CN111223343B - 一种杠杆平衡实验人工智能评分实验器材及评分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杠杆平衡实验人工智能评分实验器材及评分方法，属于实验教学器材技术领域，包括杠杆，杠杆通过杠杆中心的小孔安装在铁架台上，杠杆的下方悬挂有白色角度指示板，杠杆的正对面以杠杆中点小孔为起点向两端每隔一固定的距离均安装有挂钉，杠杆的背面在每一个挂钉的相同位置上均涂有呈矩形状的白色条纹。本发明的杠杆平衡实验人工智能评分实验器材及评分方法，评分方法使用图像处理以及深度学***衡，杠杆两端在不同位置处挂不同数量的钩码使杠杆平衡验证杠杆平衡规律，使用弹簧测力计使杠杆平衡三个评分点进行评分，更有利于人工智能评分***精准定位评分点，使评分的效果更加准确。

Description

一种杠杆平衡实验人工智能评分实验器材及评分方法

技术领域

本发明涉及实验教学器材技术领域，特别涉及一种杠杆平衡实验人工智能评分实验器材及评分方法。

背景技术

目前国内各省不同程度的将物理化学生物等实验操作纳入中考考核范围之内，目前实验操作考试主要依据评分点，由教师进行主观评分，由于各个老师的评分尺度不同，导致评分不具备很好的客观性，传统的杠杆平衡实验器材由于受环境背景光照等因素影响，无法很好的提取关键点，影响人工智能评分的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种杠杆平衡实验人工智能评分实验器材及评分方法，有利于人工智能评分***精准定位评分点，使评分的效果更加准确，可以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种杠杆平衡实验人工智能评分实验器材，包括杠杆，所述杠杆通过杠杆中心的小孔安装在铁架台上，铁架台的金属杆位置为杠杆的中点，所述杠杆的下方悬挂有白色角度指示板，所述白色角度指示板上设置有指针，所述杠杆的正对面以杠杆中点小孔为起点向两端每隔一固定的距离均安装有挂钉，杠杆的背面在每一个挂钉的相同位置上均涂有呈矩形状的白色条纹，所述杠杆的两端均安装有平衡螺母，所述杠杆上还安装有旋钮。

进一步地，所述杠杆采用黑色哑光漆或者磨砂漆涂装。

进一步地，所述杠杆的长度为110cm，挂钉的数量为20个，其中杠杆中心点左右两端各10个，相邻的两个挂钉之间的间距为5cm。

进一步地，所述挂钉处设置有钩码，所述钩码通过棉线悬挂在挂钉上，所述挂钉处还悬挂有弹簧测力计。

进一步地，所述铁架台的上方安装有俯视摄像头，所述铁架台的前方安装有前视摄像头，所述俯视摄像头和前视摄像头的输出端均通过蓝牙模块与学生云终端内置的深度学习及图像处理方法的输入端电连接。

根据本发明的另一个方面，提供了一种杠杆平衡实验人工智能评分的方法，包括如下步骤：

S1：评判实验前调节杠杆两端的平衡螺母使杠杆平衡；

S2：评判在杠杆支点两端悬挂钩码，调整钩码的数量以及位置使杠杆平衡；

S3：评判一端悬挂钩码并在杠杆另一端使用弹簧测力计使杠杆平衡。

进一步地，在前视视频中每一帧图像使用深度学***衡螺母以及铁架台上的金属杆，并用其外接矩形表示其位置，若标记手位置的Boundingbox与标记平衡螺母的Bouding Box IOU大于规定阈值时则判断学生完成了调整平衡螺母的操作，并在此时比较杠杆Bouding box的长宽比，若在一定的连续帧内长宽比大于预先设定的阈值时则认为杠杆平衡，钩码位置与杠杆位置小于规定阈值时则认定钩码已经悬挂在杠杆下，记为时间点，学生在时间点前完成了调整平衡螺母且杠杆平衡则认为评分点正确。

