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| 編輯推薦： |
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从事文字书写自动教学的学者、专家、工程师等。自动化、电子等学科的高年级本科生、硕博研究生等
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| 內容簡介： |
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《多文种融合文字书写自动教学理论与技术》较全面研究多文种融合文字书写自动教学系统涉及的核心技术，包括多文种兼容的交互结构技术、面向书写教学的书写模式预处理技术、书写过程计算模型设计、教学知识资源构建、自动教学语音技术、系统缺省文种（汉字、汉语拼音、英文）文字书写自动教学实现技术及文字书写自动教学教室系统组建技术等。所介绍的技术既是多文种文字书写自动教学系统不可或缺的有机组成部分，相互具有密切的关联性，但在某种程度又具有一定的独立性，因此，对于每项技术均给出单独概述，阐明其研究意义、背景及现状等；每项技术都给出实验研究描述。
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| 目錄：
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目录
《智能科学技术著作丛书》序
序
前言
第1章绪论1
1.1文字书写自动教学研究意义1
1.2文字书写自动教学研究范围与应用2
1.3文字书写自动教学研究成果与分类3
1.3.1描红教学3
1.3.2自由式手写教学4
1.3.3文字书写教学系统分类5
1.4实现多文种融合文字书写自动教学面临的主要问题5
1.5多文种融合文字书写自动教学系统一般结构7
1.6多文种融合文字书写自动教学系统主要环节的已有工作9
1.6.1关联文字书写过程计算的已有工作10
1.6.2关联多文种融合教学知识的已有工作11
1.6.3关联多文种融合交互结构的已有工作11
1.6.4关联面向文字书写教学的触摸信息前置处理的已有工作12
1.6.5关联多文种融合文字书写教学的教学语音的已有工作12
1.6.6关联汉字？汉语拼音及英文等文种实现文字书写自动教学的已有工作14
1.6.7关联文字书写自动教学的教室系统的已有工作16
1.7多文种融合文字书写自动教学深化研究的主要课题19
第2章书写过程计算20
2.1过程笔画子集与笔顺21
2.2过程关系与部件定制23
2.2.1过程笔画关系24
2.2.2过程部件及关系26
2.3书写过程计算模型构建27
2.3.1计算结构定义27
2.3.2计算结构图解29
2.3.3计算结构实现机制30
2.4文字建模实例32
第3章多文种融合教学知识35
3.1教学知识点35
3.2多文种可融合性分析36
3.3计算元编码38
3.4QBW自动生成39
3.4.1主导笔顺码链生成40
3.4.2错交笔顺向量生成42
3.4.3错离笔顺向量生成43
3.4.4QBW生成过程的主要结构44
3.5知识容器设计45
3.5.1容器主体模块45
3.5.2容器记录索引指针映射模块46
3.5.3知识输入功能模块47
3.5.4知识输出功能模块47
3.6多文种融合的书写计算码创建实例47
第4章多文种融合交互结构52
4.1概述52
4.1.1练习人群的特征52
4.1.2设计交互结构所面临的问题53
4.2交互结构框架描述53
4.2.1交互界面的隐喻54
4.2.2交互功能设置54
4.2.3交互行为的描述55
4.3交互结构基本功能实现方法57
4.3.1书写格式成型57
4.3.2例字布局和点选58
4.3.3书写范围监督59
4.3.4练习字数布局60
4.3.5明页暗页互换60
4.3.6回清功能63
4.3.7作业保存和提交64
