以Fourier變換輪廓術(shù)3D測量為例的“機(jī)器視覺”課程改革探索

朱新軍+宋麗梅+王紅一+郭慶華+李金義

摘 要 機(jī)器視覺課程在教學(xué)過程中存在講解理論內(nèi)容過多、抽象，學(xué)生理解困難以及所學(xué)知識很難進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用問題。針對這些問題，以機(jī)器視覺中的Fourier變換輪廓術(shù)三維（3D）測量為教學(xué)案例，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生對機(jī)器視覺相關(guān)理論知識的加深理解，并且提高相關(guān)方面實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和編程能力，培養(yǎng)解決復(fù)雜工程項(xiàng)目的能力。

關(guān)鍵詞 機(jī)器視覺 Fourier變換輪廓術(shù) 3D測量 課程改革

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.11.052

Abstract In the teaching course of machine vision， there are problems of much abstract theory knowledge to be toughed， which causes the students have difficulty in understanding and it is difficult for them to apply what they have learned to the real practice. Aiming to these， we take the Fourier transform profilometry 3D measurement in the machine vision curriculum as an example， to give the way that can combine the theory and practice to study， promoting more deep understanding of the relative knowledge in machine vision， improving the ability of practical operation and programming skills， cultivating the ability of solving complex engineering projects.

Keyword machine vision； Fourier transform；3D measurement； curriculum renovation

0 引言

機(jī)器視覺內(nèi)容涉及信號處理、數(shù)字圖像處理、模式識別、人工智能和光電子學(xué)等領(lǐng)域，具有很強(qiáng)的專業(yè)性，是一門軟硬件相互結(jié)合、理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的交叉學(xué)科，得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。比如，在工業(yè)中， 特別是在各種生產(chǎn)線上，各種產(chǎn)品的視覺檢測應(yīng)用非常廣泛。企業(yè)對掌握機(jī)器視覺知識的人才需求越來越大。讓學(xué)生深入理解相關(guān)知識，掌握相關(guān)方面的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?jīng)歷相關(guān)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，深切體會(huì)各種機(jī)器視覺算法和技術(shù)的功能及作用，才能為以后從事機(jī)器視覺領(lǐng)域打下更好的基礎(chǔ)。[1-4]因此，如何幫助學(xué)生加深機(jī)器視覺相關(guān)理論的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生在機(jī)器視覺相關(guān)方面的解決問題的能力和創(chuàng)新精神，對學(xué)生從事機(jī)器視覺領(lǐng)域具有重要的意義。傳統(tǒng)的機(jī)器視覺教學(xué)模式注重課堂上的理論知識傳授，相關(guān)知識的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容較少，學(xué)生缺乏對相關(guān)感性的認(rèn)識，所學(xué)知識僅停留在紙面，不利于對機(jī)器視覺相關(guān)理論知識的加深理解以及對學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

我們在機(jī)器視覺教學(xué)過程中增加實(shí)踐環(huán)節(jié)，將傳統(tǒng)教學(xué)方式替換為以實(shí)踐教學(xué)為主的教學(xué)方式，借此提高學(xué)生對知識的理解、運(yùn)用及在實(shí)踐中自主學(xué)習(xí)的能力。[5]本文以機(jī)器視覺中的Fourier變換輪廓術(shù)這一經(jīng)典和重要的三維重建內(nèi)容為教學(xué)為例，對機(jī)器視覺課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行探索，力求把課本理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)課本理論傳授和學(xué)生實(shí)踐指導(dǎo)的一體化教學(xué)，在實(shí)踐中加深學(xué)生對知識的理解和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和編程能力，積累初步的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。

1 三維重建在機(jī)器視覺課程中的重要性

三維重建是機(jī)器視覺領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一。在科研與實(shí)際生產(chǎn)生活中，三維測量的需求日益增長。光柵投影三維測量具有較高的速度和精度獲取并以較低廉的光學(xué)和數(shù)字硬件設(shè)備為基礎(chǔ)，逐漸成為近年來十分受歡迎的一種非接觸、快速和高精度三維形貌測量方法。[6]

光柵投影（數(shù)字條紋投影）三維形貌測量的基本原理：首先將條紋圖投影到被測物體的表面，條紋圖由于物體表面的凹凸變化而發(fā)生變形，然后由攝像機(jī)獲取一系列的變形條紋圖，然后通過相位提取方法提取條紋圖中的相位信息，最終聯(lián)合系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)計(jì)算出被測物表面形貌的三維點(diǎn)坐標(biāo)。

以三維重建作為講解內(nèi)容，我們提出一種將教學(xué)轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行、在教學(xué)過程中讓學(xué)生實(shí)際接觸并操作相關(guān)硬件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。我們以機(jī)器視覺課程中的條紋投影三維測量為例，實(shí)現(xiàn)物體三維重建。其中，用到了Fourier變換在二維圖像處理方面的使用，F(xiàn)ourier變換的性質(zhì)運(yùn)用，以及光柵投影測量原理，Matlab圖像處理編程語言知識和工具。

2 Fourier變換輪廓術(shù)3D測量主要內(nèi)容

Fourier變換輪廓術(shù)是3D測量中的一種高精度、快速方法。其根據(jù)光柵投影測量原理與Fourier變換圖像處理理論實(shí)現(xiàn)3D測量。其中，用到了Fourier變換在二維圖像處理方面的使用，二維Fourier變換的性質(zhì)運(yùn)用，以及光柵投影測量原理，Matlab圖像處理編程語言知識和工具。

