TW201320031A - 具人臉表情辨識輔助之測驗系統及方法 - Google Patents
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Abstract
一種具人臉表情辨識輔助之測驗系統及方法，係預先於表情分析資料庫儲存複數表情資料，受測者對測驗模組所提供之測驗程序進行測驗並紀錄該受測者之測驗結果，且在測驗程序同時，影像擷取模組擷取受測者之臉部表情以得到該受測者之人臉影像資料，最後利用校正模組比對該人臉影像資料與儲存於該表情分析資料庫之複數表情資料，以由該人臉影像資料得到受測者的表情反應資料，並透過該表情反應資料來校正所得到的測驗結果且儲存於表情反應資料庫，本發明利用人臉表情辨識來輔助判斷測驗結果，不僅可提升測驗準確性，更可作為後續提供測驗試題之依據。
Description
本發明係關於一種具人臉表情辨識輔助之測驗系統及方法，詳而言之，係一種利用人臉表情辨識來輔助判斷並校正測驗結果之測驗系統以及其測驗方法。
科學教育引進電腦教學及線上測驗已有一段時日，為了提升教學品質或測驗成果，改進方法上可強化人機互動功能，或依據測驗成績來提供教學內容，然而不論如何改善，仍難由學習或測驗過程中取得學習者或受測者對於教材或試題內容的反應。
有鑒於影像辨識技術日漸成熟，目前已有利用生物辨識科技(biometric technology)來輔助學習及測驗，例如透過人臉辨識來進行身份驗證，又或者如中華民國專利公開第200839665號「線上學習系統情境偵測之方法」所揭示，利用影像辨識來知悉學習者是否專心學習，然而前述方式仍無法取得受測者的情緒改變。對教學系統或測驗系統而言，在無法得知學習者或受測者情緒反應下，難保學習效果或測驗結果的準確性，例如受測者答對某一測驗試題，但有可能是猜對、有可能是已做過、又或者確實有能力答對，如此即便測驗分數再高，也無法確定受測者的真實程度，縱使事後可取得受測者對試題看法，但仍難保所得到訊息是否正確，因而，若進一步能取得受測者於測驗或學習者於學習期間的表情反應，對於判斷受測者表情改變來輔助提高確認測驗結果正確性應有極大助益。
因此，如何找出一種可由受測者之表情改變以確認測驗結果正確性之測驗系統，亦即在受測者測驗期間取得該受測者的表情變化，而非事後透過問卷、訪談等方式得到，藉此校正測驗結果以提升準確性，實屬本領域之技術人員所應努力的目標。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之目的在於提出一種以人臉表情辨識輔助測驗的測驗系統，透過辨識受測者的表情變化來校正其測驗結果。
本發明之另一目的在於，運用經校正後測驗結果而得到該受測者的程度為何，並藉此作為後續測驗試題或教學方向之準確性。
為達前述目的及其他目的，本發明提供一種具人臉表情辨識輔助之測驗系統，係包括：表情分析資料庫，係用於儲存複數表情資料；測驗模組，係當受測者進行一測驗程序時，紀錄該受測者之測驗結果；影像擷取模組，係於該受測者進行該測驗程序時擷取該受測者之臉部表情，以得到該受測者之人臉影像資料；校正模組，係將該人臉影像資料與儲存於該表情分析資料庫之複數表情資料進行比對，以得到該受測者進行該測驗程序的表情反應資料，並藉由該表情反應資料校正該測驗結果；以及表情反應資料庫，係用於儲存該測驗結果、該人臉影像資料及該已校正之測驗結果。
於一實施形態中，該校正模組復包括分析單元，係用於分析複數組連續之該人臉影像資料，以得到該受測者之時序性之表情變化數據，俾使該校正模組藉由該時序性之表情變化數據校正該測驗結果。
於另一實施形態中，該具人臉表情辨識輔助之測驗系統復包括試題生成模組，係依據該校正模組校正後之測驗結果產生對應該受測者程度之測驗試題。
又，本發明復提出一種具人臉表情辨識輔助之測驗方法，係包括以下步驟：(1)於受測者進行一測驗程序時紀錄測驗結果；(2)於該測驗程序中擷取該受測者之臉部表情，以得到該受測者之人臉影像資料；(3)將該人臉影像資料與預存於表情分析資料庫中之複數表情資料作比對，藉以得到該受測者之表情反應資料；以及(4)依據該表情反應資料校正該測驗程序之測驗結果。