4.4文字书写教学系统的一般交互效果66
第5章书写信息前置处理72
5.1概述72
5.2噪声分析73
5.2.1笔迹信息采集73
5.2.2噪声分类74
5.3双色噪声消除76
5.3.1白色噪声及消除76
5.3.2黑色噪声及消除77
5.4抖动噪声虚拟平滑78
5.4.1关键点求取78
5.4.2虚拟平滑79
5.5预处理实例81
第6章多文种融合教学语音85
6.1异类文种音素关联分析85
6.1.1音素关联的生理基础85
6.1.2音素关联的语言学基础86
6.1.3异类文种音素关联分析86
6.1.4音素？音节语音拼接分析89
6.2音素序列自动截取90
6.2.1单个音节截取90
6.2.2音素切分98
6.3音素融合与语音重构105
6.3.1序列小波变换与特征矢量提取105
6.3.2共享矢量集的生成106
6.3.3编码与解码算法108
6.3.4语音重构检索逻辑109
6.4实验及其效果分析110
6.4.1实验环境110
6.4.2实验过程112
6.4.3实验效果分析114
第7章汉字书写自动教学117
7.1汉字书写结构分析117
7.2自动教学实现118
7.2.1笔画及笔画关系书写教学119
7.2.2错交？错离关系教学122
7.2.3部件关系教学124
7.2.4教学过程主体结构126
7.2.5实验及其效果分析126
7.3汉字书写质量模糊评价方法130
7.3.1触摸屏汉字书写畸变现象131
7.3.2书写特征模糊子集构造131
7.3.3评价实例与效果分析138
7.4触摸屏手写汉字笔画的笔力模糊评价141
7.4.1笔力不适的汉字书写现象141
7.4.2隶属度模板构建142
7.4.3评价实现146
7.4.4评价实例与效果分析148
第8章汉语拼音书写自动教学151
8.1概述151
8.1.1汉语拼音作用及书写特点151
8.1.2汉语拼音书写自动教学面临的问题151
8.2汉语拼音书写结构152
8.2.1音节结构152
8.2.2笔画结构153
8.2.3笔画关系结构158
8.2.4声调及标调原则159
8.3汉语拼音书写过程跟踪与分析160
8.3.1书写过程QBH160
8.3.2书写跟踪实现165
8.4实验及效果分析171
8.4.1笔画关系教学171
8.4.2声调书写教学173
第9章英文书写自动教学176
9.1概述176
9.1.1研究意义与背景176
9.1.2实现英语书写自动教学所面临的问题177
9.2英文单体字母书写自动教学方法177
9.2.1单体英文字母书写分析178
9.2.2单体字母笔画书写跟踪与分析181
9.3英文字母连写自动教学方法191
9.3.1连写笔画特点分析及分类191
9.3.2字母连写中的错误笔画分析193
9.3.3连写笔画跟踪模板构建198
9.3.4连写笔画跟踪及评价实现207
9.4实验及其效果分析209
9.4.1单体英文字母书写教学实验209
9.4.2字母连写教学实验212
第10章文字书写自动教学教室系统221
10.1概述221
10.1.1背景及意义221
10.1.2构建文字书写自动教学教室系统所面临的问题222
10.1.3设计嵌入式局域网协议所面临的问题222
10.2教室系统基本结构及工作原理223
10.2.1体系结构223
10.2.2硬件配置224
10.2.3学生端工作原理225
10.2.4教师端工作原理225
10.3文字书写教室系统嵌入式局域网协议225
10.3.1协议分析226
10.3.2协议帧格式与状态转换226 10.3.3流量控制与确认机制228
10.3.4错误检测与恢复230
10.3.5协议效率与实时性能分析233
10.4教师端设计与教室系统实现236
10.4.1教师端功能设置和界面设计236
10.4.2系统网络通信237
10.4.3教室系统功能实现241
10.5试验及效果分析246
10.5.1CSELP协议试验246
10.5.2文字书写教室系统试验249
