文字書(shū)寫(xiě)過(guò)程描述字自動(dòng)生成

彭喻杰，戴 永

PENG Yujie,DAI Yong

湘潭大學(xué) 智能計(jì)算與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭411105

Key Laboratory of Intelligent Computing& Information Processing,Ministry of Education,Xiangtan University,Xiangtan,Hunan 411105,China

1 引言

多文種融合是當(dāng)前文字書(shū)寫(xiě)自動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的研究方向，文獻(xiàn)[1]給出一種多文種融合文字書(shū)寫(xiě)自動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)框架，涉及簿筆隱喻[2]、在線監(jiān)督、宜教筆跡處理[3]、語(yǔ)音融合[4]、教學(xué)知識(shí)表達(dá)、具體文種的自動(dòng)教學(xué)實(shí)現(xiàn)[5-8]及教室系統(tǒng)構(gòu)建[9]等。文[2]提出觸摸屏?xí)鴮?xiě)特有問(wèn)題即筆力評(píng)價(jià)策略；文[3]針對(duì)書(shū)寫(xiě)教學(xué)改進(jìn)傳統(tǒng)的筆跡信息前置處理方法；文[4]為適用多文種教學(xué)需求，探討多文種融合語(yǔ)音信息處理技術(shù)；文[5-8]分別就英語(yǔ)單體字母與連寫(xiě)字母、漢字書(shū)寫(xiě)等的教學(xué)方法進(jìn)行研究；文[9]實(shí)現(xiàn)以文字書(shū)寫(xiě)教學(xué)裝置為終端的教室系統(tǒng)構(gòu)想，作為系列篇，該文探討教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的核心字段：文字書(shū)寫(xiě)過(guò)程描述字。眾所周知，不同文種文字書(shū)寫(xiě)過(guò)程具備公共與獨(dú)特形態(tài)、規(guī)則等，據(jù)此提出能適用多文種文字書(shū)寫(xiě)過(guò)程計(jì)算的描述字結(jié)構(gòu)及其自動(dòng)生成的方法。將文字書(shū)寫(xiě)過(guò)程中的內(nèi)容分為主導(dǎo)筆順和約束筆順兩大類，主導(dǎo)筆順對(duì)應(yīng)的描述字包括筆畫(huà)編碼、筆畫(huà)關(guān)系與部件關(guān)系編碼，約束筆順對(duì)應(yīng)的描述字含錯(cuò)交、錯(cuò)離序列碼等字段；定義描述字結(jié)構(gòu)；依據(jù)要素元編碼應(yīng)滿足的基本要求，設(shè)計(jì)其編碼空間生成機(jī)制；給出主導(dǎo)及約束筆順的自動(dòng)生成算法。漢字、英文、漢語(yǔ)拼音三文種文字融合的實(shí)驗(yàn)與分析表明，描述字結(jié)構(gòu)可滿足不同文種文字書(shū)寫(xiě)過(guò)程的表達(dá)，筆畫(huà)、筆畫(huà)關(guān)系、部件關(guān)系等知識(shí)要素可正確分類。與手工法相比，工作效率、知識(shí)的準(zhǔn)確率提高，信息冗余度降低，有效克服了多語(yǔ)源導(dǎo)致知識(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)類型多、計(jì)算結(jié)構(gòu)復(fù)雜及知識(shí)量大等給文字書(shū)寫(xiě)過(guò)程描述字創(chuàng)建帶來(lái)的困局。

2 描述字結(jié)構(gòu)

文字書(shū)寫(xiě)過(guò)程包括的內(nèi)容分為主導(dǎo)筆順與約束筆順兩大類。主導(dǎo)筆順指人們公認(rèn)的文字書(shū)寫(xiě)順序，要素有筆畫(huà)、筆畫(huà)關(guān)系、部件關(guān)系等。約束筆順具有預(yù)測(cè)性，設(shè)置錯(cuò)交與錯(cuò)離兩類，錯(cuò)交筆順指當(dāng)前寫(xiě)出筆畫(huà)與跨緊鄰的已寫(xiě)筆畫(huà)形成的錯(cuò)誤十字交筆畫(huà)對(duì)偶序列；錯(cuò)離筆順指當(dāng)前寫(xiě)出筆畫(huà)與跨緊鄰已寫(xiě)筆畫(huà)正確關(guān)系缺失的描述結(jié)構(gòu)序列。圖1 為描述字結(jié)構(gòu)圖。

