基于计算机视觉的学生考试自动监考系统设计与实现
张海涛+唐权华
摘 要： 针对当前视频监控进行考试监考的丢包率大和智能化程度不高的问题，在计算机视觉下进行学生考试自动监控系统优化设计，提出一种基于视频帧循环纠错编码的计算机视觉自动监考系统设计方法。系统设计分为硬件和软件部分，包括A/D电路、时钟电路、视频帧循环纠错编码电路、程序加载电路和输出接口电路。实验测试结果表明，该系统能有效降低监考过程中的视频丢包，提高监考区域的视觉覆盖度，系统集成性和智能性较高。
关键词： 计算机视觉； 考试； 自动监考； 视频帧
中图分类号： TN957.52+3?34； TP373 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0099?03
Abstract： In view of the high packet loss rate and low intelligent degree of the current video monitoring for test invigilation， the optimal design was carried out for the computer vision based automatic monitoring system of student examination. A video frame cycle error correction coding based design method of automatic invigilation system based on computer vision is put forward. The system design is divided into hardware and software design， including the A/D circuit， clock circuit， video frame cycle error correction coding circuit， program load circuit and output interface circuit. The experimental test results show that the system can reduce the video packet loss in the invigilation process effectively， improve the vision coverage degree of invigilation area， and has high system integration and intellectuality.
Keywords： computer vision； examination； automatic invigilation； video frame
0 引 言
随着视频图像处理技术的发展，采用计算机视频监测方法进行现场監控设计，提高对监控区域的自动化识别和管理能力[1]。学生考试自动监考系统是考试智能化管理系统的重要部分，采用计算机视觉分析方法进行自动监考，首先采用计算机视频监控方法进行考试现场的实时视觉画面采集，从而实现对考试现场的检验分析和指导。研究学生考试自动监考系统，在促进智能化考试管理和提高考场监考的管控能力方面具有积极重要意义[2]，对学生考试自动监考系统是建立在视频图像分析基础上的，结合系统硬件设备设计和软件开发，采用计算机视觉分析方法进行监控现场的异常信息特征提取和分析，采用视频帧循环纠错编码避免监控过程中的丢包和误码失真。首先进行系统的总体构架分析，然后进行监考系统的硬件模块化设计，最后进行系统调试分析，得出有效性结论。
1 系统设计与实现
1.1 外围器件选择
根据上述设计思想和总体设计构架，进行基于计算机视觉的学生考试自动监考系统的硬件模块化设计，学生考试自动监考系统的数据采集系统是整个系统的基础。通过PCI桥接芯片与PC机进行数据通信，采用PCI9054的LOCAL 总线设计方法，进行数据特征采集，把学生考试监考现场的视频信息存储到PCI总线上，在嵌入式RAM中对监控视频信息进行收发转换和视频帧间编码，基于视频帧循环纠错编码方法进行视频纠错。硬件设计主要包括如下几个部分：学生考试监考现场的视频信息的DSP信号处理器、模拟信号预处理机、视频信息的逻辑控制设备、外部I/O设备以及A/D设备和电源供电设备，用DSP控制A/D转换FLASH寄存器寄存学生考试监考现场的视频视觉特征信息，同时DSP与PCI通信，DSP接收PCI总线的用户信息，输出多路视频编码到功率放大器。通过串行E2PROM进行配置校验，在C 模式下通过PCI总线送采样数据或处理结果到PC机进行监考现场的监控信息分析。