参考文献252
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| 內容試閱：
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第1章绪论
计算机技术与触摸技术的结合为文字书写自动教学提供了坚实的技术基础。多文种融合的文字书写自动教学技术是单文种文字书写自动教学技术的发展。文字书写自动教学理论与技术属于智能模式信息处理研究范畴。多文种融合的文字书写自动教学是文字书写自动教学研究的***别的研究领域，涉及计算机应用技术、嵌入式触摸技术、人工智能、模式识别、图形学、文字信息处理及统计决策理论、编码学、教育学、语言文字学、语音学、心理学、生理学等。
1.1文字书写自动教学研究意义
中国教育部历年发布的全国教育事业发展统计公报表明，我国每年有超过1亿小学生需针对汉字开设专门的写字练习课或完成练习写字作业，耗费32K纸张约30多亿张，加上汉语拼音、英文文字书写练习本所需的纸张数目，使得每年仅为生产文字书写练习簿所需纸张砍伐的树木、排放的污水触目惊心。传统的纸质练习簿文字书写学习方式，除了对生态造成重大影响外，在练习过程及师生教学关系上也存在多种弊病，如笔迹修改的擦拭效果差是长期无法解决的顽疾，而且现在许多的擦拭用品都对身体有害；老师通过板书进行示范教学，时间短暂效果有限，尤其是大班上课和模仿反应能力相对迟缓的同学；教师的工作精力和工作效率有限，只能对极少数同学亲临指导，导致相当一部分同学带疵跟班等。随着触摸信息处理技术的发展，用智能方法推进文字书写学习方法与教具的变革已为可能，变革成功不但有益于生态建设和促进信息技术的普及，还可以加速传统教学手段和教具向现代化转型。
具有非单一文种知识是现代社会发展的基本要求。环境友好型社会建设（解振华，2005）及信息技术普及的不断深化，利用触摸技术改进文字书写教学方法与教具已时不我待。现有的文字书写教具多为单一文种的描红或模板化的联机文字书写训练系统（李东青，2008；陈定，2008；Tang，et al.，2006； 欧忆如，等，2006），主要采用定位笔画书写模式识别技术，对文字书写过程不需要过于严密的描述参数表达及过多、过细的教学内容交互，因此相应的系统只能成为受众少且使用周期很短的文字书写学习的教辅工具。文字书写教育的实际情况表明，要实现无纸化文字书写学习，必须使联机文字书写学习系统成为知识丰富、交互友好的虚拟教师，功能强大、多文种兼容、可实现课堂教学效果、能仿真纸质书写练习本，并能服务于整个文字书写学习教育阶段等的文字书写智能教具。
1.2文字书写自动教学研究范围与应用
按至今取得的成果属性区分，手写文字信息处理主要呈现出两个发展方向，**个方向是以识别书写结果为目的的手写文字信息处理（手写识别），主要有两个方面的应用，一个方面是用于文字信息的输入（戴永，1984，1986，1988；刘迎建，等，1992；陈友斌，等，1998；唐降龙，等，1999；薛炳如，1999；肖旭红，等，1997，1998；征荆，等，1997；高岩，2013，Du，et al.，2014;Impedovo，et al.，2014）；另一个方面是用于电子白板实时将手写文字转换为规范字体显示（Nescher，et al.，2011;萧幪，等，2004;Tapia，et al.，2003）。第二个方向是以指导文字书写为目的的手写文字信息处理（手写教学），主要就文字书写过程进行智能监督、分析与评价。现有手写教学方法按监督形式分类，一类是通过可视文字模板或红影字进行监督、分析与评价（李东青，2008；陈定，2008;Tang，et al.，2006，欧忆如，等，2006）；另一类是通过文字形态描述字进行监督、分析与评价，可实现有限的自由式手写教学（戴永，2011;胡智慧，2010；Hu，2008;Cook，2003）。手写识别与手写教学在核心技术上存在重大差异，两者之间核心技术比较如表1-1所示。
