一种启蒙教育用感官测试系统

1.本发明涉及智能教学技术领域，尤其涉及一种启蒙教育用感官测试系统。


背景技术：

2.学龄前期，幼儿的神经纤维的发育逐步完善，对外界的各种刺激的传导更为准确迅速，这个时期是儿童认知能力形成的关键时期，此时启蒙教育对于开发儿童的智力、提高儿童认知能力十分重要，同时，在启蒙教育过程中，也需要对儿童的各方面发展有所了解，取其所长，补其所短，对儿童感官测试对于启蒙教育的辅助作用是十分重要的。
3.因此，提供一种新的技术方案改善上述问题，是本领域技术人员急需解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种启蒙教育用感官测试系统，以解决上述技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种启蒙教育用感官测试系统，包括：人机交互模块、儿童监控模块、感官测试模块、无线传输模块和终端模块。
7.在上述的方案中，所述人机交互模块用于发出感官刺激信号至儿童，并接收儿童发送的语音反馈信息和用户的操作信息，以及根据用户的操作信息控制感官刺激信号的发送。
8.在上述的方案中，所述儿童监控模块用于获取儿童在接收到感官刺激信号时的图像信息。
9.在上述的方案中，所述感官测试模块与所述人机交互模块和所述儿童监控模块相连接，所述感官测试模块用于接收儿童受到感官刺激信号时的语音反馈信息和图像信息，并进行处理后获取儿童感官测试结果，以及将感官测试结果发送至所述人机交互模块进行输出。
10.在上述的方案中，所述终端模块通过所述无线传输模块与所述人机交互模块和所述感官测试模块相互通信，所述终端模块用于远程控制所述人机交互模块发出感官刺激信号，并远程接收所述感官测试模块发送的儿童感官测试结果。
11.在上述的方案中，所述人机交互模块包括主控板单元和感官刺激单元，所述感官刺激单元与所述主控板单元相连接，所述感官刺激单元用于在所述主控板单元的控制下发送感官刺激信号至儿童，所述感官刺激单元包括视觉刺激模块和听觉刺激模块，所述视觉刺激模块包括二维视觉刺激单元和三维视觉刺激单元，所述二维视觉刺激单元用于通过lcd显示屏显示各类图像信息，所述三维视觉刺激单元用于通过裸眼3d显示器显示各类立体图像信息；所述听觉刺激模块用于进行音乐播放和播放包括至少一种语言的语音，所述听觉刺激模块包括音频存储芯片和扬声器。
12.在上述的方案中，所述感官刺激单元还包括嗅觉刺激模块，所述嗅觉刺激模块包括多个气味收集管、安装在每个气味收集管上的单向阀、与单向阀连接的导气管、安装在导
气管上的电磁阀、与电磁阀连接的抽气泵和与抽气泵连接的排气管，所述主控板单元在接收到嗅觉测试信号时，控制所述单向阀开启，并控制所述电磁阀开启，以及控制所述抽气泵进行抽气。
13.在上述的方案中，所述感官刺激单元还包括触觉刺激模块，所述触觉刺激模块包括智能触觉球、触觉球承载支架、用于放置智能触觉球以及触觉球承载支架的盒体、安装在盒体上的活动挡板、支架驱动电机和挡板驱动电机，所述智能触觉球表面设置多个触觉区，每个触觉区安装有压力传感器，所述主控板单元在接收到触觉测试信号时控制所述支架驱动电机驱动所述触觉球承载支架进行转动，带动所述智能触觉球进行转动，并在转动预设时间后控制所述支架驱动电机停止转动，控制所述挡板驱动电机驱动所述活动挡板打开。
