一种脑图绘制电子笔及手写知识生成与建库装置及方法

1.本发明属于计算机自动化技术领域，特别涉及一种脑图绘制电子笔及手写知识生成与建库装置及方法。


背景技术：

2.自然语言在人类生活中随处可见，呈现方式多样、来源广泛。多模态无规则语料数据造成“知识孤岛”问题产生，难以达成规范统一管理。语料数据管理混乱造成大量数据资源浪费，数据维护成本高。
3.随着计算机技术发展，电子笔作为一种便携式输入设备出现在人们生活中。但是，电子笔仍存在不足之处，如电子笔只实现所写即所得，未涉及知识结构化控制，难以管理知识，难以结构化知识；部分电子笔书写需配合平板设备等，使用场景受限严重；手写语料知识管理不成体系，数据资源浪费，不便梳理知识脉络，亟待构建所需领域知识库及结构化管理设备。


技术实现要素：

4.为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种脑图绘制电子笔及手写知识生成与建库装置及方法，具有脑图结构机械控制、手写知识存储及展示结构化的特点。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种脑图绘制电子笔及手写知识生成与建库装置，包括电子笔、知识生成与知识建库软件；
7.所述电子笔用于脑图的绘制，包括手写数据采集模块、数据存储及缓存模块、数据通信模块、微控制器、脑图样式结构绘制控制装置、电源模块；
8.所述知识生成与知识建库软件包括手写图文内容定位点数据存储模块、纯文本内容识别模块、公式图画内容图片生成模块、base64编码模块、手写语料知识库、大纲图与脑图生成模块、脑图导入与导出模块。
9.所述手写数据采集模块、数据存储及缓存模块、数据通信模块、脑图样式结构绘制控制装置分别与微控制器连接；所述电源模块用于电子笔供电，与手写数据采集模块、数据存储及缓存模块、数据通信模块、脑图样式结构绘制控制装置及微控制器连接；
10.电子笔及知识生成与知识建库软件通过数据通信模块进行信息交互，数据通信模块包括但不限于蓝牙模块。
11.所述电子笔为齿轮选项结构，即用户拨动齿轮完成脑图样式结构选项选择，结合光源与颜色传感器完成脑图样式结构选项选择功能。
12.所述脑图样式结构绘制控制装置将脑图样式结构选项设置为不同颜色电信号供微控制器处理，所述脑图样式结构选项包括：标题层级选项，正文文本内容选项，截图内容选项。
13.所述脑图样式结构绘制控制装置包括光源、带滤光片齿轮、颜色传感器，光源与颜
色传感器位于带滤光片齿轮异侧；带滤光片齿轮分为标题层级选择齿轮，正文文本内容选择与截图内容选择齿轮，以五级标题为例，标题层级选择齿轮端面由蓝色、灰色、红色、绿色、黄色滤光片组成，正文文本内容选择与截图内容选择齿轮端面分别是紫色、橙色。其中，滤光片颜色种类及顺序不限，不同标题层级、正文文本内容与截图对应滤光片颜色不同，用户拨动齿轮，不同颜色滤光片置于光源前产生不同色光，颜色传感器接收不同色光产生对应电信号。
14.所述知识生成与知识建库软件根据脑图样式结构信息、电子笔标识、脑图文件标识、脑图学科类别等字段建库，手写语料知识库可用于脑图渲染及导出；
15.脑图样式结构信息根据权利要求2分为：标题字段、正文文本字段、截图字段；
16.所述标题字段分为一级标题字段、二级标题字段(如二级标题字段、三级标题字段等)；
17.电子笔标识通过数据存储及缓存模块存储，通过微控制器和数据通信模块读取并发送至知识生成与知识建库软件；电子笔标识在该电子笔生产时生成，代表该电子笔的唯一标识信息；电子笔标识存储于知识生成与建库软件的手写语料知识库中电子笔标识字段。
18.脑图文件标识在脑图创建时由随机生成算法产生，所述随机生成算法包括但不限于雪花算法、数据库自增id及uuid生成等。以雪花算法为例，所述脑图文件标识为64位唯一id,包括：最高位存储0，1-41位存储毫秒级时间戳，42-51位存储机器码，52-64位存储序列号。脑图学科类别由用户在知识生成与知识建库软件界面选择产生。