於一實施形態中，該具人臉表情辨識輔助之測驗方法復包括步驟(5)，該步驟(5)係將儲存已校正之測驗結果，以作為後續測驗程序之出題依據。
於一較佳實施形態中，該步驟(4)係包括預設該測驗程序之預測反應資料，並分析該表情反應資料與該預測反應資料之差異以校正該測驗結果。
相較於習知技術，本發明提出一種具人臉表情辨識輔助之測驗系統及方法，係於測驗程序期間擷取受測者的人臉表情，並與表情分析資料庫內的表情資料作比對，以得到該受測者在測驗程序中的表情變化，藉此知悉該受測者對於該測驗程序內測驗試題作答時的情緒反應，必要時校正所得到的測驗結果，透過人臉影像擷取方式並不會影響受測者的測驗，且搭配預測反應資料以協助分析，更能確保測驗結果的準確性。另外，經校正後的測驗結果可應用在後續的測驗或教學上，對現行線上教學或測驗無法面對面觀察之缺陷，具有極大助益。
以下係藉由特定的具體實施形態說明本發明之技術內容，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
如第1圖所示，係本發明之具人臉表情辨識輔助之測驗系統的系統架構圖。於此須說明的是，本發明之具人臉表情辨識輔助之測驗系統(以下簡稱測驗系統)可應用於電腦等資料處理設備中予以執行，以提供受測者100進行測驗，其技術特徵在於影像擷取應用於測驗系統1中，因而並無侷限其測驗內容。該測驗系統1包括：表情分析資料庫10、測驗模組11、影像擷取模組12、校正模組13以及表情反應資料庫14。
表情分析資料庫10係用於儲存複數表情資料。詳言之，為了分析受測者100臉部表情所代表的意義，故於表情分析資料庫10內會先預存複數個表情資料，像是快樂、悲傷、生氣、驚訝、害怕與厭惡等，以供與實際擷取到的人臉影像資料作比對。
具體來說，表情資料可利用概念衝突方式做為取得的方式之一，由改變概念的內容設計以產生情緒改變，例如：本發明中是採用預測-觀察-解釋-視覺化-比較(Prediction-Observation-Explanation-Visualization-Comparison,POEVC)的方式來產生，亦即透過先預測發生結果、觀察實驗經過、解釋事件、動畫模擬及比較預測與模擬差異等過程，因概念衝突而產生各種不同人臉表情，在重複多個經設計實驗後，可產生該些表情資料並儲存，以供於本發明表情辨識比對之使用。惟，前述POEVC方式僅為示例，本發明仍可採用其他具有概念衝突或引起學生有較明顯反應的設計方式來取得表情資料。
測驗模組11係產生測驗試題並於受測者100進行一測驗程序時，紀錄該受測者100之測驗結果。受測者100欲進行測驗時，該測驗模組11依據受測者100需求，例如年級、範圍、困難度等而提供適當的測驗試題，並於測驗程序中同時紀錄該受測者100的測驗結果，其中，該測驗程序包括測驗影像、測驗語音或測驗試題，並提供給予該受測者100進行測驗。
影像擷取模組12係於該受測者100進行該測驗程序時擷取該受測者100之臉部表情，以得到該受測者100之人臉影像資料。具體來說，該影像擷取模組12可為照相機、攝影機或其他影像擷取裝置，受測者100透過測驗模組11進行測驗程序時，影像擷取模組12可同步對受測者100臉部攝影，藉以取得該受測者100之臉部表情，並將所擷取之該些影像儲存為人臉影像資料。為了後續分析比對，該影像擷取模組12與測驗模組11係同步進行，並以時間為基準紀錄該受測者100的影像及測驗事件。
校正模組13係將該人臉影像資料與儲存於該表情分析資料庫10之複數表情資料進行比對，以得到該受測者100進行該測驗程序的表情反應資料，並藉由該表情反應資料校正該測驗結果。為使測驗結果能提高受測者100對於測驗程序內容的認知程度及其表情變化之關係，因而依據所擷取到的人臉影像資料來比對表情分析資料庫10內的表情資料，藉此得到受測者100在測驗程序中的表情反應變化，例如當受測者100有疑惑表情但該測驗試題仍答對時，則表示該受測者100對該測驗試題可能有不熟悉或是猜測之情況，此時對於僅記載對錯或分數的測驗結果則需進行校正，才能真實呈現受測者100的程度。
如前所述，該校正模組13內包括臉部辨識系統(未圖示)，利用臉部的55個特徵點來辨別受試者的臉部表情，當然影像擷取模組12在影像擷取過程尚需注意環境條件，如光線、背景或攝影機設定等，此皆為影響人臉表情影像辨識之因素。惟，本發明重點在於將影像辨識應用於測驗系統上，且現行影像辨識技術已十分成熟，故於本發明中對影像辨識部份不再詳述。
