本发明涉及学生实验设备技术领域，特别涉及一种化学漏斗装置搭建实验操作装置及智能评分方法。
背景技术：
实验是检验学生对理论知识的掌握水平的一种重要的教学手段。目前的化学实验技能评分方法都是按照一定的实验操作要求的评分要点，由评分老师进行主观评分，评分过程中的实验操作涉及到精细操作、操作顺序与实验结论的判断，这个需要对化学试验操作经验丰富的专业化学实验学科老师才能够完成对操作的评价。
例如化学实验中的搭建过滤装置操作的实验过程中，到了该操作的评分要点时，需要现场评分老师逐一进行确认，这也导致现场的人工评分工作量巨大，而且对于同一操作不同的评分老师的评分尺度不同，得到的评分结果无法做到一定的客观性。
同时，近年来，随着大数据以及人工智能技术在机器视觉、图像处理技术上的快速应用，基于学生实验过程中采集的大量数据，结合最新的人工智能算法、深度学习算法，并根据化学漏斗装置搭建操作的评分规则，目前化学漏斗装置搭建操作实验过程中存在的评分人员素质要求高、评分工作量极大以及评分标准难以统一等一系列问题有待改进。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种化学漏斗装置搭建实验操作装置及智能评分方法，本发明利用铁架台、长颈漏斗、烧杯和滤纸等仪器搭建化学过滤装置，采用前视摄像头及俯视摄像头采集学生实验操作过程的视频，利用深度学习目标检测算法识别采集到的视频中的目标物体，根据漏斗搭建实验目前评分的规则，对该学生的漏斗装置搭建实验的进行评分，并得到最终的操作得分，解决了目前化学漏斗装置搭建操作实验过程中存在的评分人员素质要求高、评分工作量极大以及评分标准难以统一的问题，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：
一种化学漏斗装置搭建实验操作装置，包括实验桌、操作组件、学生云终端显示屏和网络摄像头，所述操作组件放置在实验桌上，所述实验桌的正上方安装学生云终端显示屏，所述实验桌上还安装有网络摄像头；
所述操作组件包括铁架台、长颈漏斗、烧杯和滤纸，所述长颈漏斗放置于铁架台上，所述长颈漏斗的底部出口伸入至正下方的烧杯中，所述长颈漏斗内壁贴合有卷起呈圆锥状的滤纸。
进一步地，所述实验桌分为实验操作区与物品放置区，所述实验操作区上放置烧杯，物品放置区上放置铁架台。
进一步地，所述铁架台由底座、平衡支腿、锁紧螺栓a、铁架竖杆、锁紧块、锁紧螺栓b和长颈漏斗托架组成，所述底座的四个拐角均固定连接有平衡支腿，所述底座的槽孔内竖直插入铁架竖杆并通过锁紧螺栓a锁紧，所述铁架竖杆上通过锁紧螺栓b固定锁紧块，所述锁紧块上固定安装长颈漏斗托架。
进一步地，所述锁紧块呈弧形结构环抱所述铁架竖杆，锁紧块上设置有v型槽。
进一步地，所述v型槽的内壁设置有防滑齿牙。
进一步地，所述学生云终端显示屏与位于实验桌内部的主机电连接。
进一步地，所述网络摄像头包括前视摄像头与俯视摄像头，前视摄像头设置于所述学生云终端显示屏的中心偏下部分，俯视摄像头设置在学生云终端显示屏的后方与实验桌连接，所述前视摄像头采用一颗180度的鱼眼摄像头，视野范围包含整个桌面。
本发明要解决的另一种技术方案为：提供一种化学漏斗装置搭建实验操作的智能评分方法，包括如下步骤：
s1：使用目标检测算法前视摄像头与俯视摄像头所录制的视频图像中提取长颈漏斗、铁架台、烧杯的boundingbox；
s2：对于前视视频图像及其检测后的目标物体的boundingbox信息，通过判断铁架台与长颈漏斗及烧杯的boundingbox的位置关系，当长颈漏斗、烧杯的boundingbox在铁架台的boundingbox内部，且烧杯框的上严高于长颈漏斗框的下沿一定的距离时，则可判断三者都在合适的高度上；