19.所述手写数据采集模块获取手写图文内容定位点数据，该模块配合带有定位点的纸张协同工作，所述手写图文内容定位点数据指保存手写图文信息的笔迹定位点数据，脑图创建涉及手写图文内容定位点数据包括：纯文本内容定位点数据和公式图画内容定位点数据；
20.所述纯文本内容定位点数据通过纯文本内容识别模块进行解析，所述数据解析操作指将纯文本内容定位点数据进行特征提取与数据匹配解析为纯文本内容，根据脑图样式结构信息，所述纯文本解析内容存入手写语料知识库。如脑图样式结构信息为正文文本内容，则纯文本解析内容存入知识库正文文本内容字段；
21.所述公式图画内容定位点数据指记录公式、绘图及特殊符号等信息的笔迹定位点数据，公式图画内容定位点数据通过公式图画内容图片生成模块生成笔迹图，根据base64编码模块将笔迹图编码为base64格式数据，根据脑图样式结构信息，该base64格式数据通过手写语料知识库入库存储。
22.所述base64编码模块遵循base64编码规则，即：笔迹图二进制数据每3个8bit转换为4个6bit；6bit数据最高位补两个0；新8bit数据转换为10进制并查表得最终字符串；若最后不足3个8bit，每缺1个8bit补1个＝，不完整bit最低位补0。
23.所述大纲图与脑图生成模块实现脑图节点位置排列、base64格式数据解码、关键词提取及大纲图与脑图渲染；
24.所述脑图节点位置排列功能将脑图样式结构信息字段内容在脑图中依据父节点名称排列位置；
25.所述base64格式数据解码功能将截图字段存储的base64格式数据解码为图片。
26.所述关键词提取功能指依据包括但不限于textrank算法提取正文文本字段内容关键词；所述textrank算法根据词语共现关系构建词图，迭代获取节点权重，将权重最高的词语或相邻词组作为正文内容关键词；
27.所述大纲图与脑图渲染功能在软件界面可视化渲染与展现大纲图与脑图；
28.所述脑图导入与导出模块，知识生成与知识建库软件具有脑图文件完成文件生成、脑图文件导入及脑图文件渲染功能。
29.一种脑图绘制电子笔及手写知识生成与建库的操作方法，包括以下步骤；
30.电子笔与知识生成与知识建库软件客户端载体完成无线连接，电子笔发送电子笔标识至知识生成与知识建库软件；
31.用户拨动脑图样式结构绘制控制装置选择脑图结构选项；
32.用户手写内容，手写数据采集模块获取手写图文内容定位点数据；通过微控制器的接收与处理，电子笔的数据存储及缓存模块存储手写图文内容定位点数据；
33.微控制器与数据通信模块读取并发送脑图样式结构信息及手写图文内容定位点数据至知识生成与知识建库软件；
34.知识生成与知识建库软件的手写图文内容定位点数据存储模块存储手写图文内容定位点数据；
35.根据脑图样式结构信息，知识生成与知识建库软件将手写图文内容定位点数据分为纯文本内容定位点数据和公式图画内容定位点数据；
36.所述纯文本内容定位点数据通过纯文本内容识别模块解析为纯文本内容并存入手写语料知识库；若脑图样式结构信息为标题层级信息则纯文本内容存入对应标题字段；若脑图样式结构信息为正文文本内容信息则纯文本内容存入正文文本内容字段。
37.所述公式图画内容定位点数据通过公式图画内容图片生成模块转换为笔迹图；所述笔迹图通过base64编码模块编码为base64格式数据；所述base64格式数据存入手写语料知识库截图字段；
38.所述手写语料知识库将电子笔标识信息、用户选择的脑图学科类别及随机生成的脑图文件标识存入手写语料知识库对应字段；
39.所述大纲图与脑图生成模块根据手写语料知识库内容在知识生成与知识建库软件界面渲染脑图与大纲图；