进一步地，使用目标检测方法从前视摄像头获取的图像中提取铁架台金属杆、钩码及杠杆的bounding box并记录支架金属杆位置为杠杆中点位置，当检测到杠杆中点两端均有钩码的bounding box上沿与杠杆bounding box下沿的距离小于预先设定的阈值时，认为学生开始做该评分点所涉及的实验操作，记为时间点，当杠杆中点两端钩码的boundingbox 上沿与杠杆bounding box 下沿的再次距离超过规定的阈值则认为该评分点涉及的操作已经完成，记为时间点，对时间点以及时间点之前的每一帧图像进行以下操作；

使用目标检测方法从前视摄像头以及俯视摄像头读取的图像中提取杠杆、钩码以及铁架台金属杆的bounding box 并根据钩码的bounding box确定悬挂在杠杆左右两边钩码的数量，之后使用分水岭算法分割出所有杠杆背面的白色条纹，计算左右杠杆左右两边钩码与杠杆中心金属杆之间的白色条纹数量记为钩码与杠杆中心的距离，并使用杠杆平衡公式（F1L1=F2L2）判断当前情况是否已经满足杠杆平衡条件，若满足平衡条件则认为该评分点操作正确。

进一步地，使用目标检测方法提取从前视摄像头读取的图像中的杠杆、钩码、铁架台金属杆以及弹簧测力计的bounding box，首先使用分水岭算法分割出所有杠杆背面的白色条纹，依据钩码的bounding box获得钩码的数量以及钩码的位置，并找到距离杠杆下沿最近的钩码的bounding box，距离该钩码bounding box长边中点最近的白色条纹记为钩码悬挂的位置，依据弹簧测力计的bounding box获取弹簧测力计的位置，距离弹簧测力计bounding box长边中点最近的白色条纹记为弹簧测力计的着力位置，之后计算出钩码以及弹簧测力计距离铁架台金属杆的白色条纹的数量，依据杠杆平衡公式计算出理论上此时使杠杆平衡的弹簧测力计的读数，并与学生在学生云终端上的读数进行比较，若读数误差小于设定的范围内则认为正确。

进一步地，若弹簧测力计bounding box出现在杠杆bounding box 上方则启动评判算法，使用目标检测算法从前视摄像头获取的图像中提取弹簧测力计的bounding box，在所有的弹簧测力计bounding box出现在杠杆bounding box 上方的帧内，弹簧测力计bounding box 长宽比均大于设定的阈值，则认为已经正确使用弹簧测力计，否则即使读数正确也认为该评分点操作错误。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的杠杆平衡实验人工智能评分实验器材及评分方法，评分方法使用图像处理以及深度学***衡，杠杆两端在不同位置处挂不同数量的钩码使杠杆平衡验证杠杆平衡规律，使用弹簧测力计使杠杆平衡三个评分点进行评分，主要靠提取置于实验台上方的俯视摄像头以及置于实验台前方的前视摄像头获取的视频中的关键点进行评分，更有利于人工智能评分***精准定位评分点，使评分的效果更加准确。