s3：当s2满足后，根据俯视视频图像及检测到的各物体的boundingbox信息，提取长颈漏斗及烧杯的boundingbox所在区域的图像块，利用图像处理算法，提取长颈漏斗中所做的标记，首先判断长颈漏斗内部是否包含滤纸，然后判断长颈漏斗中的滤纸是否高于长颈漏斗口上边沿，当长颈漏斗中包含滤纸，且上边沿的绿色标记没有被滤纸覆盖则可以认为滤纸放置操作正确；
s4：利用霍夫圆检测及非极大值抑制算法提取俯视图像中的长颈漏斗与烧杯图像块中的漏斗口及烧杯口的近似圆，并根据两圆圆心在图像中的距离、两物体圆口平面的高度差信息及俯视摄像头的内部参数得到两圆圆心的精确距离，并根据该距离与烧杯口半径判断此时漏斗下端是否紧贴烧杯内壁；
s5：利用图像处理技术得到漏斗口绿色标点处的质心的坐标，并将该坐标及漏斗口圆心坐标、烧杯口圆心坐标三点的角度，当该角度在大于120度即可认为此时漏斗下端尖嘴与烧杯内壁紧贴。
进一步地，需要对以下两个评分点进行评判，一、折叠滤纸并将滤纸插入长颈漏斗中，如果滤纸上边沿高于长颈漏斗口，则不得分；二、调整长颈漏斗到合适高度，长颈漏斗下端漏液口低于收集滤液的烧杯口，且长颈漏斗下端尖嘴紧靠烧杯内壁，任意没有符合要求则认为该评分点操作错误，当s3正确，则可认为评分点一正确，否则则不正确；当且仅当步骤s1、s2、s4、s5都正确时，则可认为评分点二正确。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用铁架台、长颈漏斗、烧杯和滤纸等仪器搭建化学过滤装置，采用前视摄像头及俯视摄像头采集学生实验操作过程的视频，利用深度学习目标检测算法识别采集到的视频中的目标物体，根据漏斗搭建实验目前评分的规则，对该学生的漏斗装置搭建实验的进行评分，并得到最终的操作得分，解决了目前化学漏斗装置搭建操作实验过程中存在的评分人员素质要求高、评分工作量极大以及评分标准难以统一的问题。
附图说明
图1为本发明化学漏斗装置搭建实验操作装置的的整体结构图；
图2为本发明操作组件的结构示意图：
图3为本发明操作组件的俯视图；
图4为本发明操作组件的侧视图；
图5为本发明改造的漏斗无滤纸的俯视示意图；
图6为本发明改造的漏斗有滤纸的俯视示意图；
图7为本发明改造的漏斗无滤纸的前视示意图；
图8为本发明改造的漏斗有滤纸的前视示意图。
图中：1、实验桌；2、操作组件；21、铁架台；211、底座；212、平衡支腿；213、锁紧螺栓a；214、铁架竖杆；215、锁紧块；2151、v型槽；216、锁紧螺栓b；217、长颈漏斗托架；22、长颈漏斗；23、烧杯；24、滤纸；3、学生云终端显示屏；4、网络摄像头；41、前视摄像头；42、俯视摄像头。
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1，一种化学漏斗装置搭建实验操作装置，包括实验桌1、操作组件2、学生云终端显示屏3和网络摄像头4，操作组件2放置在实验桌1上，实验桌1为标准的1.2m*0.8m的实验桌，实验桌1分为实验操作区与物品放置区，实验操作区用于学生进行实验操作，实验桌1的正上方安装学生云终端显示屏3，学生云终端显示屏3与位于实验桌1内部的主机电连接，实验桌1上还安装有网络摄像头4，通过网络摄像头4采集学生实验操作视频，用于实验评分。
参阅图2-8，操作组件2包括铁架台21、长颈漏斗22、烧杯23和滤纸24，长颈漏斗22放置于铁架台21上，长颈漏斗22的底部出口伸入至正下方的烧杯23中，烧杯23的容积为500ml，长颈漏斗22内壁贴合有卷起呈圆锥状的滤纸24。
实验操作区上放置烧杯23，物品放置区上放置铁架台21。