40.所述脑图导入与导出模块用于脑图文件生成及脑图文件导入；所述脑图文件生成指根据手写语料知识库记录内容生成脑图文件；所述脑图文件导入功能指大纲图与脑图生成模块根据用户上传脑图文件在知识生成与知识建库软件界面渲染脑图。
41.本发明的有益效果。
42.本装置可通过脑图样式结构绘制控制装置实现对脑图结构与手写语料知识库结构控制。本装置可结构化存储与渲染手写知识，其中，手写语料知识库根据用户手写内容与脑图样式结构信息结构化存储手写知识；大纲图与脑图生成模块根据手写语料知识库内容结构化渲染知识。本装置可有效促进手写知识的结构化管理。
附图说明：
43.图1是本发明的装置结构图。
44.图2是本发明的功能模块组成图。
45.图3是脑图样式结构绘制控制装置的机械结构图。
46.图4是本发明的工作流程图。
具体实施方式
47.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.一种脑图绘制电子笔及手写知识生成与建库装置，包括电子笔、知识生成与知识建库软件。
49.上述装置能够控制手写知识结构、构建手写语料知识库并对手写知识可视化渲染。该装置的整体结构组成如图1所示。
50.其中1001代表手写数据采集模块，包括但不限于红外摄像装置等；1002代表数据存储及缓存模块，包括数据存储功能及数据缓存功能；其中，数据存储功能保证装置掉电后数据不丢失，完成用户数据的长期存储；数据缓存功能提高电子笔数据读写速率。1003代表数据通信模块，包括但不限于蓝牙模块等；1004代表脑图样式结构绘制控制装置，由光源、带滤光片齿轮及颜色传感器组成，是创新应用的关键所在；1005代表电源模块，为电子笔装置供电；1006代表微控制器，控制电子笔装置的数据流向和信号解析；1007为标题层级选择齿轮；1008为正文文本内容选择与截图内容选择齿轮；1015为type-c接口，用于电子笔装置充电；1009为知识生成与知识建库软件客户端载体，通常可以理解为平板电脑、手机等设备。知识生成与知识建库软件展示层包括：1010脑图知识所属学科选择模块；1011大纲图展示模块；1012脑图展示模块；1013脑图文件导出模块；1014脑图文件导入模块。
51.该装置的功能模块组成如图2所示。其中，201表示脑图绘制电子笔，具体结构如图1所示；知识生成与知识建库软件功能模块由202-208组成。其中，202表示手写图文内容定位点数据存储模块；203表示公式图画内容图片生成模块；204表示纯文本内容识别模块；205表示base64编码模块；206表示手写语料知识库；207表示大纲图与脑图生成模块；208表示脑图导入与导出模块。
52.脑图样式结构绘制控制装置组成如图3所示，脑图样式结构绘制控制装置设计是本专利创新设计点之一；其具体实施如下所示：
53.步骤1：以五级标题为例，3001-3005为标题层级选择齿轮端面滤光片；3006-3007为正文文本内容选择与截图内容选择齿轮端面滤光片。
54.步骤2：通过图1中1004脑图样式结构绘制控制装置将脑图样式结构选项转换为对应颜色电信号。如图3所示，3008光源与3011颜色传感器置于3012齿轮组件异侧。3008光源照射3009滤光片产生有色光输入3011颜色传感器。用户拨动齿轮选择3010脑图样式结构选项，不同颜色滤光片置于光源前产生不同色光，3011颜色传感器接收不同色光产生对应电信号。颜色电信号与脑图样式结构对应关系如表1所示。以一级标题为例，3011颜色传感器接收蓝色光并产生对应电信号。
55.步骤3：颜色电信号通过图1中1006微控制器接收与处理。1006微控制器对颜色电
信号进行解析并产生脑图样式结构信息。所述信号解析指1006微控制器根据颜色电信号频率判断颜色类别，如电信号频率判别为蓝色，则生成一级标题信息。所述脑图样式结构信息通过图1中1003数据通信模块传输至知识生成与知识建库软件。
56.手写语料知识库结构设计如表2所示，其具体实施如下所示：