附图说明

图1为本发明的杠杆平衡实验人工智能评分实验器材的背面示意图；

图2为本发明的杠杆两端均悬挂钩码的实验器材的正面示意图；

图3为本发明的杠杆一端悬挂钩码其另一端悬挂弹簧测力计的实验器材的正面示意图；

图4为本发明的流程图。

图中：1、杠杆；2、铁架台；3、白色角度指示板；31、指针；4、挂钉；5、钩码；51、棉线；6、白色条纹；7、平衡螺母；8、旋钮；9、弹簧测力计；10、俯视摄像头；11、前视摄像头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-4，一种杠杆平衡实验人工智能评分实验器材，包括杠杆1，杠杆1采用黑色哑光漆或者磨砂漆涂装，杠杆1通过杠杆1中心的小孔安装在铁架台2上，铁架台2的上方安装有俯视摄像头10，铁架台2的前方安装有前视摄像头11，俯视摄像头10和前视摄像头11的输出端均通过蓝牙模块与学生云终端内置的深度学***衡，杠杆1两端在不同位置处挂不同数量的钩码5使杠杆1平衡验证杠杆1平衡规律，使用弹簧测力计9使杠杆1平衡三个评分点进行评分，主要靠提取置于实验台上方的俯视摄像头10以及置于实验台前方的前视摄像头11获取的视频中的关键点进行评分，更有利于人工智能评分***精准定位评分点，使评分的效果更加准确，铁架台2的金属杆位置为杠杆1的中点，杠杆1的下方悬挂有白色角度指示板3，白色角度指示板3上设置有指针31，杠杆1的正对面以杠杆1中点小孔为起点向两端每隔一固定的距离均安装有挂钉4，杠杆1的长度为110cm，挂钉4的数量为20个，其中杠杆1中心点左右两端各10个，相邻的两个挂钉4之间的间距为5cm，挂钉4处设置有钩码5，钩码5通过棉线51悬挂在挂钉4上，挂钉4处还悬挂有弹簧测力计9，杠杆1的背面在每一个挂钉4的相同位置上均涂有呈矩形状的白色条纹6，杠杆1的两端均安装有平衡螺母7，杠杆1上还安装有旋钮8。

为了更好的展现杠杆平衡实验人工智能评分的流程，本实施例现提出一种杠杆平衡实验人工智能评分的方法，包括如下步骤：

S1：评判实验前调节杠杆1两端的平衡螺母7使杠杆1平衡。

在前视视频中每一帧图像使用深度学***衡螺母7以及铁架台2上的金属杆，并用其外接矩形表示其位置，若标记手位置的Bounding box与标记平衡螺母7的Bouding Box IOU大于规定阈值时则判断学生完成了调整平衡螺母7的操作，并在此时比较杠杆1Bouding box的长宽比，若在一定的连续帧内长宽比大于预先设定的阈值时则认为杠杆1平衡，钩码5位置与杠杆1位置小于规定阈值时则认定钩码5已经悬挂在杠杆1下，记为时间点1，学生在时间点1前完成了调整平衡螺母7且杠杆1平衡则认为评分点1正确。

S2：评判在杠杆1支点两端悬挂钩码5，调整钩码5的数量以及位置使杠杆1平衡。

使用目标检测方法从前视摄像头11获取的图像中提取铁架台2金属杆、钩码5及杠杆1的bounding box并记录支架金属杆位置为杠杆1中点位置，当检测到杠杆1中点两端均有钩码5的bounding box上沿与杠杆1bounding box下沿的距离小于预先设定的阈值时，认为学生开始做该评分点所涉及的实验操作，记为时间点2，当杠杆1中点两端钩码5的bounding box 上沿与杠杆1bounding box 下沿的再次距离超过规定的阈值则认为该评分点涉及的操作已经完成，记为时间点3，对时间点2以及时间点3之前的每一帧图像进行以下操作。

使用目标检测方法从前视摄像头11以及俯视摄像头10读取的图像中提取杠杆1、钩码5以及铁架台2金属杆的bounding box 并根据钩码5的bounding box确定悬挂在杠杆1左右两边钩码5的数量，之后使用分水岭算法分割出所有杠杆1背面的白色条纹6，计算左右杠杆1左右两边钩码5与杠杆1中心金属杆之间的白色条纹6数量记为钩码5与杠杆1中心的距离，并使用杠杆平衡公式F1L1=F2L2判断当前情况是否已经满足杠杆1平衡条件，若满足平衡条件则认为该评分点操作正确。