表情反應資料庫14係用於儲存該測驗結果、該人臉影像資料及該已校正之測驗結果，換言之，前述表情分析資料庫10係用於儲存表情資料，而其他資料，如測驗模組11產生的測驗結果、影像擷取模組12產生的人臉影像資料、以及經校正模組13校正後的測驗結果，可儲存於表情反應資料庫14中。惟，本實施例所述表情分析資料庫10和表情反應資料庫14皆用於資料儲存，在考量簡化系統下，亦可將兩者整合為單一資料庫。
除了透過人臉影像資料來判斷受測者100的表情變化外，於另一實施例中，該表情反應資料庫14儲存有該受測者100對該測驗程序之預測反應資料，且該校正模組13係分析該表情反應資料與該預測反應資料之差異以校正該測驗結果。前述係說明該些測驗程序可被預設出可能的預測反應資料，該校正模組13將該預測反應資料與透過人臉影像資料與表情資料比對而得到的表情反應資料進行分析，找出兩者差異以輔助校正該測驗結果。舉例來說，在受測者100依其認知對某一實驗作預測後，當實驗過程與受測者100認知相同時，則該受測者100臉部表情不會出現驚訝或嚇一跳的情況，相反地，若與受測者100預期認知與實際結果不一致時，則可由受測者100臉部表情得到如驚訝的表情。故，利用預測反應、臉部影像及實際情緒反應來校正，更能提高其準確度。
由上可知，透過影像擷取不僅不影響受測者100的測驗程序，且利用影像辨識以知悉受測者100在測驗程序中當下表情反應變化，進而得到該受測者100對測驗程序內容的認知程度，而輔助測驗系統對測驗結果再作進一步判斷，如此有助於提升測驗準確性。需說明的是，雖然本實施例之測驗系統1是以測驗程序為範例，但本發明亦可適用於線上教學系統，亦即透過學習者之臉部表情辨識，來輔助判斷學習者的學習情況。
請參閱第2圖，係本發明之具人臉表情辨識輔助之測驗系統另一實施例的系統架構圖。如圖所示，本實施形態之測驗系統2同樣為具有利用臉部表情辨識以輔助校正測驗結果，其中，表情分析資料庫20、測驗模組21、影像擷取模組22、校正模組23以及表情反應資料庫24的功能與第1圖所示的實施形態相同，故不再贅述。本實施例與前述實施例的主要差異在於，該測驗系統2之校正模組23復包括分析單元231，以及該測驗系統2復包括試題生成模組25。
於本實施例中，校正模組23復包括分析單元231，係用於分析複數組連續之該人臉影像資料，以得到該受測者200之時序性之表情變化數據，俾使該校正模組藉由該時序性之表情變化數據校正該測驗結果。換言之，該分析單元231可分析由影像擷取模組22所擷取的複數個人臉影像資料，藉此得到該受測者200具時序性的表情改變數據，如此該校正模組23藉由該時序性之表情變化數據可校正先前所取得的測驗結果，如此有助於判斷測驗程序內容(或教學內容)對受測者200(或學習者)的影響度，例如，某些內容與預先認知不同時，則透過連續人臉影像資料的變化可得到受測者200前後表情改變，以協助校正測驗結果，而校正後測驗結果產出後可被儲存，以供觀看或教師學者分析研究。
於另一實施例中，分析單元231將該人臉影像資料以及由該受測者200提供之預測反應資料進行校正，藉以產生新表情資料並儲存於該表情分析資料庫20中。為了讓表情分析資料庫20內表情資料更豐富，且提供校正模組23更精確比對，分析單元231可將影像擷取模組22所擷取的人臉影像資料，與該受測者200所提供的預測反應資料作三角校正處理，該預測反應資料係由受測者200依據測驗程序預測而產生，使得校正後該些人臉影像資料可儲存於表情分析資料庫20而成為新的表情資料，如此可供日後臉部辨識之用。
於又一實施例中，該測驗系統2復包括試題生成模組25，係依據該校正模組23校正後之測驗結果產生對應該受測者200程度之測驗試題。試題生成模組25可接收來自該校正模組23校正後的測驗結果，或者由該表情反應資料庫24經該校正模組23取得已校正之測驗結果，由於校正模組23校正後的測驗結果更能表達出該受測者200的能力，因而，試題生成模組25依據校正後的測驗結果而提供測驗試題給予測驗模組21，如此該測驗模組21後續可提供適合該受測者200之測驗試題的測驗程序，直到受測者200完成該次測驗，而相關測驗過程及資料可被儲存以作為後續研究之用。同樣地，亦可將前述內容應用於教學系統，藉此提供學習者較佳的學習內容。