57.步骤1：知识生成与知识建库软件根据脑图样式结构信息、电子笔标识、脑图文件标识、脑图学科类别等字段建库。
58.步骤2：根据图3所示脑图样式结构绘制控制装置，脑图样式结构信息分为标题字段、正文文本字段、截图字段。所述标题字段、正文文本字段均存储节点创建时间，节点创建时间为内容填充时系统时间。所述标题字段、正文文本字段及截图字段的特有存储信息如下所示：
59.所述标题字段分为一级标题字段及多级标题字段(如二级标题、三级标题等)。一级标题字段存储标题节点名称、标题内容。其中，标题节点名称根据表2中说明部分自动生成并填充；标题内容部分通过图2中204纯文本内容识别模块识别结果填充。多级标题字段存储标题节点名称、标题内容及父节点名称。其中，标题节点名称及标题内容的生成与填充方式同一级标题；其父节点名称为层级大于本节点且创建时间最晚的标题节点名称。
60.所述正文文本字段存储正文文本节点名称、正文文本内容及父节点名称。正文文本字段以段落为单位，每段落为该字段数组中一个元素。正文文本节点名称、正文文本内容及父节点名称生成与填充方式同多级标题字段。
61.所述截图字段存储截图节点名称、截图内容及父节点名称。其中，截图内容为图2中205base64编码模块根据笔迹图生成的base64格式数据。截图节点名称生成与填充方式同多级标题字段。截图字段父节点名称在创建时为空。该字段内容通过图2中207大纲图与脑图生成模块在脑图生成图片节点并由用户拖拽连接后获取并填充。
62.步骤3：电子笔标识通过图1中1002数据存储及缓存模块存储。图1中1006微控制器和1003数据通信模块对其读取并发送至知识生成与知识建库软件。电子笔标识代表本电子笔的认证信息，具有唯一性。知识库中电子笔标识字段在电子笔生产时生成，在脑图创建时填充。
63.步骤4：脑图文件标识在脑图创建时由随机生成算法产生。所述随机生成算法包括但不限于：雪花算法、数据库自增id及uuid生成等。脑图文件标识代表电子笔绘制脑图的认证信息，同一电子笔绘制脑图的id具有唯一性。知识库中脑图文件标识字段在脑图绘制时生成与填充。
64.步骤5：脑图学科类别由用户在知识生成与知识建库软件界面选择产生。所述学科类别包括但不限于：语文、数学、地理等。知识库中脑图学科类别字段根据图1中1010脑图知识所属学科选择模块的选择结果生成与填充。脑图学科类别可作为知识增量、知识推荐等场景查询条件。
65.本装置的整体工作流程如图4所示。该工作流程的具体实施步骤如下所示：
66.步骤1：图4中4001代表用户选择脑图样式结构选项并书写内容。图1中1004脑图样式结构绘制控制装置与1006微控制器将用户选择脑图样式结构选项转换为脑图样式结构信息电信号。
67.图1中1001手写数据采集模块获取手写图文内容定位点数据。该专利点使用带有
定位点的纸张协同完成。所述手写图文内容定位点数据指保存手写图文信息的笔迹定位点数据，具体包括：纯文本内容定位点数据和公式图画内容定位点数据。
68.用户选择标题层级选项或正文文本内容选项，电子笔产生纯文本内容定位点数据。用户选择截图内容选项，电子笔产生公式图画内容定位点数据。图1中的1002数据存储及缓存模块在电子笔处存储手写图文内容定位点数据。
69.步骤2：图4中4002指将步骤9中脑图样式结构信息与手写图文内容定位点数据传输至知识生成与知识建库软件。所述数据传输功能通过图1中1003数据通信模块实现。
70.步骤3：图4中4003代表知识生成与知识建库软件存储手写图文内容定位点数据。该功能通过图2中202手写图文内容定位点数据存储模块实现。
71.步骤4：如图4中4004-4007所示，根据手写图文内容定位点数据类型进行对应数据解析操作。具体地，对于纯文本内容定位点数据通过图2中204纯文本内容识别模块进行解析。所述数据解析操作指对纯文本内容定位点数据进行特征提取与数据匹配解析为纯文本内容。对于公式图画内容定位点数据通过图2中公式图画内容图片生成模块解析为笔迹图。所述笔迹图通过图2中205base64编码模块转换为base64格式数据。