14.在上述的方案中，所述人机交互模块还包括语音接收单元和操作单元，所述语音接收单元和所述操作单元均与所述主控板单元相连接，所述语音接收单元包括声源定位模块和麦克风模块，所述麦克风模块与所述声源定位模块相连接，所述声源定位模块根据所述麦克风模块采集的语音信号进行声源定位，所述声源定位模块包括信号预处理单元和定位单元，所述信号预处理单元包括音频编解码芯片和信号处理模型存储芯片，所述信号处理模型存储芯片与所述音频编解码芯片相连接，所述音频编解码芯片将接收到的模拟语音信号进行数字化处理，并发送至所述号处理模型存储芯片进行增强处理，所述信号处理模型用于通过fir滤波器对接收到的数字语音信号进行滤波处理，对经过滤波处理的语音信号进行分帧处理，并通过矩形窗对分帧后的语音信号进行加窗，以及通过谱减法对经过分帧加窗处理的语音信号进行降噪处理，所述定位单元与所述信号预处理单元相连接，所述定位单元用于通过自适应波束形成算法获取经过预处理的语音信号的总功率，并获取语音信号的总功率最大值对应的角度来获取声源的位置；所述麦克风模块包括麦克风支架、支架驱动电机和麦克风整列，所述主控板单元根据所述声源定位模块获取的声源位置驱动所述麦克风支架进行转动，带动所述麦克风整列进行转动；所述操作单元用于用户通过多个操作按键来发送操作控制信号至所述主控板单元。
15.在上述的方案中，所述儿童监控模块包括云台摄像机、摄像机主控板和摄像机驱动电机，所述云台摄像机用于测试前儿童图像录入以及测试过程中获取儿童反应图像，所述摄像机主控板用于对所述云台摄像机录入的儿童图像和目标跟踪算法程序进行存储，所述摄像机主控板在感官测试过程中，控制所述摄像机驱动电机驱动所述云台摄像机进行转动，获取儿童反应图像。
16.在上述的方案中，所述感官测试模块包括语音匹配单元，所述语音匹配单元包括文字转换模块、文字匹配模块和匹配度计算模块，所述文字转换模块用于对感官测试过程中所述人机交互模块接收的儿童语音转换为文字；所述文字匹配模块与所述文字转换模块相连接，所述文字匹配模块用于将所述文字转换模块转换的文字与对应的测试答案文字进行匹配；所述匹配度计算模块与所述文字匹配模块的匹配结果获取匹配度。
17.在上述的方案中，所述感官测试模块还包括图像匹配单元，所述图像匹配单元包括人脸检测模块、图像预处理模块和表情匹配模块，所述人脸检测模块用于通过ssh算法对所述儿童监控模块获取的儿童反应图像进行人脸检测；所述图像预处理模块与所述人脸检测模块相连接，所述图像预处理模块用于对所述人脸检测模块获取的人脸图像进行预处理；所述表情匹配模块与所述图像预处理模块相连接，所述表情匹配模块用于将经过预处
理的人脸图像输入至表情识别神经网络中进行表情识别。
18.在上述的方案中，所述图像预处理模块包括灰度化单元、图像旋转单元和降噪单元，所述灰度化单元用于对人脸图像进行灰度化处理，所述图像旋转单元与所述灰度化单元相连接，所述图像旋转单元用于通过基于生成对抗网络的人脸转正算法对人脸图像进行旋转，所述降噪单元与所述图像旋转单元相连接，所述降噪单元用于通过均值滤波算法对人脸图像进行滤波处理。
19.在上述的方案中，所述感官测试模块还包括测试评价单元，所述测试评价单元与所述语音匹配单元和所述图像匹配单元相连接，所述测试评价单元包括单项测试评价模块和综合测试评价模块，所述综合测试评价模块与所述单项测试评价模块相连接，所述单项测试评价模块包括单次评价单元和单项评价单元，所述单次评价单元用于根据测试项目一次测试过程中所述语音匹配单元获取的语音匹配度进行打分，并根据单项测试过程中所述图像匹配单元获取的表情打分，以及对语音匹配度的打分结果和表情打分结果进行加权运算获取单次测试评价结果，所述单项评价单元用于对所述单次评价单元获取的评分进行相加运算获取单项测试评价结果；所述综合测试评价模块用于所述单项测试评价模块的评价结果进行加权运算，获取综合测试评价结果。