S3：评判一端悬挂钩码5并在杠杆另一端使用弹簧测力计9使杠杆1平衡。

使用目标检测方法提取从前视摄像头11读取的图像中的杠杆1、钩码5、铁架台2金属杆以及弹簧测力计9的bounding box，首先使用分水岭算法分割出所有杠杆1背面的白色条纹6，依据钩码5的bounding box获得钩码5的数量以及钩码5的位置，并找到距离杠杆1下沿最近的钩码5的bounding box，距离该钩码5bounding box长边中点最近的白色条纹6记为钩码5悬挂的位置，依据弹簧测力计9的bounding box获取弹簧测力计9的位置，距离弹簧测力计9bounding box长边中点最近的白色条纹6记为弹簧测力计9的着力位置，之后计算出钩码5以及弹簧测力计9距离铁架台2金属杆的白色条纹6的数量，依据杠杆1平衡公式计算出理论上此时使杠杆1平衡的弹簧测力计9的读数，并与学生在学生云终端上的读数进行比较，若读数误差小于设定的范围内则认为正确。

若弹簧测力计9bounding box出现在杠杆1bounding box 上方则启动评判算法，使用目标检测算法从前视摄像头11获取的图像中提取弹簧测力计9的bounding box，在所有的弹簧测力计9bounding box出现在杠杆1bounding box 上方的帧内，弹簧测力计9bounding box 长宽比均大于设定的阈值，则认为已经正确使用弹簧测力计9，否则即使读数正确也认为该评分点操作错误。

综上所述，本发明的杠杆平衡实验人工智能评分实验器材及评分方法，评分方法使用图像处理以及深度学***衡，杠杆1两端在不同位置处挂不同数量的钩码5使杠杆1平衡验证杠杆1平衡规律，使用弹簧测力计9使杠杆1平衡三个评分点进行评分，主要靠提取置于实验台上方的俯视摄像头10以及置于实验台前方的前视摄像头11获取的视频中的关键点进行评分，更有利于人工智能评分***精准定位评分点，使评分的效果更加准确。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种杠杆平衡实验人工智能评分的方法，实验器材包括杠杆（1），所述杠杆（1）通过杠杆（1）中心的小孔安装在铁架台（2）上，铁架台（2）的金属杆位置为杠杆（1）的中点，所述杠杆（1）的下方悬挂有白色角度指示板（3），所述白色角度指示板（3）上设置有指针（31），所述杠杆（1）的正对面以杠杆（1）中点小孔为起点向两端每隔一固定的距离均安装有挂钉（4），杠杆（1）的背面在每一个挂钉（4）的相同位置上均涂有呈矩形状的白色条纹（6），所述杠杆（1）的两端均安装有平衡螺母（7），所述杠杆（1）上还安装有旋钮（8），所述铁架台（2）的上方安装有俯视摄像头（10），所述铁架台（2）的前方安装有前视摄像头（11），所述俯视摄像头（10）和前视摄像头（11）的输出端均通过蓝牙模块与学生云终端内置的深度学习及图像处理方法的输入端电连接，其特征在于，包括如下步骤：

S1：评判实验前调节杠杆（1）两端的平衡螺母（7）使杠杆（1）平衡；

S2：评判在杠杆（1）支点两端悬挂钩码（5），调整钩码（5）的数量以及位置使杠杆（1）平衡；

S3：评判一端悬挂钩码（5）并在杠杆另一端使用弹簧测力计（9）使杠杆（1）平衡；

针对上述S1的具体步骤如下：

在前视视频中每一帧图像使用深度学***衡螺母（7）以及铁架台（2）上的金属杆，并用其外接矩形表示其位置，若标记手位置的Boundingbox与标记平衡螺母（7）的Bouding Box IOU大于规定阈值时则判断学生完成了调整平衡螺母（7）的操作，并在此时比较杠杆（1）Bouding box的长宽比，若在一定的连续帧内长宽比大于预先设定的阈值时则认为杠杆（1）平衡，钩码（5）位置与杠杆（1）位置小于规定阈值时则认定钩码（5）已经悬挂在杠杆（1）下，记为时间点1，学生在时间点1前完成了调整平衡螺母（7）且杠杆（1）平衡则认为评分点1正确。