表1-1手写识别与手写教学的核心技术比较
手写识别手写教学理论体系核心未知模式分类方法已知文字书写过程的跟踪与分析方法知识库内容一个模式设置多个书写样本一个文字设置一个标准教学知识点知识库结构按分类特征构建按文种、年级、课文等编码索引知识库内容功能未知模式分类监督文字书写过程工作流程获取特征→进入知识库匹配教学知识出知识库→分析书写现状所要达到的目的给出未知模式类别属性（正确、错误、拒识）对书写结果或过程产生教学意见。
手写识别与手写教学的关键区别在于理论体系核心。手写识别研究的是未知模式分类方法而手写教学研究的是在已知文字及其书写过程的前提下如何跟踪、分析用户书写已知文字的过程的方法，两者存在一系列不能共享的技术。
手写识别理论与技术已经进入成熟期，研究成果基本产业化，但人们仍在不懈探索值得注意的是，在手写识别研究取得辉煌成果的同时，人们并未能重视手写教学理论与技术的深化研究，并产生一定程度的认知误区，即认为手写教学可以适用于手写识别的科学理论与技术。基于这一认知层面，手写教学的研究成果长期徘徊在单文种、笔迹及其笔画结构按可视模板练习、指导粗放、学习内容的来源及其组织与学校教学要求不协调等低水平范围。到目前为止，报道的手写教学系统多用于辅助低龄儿童学前教育或一年级小学生的描红层面的写字启蒙教学（黄法昌，2006；荆耀辉，等，2011；李少平，2006；王潇玲，2009；吴宗翰，等，2003；熊明山，2002；张柄煌，等，2007）。更高层面的文字书写自动教学研究，首先是在理论方面要摆脱手写识别理论框架的束缚，需从教学特点出发发现与探究手写教学各方面内容的形式化表达，内在规律挖掘、推理与证明，形态和关系的演绎等，例如表1-1中基于已知模式书写过程的跟踪与分析方法、书写过程描述字或教学知识点创建、工作流程设计等的研究。另外在应用方面，无纸化、描红、便携等是*基本功能，更重要的是实现多文种兼容、自由式或无模板书写、跟踪书写过程进行细节指导、练习内容与国民义务教育协调、联网教学等，使得文字书写自动教学系统不但是有知识的“教师”，还具有实际教师难为的本领。
1.3文字书写自动教学研究成果与分类
依据文字书写自动教学系统允许的用户书写方式，研究成果大致可分为描红类、自由式书写类。按照系统的教学方式，现有文字书写自动教学研究成果出现了课本式指导等多种类别。
1.3.1描红教学
聂国权（1992）提出一种书写练习器，由模板、书写笔、电子鸣响器等组成，模板为被练习汉字的模板。刘禹等（1994）提出计算机辅助汉字书写教学汉字字形库生成系统设计方法。陈淮琰（2003）针对汉字提出一种学习文字书写的电子装置及其操作方法，该发明将被练习汉字显示在手写显示屏上，用户模仿书写。欧忆如等（2006）提出一种具有书写教学功能的可携式电子装置，用户在触控银屏上手写笔画，识别模块结合文字笔顺资料及所写笔画识别出文字，并将文字显示在触控银屏上，处理单元将触控银屏上的文字变成空心字体，然后按照该文字的标准笔顺填充它，填充完后自动将文字恢复为空心字体供用户描红书写用。Tang等（2006）提出填写式练习写字方法，主要用于指导笔画顺序，系统在字库中选择文字，由用户选择文字的笔画顺序，系统根据用户选择的笔画顺序，反馈给用户指导意见。李东青（2008）给出一种在书写式电子装置中进行文字笔画校正的方法，该方法在选定的词库中随机选择一组测试文字，逐个显示测试字模，用户可以通过触摸屏练习写字，落笔在字模内，根据起笔抬笔位置，在字模范围内描红，文字写完后，系统中的手写辨识模块和标准笔顺对比，判断笔顺的正误，按演示键给出标准笔顺演示。陈定（2008）给出点导法汉字写字学习法，其过程为设置文字书写平面，在书写平面上设置字框，在字框中显示参照汉字，再在另外字框中设置该汉字的点化字迹，点距、点数及字迹颜色深浅，用户沿点化字迹学习书写，这种方法是描红式的衍生，用文字骨架代替了文字框架，但用户书写过程仍是被动的。
1.3.2自由式手写教学