請配合前述第1、2圖所示具人臉表情辨識輔助之測驗系統，以下將說明本發明之具人臉表情辨識輔助之測驗方法的流程圖，如第3圖所示。
於步驟S301中，於受測者進行一測驗程序時紀錄該受測者之測驗結果。首先，受測者於測驗程序進行測驗並將測驗結果紀錄下來，該測驗結果即為受測者的作答結果，習知在無法得知受測者面對測驗程序內測驗試題的表情反應下，則無法得到測驗結果是否確實符合該受測者的程度，故需要本發明之人臉表情辨識來輔助以提高測驗結果分析之精確度。接著進至步驟S302。
於步驟S302中，於該測驗程序中擷取受測者之臉部表情，以得到該受測者之人臉影像資料。詳言之，本步驟係於測驗程序中同步擷取該受測者的臉部表情影像，於此所述之擷取可為影片拍攝，並可利用靜態定格方式產生各人臉影像資料。接著進至步驟S303。
於步驟S303中，將該人臉影像資料與預存於表情分析資料庫中之複數表情資料作比對，藉以得到受測者之表情對應情緒反應之表情反應資料。具體來說，將步驟S302所取得之人臉影像資料與預存在表情分析資料庫內的複數個表情資料作比對，以得到該受測者於測驗程序中的情緒反應，以成為表情反應資料，而該些表情資料可預先產生並儲存於表情分析資料庫內。接著進至步驟S304。
於步驟S304中，依據該表情反應資料校正該測驗程序之該測驗結果。亦即，以步驟S303所得到之表情反應資料為判斷標準，取得該受測者對於測驗程序內測驗試題的認知程度，若認知程度不高但仍答對試題，則可能有猜測的情況，此時可對該測驗結果作適當校正，使該測驗結果更貼切於受測者的程度。
於步驟S304中，復包括預設該測驗程序之預測反應資料，分析該表情反應資料與該預測反應資料之差異以校正該測驗結果。也就是說，除了判斷受測者的表情反應外，復可預設關於該測驗試題可能的預測反應資料，並對該表情反應資料與該預測反應資料作分析，以輔助判斷該測驗結果需作多少校正。故，不僅可由受測者表情改變來判斷，更可由事先預測的預測反應和實際過程的測驗反應的差異，以釐清該受測者的內心情緒變化。
又，該步驟S303復可分析複數組連續之人臉影像資料，藉以得到受測者時序性之人臉表情變化數據。除了辨識單一人臉影像資料的表情外，復可將多個人臉影像資料依其前後時序加以串接，以分析出該受測者連續的表情改變，進而得到受測者的情緒變化。
此外，具人臉表情辨識輔助之測驗方法復包括依據步驟S304校正後之測驗結果而提供該受測者後續之測驗試題。簡言之，經校正後之測驗結果有助於後續測驗程序的提供，如此，使後續測驗程序更符合該受測者的能力程度，避免測驗結果精確性降低，直到受測者完成該次測驗。此外，亦可將已被校正之測驗結果儲存，以作為後續測驗程序出題時的依據(例如作為後續出題調整參數，以對應受測者屬性修正出題內容)，藉此讓日後測驗程序系統出題時，可更貼切受測者需求。
另外，本發明之具人臉表情辨識輔助之測驗方法同樣可應用於教學上，利用擷取學習者的臉部表情改變以了解學習者的情緒變化，有助於了解學習者在學習上的狀態。故，本發明對線上教學系統或測驗系統，在缺乏雙方面對面的機制下，仍可透過人臉表情辨識來輔助判斷受測者或學習者的情況。
如第4圖所示，係說明本發明所述之測驗系統觀測介面的示意圖。如該圖所示，觀測介面40可供教師或管理者觀看受測者測驗過程，在該觀測介面40中包括影像框401、內容框402及柱狀圖403，該影像框401係顯示受測者的臉部影像，該內容框402則顯示測驗過程的測驗內容，而柱狀圖403則是由該人臉影像資料所產生。
影像框401用於顯示透過如第1圖之影像擷取模組12所擷取的影像，而內容框402內容可透過如桌面錄影方式來進行測驗畫面的錄製，故對影像框401和內容框402而言，兩者是屬於同步狀態，而在觀測介面40下方的柱狀圖403則是將所擷取的人臉影像資料數據化，例如橫軸由T1、T2…表示影像時點，而縱軸上的數字表示表情，像是1表示驚訝，2表示疑惑、3表示開心等方式，使教師或管理者可觀測受測者內心的表情改變，如此有助於了解受測者在學習或測驗過程的情緒變化。