铁架台21由底座211、平衡支腿212、锁紧螺栓a213、铁架竖杆214、锁紧块215、锁紧螺栓b216和长颈漏斗托架217组成，底座211的四个拐角均固定连接有平衡支腿212，平衡支腿212可以保证底座211的稳固性，底座211的槽孔内竖直插入铁架竖杆214并通过锁紧螺栓a213锁紧，锁紧螺栓a213拧开后可以上下移动铁架竖杆214，铁架竖杆214上通过锁紧螺栓b216固定锁紧块215，锁紧螺栓b216顶在铁架竖杆214上，铁架竖杆214与锁紧块215相互抵紧，防止锁紧块215在铁架竖杆214上滑动，锁紧块215上固定安装长颈漏斗托架217。
锁紧块215呈弧形结构环抱铁架竖杆214，锁紧块215上设置有v型槽2151。v型槽2151的内壁设置有防滑齿牙，这样锁紧螺栓b216在抵紧铁架竖杆214时，通过v型槽2151内壁的防滑齿牙可以增大摩擦力防止锁紧块215滑动。
网络摄像头4包括前视摄像头41与俯视摄像头42，前视摄像头41设置于学生云终端显示屏3的中心偏下部分，前视摄像头41距离桌面高度为15cm，俯视摄像头42设置在学生云终端显示屏3的后方与实验桌1连接，俯视摄像头42采用一颗180度的鱼眼摄像头，从上往下拍摄整张实验台桌面，俯视摄像头42距离实验桌1的桌面高度为78cm，视野范围包含整个桌面。考生通过计算机及实验考试系统填写考生信息及点击开始结束信息，并根据开始结束标志获取两个摄像头所录制的操作视频。
为了更好的展现化学漏斗装置搭建实验操作的智能评分流程，本实施例现提出一种化学漏斗装置搭建实验操作的智能评分方法，包括如下步骤：
步骤1：搭建实验过程视频数据采集的硬件环境，采集学生在进行过滤装置搭建实验的视频数据，由于视野范围的需要，采用一个前视摄像头41及一个俯视摄像头42。其中，俯视摄像头42为平面摄像头，拍摄视角为从上到下，前视摄像头41为鱼眼摄像头，拍摄视角为拍摄学生正面；
步骤2：由步骤1得到的学生实验操作过程的采集视频，利用深度学习目标检测算法识别采集到的视频中的目标物体，并得到采集视频中每一帧图像中所有目标的目标框；
步骤3：由步骤2得到的顶视视频的每一帧图像及所有目标的目标框信息，对其中的长颈漏斗22及烧杯23两个物体目标框，利用霍夫圆检测算法检测漏斗物体目标框及烧杯物体目标框中的漏斗锥面外沿及烧杯上沿的近似圆位置，并得到图像上漏斗锥面口与烧杯口的圆心坐标；
步骤4：对漏斗物体进行仪器改造，在长颈漏斗22的柄部的尖嘴位置在长颈漏斗22的锥面的相对位置做相应的标记，如一个绿色的圆点。由步骤2得到的顶视视频的每一帧图像及漏斗目标框信息，在图像帧中截取相应目标框的图像块，在该截取的图像块中利用阈值分割算法提取漏斗上的绿色圆点标记区域，并计算该区域的质心坐标，最后将该区域的质心作为该漏斗尖嘴在图像上的大致位置；
步骤5：由步骤3及步骤4得到的顶视视频中漏斗口近似圆、烧杯口近似圆及绿色圆点标记质心位置，得到该视角下两圆圆心的像素距离及漏斗近似圆圆心、烧杯近似圆圆心、绿色标记点质心三点的角度；
步骤6：由步骤5得到的漏斗口近似圆与烧杯口近似圆圆心之间的像素距离，并根据顶视摄像头的内参、外参、矫正系数及两物体相对于顶视摄像头深度，将两圆心的像素距离转换为实际距离；
步骤7：由步骤5及步骤6得到的角度及实际距离，并根据漏斗搭建实验目前评分的规则，对该学生的漏斗装置搭建实验的进行评分，并得到最终的操作得分。
步骤2具体包括以下几个步骤：
步骤2-1：由步骤:1得到的顶视视角视频top_vedio及前视鱼眼视频front_vedio，由鱼眼矫正算法将前视鱼眼视频进行矫正，得到front_vedio_；
步骤2-2：由步骤2-1得到的矫正后的前视视频front_vedio_及步骤1得到的顶视视角视频top_vedio，将得到的两个视频的每一帧输入到深度学习目标检测框架中，通过深度学习目标检测算法对这两个视频中的实验相关物体进行目标检测，并得到前视及顶视视频中每一帧图像上所有目标物体的外接矩形框；
步骤3具体包括以下几个步骤：