圖1 描述字字段結(jié)構(gòu)圖

s、? 分別表示筆畫(huà)與關(guān)系，?s、?ρ依次表示筆畫(huà)關(guān)系、部件(G) 關(guān)系。設(shè)文字W包含k條筆畫(huà)，即W={s1，s2，…，sk}，主導(dǎo)筆順記為s1→s2→…→sk，對(duì)于si，sj，如果i=j+1，i，j∈{1，2，…，k}，稱si，sj為緊鄰筆畫(huà)；當(dāng)i＞j+1，且si，sj成錯(cuò)誤十字交關(guān)系時(shí)，由(si，sj)構(gòu)成的序列稱為錯(cuò)交筆順，筆順對(duì)偶集合記為SEC，若預(yù)測(cè)W存在z次錯(cuò)交，；i＞j+1，且si，sj未形成應(yīng)有的?s，稱si、sj錯(cuò)離?s，記為(si，sj，?s，θ)，θ為?s的畸變系數(shù)，根據(jù)?s的屬性設(shè)置。4 元結(jié)構(gòu)形成的序列稱為錯(cuò)離筆順，筆順元素集合記為SEL。若 預(yù)測(cè)W存在q次錯(cuò)離，。圖2（a）、（b）為第3、1筆畫(huà)錯(cuò)交，圖2（c）為第4、1 畫(huà)錯(cuò)離，圖2（d）為第3、1 筆畫(huà)錯(cuò)離。

圖2 文字書(shū)寫(xiě)結(jié)構(gòu)示例

設(shè)被練習(xí)書(shū)寫(xiě)的文字由c個(gè)部件組成，c個(gè)部件存在h層嵌套結(jié)構(gòu)，文字書(shū)寫(xiě)過(guò)程的描述字結(jié)構(gòu)定義為：。其中，與W的元素序列s1，s2，…，sk有 序 對(duì) 應(yīng)，如s1…11為W中 的s1，為W中的sk，其余類推；；i＞j+1，i，j∈{1，2，…，k}；u＞v+1，u，v∈{1，2，…，k}。

3 要素元編碼空間

為使描述字能多文種通用，要素元編碼應(yīng)達(dá)到的基本要求為：（1）不同要素有明顯的數(shù)值段；（2）能體現(xiàn)不同文種共享與獨(dú)特要素的區(qū)別；（3）具有能自動(dòng)適用于文種增加和要素元數(shù)量變化的編碼機(jī)制等。

基于任意文種構(gòu)字筆畫(huà)長(zhǎng)短存在差異的基本事實(shí)，將筆畫(huà)規(guī)模進(jìn)行n粒度劃分。文字書(shū)寫(xiě)格為N×N像素，粒度間隔為σ，粒度劃分范圍為δmin+(m-1)σ≤δi≤δmin+mσ，δmin是最短筆畫(huà)長(zhǎng)度，δi為當(dāng)前粒度范圍，m∈{1，2，…，n}，σ=N/(N-δmin)。要素元的編碼遞進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)置：筆畫(huà)→筆畫(huà)關(guān)系→部件關(guān)系┫共享筆畫(huà)→獨(dú)特筆畫(huà)→共享筆畫(huà)關(guān)系→獨(dú)特筆畫(huà)關(guān)系→共享部件關(guān)系→獨(dú)特部件關(guān)系。