綜上所述，本發明所提出之具人臉表情辨識輔助之測驗系統及方法，透過擷取受測者的臉部影像以判斷受測者的表情情緒改變，又或者搭配預先設定的表情預測反應資料，以分析測驗結果是否符合受測者的實際情況，必要時對測驗結果進行校正，其優點除了不影響受測者測驗過程外，也可降低習知透過問卷或訪談作確認仍有誤判的可能性。此外，測驗結果校正後復可作為後續測驗試題提供之依據，避免測驗結果精確性降低。本發明不僅適用於測驗系統，復可應用於教學系統上，透過即時知悉學習者的學習狀態，對於線上教學有極大助益。
上述實施形態僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1、2．．．測驗系統
10、20．．．表情分析資料庫
11、21．．．測驗模組
12、22．．．影像擷取模組
13、23．．．校正模組
14、24．．．表情反應資料庫
231．．．分析單元
25．．．試題生成模組
40．．．觀測介面
100、200．．．受測者
401．．．影像框
402．．．內容框
403．．．柱狀圖
S301~S304．．．步驟
第1圖係本發明之具人臉表情辨識輔助之測驗系統的系統架構圖；
第2圖係本發明之具人臉表情辨識輔助之測驗系統另一實施例的系統架構圖；
第3圖係本發明之具人臉表情辨識輔助之測驗方法的流程圖；以及
第4圖係本發明所述之測驗系統觀測介面的示意圖。
1．．．測驗系統
10．．．表情分析資料庫
11．．．測驗模組
12．．．影像擷取模組
13．．．校正模組
14．．．表情反應資料庫
100．．．受測者
Claims (10)
- 一種具人臉表情辨識輔助之測驗系統，係包括：表情分析資料庫，係用於儲存複數表情資料；測驗模組，係當受測者進行一測驗程序時，紀錄該受測者之測驗結果；影像擷取模組，係於該受測者進行該測驗程序時擷取該受測者之臉部表情，以得到該受測者之人臉影像資料；校正模組，係將該人臉影像資料與儲存於該表情分析資料庫之複數表情資料進行比對，以得到該受測者進行該測驗程序的表情反應資料，並藉由該表情反應資料校正該測驗結果；以及表情反應資料庫，係用於儲存該測驗結果、該人臉影像資料及該已校正之測驗結果。
- 如申請專利範圍第1項所述之具人臉表情辨識輔助之測驗系統，其中，該測驗程序包括提供測驗影像、測驗語音或測驗試題予該受測者進行測驗。
- 如申請專利範圍第1項所述之具人臉表情辨識輔助之測驗系統，其中，該表情反應資料庫儲存該受測者對該測驗程序之預測反應資料，且該校正模組係分析該表情反應資料與該預測反應資料之差異以校正該測驗結果。
- 如申請專利範圍第1項所述之具人臉表情辨識輔助之測驗系統，其中，該校正模組復包括分析單元，係用於分析複數組連續之該人臉影像資料，以得到該受測者之時序性之表情變化數據，俾使該校正模組藉由該時序性之表情變化數據校正該測驗結果。
- 如申請專利範圍第4項所述之具人臉表情辨識輔助之測驗系統，其中，該分析單元係對該人臉影像資料以及由該受測者提供之預測反應資料進行校正，藉以產生新表情資料並儲存於該表情分析資料庫中。
- 如申請專利範圍第1項所述之具人臉表情辨識輔助之測驗系統，復包括試題生成模組，係依據該校正模組校正後之測驗結果產生對應該受測者程度之測驗試題。
- 一種具人臉表情辨識輔助之測驗方法，係包括以下步驟：(1)於受測者進行一測驗程序時紀錄該受測者之測驗結果；(2)於該測驗程序中擷取該受測者之臉部表情，以得到該受測者之人臉影像資料；(3)將該人臉影像資料與預存於表情分析資料庫中之複數表情資料作比對，藉以得到該受測者之表情反應資料；以及(4)依據該表情反應資料校正該測驗程序之測驗結果。
- 如申請專利範圍第7項所述之具人臉表情辨識輔助之測驗方法，其中，該步驟(4)係包括預設該測驗程序之預測反應資料，並分析該表情反應資料與該預測反應資料之差異以校正該測驗結果。
- 如申請專利範圍第7項所述之具人臉表情辨識輔助之測驗方法，其中，該步驟(3)係分析複數組連續之該人臉影像資料，以得到該受測者之時序性之表情變化數據。
- 如申請專利範圍第7項所述之具人臉表情辨識輔助之測驗方法，復包括依據已校正之測驗結果，產生對應該受測者程度之測驗試題。
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