72.步骤5：根据图4中4008，依据脑图样式结构内容信息、电子笔标识信息、脑图文件标识信息及脑图学科类别构建图2中206手写语料知识库。所述手写语料知识库可用于脑图文件渲染、脑图文件生成等场景。
73.步骤6：根据图4中4009，使用图2中207大纲图与脑图生成模块解析知识库数据。所述知识库数据解析功能包括：脑图节点位置排列、base64格式数据解码、关键词提取和大纲图与脑图渲染功能。
74.所述脑图节点位置排列功能根据图2中206手写语料知识库实现。其中，一级标题节点具有唯一性，可优先排列与渲染。二级及多级标题节点根据父节点名称与父级标题节点连接渲染。大纲图根据标题节点及从属关系完成渲染。如一级标题渲染完成，从属二级标题缩进适当距离完成渲染，其他多级标题类似。
75.正文文本内容节点连接前，根据包括但不限于textrank算法完成文本关键词提取并生成关键词节点。所述关键词节点与正文文本内容节点的父节点连接。正文文本内容节点作为关键词节点的子节点与之连接。大纲图根据正文文本内容及其父节点名称完成渲染。以textrank算法为例，本装置计算手写语料数据中词语价值的核心公式为：
[0076][0077]
其中：
[0078]
s(vi)为第i个词语的价值；
[0079]
表示所有和词语i连接的词语集合；
[0080]
为从词语t连接出去的单词的集合；
[0081]
为阻尼因子，使计算更平滑。
[0082]
本发明根据textrank算法抽取正文段落文本内关键词生成关键词列表。在脑图渲染时，通常选择关键词列表中权重最高的词语作为关键词节点渲染内容。基于textrank算法的关键词提取伪代码如下所示。
[0083][0084]
截图节点连接前，解码知识库中base64格式数据并渲染为图片节点。该图片节点初始为自由节点，由用户拖拽连接至父节点。根据用户拖拽操作结果在大纲图对应位置完成图片内容渲染。
[0085]
上述工作流程可由如下伪代码表示：
[0086]
[0087][0088]
知识生成与知识建库软件具有脑图文件生成、脑图文件导入及脑图文件渲染功能。其具体实施如下所示：
[0089]
步骤1：所述脑图文件生成功能包括：根据图2中206手写语料知识库，导出记录内容存入脑图文件。所述记录内容包括：电子笔标识、脑图文件标识、各级标题字段内容、正文文本字段内容、截图字段内容及脑图知识学科类别。所述记录内容组织存储形式包括但不限于json等。所述脑图文件格式包括但不限于.mmap、.xml、.mm等。
[0090]
步骤2：所述脑图文件导入及脑图文件渲染功能将脑图文件导入知识生成与知识建库软件并于界面展示。脑图文件中标题及正文文本内容节点渲染过程如步骤14所示。截图内容节点因其父节点确定无需用户拖拽，自动连接渲染。该导入文件通过脑图文件id字段与知识库某记录建立联系。
[0091]
步骤3：所述知识生成与建库软件工作模式包括：文件更新模式与文件复制模式。
其中：文件更新模式指脑图内容变动后更新脑图源文件与知识库原始记录。文件复制模式指脑图内容变动后创建源文件副本并新增知识库记录，不影响源文件内容与知识库原始记录。
[0092]
发明的上述技术方案的有益效果如下：
[0093]
上述方案中，是一种脑图绘制电子笔及手写知识生成与建库装置，该装置可被用于教研场景和科普场景。若用于教研场景，教师可构建学科知识思维导图，完成清晰教学工作；学生可构建所学知识思维导图，便于复习回顾。若用于科普场景，可将各领域知识(如医疗领域、环保领域)进行知识结构规范存储和展示，提高用户兴趣接受度和使用效率。
[0094]
表1是颜色电信号与脑图样式结构对应关系表。
[0095][0096][0097]
表2是手写语料知识库结构说明表。
[0098]
[0099]