1.2 监考系统的电路设计
根据上述总体设计要求，结合选择的外围器件，采用可编程DSP芯片ADSP?BF537作为核心处理芯片，进行学生考试自动监考系统的电路设计，主要包括了A/D电路、时钟电路、视频帧循环纠错编码电路、程序加载电路和输出接口电路等，分别设计描述如下：
（1） A/D电路。学生考试监考系统的A/D电路是实现对输入视频采集信息的数/模转换，提供给计算机和DSP芯片可识别的原始计算机视觉信息，结合视频帧循环纠错编码方法进行可视化校对和视频编码。外部I/O设备包括A/D转换器AD7864两片，A/D电路的分辨率为12位，最大采样频率25 kHz，采用AD7864（以下简称7864）作为A/D芯片，它是4通道输入、转换速度1.65 μs的高性能AD芯片，自动监考系统的A/D输入电压满足：
采样通道数由DSP数据总线dspD[3：0]控制[3]，A4～A0和译码，利用信号作读数标志信号，得到A/D电路的接口硬件设计图如图1所示。
考虑到系统处理视频传输信息的时间和读数匹配问题，在进行A/D设计中，需要考虑7864模拟输入/输出对应码表，见表1。
（2） 时钟电路。时钟电路执行学生考试自动监考系统的时钟中断控制功能[4]，采用5409A 作为自动监考系统的时钟中断的核心控制芯片，5409A有3个多通道缓冲串口McBSPs，提供串行A/D、D/A 设备以及其他的串行器件直接接口，本地总线支持复用/非复用的 32 位地址/数据，包括 PCI 总线操作和LOCAL总线操作，PC9054 内部CI9054的LOCAL 总线与PCI总线通过异步操作实现两个 DMA数据的串行接口输入和输出。时钟电路的引脚设计如图2所示。
（3） 视频帧循环纠错编码电路。视频帧循环纠错编码电路是整个系统设计的核心模块，视频帧循环纠错编码通过Emulator由JTAG（Joint Test Action Group）口下载到DSP中运行，在IEEE 1149.1标准协议下进行 5409A芯片外围器件的操作测试，芯片采用4通道高性能运放，带宽为10 MHz。使用ADUM1201进行帧同步信号设计[5]，选择Motorola 公司高性能 MPC850/86作为自动监考系统的三维特征分析模块，从外部16位存储器读取监测视频图像的编码特征，引出双排的14脚插针外接上拉或下拉电阻，选择引脚、时钟信号输入引脚，数据总线LD 9054与应用电路连接，以串行E2PROM的配置电路作为I/O 初始化控制寄存器模块单元，直接从地址0x20000000执行16位打包模式实现视频纠错编码，得到视频帧循环纠错编码电路设计如图3所示。
（4） 程序加载电路。选择Motorola 公司高性能 MPC850/86作为学生考试自动监考的可视化校验视觉分析的程序加载电路的核心处理芯片。在程序加载电路中，采用可编程逻辑芯片PLC进行图像信息分析，在程序加载中，从外部16位存储器直接执行16位打包模式，引导ROM配置异步存储器空间，通过连续读取0x00字节的个数来确定学生考试自动监考系统的SPI存储器的片选[6]，程序加载电路设计如图4所示。
图4中，在VCC和地之间并联1个电容，满足程序加载电路的可编程的硬件写保护和片内的偶然性的写保护功能。
（5） 输出接口电路。输出接口电路设计中，通过JTAG接口访问CPU的内部寄存器，通过串行E2PROM进行配置校验。使用JTAG仿真器执行12通道DMA异步串行口设计，采用分立元件构成串口复位电路，降低DSP的能耗。开关频率也可在0～1间调节，内核电压在0.8～1.2 V间调整，内核电源通过10 和0.1 电容滤波，以减少电源噪声。实时时钟电源与I/O电源采取分别供电策略，综上分析，得到输出接口电路见图5。
在上述进行系统的硬件模块化设计的基础上，进行系统集成设计与软件开发。
2 实验测试分析
对上述学生考试自动监考系统进行软件开发和系统调试分析。軟件开发建立在CCS 2.20开发平台下，借助于 LabWindows/CVI，C/C++开发计算机视觉下的图像和视频信息处理程序。根据编写的PCI卡驱动程序进行视频信息采样和监考系统的原始数据采集，得到学生考试自动监考的视频采集分析界面如图6所示。
从图6可见，采用本文设计的考试自动监考系统，能有效实现计算机视觉下的监考视频信息传输。为了定量测试系统的性能，图7给出了不同方法进行监考视觉分析的视频丢包率对比结果，从图7得知，该系统能有效降低监考过程中的视频丢包，从而提高监考区域的视觉覆盖度。
3 结 语