步骤3-1：由步骤2-2得到的前视视角矫正图像及相应的目标检测框信息，通过目标框的像素比，及烧杯、漏斗及顶视摄像头到桌面的实际长度信息，计算出漏斗口与烧杯口所在平面的深度信息；
步骤3-2：由步骤2-2得到的顶视视角下视频及相应目标物体的目标框位置，将该位置的漏斗目标框及烧杯目标框对应的图像块截取下来，利用霍夫圆检测算法对截取的图像块进行检测，得到图像中所有漏斗口与烧杯口的可能近似圆集合；并对近似圆检测结果集合中设置一个合理的阈值，筛选出符合形状、面积特征的近似圆结果作为最终的漏斗锥面边缘及烧杯上边缘的近似位置；
步骤5具体包括以下几个步骤：
步骤5-1：根据张氏标记法，采集一批标定图像在不同角度下的顶视摄像头图像，并根据采集到的图像计算出顶视摄像头当前位置下的内参矩阵、外参矩阵及矫正系数；
步骤5-2：由步骤3-2得到的漏斗锥面与烧杯上边缘在图像中的近似圆的圆心坐标，计算两圆心坐标在图像中的距离；
步骤5-3：由步骤3-2及步骤4得到的绿色圆点标记区域质心坐标及漏斗口、烧杯口近似圆的圆心坐标，根据三点的坐标得到对应的角度；
步骤6具体包括以下几个步骤：
步骤6-1：由步骤5-1得到顶视摄像头的内参矩阵、外参矩阵及矫正系数，由步骤3-1得到的漏斗口与烧杯口所在平面到顶视摄像头的深度信息，由步骤5-2得到的漏斗口与烧杯口近似圆圆心像素坐标的距离，计算这两个近似圆圆心的实际距离，具体计算公式为：
式中，u,v为图像中某一点的像素坐标，f为顶视摄像头的焦距，r为旋转矩阵，t为平移矩阵，x,y,z为该像素点在世界坐标系下的坐标；
步骤7可具体分为以下几个步骤：
步骤7-1：由步骤5-3与步骤6-1得到角度及圆心实际距离信息，当学生在实验操作过程中有倒水的操作时作为装置搭建的评分点启动时间，倒水的动作可确定为当检测到装蒸馏水的滴瓶目标框脱离桌面，且与小烧杯目标框相重叠作为动作的完成时刻；
步骤7-2：由步骤7-1得到的评分启动时刻，提取该时刻前5秒的顶视视频数据，并对这5秒内的每一帧图像进行步骤2~6的操作，当计算得到的视频中80%的图像帧中的角度和距离满足设置的误差阈值，则该学生的漏斗装置搭建操作可以评为正确操作，反之，则可评价该学生的实验操作为错误操作。
综上所述：本发明利用铁架台21、长颈漏斗22、烧杯23和滤纸24等仪器搭建化学过滤装置，采用前视摄像头41及俯视摄像头42采集学生实验操作过程的视频，利用深度学习目标检测算法识别采集到的视频中的目标物体，根据漏斗搭建实验目前评分的规则，对该学生的漏斗装置搭建实验的进行评分，并得到最终的操作得分，解决了目前化学漏斗装置搭建操作实验过程中存在的评分人员素质要求高、评分工作量极大以及评分标准难以统一的问题。
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。
1.一种化学漏斗装置搭建实验操作装置，其特征在于，包括实验桌（1）、操作组件（2）、学生云终端显示屏（3）和网络摄像头（4），所述操作组件（2）放置在实验桌（1）上，所述实验桌（1）的正上方安装学生云终端显示屏（3），所述实验桌（1）上还安装有网络摄像头（4）；
所述操作组件（2）包括铁架台（21）、长颈漏斗（22）、烧杯（23）和滤纸（24），所述长颈漏斗（22）放置于铁架台（21）上，所述长颈漏斗（22）的底部出口伸入至正下方的烧杯（23）中，所述长颈漏斗（22）内壁贴合有卷起呈圆锥状的滤纸（24）。
2.如权利要求1所述的化学漏斗装置搭建实验操作装置，其特征在于，所述实验桌（1）分为实验操作区与物品放置区，所述实验操作区上放置烧杯（23），物品放置区上放置铁架台（21）。