20.综上所述，本发明的有益效果是：通过人机交互模块发出感官刺激信号至儿童，并接收儿童的语音反应和图像反应，根据语音反应和图像反应获取儿童感官测试结果，从而对启蒙教育起到良好的辅助作用，可检测儿童的不足与长处，对其长处尽力培养，对其短处尽量不足，从而对儿童的多方面发展有重要意义。
附图说明
21.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
22.图1为本发明中启蒙教育用感官测试系统的组成示意图。
23.图2为本发明中人机交互模块的组成示意图。
24.图3为本发明中儿童监控模块的组成示意图。
25.图4为本发明中感官测试模块的组成示意图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
27.如图1所示，本发明的一种启蒙教育用感官测试系统，包括：人机交互模块、儿童监控模块、感官测试模块、无线传输模块和终端模块。
28.下面结合附图对本发明上述各模块间的连接关系做进一步详细说明。
29.所述人机交互模块用于发出感官刺激信号至儿童，并接收儿童发送的语音反馈信息和用户的操作信息，以及根据用户的操作信息控制感官刺激信号的发送；所述儿童监控模块用于获取儿童在接收到感官刺激信号时的图像信息；所述感官测试模块与所述人机交互模块和所述儿童监控模块相连接，所述感官测试模块用于接收儿童受到感官刺激信号时
的语音反馈信息和图像信息，并进行处理后获取儿童感官测试结果，以及将感官测试结果发送至所述人机交互模块进行输出；所述终端模块通过所述无线传输模块与所述人机交互模块和所述感官测试模块相互通信，所述终端模块用于远程控制所述人机交互模块发出感官刺激信号，并远程接收所述感官测试模块发送的儿童感官测试结果。
30.在本实施例中，所述无线传输模块包括蓝牙通信单元，所述终端模块包括手机、ipad以及笔记本电脑等，所述终端模块安装感官测试app，在所述终端模块与所述人机交互模块和所述感官测试模块蓝牙配对成功时，可远程发送操作信息至所述人机交互模块，并接收所述感官测试模块发送的感官测试结果。
31.如图2所示，所述人机交互模块包括主控板单元和感官刺激单元，所述感官刺激单元与所述主控板单元相连接，所述感官刺激单元用于在所述主控板单元的控制下发送感官刺激信号至儿童，所述感官刺激单元包括视觉刺激模块和听觉刺激模块，所述视觉刺激模块包括二维视觉刺激单元和三维视觉刺激单元，所述二维视觉刺激单元用于通过lcd显示屏显示各类图像信息，所述三维视觉刺激单元用于通过裸眼3d显示器显示各类立体图像信息；所述听觉刺激模块用于进行音乐播放和播放包括至少一种语言的语音，所述听觉刺激模块包括音频存储芯片和扬声器。
32.在本实施例中，所述lcd显示屏显示的图像包括颜色图像、动物图像、食物图像、植物图像、人物图像、家电图像、运动图像、交通工具图像等，所述lcd显示屏不仅作为二维视觉刺激单元，还作为人机交互屏，用于接收用户的操作信号，并对反馈信息进行显示。
33.在本实施例中，所述音频存储芯片和扬声器同时用于对所述主控板单元发送的语音指示信号进行播放，所述主控板单元根据测试过程的进行情况，实时控制所述音频存储芯片和所述扬声器播报当前测试项目，并在每个项目中的每一次感官刺激完成后，控制所述音频存储芯片和所述扬声器播报体温的问题，比如什么颜色、什么形状、重复上述语音、什么味道以及是软还是硬等。
