光学扫描式读票机（Optical Scan）

原理：通过光学传感器扫描选票上的标记（如铅笔填涂、墨水笔勾选），利用图像识别技术判断选民选择。

特点：

成本较低，兼容纸质选票，适合大规模选举。

需选票格式标准化（如固定位置的填涂框）。

应用场景：美国大选、印度议会选举等大规模纸质选票选举。

特征提取与判断：识别选民的选择意图

根据选票标记类型（填涂、勾选、手写符号等），算法采用不同的特征提取策略：

（1）填涂标记识别（常见场景）

面积占比法：计算填涂框内黑色像素占比，超过阈值（如 30%-50%）则判定为有效选择。

例：选民使用 2B 铅笔填涂候选人 A 的方框，扫描后该区域黑色像素占比达 45%，算法判定为有效投票。

边缘检测法：通过 Canny 或 Sobel 算子检测填涂区域的边缘轮廓，与标准填涂形状（如矩形、圆形）比对，排除不规则标记（如笔尖打滑形成的短线）。

浓度梯度分析：填涂越均匀的区域，灰度值分布越集中，算法可通过统计像素灰度方差来区分 “认真填涂” 与 “轻微触碰”。

（2）勾选或手写符号识别

形态学分析：通过膨胀、腐蚀等形态学运算，将勾选符号（√）或手写标记（如 “○”）转换为标准形状，再与预设模板匹配。

方向特征提取：对于斜线标记（如 “/”），计算像素分布的梯度方向，判断是否符合 “勾选” 的典型角度（如 45° 或 135°）。

（3）异常标记检测

多选判定：同一候选区域内检测到多个标记（如同时填涂两个候选人框），或单票标记数超过规定（如总统选举多选 1 人），则判定为无效票。

空白票识别：所有候选区域标记面积均低于阈值，判定为未投票。

4. 结果验证与输出：确保计数准确性

重复校验：对关键标记区域进行多次扫描（如两次独立图像采集），结果一致才确认有效。

人工复核接口：对算法判定存疑的选票（如填涂面积接近阈值、标记形状模糊），生成图像供选举工作人员人工审核（如美国部分州要求对 “争议票” 进行人工查验）。

数据输出：将识别结果转换为结构化数据（如候选人 ID、得票数），同步至中央数据库或打印纸质统计表。

选票预处理：通过红外光源扫描选票，生成灰度图像，同时检测选票边缘的定位孔（registration holes）以校准位置。

区域划分：根据选票模板，将图像划分为总统候选人区、参议员区、公投议题区等独立 ROI。

填涂分析：对每个候选人对应的椭圆填涂框，计算黑色像素占比，超过 35% 则判定为有效投票。

异常标记处理：若同一总统候选人区检测到 2 个及以上有效填涂，系统标记为 “多选票”（overvote），该区域投票无效。

数据同步：每台读票机实时将计数结果通过加密网络传输至选区服务器，同时保存原始图像供事后审计（如 2020 年佐治亚州重新计票时，人工核对了扫描图像与纸质选票）。

全流程质量控制节点

阶段 具体措施

选举前 - 模拟测试：用至少 1000 张包含各类边缘场景的模拟选票（如重度折叠票、墨水渗透票、轻微填涂票）进行压力测试，识别错误率需＜0.01% 方可上线。

- 第三方认证：通过国际标准（如美国 FEC 的投票系统认证、ISO 25010 软件质量模型）的合规性审计。

选举中 - 实时异常报警：当连续 5 张选票出现 “多选” 或 “空白票” 比例超过历史均值 2 倍时，系统自动暂停并提示工作人员检查（如巴西大选读票机的实时监控 dashboard）。

- 双人员工值守：每台读票机需 2 名选举工作人员同时在场，一人操作、一人复核，避免单人误操作。

选举后 - 人工抽样审计：按选区随机抽取 5%-10% 的纸质选票与扫描数据比对，误差率超过 0.5% 时启动全量重新计票（如 2020 年美国亚利桑那州审计中，人工复核 5000 张选票，机器计数准确率为 99.87%）。

- 审计日志留存：记录每台读票机的开机时间、扫描张数、异常处理记录等，保存至少 22 个月（符合美国 HAVA 法案要求）。