[发明专利]一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置及方法

权利要求书

1.一种中学物理电路实验电路图自动绘制的方法，实验装置包括实验桌（1）以及显示屏（2），实验桌（1）的三侧边沿上连接挡板（11），显示屏（2）放置在实验桌（1）上，并被挡板（11）围住；

所述实验桌（1）位于显示屏（2）的前端划为电路连接操作区（4），并在显示屏（2）两侧的实验桌（1）上分别设置元器件放置机构（5）和导线放置机构（6）；

所述显示屏（2）的背面上通过螺栓安装旋转架（21），旋转架（21）的顶端连接顶视摄像头（3），其顶视摄像头（3）的摄像口朝向实验桌（1），并输出数据至显示屏（2）；

所述元器件放置机构（5）包括顶部开口的盒体（51）、隔板（52）、压板（53）和转轴（54），隔板（52）分隔盒体（51）内部空间，隔成多个相互独立的放置槽（7），放置槽（7）内对应放置不同的元器件（71），转轴（54）的一端插入盒体（51）的顶部边沿上，压板（53）的侧壁固定在转轴（54）上，压板（53）与转轴（54）同步旋转卡在放置槽（7）的上方，压板（53）用于卡住元器件（71）；

所述导线放置机构（6）包括底架（61）、第一侧板（62）和第二侧板（63），底架（61）的两端分别与第一侧板（62）和第二侧板（63）相接，第一侧板（62）和第二侧板（63）的顶端上加工多个线槽（8），第一侧板（62）和第二侧板（63）的线槽（8）分别夹持在导线（9）的两端，导线（9）包括第一线头（91）、第二线头（92）和线体（93），线体（93）的两端分别与第一线头（91）和第二线头（92）相接，第一线头（91）和第二线头（92）的侧壁上加工槽孔（10），每组第一线头（91）和第二线头（92）的颜色一致，不同组别的导线（9）颜色不同，顶视摄像头（3）内置红外采集模块（31），显示屏（2）内置图像捕捉模块（22）和指令模块（23），红外采集模块（31）采集电路连接操作区（4）内导线（9）和元器件（71）的连接图像，图像数据上传至图像捕捉模块（22），图像捕捉模块（22）分割及图像处理算法对分割出来的图像块进行进一步的状态分类，判别连接图像中该元器件（71）的状态，指令模块（23）将得到的图像数据帧中每一根导线（9）相连的元器件（71）生成最终的电路连接邻接表，其特征在于，包括以下步骤：

S1：搭建实验过程视频数据采集的硬件环境，采集学生在进行电路实验过程连接元器件（71）的视频数据，由于需要将学生在实验桌（1）上操作的电路连接过程都能够拍摄完整，该电路实验采集过程所采用的摄像头为一个顶视摄像头（3），拍摄角度为从上到下，拍摄范围为整张实验桌（1）；

S2：由S1得到的学生实验操作过程的红外采集模块（31）采集视频，首先将采集到的顶视视频切分成一帧帧的按照时间拍列的原始视频图像，然后再利用深度学习目标检测算法及图像处理算法识别采集到的视频中每一帧图像的目标物体及其状态并记录在列表中，得到采集视频中所有图像的所有目标物体的目标框位置与元器件（71）状态标志数据列表；

S3：由S2得到的顶视视频中的每一帧图像的所有目标的目标框位置信息及元器件（71）状态标志信息的数据列表，筛选原始视频图像帧，将满足一定条件的图像帧挑选为绘制电路图的图像数据；

S4：由S3得到的经过挑选的满足一定条件的图像帧数据集，统计所获得的图像帧中的导线（9）与各目标元器件（71）框的位置关系，逐一确定各个电路元器件（71）之间的电学连接关系，最后根据图像帧数据集将所有元器件（71）的连接关系整理生成为邻接矩阵表示的电路连接关系图；

S5：由S4得到的各元器件（71）连接关系邻接矩阵，以及由邻接矩阵表示的所有检测到的元器件（71）的连接关系、元器件（71）的种类及其状态标志，依据由邻接矩阵表示的电路连接关系将所有涉及的元器件（71）串联起来，即为最终的电路图；

针对上述S3包括以下步骤：

S31：由S2得到的所有采集视频图像的元器件（71）检测结果及元器件（71）状态信息，并且将每一帧图像数据与检测结果的元器件（71）状态信息进行一一对应；

S32：由S31得到对应好每一帧图像的元器件（71）检测结果及状态信息的数据，而这其中绘制电路图使用到的仅为电路图连接确定后的图像帧，电路连接确定的图像帧也即为电路通电过程中的图像数据；

S33：当满足开关状态为闭合、电流表或电压表读数状态为正及画面中检测到本次实验所有的元器件（71）以上三个条件时，即可挑选出来作为后续绘制电路图的图像数据帧；

针对上述S4包括以下步骤：S41：对于检测试验操作中不同元器件（71）的连接关系，必须要将通过导线（9）直接相连的元器件（71）进行分组，这里需要对电路元器件（71）上的导线（9）插头位置及导线（9）外绝缘层进行改造，元器件（71）上的插头位置要不在同一侧，所有导线（9）的外层颜色要不同区分；

S42：通过S3得到的具有固定电路连接关系的图像数据帧及每一帧对应的元器件（71）目标框及状态信息，再利用图像分割算法将图像数据帧中不同颜色的导线（9）分割出来，并将每一根分割出来的导线（9）与元器件（71）的矩形框区域位置进行判断，当两个不同的元器件（71）上的插头位置出现同一颜色的导线（9）时，则认为这两个不同的元器件（71）属于电学上的连接关系；

S43：根据S42所得到的所有组具有连接关系的元器件（71），并分析所有S3得到的图像数据帧的元器件（71）连接关系，将在所有S3得到的图像数据帧中每一根导线（9）相连的元器件（71）出现次数最多的一组作为电路上最大概率相连的一组元器件（71），并将所有最大概率相连的元器件（71）记录下来，生成最终的电路连接邻接表。