34.进一步地，所述感官刺激单元还包括嗅觉刺激模块，所述嗅觉刺激模块包括多个气味收集管、安装在每个气味收集管上的单向阀、与单向阀连接的导气管、安装在导气管上的电磁阀、与电磁阀连接的抽气泵和与抽气泵连接的排气管，所述主控板单元在接收到嗅觉测试信号时，控制所述单向阀开启，并控制所述电磁阀开启，以及控制所述抽气泵进行抽气。
35.在本实施例中，所述主控板单元在接收到嗅觉测试信号时，控制所述单向阀开启，并控制所述电磁阀开启，以及控制所述抽气泵进行抽气，此时，所述气味收集管中的气体经过导气管、排气管输出至外界，采用单向阀控制气味收集管中气体输出，可防止气体倒流。
36.进一步地，所述感官刺激单元还包括触觉刺激模块，所述触觉刺激模块包括智能触觉球、触觉球承载支架、用于放置智能触觉球以及触觉球承载支架的盒体、安装在盒体上的活动挡板、支架驱动电机和挡板驱动电机，所述智能触觉球表面设置多个触觉区，每个触觉区安装有压力传感器，所述主控板单元在接收到触觉测试信号时控制所述支架驱动电机驱动所述触觉球承载支架进行转动，带动所述智能触觉球进行转动，并在转动预设时间后控制所述支架驱动电机停止转动，控制所述挡板驱动电机驱动所述活动挡板打开。
37.在本实施例中，智能触觉球表面设置的触觉区包括光滑覆盖区、粗糙覆盖区、硬覆盖区、软覆盖区等。
38.在本实施例中，所述主控板单元在接收到触觉测试信号时控制所述支架驱动电机驱动所述触觉球承载支架进行转动，带动所述智能触觉球进行转动，并在转动预设时间后控制所述支架驱动电机停止转动，控制所述挡板驱动电机驱动所述活动挡板打开，所述智能触觉球表面的某一触觉区转至所述活动挡板位置处，儿童可进行触摸，在所述压力传感器检测到触摸信息后，发送触摸信号至所述主控板单元。
39.进一步地，所述人机交互模块还包括语音接收单元和操作单元，所述语音接收单元和所述操作单元均与所述主控板单元相连接，所述语音接收单元包括声源定位模块和麦克风模块，所述麦克风模块与所述声源定位模块相连接，所述声源定位模块根据所述麦克风模块采集的语音信号进行声源定位，所述声源定位模块包括信号预处理单元和定位单元，所述信号预处理单元包括音频编解码芯片和信号处理模型存储芯片，所述信号处理模型存储芯片与所述音频编解码芯片相连接，所述音频编解码芯片将接收到的模拟语音信号进行数字化处理，并发送至所述号处理模型存储芯片进行增强处理，所述信号处理模型用于通过fir滤波器对接收到的数字语音信号进行滤波处理，对经过滤波处理的语音信号进行分帧处理，并通过矩形窗对分帧后的语音信号进行加窗，以及通过谱减法对经过分帧加窗处理的语音信号进行降噪处理，所述定位单元与所述信号预处理单元相连接，所述定位单元用于通过自适应波束形成算法获取经过预处理的语音信号的总功率，并获取语音信号的总功率最大值对应的角度来获取声源的位置；所述麦克风模块包括麦克风支架、支架驱动电机和麦克风整列，所述主控板单元根据所述声源定位模块获取的声源位置驱动所述麦克风支架进行转动，带动所述麦克风整列进行转动；所述操作单元用于用户通过多个操作按键来发送操作控制信号至所述主控板单元。
40.在本实施例中，所述主控板单元根据声源位置驱动所述麦克风支架进行转动，带动所述麦克风整列进行转动，从而使得麦克风整列离声源位置最近，从而可获得更为清晰的语音信号。
41.在本实施例中，所述操作按键包括电源按键、菜单按键、返回按键、翻页按键以及选择按键，所述电源按键用于控制所述人机交互模块、所述儿童监控模块和所述感官测试模块承载的设备进行开启和关闭，所述菜单按键用于在lcd显示屏显示感官测试的项目，所述感官测试的项目包括视觉测试、听觉测试、嗅觉测试和触觉测试，所述返回按键用于从所述lcd显示屏的当前页返回至主页，所述翻页按键用于从所述lcd显示屏的当前页返回至上一页或者转至下一页，所述选择按键用于选择所要测试的项目或者选择所要查看的历史结果。