3.如权利要求2所述的化学漏斗装置搭建实验操作装置，其特征在于，所述铁架台（21）由底座（211）、平衡支腿（212）、锁紧螺栓a（213）、铁架竖杆（214）、锁紧块（215）、锁紧螺栓b（216）和长颈漏斗托架（217）组成，所述底座（211）的四个拐角均固定连接有平衡支腿（212），所述底座（211）的槽孔内竖直插入铁架竖杆（214）并通过锁紧螺栓a（213）锁紧，所述铁架竖杆（214）上通过锁紧螺栓b（216）固定锁紧块（215），所述锁紧块（215）上固定安装长颈漏斗托架（217）。
4.如权利要求3所述的化学漏斗装置搭建实验操作装置，其特征在于，所述锁紧块（215）呈弧形结构环抱所述铁架竖杆（214），锁紧块（215）上设置有v型槽（2151）。
5.如权利要求4所述的化学漏斗装置搭建实验操作装置，其特征在于，所述v型槽（2151）的内壁设置有防滑齿牙。
6.如权利要求1所述的化学漏斗装置搭建实验操作装置，其特征在于，所述学生云终端显示屏（3）与位于实验桌（1）内部的主机电连接。
7.如权利要求1所述的化学漏斗装置搭建实验操作装置，其特征在于，所述网络摄像头（4）包括前视摄像头（41）与俯视摄像头（42），前视摄像头（41）设置于所述学生云终端显示屏（3）的中心偏下部分，俯视摄像头（42）设置在学生云终端显示屏（3）的后方与实验桌（1）连接，所述前视摄像头（41）采用一颗180度的鱼眼摄像头，视野范围包含整个桌面。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的化学漏斗装置搭建实验操作的智能评分方法，其特征在于，包括如下步骤：
s1：使用目标检测算法前视摄像头（41）与俯视摄像头（42）所录制的视频图像中提取长颈漏斗（22）、铁架台（21）、烧杯（23）的boundingbox；
s2：对于前视视频图像及其检测后的目标物体的boundingbox信息，通过判断铁架台（21）与长颈漏斗（22）及烧杯（23）的boundingbox的位置关系，当长颈漏斗（22）、烧杯（23）的boundingbox在铁架台（21）的boundingbox内部，且烧杯（23）框的上严高于长颈漏斗（22）框的下沿一定的距离时，则可判断三者都在合适的高度上；
s3：当s2满足后，根据俯视视频图像及检测到的各物体的boundingbox信息，提取长颈漏斗（22）及烧杯（23）的boundingbox所在区域的图像块，利用图像处理算法，提取长颈漏斗（22）中所做的标记，首先判断长颈漏斗（22）内部是否包含滤纸（24），然后判断长颈漏斗（22）中的滤纸（24）是否高于长颈漏斗（22）口上边沿，当长颈漏斗（22）中包含滤纸（24），且上边沿的绿色标记没有被滤纸（24）覆盖则可以认为滤纸（24）放置操作正确；
s4：利用霍夫圆检测及非极大值抑制算法提取俯视图像中的长颈漏斗（22）与烧杯（23）图像块中的漏斗口及烧杯口的近似圆，并根据两圆圆心在图像中的距离、两物体圆口平面的高度差信息及俯视摄像头的内部参数得到两圆圆心的精确距离，并根据该距离与烧杯口半径判断此时漏斗下端是否紧贴烧杯内壁；
s5：利用图像处理技术得到漏斗口绿色标点处的质心的坐标，并将该坐标及漏斗口圆心坐标、烧杯口圆心坐标三点的角度，当该角度在大于120度即可认为此时漏斗下端尖嘴与烧杯内壁紧贴。
9.如权利要求8所述的一种化学漏斗装置搭建实验操作的智能评分方法，其特征在于，需要对以下两个评分点进行评判，一、折叠滤纸（24）并将滤纸（24）插入长颈漏斗（22）中，如果滤纸（24）上边沿高于长颈漏斗（22）口，则不得分；二、调整长颈漏斗（22）到合适高度，长颈漏斗（22）下端漏液口低于收集滤液的烧杯口，且长颈漏斗（22）下端尖嘴紧靠烧杯内壁，任意没有符合要求则认为该评分点操作错误，当s3正确，则可认为评分点一正确，否则则不正确；当且仅当步骤s1、s2、s4、s5都正确时，则可认为评分点二正确。
技术总结