2.如权利要求1所述的一种杠杆平衡实验人工智能评分的方法，其特征在于，S2的具体步骤如下：

S21：使用目标检测方法从前视摄像头（11）获取的图像中提取铁架台（2）金属杆、钩码（5）及杠杆（1）的bounding box并记录支架金属杆位置为杠杆（1）中点位置，当检测到杠杆（1）中点两端均有钩码（5）的bounding box上沿与杠杆（1）bounding box下沿的距离小于预先设定的阈值时，认为学生开始做该评分点所涉及的实验操作，记为时间点2，当杠杆（1）中点两端钩码（5）的bounding box 上沿与杠杆（1）bounding box 下沿的再次距离超过规定的阈值则认为该评分点涉及的操作已经完成，记为时间点3，对时间点2以及时间点3之前的每一帧图像进行以下操作；

S22：使用目标检测方法从前视摄像头（11）以及俯视摄像头（10）读取的图像中提取杠杆（1）、钩码（5）以及铁架台（2）金属杆的bounding box 并根据钩码（5）的bounding box确定悬挂在杠杆（1）左右两边钩码（5）的数量，之后使用分水岭算法分割出所有杠杆（1）背面的白色条纹（6），计算左右杠杆（1）左右两边钩码（5）与杠杆（1）中心金属杆之间的白色条纹（6）数量记为钩码（5）与杠杆（1）中心的距离，并使用杠杆平衡公式（F1L1=F2L2）判断当前情况是否已经满足杠杆（1）平衡条件，若满足平衡条件则认为该评分点操作正确。

3.如权利要求1所述的一种杠杆平衡实验人工智能评分的方法，其特征在于，S3的具体步骤如下：

使用目标检测方法提取从前视摄像头（11）读取的图像中的杠杆（1）、钩码（5）、铁架台（2）金属杆以及弹簧测力计（9）的bounding box，首先使用分水岭算法分割出所有杠杆（1）背面的白色条纹（6），依据钩码（5）的bounding box获得钩码（5）的数量以及钩码（5）的位置，并找到距离杠杆（1）下沿最近的钩码（5）的bounding box，距离该钩码（5）bounding box长边中点最近的白色条纹（6）记为钩码（5）悬挂的位置，依据弹簧测力计（9）的boundingbox获取弹簧测力计（9）的位置，距离弹簧测力计（9）bounding box长边中点最近的白色条纹（6）记为弹簧测力计（9）的着力位置，之后计算出钩码（5）以及弹簧测力计（9）距离铁架台（2）金属杆的白色条纹（6）的数量，依据杠杆（1）平衡公式计算出理论上此时使杠杆（1）平衡的弹簧测力计（9）的读数，并与学生在学生云终端上的读数进行比较，若读数误差小于设定的范围内则认为正确。

4.如权利要求3所述的一种杠杆平衡实验人工智能评分的方法，其特征在于，还包括对是否正确使用弹簧测力计（9）的评判，具体步骤如下：

若弹簧测力计（9）bounding box出现在杠杆（1）bounding box 上方则启动评判算法，使用目标检测算法从前视摄像头（11）获取的图像中提取弹簧测力计（9）的bounding box，在所有的弹簧测力计（9）bounding box出现在杠杆（1）bounding box 上方的帧内，弹簧测力计（9）bounding box 长宽比均大于设定的阈值，则认为已经正确使用弹簧测力计（9），否则即使读数正确也认为该评分点操作错误。

5.如权利要求1所述的一种杠杆平衡实验人工智能评分的方法，其特征在于，所述杠杆（1）采用黑色哑光漆或者磨砂漆涂装。

6.如权利要求1所述的一种杠杆平衡实验人工智能评分的方法，其特征在于，所述杠杆（1）的长度为110cm，挂钉（4）的数量为20个，其中杠杆（1）中心点左右两端各10个，相邻的两个挂钉（4）之间的间距为5cm。

7.如权利要求1所述的一种杠杆平衡实验人工智能评分的方法，其特征在于，所述挂钉（4）处设置有钩码（5），所述钩码（5）通过棉线（51）悬挂在挂钉（4）上，所述挂钉（4）处还悬挂有弹簧测力计（9）。

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