本文提出一种基于视频帧循环纠错编码的计算机视觉自动监考系统设计方法。系统设计分为硬件和软件部分，首先进行了学生考试自动监考系统的总体设计构架分析和功能指标描述；然后以ADSP?BF537并行微处理芯片为核心进行监考系统的硬件设计，包括A/D电路、时钟电路、视频帧循环纠错编码电路、程序加载电路和输出接口电路；最后在Visual DSP++集成开发环境中进行自动监考系统的软件开发设计，结合视频帧循环纠错编码进行程序加载，实现计算机视觉下的自动监考。实验测试结果表明，该系统能有效降低监考过程中的视频丢包，提高了监考区域的视觉覆盖度，具有优越性能。
参考文献
[1] STOEAN C， PREUSS M， STOEAN R， et al. Multimodal optimization by means of a topological species conservation algorithm [J]. IEEE transactions on evolutionary computation， 2010， 14（6）： 842?864.
[2] LIANG J J， QU B Y， MAO X B， et al. Differential evolution based on fitness Euclidean?distance ratio for multimodal optimization [J]. Neurocomputing， 2014， 137（8）： 252?260.
[3] 章俊，张冬梅，王辛刚.一类参数不确定连续正系统受限控制[J].信息与控制，2015，44（5）：592?597.
[4] 陆兴华，吴恩燊.基于安卓客户端的智能家居电力控制优化设计[J].电力与能源，2015，36（5）：692?695.
[5] 黄朝，许鑫，刘敦歌，等.基于多传感器的微弱磁异常信号提取方法研究[J].电子测量技术，2015，38（10）：91?95.
[6] 郭太平，裘进浩，程军，等.高频电磁涡流检测系统及实验研究[J].国外电子测量技术，2015，34（11）：4?9.
摘 要： 针对当前视频监控进行考试监考的丢包率大和智能化程度不高的问题，在计算机视觉下进行学生考试自动监控系统优化设计，提出一种基于视频帧循环纠错编码的计算机视觉自动监考系统设计方法。系统设计分为硬件和软件部分，包括A/D电路、时钟电路、视频帧循环纠错编码电路、程序加载电路和输出接口电路。实验测试结果表明，该系统能有效降低监考过程中的视频丢包，提高监考区域的视觉覆盖度，系统集成性和智能性较高。
关键词： 计算机视觉； 考试； 自动监考； 视频帧
中图分类号： TN957.52+3?34； TP373 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0099?03
Abstract： In view of the high packet loss rate and low intelligent degree of the current video monitoring for test invigilation， the optimal design was carried out for the computer vision based automatic monitoring system of student examination. A video frame cycle error correction coding based design method of automatic invigilation system based on computer vision is put forward. The system design is divided into hardware and software design， including the A/D circuit， clock circuit， video frame cycle error correction coding circuit， program load circuit and output interface circuit. The experimental test results show that the system can reduce the video packet loss in the invigilation process effectively， improve the vision coverage degree of invigilation area， and has high system integration and intellectuality.
