【技术实现步骤摘要】
本专利技术提供了一种托盘天平砝码取放顺序操作自动评判方法，属于理化实验操作自动评判。
技术介绍
1、托盘天平作为一种实验工具，其操作能够培养学生的动手能力、实验观察能力和实验安全意识等，托盘天平的操作是中学生必须掌握的一项实验操作技能。学生实验操作技能考试需要对学生实验操作进行量化测量与评价，量化测量与评价的前提是能够正确判断学生实验操作是否正确。
2、理化生实验操作考核中，传统的人工评判方法需耗费大量人力物力，存在不可避免的人为因素，带来较大的评分结果不公正，造成矛盾争论。研究自动评判模型有利于实现考试的规范性、科学性、系统性。自动评判的方法前提是能够正确识别实验过程正确操作和错误操作。托盘天平砝码操作取放顺序应当按照从大到小的顺序，是托盘天平的操作的重要步骤。自动模型需要判断操作者是否按照从大到小的顺序进行砝码取放，因此需要准确识别不同规格的砝码。随着深度学习卷积神经网络在图像分类识别等任务中的成功应用，采用深度学习进行实验器材和实验现象识别得到了很好的应用。但不同规格的砝码仅仅是砝码大小不同，其他特征类似，且砝码放到托盘后，不同大小砝码形态各异且存在遮挡等，很难用深度学习卷积神经网络准确识别出不同规格的砝码。
技术实现思路
1、本专利技术为了解决现有实验操作自动评判方法中存在无法准确评判托盘天平砝码取放操作是否按照从大到小顺序操作的技术问题，提出了一种托盘天平砝码取放顺序操作自动评判方法。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：结合深度
3、步骤一、分析托盘天平砝码取放顺序操作要求和托盘天平荷载，得到托盘天平砝码取放顺序操作查找表和需要识别的实验器材空托盘、托盘+砝码、砝码盒和实验动作手持镊子；
4、步骤二、通过摄像装置对实验人完成的托盘天平砝码取放操作过程进行视频采集，对托盘天平砝码取放操作的实验视频进行稀疏等时间间隔采样，获得一系列实验结果图片，作为托盘天平砝码取放操作数据集，对托盘天平砝码取放操作实验操作数据集进行标注得到托盘天平砝码取放操作信息标签数据集；
5、步骤三、通过托盘天平砝码取放操作数据集和托盘天平砝码取放操作信息标签数据集对托盘天平砝码取放实验操作识别模型进行训练，得到托盘天平砝码取放实验操作识别模型；
6、步骤四：通过已经训练好的托盘天平砝码取放实验操作识别模型对实验人的实验操作结果图片进行识别，识别出实验人的托盘天平砝码取放操作实验器材及实验器材的空间位置、实验动作，并记录实验操作时间点；
7、步骤五、当识别出实验器材托盘+砝码和砝码盒后，对砝码盒进行进一步图像处理，识别出砝码盒中空的砝码以及砝码规格，将识别的砝码规格与上一次识别的砝码规格进行比较，发生变化则在托盘天平砝码取放顺序操作表记录砝码规格和时间节点；
8、步骤六、实验完成后，将托盘天平砝码取放顺序操作表和托盘天平砝码取放顺序操作查找表进行比对，遍历托盘天平砝码取放顺序操作查找表中的记录，如果和托盘天平砝码取放顺序操作表中的记录吻合，则实验人托盘天平砝码取放顺序操作正确，否则实验人托盘天平砝码取放未按照顺序操作，并指出操作错误的时间节点。
9、所述步骤二中通过摄像装置对实验人完成的托盘天平砝码取放操作过程进行视频采集，得到实验器材空托盘、托盘+砝码、砝码盒和实验动作手持镊子的图片，采样得到的包含实验器材空托盘、托盘+砝码、砝码盒和实验动作手持镊子的图片构成托盘天平砝码取放操作数据集，所述托盘天平砝码取放操作数据集包括托盘天平砝码取放操作训练数据集和托盘天平砝码取放操作验证数据集；利用图像标定工具软件对托盘天平砝码取放操作数据集实验器材空托盘、托盘+砝码、砝码盒和实验动作手持镊子进行标注，标注内容包括实验器材名称、实验器材中心坐标、实验器材长、宽和实验动作，得到托盘天平砝码取放操作信息标签数据集，所述托盘天平砝码取放操作信息标签数据集包括托盘天平砝码取放操作信息标签训练数据集和托盘天平砝码取放操作信息标签验证数据集。