其中和分別代表實(shí)部和虛部。得到相位之后進(jìn)行標(biāo)定處理得到深度圖像，實(shí)現(xiàn)最終的3D形狀。學(xué)生可以通過頻譜平移去掉。

3 基于Fourier變換輪廓術(shù)3D測量的教學(xué)設(shè)計(jì)

在此，我們提出一種理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)課程設(shè)計(jì)。主要環(huán)節(jié)如下：首先，給學(xué)生講解Fourier變換輪廓術(shù)的原理與基本實(shí)現(xiàn)步驟，以及實(shí)現(xiàn)步驟所需要用到的程序語言與主要函數(shù)。然后，讓學(xué)生動(dòng)手搭建條紋投影三維測量系統(tǒng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，要求學(xué)生調(diào)整投影儀、相機(jī)和被測物體三者之間的位置關(guān)系。圖2為實(shí)驗(yàn)室搭建的實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)，主要包括相機(jī)、投影儀和計(jì)算機(jī)等。接下來，學(xué)生采用Matlab讀入采集的變形條紋圖，對條紋圖進(jìn)行Fourier變換、低通濾波、頻譜平移和反變換，實(shí)現(xiàn)相位的提取。圖 3為相機(jī)采集得到條紋圖。編寫過程給出Matlab二維Fourier變換函數(shù)fft2 和ifft2的說明，方便學(xué)生理解和應(yīng)用。圖4為學(xué)生最終應(yīng)實(shí)現(xiàn)的最終結(jié)果圖。endprint

整個(gè)教學(xué)過程可分為課前預(yù)習(xí)、教師講解、學(xué)生自主學(xué)習(xí)、學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)以及總結(jié)五個(gè)部分。

在正式上課之前，要求學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)研，了解3D測量在機(jī)器視覺中的重要性和其發(fā)展，以及當(dāng)前常用的3D測量方法，并以報(bào)告形式進(jìn)行提交。教師根絕學(xué)生掌握情況，有重點(diǎn)地講解相關(guān)內(nèi)容節(jié)省從而在課堂上對基礎(chǔ)知識進(jìn)行講解所花費(fèi)的時(shí)間。

在試驗(yàn)人數(shù)安排上，安排2至3人為一組，通過分工合作，記錄參數(shù)和數(shù)據(jù)，編寫程序調(diào)試，最后提交總結(jié)報(bào)告。最后，教師對學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到的問題進(jìn)行解答，鞏固和加深學(xué)生的進(jìn)一步理解。

在評分標(biāo)準(zhǔn)方面，主要從搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)手能力，編程實(shí)現(xiàn)Fourier變換能力以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告評價(jià)學(xué)生的成績，同時(shí)考察學(xué)生搭建實(shí)驗(yàn)、調(diào)試程序和表達(dá)溝通能力。

4 結(jié)束語

機(jī)器視覺課程講解中，學(xué)生對Fourier變換輪廓術(shù)3D的理解比較淺顯，僅限于書本所述而缺少動(dòng)手能力體驗(yàn)，理解和掌握不夠深入，不能將所學(xué)知識運(yùn)用到實(shí)踐中。而采用本設(shè)計(jì)的教學(xué)課使理論與實(shí)踐相結(jié)合，在理論的指導(dǎo)下，通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建，自己采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Matlab語言設(shè)計(jì)程序處理實(shí)現(xiàn)三維重建的過程，學(xué)生具有直觀的認(rèn)識和自己的理解，加深了所學(xué)內(nèi)容的理解，同時(shí)鍛煉的機(jī)器視覺方面的動(dòng)手實(shí)踐能力和編程能力。與只通過理論教學(xué)為主的方式相比較，學(xué)生學(xué)習(xí)效果得到提高。

總的來說，我們在機(jī)器視覺教學(xué)過程中增加實(shí)踐環(huán)節(jié)，將傳統(tǒng)教學(xué)方式替換為以理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)自行完成實(shí)驗(yàn)，提高動(dòng)手能力和發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。通過在解決實(shí)際問題中發(fā)現(xiàn)問題和思考反過來加深理論內(nèi)容的理解，通過對實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果的感性認(rèn)識加深理論知識的理解，此外，還提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和實(shí)踐能力。本次教學(xué)探索有助于加深對所學(xué)知識的理解，以及提高學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力。

基金項(xiàng)目：天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃《雙目 SFS 彩色三維織物疵點(diǎn)在線檢測原理研究》（編號：10JCYBJC07200）和天津工業(yè)大學(xué)研究生課程優(yōu)秀教材建設(shè)項(xiàng)目（《機(jī)器視覺》優(yōu)秀教材建設(shè)）

參考文獻(xiàn)

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[4] 宋麗梅，高艷艷，楊凈慧，朱新軍.學(xué)科交叉教學(xué)在研究生培養(yǎng)中的作用——以“應(yīng)用數(shù)學(xué)”在“機(jī)器視覺”課程中的應(yīng)用為例[J].科教導(dǎo)刊（中旬刊），2015.12：34-35.

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[6] 張啟燦，蘇顯渝.動(dòng)態(tài)三維面形測量的研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2013.50（1）：010001.endprint