于承載、固定被測(cè)試卷疊層，中間開(kāi)槽為成像窗。電子內(nèi)窺鏡陣列安裝于試管架上，用螺釘固定。成像窗覆蓋石英玻璃，用于阻擋灰塵、保護(hù)相機(jī)鏡頭。載物臺(tái)與試管架間的距離（即物距）可通過(guò)升降臺(tái)的螺釘調(diào)節(jié)。

二、圖像分析與線(xiàn)檢測(cè)

在高倍電子內(nèi)窺鏡圖像中，試卷疊層端面表現(xiàn)為明暗交錯(cuò)的條紋，每一條紋對(duì)應(yīng)一張?jiān)嚲怼＝柚鷪D像處理算法中的脊度測(cè)量和線(xiàn)檢測(cè)算子，得到各試卷?xiàng)l紋紅線(xiàn)標(biāo)記。理論上，所檢出的條紋數(shù)量就是紙張張數(shù)。

受成像噪聲和紙張折疊等因素影響，實(shí)際圖像中試卷?xiàng)l紋常常出現(xiàn)局部斷裂。針對(duì)該問(wèn)題，我引入垂直條紋方向的多抽樣線(xiàn)模數(shù)統(tǒng)計(jì)（即中值濾波）進(jìn)行彌補(bǔ)。

三、圖像拼接

采用多個(gè)內(nèi)窺鏡相機(jī)線(xiàn)性排列的陣列模式實(shí)現(xiàn)超厚疊層的試卷成像。

為實(shí)現(xiàn)有效拼接，相鄰相機(jī)圖像間需保持100至200像素的局部區(qū)域重疊。多相機(jī)圖像拼接的關(guān)鍵是計(jì)算相鄰圖像間旋轉(zhuǎn)和平移坐標(biāo)等參數(shù)。在上文試卷?xiàng)l紋線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用極坐標(biāo)（ρi，θi）表示重疊區(qū)域各檢出直線(xiàn)，這樣每一條紋對(duì)應(yīng)極坐標(biāo)空間的一個(gè)點(diǎn)。然后尋找相鄰圖像間極坐標(biāo)點(diǎn)最優(yōu)匹配結(jié)果，求得最終校正參數(shù)。多相機(jī)拼接后的二值圖包含全部試卷疊層條紋，其條紋數(shù)量就是最終的測(cè)量結(jié)果。

未來(lái)，我將考慮采用振動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)試卷自動(dòng)對(duì)齊，并用彎卷機(jī)構(gòu)增加紙張疊層間隙，真正實(shí)現(xiàn)零誤差測(cè)量。