g1、g2、g3、g4、g5、g6分別表示系統(tǒng)可教學(xué)文種的共享與獨(dú)特的筆畫(huà)、筆畫(huà)關(guān)系及部件關(guān)系數(shù)目，μ1、μ2、μ3、μ4、μ5、μ6分別表示各數(shù)目的裕量。筆畫(huà)編碼為基準(zhǔn)編碼，單粒度占用編碼范圍為1～(g1+g2)，當(dāng)粒度為m時(shí)，編碼范圍為1～m×(g1+g2)，考慮裕量，確認(rèn)的筆畫(huà)編碼范圍為1～m×(g1+μ1+g2+μ2)，最大值需j位表示，個(gè)位為1，高位為j-1 個(gè)0 是首條共享筆畫(huà)的編碼。編碼數(shù)目為m×(g1+μ1+g2+μ2)。s編碼的最高位位值用bitmax表示，令B1為對(duì)應(yīng)于筆畫(huà)關(guān)系?s類編碼，當(dāng)s(bitmax)+b≤9，b∈{1，2，…，8}，B1取j位，且s(bitmax)＜B1(bitmax)≤s(bitmax)+b，低j-1 位編碼全取0；否則B1取j+1位，B1(bitmax)=1，低j位編碼全取0。確認(rèn)的?s類編碼范圍為B1(bitmax)×10(j-1∩or∩j)～[B1(bitmax)×10(j-1∩or∩j)+(g3+μ3+g4+μ4)]。B1(bitmax)×10(j-1∩or∩j)為首個(gè)共享筆畫(huà)關(guān)系的編碼。從文字書(shū)寫(xiě)教學(xué)的角度出發(fā)，筆畫(huà)關(guān)系編碼需進(jìn)行多層次空間關(guān)系描述。設(shè)建立e層空間關(guān)系，?s編碼的完整結(jié)構(gòu)定義為B1(B2B3…Be+1)，B2B3…Be+1為空間關(guān)系細(xì)分描述碼，Bi是對(duì)Bi-1的進(jìn)一步細(xì)分(i∈{2，3，…，e+1}，Bi∈{0，1，…，9})，e+1 越大，空間關(guān)系描述越精細(xì)。設(shè)b2b3…be+1依次分別對(duì)應(yīng)B2B3…Be+1的取碼數(shù)量，筆畫(huà)關(guān)系編碼數(shù)目為(g3+μ3+g4+μ4)×b2×b3…×be+1。部件關(guān)系與筆畫(huà)關(guān)系的接碼及其編碼原理基本類似筆畫(huà)關(guān)系與筆畫(huà)，不同之處在于部件關(guān)系編碼的結(jié)尾碼字標(biāo)注的該部件與后續(xù)多少部件構(gòu)成該關(guān)系編碼所標(biāo)注的關(guān)系，用x表示結(jié)尾碼，其缺省值為1，x無(wú)當(dāng)前空間標(biāo)識(shí)作用，因此不影響編碼數(shù)量。

4 生成算法

將文字書(shū)寫(xiě)過(guò)程描述字表示為向量D，D=[S R SECSEL]，其 中，為 筆 畫(huà) 子向量；，為 關(guān) 系 子向量，由?s、?ρ共同組成；，為錯(cuò)交子向量；，為錯(cuò)離子向量。通過(guò)對(duì)文字標(biāo)準(zhǔn)書(shū)寫(xiě)過(guò)程跟蹤有序生成S、R、SEC、SEL。跟蹤主導(dǎo)筆順不但要產(chǎn)生S、R，還要為生成SEC、SEL準(zhǔn)備筆畫(huà)數(shù)據(jù)。R中既有?s，也有?ρ，兩者的生成方法有較大區(qū)別。

4.1 S 與?s 編碼

借鑒已有成果[10-11]對(duì)當(dāng)前書(shū)寫(xiě)筆畫(huà)si(i=2，3，…，k)進(jìn)行識(shí)別，將識(shí)別結(jié)果的筆畫(huà)編碼有序存入S。在si、si-1之間進(jìn)行e+1 次計(jì)算分析，將的屬性編碼有序存入R。當(dāng)si、si-1之間無(wú)法在系統(tǒng)中找到相應(yīng)的計(jì)算模型分析時(shí)，在si、si-1之間預(yù)置部件分割的通用標(biāo)志。寫(xiě)完文字最后一條筆畫(huà)，即i=k，S生成結(jié)束；R中?s有確定的代碼，但其中需進(jìn)一步分析；提供k行筆跡數(shù)據(jù)陣列P[k，lmax]，lmax為該字最長(zhǎng)的筆畫(huà)筆跡點(diǎn)數(shù)量。