42.如图3所示，所述儿童监控模块包括云台摄像机、摄像机主控板和摄像机驱动电机，所述云台摄像机用于测试前儿童图像录入以及测试过程中获取儿童反应图像，所述摄像机主控板用于对所述云台摄像机录入的儿童图像和目标跟踪算法程序进行存储，所述摄像机主控板在感官测试过程中，控制所述摄像机驱动电机驱动所述云台摄像机进行转动，获取儿童反应图像。
43.如图4所示，所述感官测试模块包括语音匹配单元，所述语音匹配单元包括文字转换模块、文字匹配模块和匹配度计算模块，所述文字转换模块用于对感官测试过程中所述人机交互模块接收的儿童语音转换为文字；所述文字匹配模块与所述文字转换模块相连接，所述文字匹配模块用于将所述文字转换模块转换的文字与对应的测试答案文字进行匹
配；所述匹配度计算模块与所述文字匹配模块的匹配结果获取匹配度。
44.进一步地，所述感官测试模块还包括图像匹配单元，所述图像匹配单元包括人脸检测模块、图像预处理模块和表情匹配模块，所述人脸检测模块用于通过ssh算法对所述儿童监控模块获取的儿童反应图像进行人脸检测；所述图像预处理模块与所述人脸检测模块相连接，所述图像预处理模块用于对所述人脸检测模块获取的人脸图像进行预处理；所述表情匹配模块与所述图像预处理模块相连接，所述表情匹配模块用于将经过预处理的人脸图像输入至表情识别神经网络中进行表情识别。
45.在本实施例中，将儿童表情分为专注、厌恶、中性、兴奋和困惑。
46.进一步地，所述图像预处理模块包括灰度化单元、图像旋转单元和降噪单元，所述灰度化单元用于对人脸图像进行灰度化处理，所述图像旋转单元与所述灰度化单元相连接，所述图像旋转单元用于通过基于生成对抗网络的人脸转正算法对人脸图像进行旋转，所述降噪单元与所述图像旋转单元相连接，所述降噪单元用于通过均值滤波算法对人脸图像进行滤波处理。
47.进一步地，所述感官测试模块还包括测试评价单元，所述测试评价单元与所述语音匹配单元和所述图像匹配单元相连接，所述测试评价单元包括单项测试评价模块和综合测试评价模块，所述综合测试评价模块与所述单项测试评价模块相连接，所述单项测试评价模块包括单次评价单元和单项评价单元，所述单次评价单元用于根据测试项目一次测试过程中所述语音匹配单元获取的语音匹配度进行打分，并根据单项测试过程中所述图像匹配单元获取的表情打分，以及对语音匹配度的打分结果和表情打分结果进行加权运算获取单次测试评价结果，所述单项评价单元用于对所述单次评价单元获取的评分进行相加运算获取单项测试评价结果；所述综合测试评价模块用于所述单项测试评价模块的评价结果进行加权运算，获取综合测试评价结果。
48.在本实施例中，所述单次评价单元获取单次测试评价结果根据以下公式：a
ij
＝av+be，其中，a
ij
为第i个单项测试中第j次测试的评分，v为语音匹配度得分，e为表情得分，a为语音匹配度得分的权重，b为表情得分的权重。
49.在本实施例中，所述单项评价单元获取单项测试评价结果根据以下公式：其中，n为单项测试项目的测试次数，单次测试的总分
50.在本实施例中，所述综合测试评价模块获取综合测试评价结果根据以下公式：其中，测试项目一种有4个，包括视觉测试、听觉测试、嗅觉测试和触觉测试，所述ci为第i个测试项目的权重。
51.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。