Keywords： computer vision； examination； automatic invigilation； video frame
0 引 言
随着视频图像处理技术的发展，采用计算机视频监测方法进行现场監控设计，提高对监控区域的自动化识别和管理能力[1]。学生考试自动监考系统是考试智能化管理系统的重要部分，采用计算机视觉分析方法进行自动监考，首先采用计算机视频监控方法进行考试现场的实时视觉画面采集，从而实现对考试现场的检验分析和指导。研究学生考试自动监考系统，在促进智能化考试管理和提高考场监考的管控能力方面具有积极重要意义[2]，对学生考试自动监考系统是建立在视频图像分析基础上的，结合系统硬件设备设计和软件开发，采用计算机视觉分析方法进行监控现场的异常信息特征提取和分析，采用视频帧循环纠错编码避免监控过程中的丢包和误码失真。首先进行系统的总体构架分析，然后进行监考系统的硬件模块化设计，最后进行系统调试分析，得出有效性结论。
1 系统设计与实现
1.1 外围器件选择
根据上述设计思想和总体设计构架，进行基于计算机视觉的学生考试自动监考系统的硬件模块化设计，学生考试自动监考系统的数据采集系统是整个系统的基础。通过PCI桥接芯片与PC机进行数据通信，采用PCI9054的LOCAL 总线设计方法，进行数据特征采集，把学生考试监考现场的视频信息存储到PCI总线上，在嵌入式RAM中对监控视频信息进行收发转换和视频帧间编码，基于视频帧循环纠错编码方法进行视频纠错。硬件设计主要包括如下几个部分：学生考试监考现场的视频信息的DSP信号处理器、模拟信号预处理机、视频信息的逻辑控制设备、外部I/O设备以及A/D设备和电源供电设备，用DSP控制A/D转换FLASH寄存器寄存学生考试监考现场的视频视觉特征信息，同时DSP与PCI通信，DSP接收PCI总线的用户信息，输出多路视频编码到功率放大器。通过串行E2PROM进行配置校验，在C 模式下通过PCI总线送采样数据或处理结果到PC机进行监考现场的监控信息分析。
1.2 监考系统的电路设计
根据上述总体设计要求，结合选择的外围器件，采用可编程DSP芯片ADSP?BF537作为核心处理芯片，进行学生考试自动监考系统的电路设计，主要包括了A/D电路、时钟电路、视频帧循环纠错编码电路、程序加载电路和输出接口电路等，分别设计描述如下：
（1） A/D电路。学生考试监考系统的A/D电路是实现对输入视频采集信息的数/模转换，提供给计算机和DSP芯片可识别的原始计算机视觉信息，结合视频帧循环纠错编码方法进行可视化校对和视频编码。外部I/O设备包括A/D转换器AD7864两片，A/D电路的分辨率为12位，最大采样频率25 kHz，采用AD7864（以下简称7864）作为A/D芯片，它是4通道输入、转换速度1.65 μs的高性能AD芯片，自动监考系统的A/D输入电压满足：
采样通道数由DSP数据总线dspD[3：0]控制[3]，A4～A0和译码，利用信号作读数标志信号，得到A/D电路的接口硬件设计图如图1所示。
考虑到系统处理视频传输信息的时间和读数匹配问题，在进行A/D设计中，需要考虑7864模拟输入/输出对应码表，见表1。
（2） 时钟电路。时钟电路执行学生考试自动监考系统的时钟中断控制功能[4]，采用5409A 作为自动监考系统的时钟中断的核心控制芯片，5409A有3个多通道缓冲串口McBSPs，提供串行A/D、D/A 设备以及其他的串行器件直接接口，本地总线支持复用/非复用的 32 位地址/数据，包括 PCI 总线操作和LOCAL总线操作，PC9054 内部CI9054的LOCAL 总线与PCI总线通过异步操作实现两个 DMA数据的串行接口输入和输出。时钟电路的引脚设计如图2所示。
（3） 视频帧循环纠错编码电路。视频帧循环纠错编码电路是整个系统设计的核心模块，视频帧循环纠错编码通过Emulator由JTAG（Joint Test Action Group）口下载到DSP中运行，在IEEE 1149.1标准协议下进行 5409A芯片外围器件的操作测试，芯片采用4通道高性能运放，带宽为10 MHz。使用ADUM1201进行帧同步信号设计[5]，选择Motorola 公司高性能 MPC850/86作为自动监考系统的三维特征分析模块，从外部16位存储器读取监测视频图像的编码特征，引出双排的14脚插针外接上拉或下拉电阻，选择引脚、时钟信号输入引脚，数据总线LD 9054与应用电路连接，以串行E2PROM的配置电路作为I/O 初始化控制寄存器模块单元，直接从地址0x20000000执行16位打包模式实现视频纠错编码，得到视频帧循环纠错编码电路设计如图3所示。
