二维条码的新用途

北京石油附中 殷逐云

二维条码的新用途

北京石油附中 殷逐云

信息需要输入计算机才能进行后续处理。现在，手写笔迹只有通过照相机、扫描仪来输入。但装订好的笔记本、试卷很难拍照扫描，文字识别率也很低。将二维条码印刷在纸上，在笔式摄像机上安装笔芯。手持摄像机书写，书写过程中摄像机将二维条码拍照下来，并通过USB/蓝牙/WIFI传入计算机。计算机识别二维条码就可以得到摄像机的位置，从而得到笔迹的电子坐标。

二维条码；笔式摄像机；手写笔迹

教育大数据正在迅猛发展，这是因为教育面对的是一个个学生，因此，教学必须做到以人为本，多方面、多维度来跟踪和研究每一位学生的学习行为数据，从而找到各自的问题，并予以针对性的解决。

现在城市里的学校，每个教室都有计算机、投影仪，基本上每位老师、学生都有计算机，查询资料、讲课都没有问题，但是每天都会大量书写，比如试卷、笔记，这些信息是大数据的最重要部分，却很难方便地输入计算机。目前是通过照相机、扫描仪来输入。这导致3个问题，1是很多卷子是装订好的，扫描困难繁琐，而且中间变形厉害，图像变形甚至缺失。2是试卷、笔记都是有顺序的，扫描拍照后是独立的jpg图片，必须将图片和实物一一对应，很繁琐。3是计算机收到的是图片，笔划丢失潦草、皱褶、脏点会使得OCR识别率很低，而很多情况下文本是需要的。依靠人工当然可以处理这3个问题，但由于试卷、笔记太多，老师、学生又有很多其它事情，很难做到。最终就是学生手上有大堆试卷和笔记本，每次查找都很费事，丢失也十分常见，老师对每个学生的信息掌握不全，大数据分析也就十分困难。

上述问题的核心在于手写笔迹如何电子化，这可以利用二维条码和笔式摄像机来解决。

二维条码是按照一定的数学公式将各种元素，如点、短线、长线、折角等形状组合后产生的图像，在横向和纵向同时表达信息，能在很小的面积内表达大量的信息，已在各行各业广泛使用，如微信、支付宝等等。

二维条码必须通过摄像机拍摄后才能解析其信息。目前的笔式摄像机很多，价格也很低，稍加改造就可以用于手写笔迹的采集：将笔芯嵌入摄像机，以便书写时留下油墨笔迹；改变形状，以方便握持；笔芯尾部增加压力传感器，书写时产生的压力可以启动摄像机。

首先将一个个不同的二维条码印满整个纸面，保证摄像机运动到任何地方都至少可以拍到一个条码。

由于纸面上还有原有信息，不能被二维条码遮挡。一种解决方法是选择占用面积十分微小的二维条码，布置在纸面的空白处，优点是使用常规油墨，缺点是如果空白处太小，二维条码还是会放不下，所以要预先分析纸面内容的分布。由于摄像机拍摄面积很大，并且纸面内容通常不会太密，所以二维条码通常还是可以放下的。

另外一种方法是利用红外隐形油墨来印刷条码。人眼只能看到360-720nm波段的光线，这种油墨在可见光范围内是无色的，肉眼不可见，但在红外波段如850nm则是黑色的。普通油墨在可见光范围内是有色的，在红外波段是看不见的。目前的摄像机都可以拍到红外光，红外隐形油墨价格也很低，这样就完美解决了条码和纸面内容的冲突。

摄像机拍到图像后，可以先存储在笔内，或者实时通过USB/蓝牙/WIFI发送到计算机上，这些技术已十分成熟。

计算机收到图像后，根据条码产生公式，对图像进行逆运算，解析出条码信息。摄像机连续摄像，每张图片都会解析出一个条码，由于每个条码的印刷位置是已知的，将各个位置连起来，就恢复了笔迹。二维条码信息量很大，除了包括位置，也包括了页码，计算机可以根据页码，将本页的原有内容以图片方式显示出来，然后再将笔迹显示在其上面，这样用户在计算机上既看到了纸面原有内容，也看到了笔迹，和实际纸面完全一致。

由于纸面上本来就要印刷内容，多印刷些条码也不增加成本。

这种解决方案优点很多。首先是价格很低。其次是无需培训：使用者书写时，笔尖接触纸面就会自动开启摄像机，没有任何额外的操作。再次，摄像机只要拍摄到一个条码，计算机就可以计算出笔尖位置，所以即使纸张上有皱褶、脏点，对计算的影响也很小。最后一点是本页的原有内容图片是用word/ PDF等生成的，和实际纸面情况无关，所以非常清晰干净，纸张上的皱褶、脏点都不会显示出来。

计算机还可以对笔迹进行ICR（智能笔迹识别）识别，得到文本文件。摄像机内部是有时钟的，所以每个图片都有时间，计算机也就知道了每个笔划的书写时刻。常见的OCR识别（光学字符识别），比如对书本、车牌拍照扫描后的图像的识别，由于文字是标准体，所以识别率很高，接近100%，但对手写笔迹就不行了，因为手写笔迹通常很乱，连笔、丢笔划的情况也很多。ICR则将字符的笔划顺序也考虑进去，大大提高了识别准确率。

这个产品一旦上市，在学习中会有很多用途。

首先是笔记本，学生可以将所有笔记都存储到计算机，还可以进行ICR识别。由于变为了计算机文件，大家可以方便的交流。老师、家长也可以随时了解学生的情况。

其次通过蓝牙/WIFI，可以随时将笔迹数据传到教室的计算机，学生不用起身，在座位上就可以回答问题，其笔迹可以通过投影仪显示出来。由于蓝牙和WIFI都支持多个终端，所以可以多个学生同时回答，大大节省了课堂时间。

试卷也被收集进入计算机，老师、家长可以对学生的多个试卷进行分析。

由于知道笔迹的时间，老师可以轻松地知道每个学生在各个题目所花的时间，从而知道学生的难点，进行针对性的指导，还可以对试卷进行进一步的改进。在外国人、小学生学习写字时，可以方便地知道其笔划顺序是否正确，避免倒插笔。

老师在课堂上用word/PPT讲解，经常会加入新的内容。黑板上书写的内容擦掉就全没了。可以将word/PPT和条码一起打印出来，课堂上用本产品在纸面上书写，所写内容通过蓝牙/WIFI传入计算机，和原有word/PPT文件合在一起，并实时投影。

总之，由于手写笔迹可以方便地电子化，且每个笔划的时间都准确地获得，就解决了很多问题。

如果摄像机再加上录音功能，还可以在书写时同步录音。由于笔划含有时间，录音文件也含有时间，使用者在计算机上选中某个笔划，就可以方便的找到其对应的录音。

附图1