4.2 ?ρ 編碼

部件關(guān)系依托R、P[k，lmax]分析。設(shè)R中存在a個(gè)。在R中搜素到(j=1，2，…，a)，在P[k，lmax]中獲取Gj、Gj+1所含s，利用部件關(guān)系分析模型計(jì)算Mj_Mj+1關(guān)系，將分析結(jié)果對(duì)應(yīng)的編碼有序存于位置。第1 輪均按x=1 建立部件關(guān)系，第2 輪進(jìn)行跨部件關(guān)系分析，即如果Gj_Gj+2關(guān)系與Gj_Gj+1關(guān)系相同，則x+1。依次類推，直至j=a-2。

算法1識(shí)別與賦碼

輸入：R（含），P[k，lmax]

注釋：RecMRelation（）為部件關(guān)系識(shí)別函數(shù)，Cpart為部件關(guān)系編碼容器，對(duì)應(yīng),x為部件關(guān)系細(xì)分編碼。

4.3 SEC 預(yù)測(cè)

文字書(shū)寫(xiě)主導(dǎo)筆順正確，進(jìn)行錯(cuò)交碼對(duì)偶預(yù)測(cè)。在P[k，lmax]中，對(duì)于si、sj，將si兩端點(diǎn)的筆段按其形態(tài)進(jìn)行延伸，對(duì)所有的sj(j∈{i-2，i-3，…，1})進(jìn)行十字交關(guān)系分析，形成初選筆畫(huà)書(shū)寫(xiě)序號(hào)構(gòu)成的十字交序號(hào)對(duì)偶序列，借助共享工作容器進(jìn)行對(duì)偶元素去留分析，分析模型為

即將si端點(diǎn)到si、sj交點(diǎn)距離最短的那一對(duì)(i，j)有序填入SEC。dis(wi_endp，wiwj_Inters)為si端點(diǎn)到si、sj十字交點(diǎn)的距離計(jì)算函數(shù)。

4.4 SEL 預(yù)測(cè)

對(duì)于書(shū)寫(xiě)結(jié)構(gòu)確認(rèn)正確的W，設(shè)其存在q對(duì)有可能產(chǎn)生錯(cuò)離的筆畫(huà)，在P[k，lmax]中取第τ對(duì)可能產(chǎn)生錯(cuò)離的si、sj，記為siτ、sjτ，τ=1，2，…，q，識(shí)別siτ、sjτ之間的關(guān)系，并根據(jù)類別選擇θ，將對(duì)應(yīng)的編碼、當(dāng)前(i，j)和θ一起構(gòu)成(iτ，jτ，，θτ)結(jié)構(gòu)，將此結(jié)構(gòu)先存儲(chǔ)在共享工作容器內(nèi)。如此，完成q對(duì)筆畫(huà)的錯(cuò)離碼鏈在SEL中的生成。

算法2生成錯(cuò)離子向量

輸入：P[k，lmax]

輸出：SEL

注釋：nodical 兩筆畫(huà)交點(diǎn)，Cerrorl 錯(cuò)離關(guān)系對(duì)偶容器，對(duì)應(yīng)SEL。

4.5 主要步驟

描述字生成過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一階段是跟蹤文字書(shū)寫(xiě)過(guò)程實(shí)時(shí)生成S、R中的?s及P[k，lmax]；第二階段是基于P[k，lmax]生成R中的?ρ、SEC、SEL。

步驟1讀入當(dāng)前書(shū)寫(xiě)筆畫(huà)數(shù)據(jù)。

步驟2對(duì)筆畫(huà)數(shù)據(jù)進(jìn)行前置處理，并有序存入P[k，lmax]。

步驟3識(shí)別當(dāng)前筆畫(huà)，將對(duì)應(yīng)的筆畫(huà)編碼有序存入S。

步驟4對(duì)于非第1 條筆畫(huà)，分析其與前條筆畫(huà)的關(guān)系，存在關(guān)系，將關(guān)系碼有序存入R；不存在則存入部件分割標(biāo)注。