自由式手写教学目前有两种基本的研究方案，一是整字教学法，用户整字书写完毕后，系统根据记录的笔迹数据对书写内容进行识错与教学；二是对书写过程进行跟踪与分析，在任何书写环节，如笔画、笔画关系、部件关系等的书写过程中见错就改。低龄时代的认知与行为内容很容易被铭记，作为教学系统应尽可能使教学内容让用户见错就改。
Cook（2003）提出的一种基于笔画和部件的汉字字形描述系统，主要特点是将汉字递归地分解为部件的组合，*底层的部件是笔画，可以从汉字部件拆分的角度进行汉字书写识别与书写指导。Hu（2009）、胡智慧（2010）研究了一种中文手写教学系统的自动错误检测算法，给出一些汉字的书写演变和分析规则，用于汉字书写教学的汉字书写智能识错技术，通过对传统ARG改进及结合Kmeans聚类算法完成细化型空间关系分类，可以在用户完成整字书写后指出笔画、笔顺等书写错误。Yamaguchi等（2011）介绍了他们构思的联机手写汉字书写学习支持服务系统评价方法。
王耀等（2010）就英文字母在四线格式中自由式书写质量提出一种多角度综合的评价方法，该方法为每个练习对象建立参比模式及书写质量描述字，评价内容分为比例、位置、大小、畸变四类。戴永等（2011）提出一种可联网交互的多功能规定格式习字系统方案，该方案给出了新型习字系统应具备的一些基础功能和基本操作规范。戴永等（2014）还以汉字书写为例就面向联机自由式书写指导的触摸笔迹的特点提出专门应对的前置处理方法，白色噪声通过线性插值算法消除，黑色噪声采用阈值去重，抖动噪声进行虚拟平滑；戴永等（2012）研究了面向指导的自由式英文字母书写跟踪与分析方法，根据大小写英文字母笔画与笔画关系自由式书写特点，通过曲率梯度分析笔迹走向、测试笔画形状、辨识书写过程笔画关系等。
1.3.3文字书写教学系统分类通过多年的研究，文字书写自动教学系统取得许多可喜成绩，根据用户使用方法，已有系统可以大致分为四类。
1.课本式的指导系统课本式的智能指导系统（Lam，et al.，2001，1993）只在理论层次上教授学生如何正确写作，就像学生的教科书一样，在屏幕上显示出文字的书写过程，学生通过观察系统的整个书写步骤，了解正确的书写方式。在这个系统中，不存在书写练习输入，从而就没有智能指导意见的产生。在这个教学过程中，系统仅扮演了课本的角色，并不能有效的对学生的书写错误做出判断和指导。
2.选填式的指导系统填写式主要用于指导笔画顺序。系统在字库中选择文字，由用户选择文字的笔画顺序，系统根据用户选择的笔画顺序，反馈给用户指导意见Tang，et al.，2006。在这类系统中，虽然有用户输入，但是用户输入信息过于简单，只有笔画顺序关系，不存在自由书写的笔迹采样轨迹，因此不存在笔迹分析和笔画关系空间位置分析，难有良好的指导效果。
3.描红式的指导系统描红式的指导系统均是在规定的区域内做出文字框架形状，用户需要按照文字框架书写，如1.3.1节介绍的成果。
4.可自由式书写的指导系统这是一种精准型的文字书写指导系统。将笔画空间关系定位到更详细的层面，能更全面地描述文字存在的结构信息，如1.3.2节介绍的成果。
1.4实现多文种融合文字书写自动教学面临的主要问题
从单文种过渡到多文种融合的文字书写自动教学面临的主要问题包括如何提供实用友好的交互结构；适宜于教学需要的触摸信息前置处理方法；书写过程计算模型的构建；教学知识生成及其管理；教学语音；具体文种文字的教学机理；文字书写自动教学教室系统的设计与实现等。这些问题既关乎多文种融合文字书写自动教学系统的核心技术，又是系统结构的重要组成部分和工作环节。
①交互结构直接影响系统的实用性。设计的内容包括对不同文种纸质文字书写练习簿、书写笔、对应教科书的文字展列、作业布局等载体与人体行为的隐喻。尤其是对练习簿与书写笔的隐喻，不能仅仅停留于文种格式的变换，还必须根据用户年龄、学龄、身体状况等进行相关场景要素的调整，如书写笔画的粗细、书写格式的幅面等的手动或自动调整。
②触摸信息前置处理方法
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