（4） 程序加载电路。选择Motorola 公司高性能 MPC850/86作为学生考试自动监考的可视化校验视觉分析的程序加载电路的核心处理芯片。在程序加载电路中，采用可编程逻辑芯片PLC进行图像信息分析，在程序加载中，从外部16位存储器直接执行16位打包模式，引导ROM配置异步存储器空间，通过连续读取0x00字节的个数来确定学生考试自动监考系统的SPI存储器的片选[6]，程序加载电路设计如图4所示。
图4中，在VCC和地之间并联1个电容，满足程序加载电路的可编程的硬件写保护和片内的偶然性的写保护功能。
（5） 输出接口电路。输出接口电路设计中，通过JTAG接口访问CPU的内部寄存器，通过串行E2PROM进行配置校验。使用JTAG仿真器执行12通道DMA异步串行口设计，采用分立元件构成串口复位电路，降低DSP的能耗。开关频率也可在0～1间调节，内核电压在0.8～1.2 V间调整，内核电源通过10 和0.1 电容滤波，以减少电源噪声。实时时钟电源与I/O电源采取分别供电策略，综上分析，得到输出接口电路见图5。
在上述进行系统的硬件模块化设计的基础上，进行系统集成设计与软件开发。
2 实验测试分析
对上述学生考试自动监考系统进行软件开发和系统调试分析。軟件开发建立在CCS 2.20开发平台下，借助于 LabWindows/CVI，C/C++开发计算机视觉下的图像和视频信息处理程序。根据编写的PCI卡驱动程序进行视频信息采样和监考系统的原始数据采集，得到学生考试自动监考的视频采集分析界面如图6所示。
从图6可见，采用本文设计的考试自动监考系统，能有效实现计算机视觉下的监考视频信息传输。为了定量测试系统的性能，图7给出了不同方法进行监考视觉分析的视频丢包率对比结果，从图7得知，该系统能有效降低监考过程中的视频丢包，从而提高监考区域的视觉覆盖度。
3 结 语
本文提出一种基于视频帧循环纠错编码的计算机视觉自动监考系统设计方法。系统设计分为硬件和软件部分，首先进行了学生考试自动监考系统的总体设计构架分析和功能指标描述；然后以ADSP?BF537并行微处理芯片为核心进行监考系统的硬件设计，包括A/D电路、时钟电路、视频帧循环纠错编码电路、程序加载电路和输出接口电路；最后在Visual DSP++集成开发环境中进行自动监考系统的软件开发设计，结合视频帧循环纠错编码进行程序加载，实现计算机视觉下的自动监考。实验测试结果表明，该系统能有效降低监考过程中的视频丢包，提高了监考区域的视觉覆盖度，具有优越性能。
参考文献
[1] STOEAN C， PREUSS M， STOEAN R， et al. Multimodal optimization by means of a topological species conservation algorithm [J]. IEEE transactions on evolutionary computation， 2010， 14（6）： 842?864.
[2] LIANG J J， QU B Y， MAO X B， et al. Differential evolution based on fitness Euclidean?distance ratio for multimodal optimization [J]. Neurocomputing， 2014， 137（8）： 252?260.
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[5] 黄朝，许鑫，刘敦歌，等.基于多传感器的微弱磁异常信号提取方法研究[J].电子测量技术，2015，38（10）：91?95.
[6] 郭太平，裘进浩，程军，等.高频电磁涡流检测系统及实验研究[J].国外电子测量技术，2015，34（11）：4?9.