步驟5有文字寫(xiě)完信息否?無(wú)則轉(zhuǎn)步驟1。

步驟6基于P[k，lmax]查詢部件分割標(biāo)志，識(shí)別部件關(guān)系，將關(guān)系碼替代分割標(biāo)志符。

步驟7基于P[k，lmax]預(yù)測(cè)錯(cuò)交筆畫(huà)，將預(yù)測(cè)的錯(cuò)交。筆畫(huà)的序號(hào)對(duì)偶有序存入SEC。

步驟8基于P[k，lmax]預(yù)測(cè)錯(cuò)離筆畫(huà)，將預(yù)測(cè)的錯(cuò)離筆畫(huà)的4 元結(jié)構(gòu)有序存入SEL。

步驟9結(jié)束。

5 實(shí)驗(yàn)及效果分析

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要硬件模塊包括7 英寸觸摸屏及S3C2440A，32bit ARM920T 內(nèi)核及其控制器，標(biāo)準(zhǔn)配置64MB NAND_FLASH，標(biāo) 準(zhǔn)配置64MB SDRAM 等。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為VS2005，操作系統(tǒng)為wince 5.0，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C++。書(shū)寫(xiě)區(qū)域是N×M=80×80 點(diǎn)陣。采用文獻(xiàn)[3]方法對(duì)筆跡信息進(jìn)行前置處理。以漢字（L1）、英文（L2）、漢拼（L3）融合為例。三文種融合的要素元編碼空間信息結(jié)構(gòu)如表1 構(gòu)如表1 所示。

表1 中β、|β|、?、|?|、φ、|φ|分別為各要素元素集合與相應(yīng)集合所含的元素?cái)?shù)目，(L1，L2，L3)中(L1，L2，L3)表示參入組合的文種（其余類解），沒(méi)有參數(shù)的子集欄目表明該子集為空。取筆畫(huà)粒度m=2，即筆畫(huà)規(guī)模按長(zhǎng)、短2 種狀態(tài)設(shè)置，g1+g2=69，取μ1=13，μ2=17，編碼空間為001～198；筆畫(huà)關(guān)系空間采用3_3 細(xì)分編碼，即e(s?)=2，b2=3，b3=3，B2，B3∈{0，1，2}g3=4，g4=5，取μ3=2，μ4=9，編碼空間為20000～21922；部件關(guān)系空 間 采 用3 區(qū) 位 細(xì) 分 編 碼，即e(p?)=1，b2=3，B2∈{0，1，2}，g5=2，g6=1，取μ5=2，μ6=5，編碼空間為3000x～3192x。圖3 所示為“體”、“E”字的書(shū)寫(xiě)教學(xué)知識(shí)形態(tài)或模板結(jié)構(gòu)及其D的生成內(nèi)容。

對(duì)于模板“體”，寫(xiě)完第1 條筆畫(huà)，筆跡點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)被記錄于P[1]，筆畫(huà)識(shí)別模塊將該識(shí)別結(jié)果“008”存于Cstroke（筆畫(huà)碼）容器，并在圖3（a）界面的S子窗口顯示；第2 條寫(xiě)完，筆跡數(shù)據(jù)放入P[2]，識(shí)別結(jié)果“006”放入前條筆畫(huà)編碼之后。依據(jù)P[1]、P[2]進(jìn)行第2、1 條筆畫(huà)關(guān)系識(shí)別，該關(guān)系為T(mén) 字交關(guān)系，生存的編碼為“20311”，存于Crelation（關(guān)系碼）容器，并顯示于圖3（a）的R子窗口。第3 畫(huà)“短橫”與第2 畫(huà)“長(zhǎng)豎”本系統(tǒng)無(wú)法確定兩者空間關(guān)系，在第2 畫(huà)之后插入部件分割標(biāo)志代碼p，將兩者定制在兩個(gè)緊鄰部件中，并記錄該標(biāo)志在Crelation 中序號(hào)。如此直至第7 條筆畫(huà)即該字的最后一條筆畫(huà)寫(xiě)完，主導(dǎo)筆順的Cstroke生成結(jié)束，Crelation筆畫(huà)關(guān)系編碼生成完畢，但部件關(guān)系待進(jìn)一步分析確定。“體”的書(shū)寫(xiě)數(shù)據(jù)P[k，lmax]見(jiàn)表2 所示，其中k=7，lmax=42，xmax=63，xmin=19，ymax=62，ymin=24。

