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联机手写化学公式处理关键问题研究

杨巨峰  
【摘要】: 表达式处理一直是研究的热点,因其结构复杂、含义丰富、形式多样,相关研究面临诸多困难。随着移动设备的日渐普及,联机手写输入方式为表达式处理提供了时序分析的新方法。该类研究需要综合应用模式识别、文档图像处理、人机交互等多领域知识。 两种最重要的表达式是数学公式和化学公式。针对数学公式处理的研究已经非常成熟,市场上也有了相关产品,但是专门针对化学公式的研究还很不充分。因此,本文以在平板电脑(Tablet PC)上联机书写的化学公式和符号为处理对象,重点研究其识别、分析和理解的相关技术。具体说来,本文的主要工作包括: 1.构建联机手写化学符号识别框架 本文针对联机手写化学符号书写随意、变形情况多的特点,基于改善符号质量和规范字形字貌两个考虑调整符号采样点的空间分布,进而设计了一个两级分类器对102种符号进行分类和识别。 2.化学公式版面结构分析 本文基于联机手写化学公式的版面结构信息,对符号进行多级切分。综合运用了垂直投影、连通域、字符宽度和部件结构等技术分析公式的组成关系。其中,特别针对联机手写样本中常见的断笔、粘连、连笔等情况进行了专门处理。实验结果表明,本文设计的结构分析方法可以应用于无约束书写的公式样本集。 3.化学公式语法分析和语义理解 本文利用化学公式的语法特点,按照“生成符→分隔符→文本区域→有机环结构”的顺序依次提取公式的主要成分。对于有机环结构,分析其原子所在位置及原子间的键连接方式,并以邻接矩阵的形式存储。在上述过程中,一条手写化学公式被转换为内存中的一棵公式语法树,该结构可用于化学公式的存储、重现和检索。最后,利用元素守恒定律校验分析结果的语义合法性。 4.实现纯笔式化学人机交互 基于本文提出的化学公式识别、分析和理解流程,设计了15种手势用于执行各种交互操作。手势的设计依赖于两个原则:符合用户期望和易于机器辨识。利用手势,还可以在平板电脑上演示简单的化学实验。 5.建立联机手写化学公式的实验数据集 本文采集了一个用于联机手写化学公式处理的实验数据集。详述了对象确定、采集工具制作、实施采集、样本标注的全过程,并对数据集的属性和特点进行了分析。


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