10、所述步骤三中通过托盘天平砝码取放操作数据集和托盘天平砝码取放操作信息标签数据集对托盘天平砝码取放实验操作识别模型进行训练，采用深度学习网络yolov7构建托盘天平砝码取放操作识别模型，用托盘天平砝码取放操作训练数据集和托盘天平砝码取放操作信息标签训练数据集对托盘天平砝码取放实验操作识别模型进行训练，用托盘天平砝码取放操作验证数据集和托盘天平砝码取放操作信息标签验证数据集对训练好的托盘天平砝码取放实验操作识别模型进行验证，得到的托盘天平砝码取放实验操作识别模型能够正确识别实验器材空托盘、托盘+砝码、砝码盒，实验器材的中心坐标、实验器材的长和宽和实验动作手持镊子。
11、所述步骤五当识别出实验器材托盘+砝码和砝码盒后，对砝码盒进行进一步图像处理，首先对含砝码盒图像进行色彩空间转换，将彩色图像转换为灰度图像；后对图像进行几何校正，校正后的砝码盒横放，砝码顺序按照砝码规格从大到小顺序排放；利用sobel算子对图像进行边缘检测，利用霍夫圆检测算法进行圆检测，对检测的圆进行砝码规格的识别，根据检测位置相对关系和已知砝码规格排列规律对检测砝码规格进行修正。
12、本专利技术相对于现有技术具备的有益效果为：托盘天平砝码取放顺序操作需要准确识别不同规格的砝码，由于托盘天平上不同规格的砝码仅大小不同，且砝码放到托盘后，不同大小砝码形态各异且存在遮挡等，很难用深度学习卷积神经网络和传统图像处理方法准确识别出不同规格的砝码，因不同规格的砝码取出后，砝码盒对应位置为空，砝码盒中不同规格砝码放置位置固定，可以通过砝码盒空的位置推断出取出的砝码规格。本专利技术通过深度学习的方法识别出砝码盒和取放砝码操作，然后通过图像处理的方法识别出砝码盒中空的砝码位置，推断出取放的砝码规格，记录不同砝码规格取放顺序和时间节点，和托盘天平砝码取放顺序整取操作记录作比较，自动判断实验人的托盘天平砝码取放顺序操作是否正确，并指出操作错误的时间节点。此方法可以很好的判决学生托盘天平砝码取放顺序操作是否正确，自动评判方法客观准确。
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1.一种托盘天平砝码取放顺序操作自动评判方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种托盘天平砝码取放顺序操作自动评判方法，其特征在于：所述步骤二中通过摄像装置对实验人完成的托盘天平砝码取放操作过程进行视频采集，得到实验器材空托盘、托盘+砝码、砝码盒和实验动作手持镊子的图片，采样得到的包含实验器材空托盘、托盘+砝码、砝码盒和实验动作手持镊子的图片构成托盘天平砝码取放操作数据集，所述托盘天平砝码取放操作数据集包括托盘天平砝码取放操作训练数据集和托盘天平砝码取放操作验证数据集；
3.根据权利要求2所述的一种托盘天平砝码取放顺序操作自动评判方法，其特征在于：所述步骤三中通过托盘天平砝码取放操作数据集和托盘天平砝码取放操作信息标签数据集对托盘天平砝码取放实验操作识别模型进行训练，采用深度学习网络YOLOv7构建托盘天平砝码取放操作识别模型，用托盘天平砝码取放操作训练数据集和托盘天平砝码取放操作信息标签训练数据集对托盘天平砝码取放实验操作识别模型进行训练，用托盘天平砝码取放操作验证数据集和托盘天平砝码取放操作信息标签验证数据集对训练好的托盘天平砝码取