表1 三文種融合的要素元編碼空間

圖3 描述碼生成實(shí)例

表2 “體”字的P[k，lmax]

根據(jù)記錄的標(biāo)注符在Crelation 中的序號(hào)，第1 輪按序進(jìn)行由標(biāo)注符分割的筆畫(huà)子集（部件）之間的關(guān)系識(shí)別。該文字只記錄了1 個(gè)標(biāo)注符，且序號(hào)為2，即圖3（a）“體”在書(shū)寫(xiě)過(guò)程中被定制為G1和G2兩個(gè)部件，G1?{P[1]，P[2]}，G2?{P[3]，P[4]，P[5]，P[6]，P[7]}。利用均質(zhì)比較法識(shí)別G1、G2關(guān)系為居中左右關(guān)系，賦予30011 碼，該碼存于Crelation 容器，并顯示在圖3（a）的R子窗口。從P[3]開(kāi)始進(jìn)行錯(cuò)交預(yù)測(cè)。端點(diǎn)筆段長(zhǎng)度取5，延伸步長(zhǎng)取2，延伸長(zhǎng)度至文字最值邊線，預(yù)測(cè)結(jié)果存入Cerrorc（錯(cuò)交碼）容器，并顯示在圖3（a）的SEC子窗口。從P[3]開(kāi)始進(jìn)行錯(cuò)離預(yù)測(cè)，十字交取θ=0，點(diǎn)與筆畫(huà)T字交取θ=2，端點(diǎn)T 字取θ=5，預(yù)測(cè)結(jié)果存入Cerrorl（錯(cuò)離碼）容器，并顯示在圖3（a）的SEL子窗口。

圖3（b）為英文大寫(xiě)字母“E”的書(shū)寫(xiě)模板及其D，該字存在一對(duì)預(yù)測(cè)錯(cuò)交筆畫(huà)，無(wú)錯(cuò)離結(jié)構(gòu)。

對(duì)30 個(gè)英文字母，30 個(gè)漢語(yǔ)拼音字母，340 個(gè)漢字進(jìn)行編碼實(shí)驗(yàn)，正確率達(dá)到98.3%，錄入速率與人工編碼比較，效率提高15%，冗碼率如圖4 所示，字?jǐn)?shù)越多，人工冗碼率越大，而自動(dòng)編碼較平穩(wěn)。

圖4 手動(dòng)與自動(dòng)生成描述字冗碼率對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

描述字自動(dòng)生成是多文種融合的文字書(shū)寫(xiě)教學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。本文從文字書(shū)寫(xiě)過(guò)程的角度給出適用于多文種融合的描述字結(jié)構(gòu)，提出要素元編碼空間構(gòu)建方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)文字書(shū)寫(xiě)過(guò)程描述字自動(dòng)生成算法。描述字為教學(xué)知識(shí)點(diǎn)不可或缺內(nèi)容，知識(shí)庫(kù)為獨(dú)立系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與功能不僅應(yīng)便于描述字自動(dòng)生成及知識(shí)運(yùn)用，還應(yīng)便于知識(shí)管理，如入出庫(kù)位置檢索、知識(shí)增減、知識(shí)調(diào)整、知識(shí)閱讀等。文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)的教學(xué)知識(shí)來(lái)源于本文系統(tǒng)，即本文成果在文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)中得到實(shí)用。多文種融合的文字書(shū)寫(xiě)過(guò)程描述字自動(dòng)生成方法的深化研究可借鑒文獻(xiàn)[12]等提供的多目標(biāo)進(jìn)化算法理論成果，各類關(guān)系識(shí)別方法的改進(jìn)可參考文獻(xiàn)[13-15]等。

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