4.根据权利要求1所述的一种托盘天平砝码取放顺序操作自动评判方法，其特征在于：所述步骤五当识别出实验器材托盘+砝码和砝码盒后，对砝码盒进行进一步图像处理，首先对含砝码盒图像进行色彩空间转换，将彩色图像转换为灰度图像；后对图像进行几何校正，校正后的砝码盒横放，砝码顺序按照砝码规格从大到小顺序排放；利用sobel算子对图像进行边缘检测，利用霍夫圆检测算法进行圆检测，对检测的圆进行砝码规格的识别，根据检测位置相对关系和已知砝码规格排列规律对检测砝码规格进行修正。
5.根据权利要求4所述的一种托盘天平砝码取放顺序操作自动评判方法，其特征在于：当步骤五中，识别出实验器材托盘+砝码和砝码盒后，表明实验人正在进行托盘天平砝码取放实验操作，将识别出的砝码盒区域进行裁剪，只保留砝码盒区域，定义为图像A；对识别出的砝码盒区域图像A进行进一步图像处理，首先对含砝码盒区域图像A进行色彩空间转换，将彩色图像转换为灰度图像，得到砝码盒区域灰度图像B；对图像B进行几何校正，砝码盒为矩形，首先采集砝码盒横放的标准矩形C，通过灰度图像B得到实际矩形D，标准矩形C和实际矩形D进行端点映射得到变换矩阵M，通过变换矩阵M得到校正后的砝码盒灰度图像E，此时砝码盒灰度图像E标准横放，砝码顺序按照砝码规格从大到小顺序排放；利用sobel算子对图像E进行边缘检测得到图像F，利用霍夫圆检测算法对图像F进行圆检测，对检测的圆进行砝码规格的识别，根据检测位置相对关系和已知砝码规格排列规律对检测砝码规格进行修正；识别出砝码盒中空的砝码以及砝码规格，将识别的砝码规格与上一次识别的砝码规格进行比较，发生变化则在托盘天平砝码取放顺序操作表记录砝码规格和时间节点。
...【技术特征摘要】
1.一种托盘天平砝码取放顺序操作自动评判方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种托盘天平砝码取放顺序操作自动评判方法，其特征在于：所述步骤二中通过摄像装置对实验人完成的托盘天平砝码取放操作过程进行视频采集，得到实验器材空托盘、托盘+砝码、砝码盒和实验动作手持镊子的图片，采样得到的包含实验器材空托盘、托盘+砝码、砝码盒和实验动作手持镊子的图片构成托盘天平砝码取放操作数据集，所述托盘天平砝码取放操作数据集包括托盘天平砝码取放操作训练数据集和托盘天平砝码取放操作验证数据集；
3.根据权利要求2所述的一种托盘天平砝码取放顺序操作自动评判方法，其特征在于：所述步骤三中通过托盘天平砝码取放操作数据集和托盘天平砝码取放操作信息标签数据集对托盘天平砝码取放实验操作识别模型进行训练，采用深度学习网络yolov7构建托盘天平砝码取放操作识别模型，用托盘天平砝码取放操作训练数据集和托盘天平砝码取放操作信息标签训练数据集对托盘天平砝码取放实验操作识别模型进行训练，用托盘天平砝码取放操作验证数据集和托盘天平砝码取放操作信息标签验证数据集对训练好的托盘天平砝码取放实验操作识别模型进行验证，得到的托盘天平砝码取放实验操作识别模型能够正确识别实验器材空托盘、托盘+砝码、砝码盒，实验器材的中心坐标、实验器材的长和宽和实验动作手持镊子。
4.根据权利要求1所述的一种托盘天平砝码取放顺序操作自动评判方法，其特征在于：所述步骤五当识别出实验器材托盘+砝码和砝码盒后，对砝...
【专利技术属性】
技术研发人员：李付江，李炎钧，张迎春，马根，李赟，
申请(专利权)人：智林信息技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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