機(jī)器視覺技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用方法研究

陳妍冰

摘要：隨著機(jī)器視覺技術(shù)的日漸成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域趨于多樣化，該文主要探討了機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中的實際意義，并提出了以理論知識為基礎(chǔ)，實際應(yīng)用為核心的教學(xué)理念。根據(jù)提出的教學(xué)理念，該文擬定了一套完整的階段式教學(xué)體系，并依托西安科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心創(chuàng)新班為基礎(chǔ)開展，取得了初步的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；圖像處理；模式識別；機(jī)器人教學(xué)

中圖分類號：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）27-6487-03

Abstract：With the maturer technology of machine vision， the relative applications become more diversified. The paper mainly discusses the actual significance of the application of machine vision technology in teaching， and puts forward a teaching concept based on theoretical knowledge， with practical application as the core. According to the concept， this paper lists a complete set of staged teaching system based on the innovation class of engineering training center of Xi'an University of Science And Technology， and good teaching effect is achieved.

Key words：Machine vision， image processing， pattern recognition，robot teaching

在當(dāng)前強(qiáng)調(diào)實踐能力和創(chuàng)新能力的教育背景下，智能機(jī)器人教學(xué)以不同的形式在各大高校廣泛開展，常見的智能機(jī)器人項目如尋跡小車、足球機(jī)器人、四旋翼飛行器等，通過對智能機(jī)器人的認(rèn)識和了解，學(xué)生提高了學(xué)習(xí)興趣，同時也加強(qiáng)了實踐創(chuàng)新能力[1]。

筆者注意到，目前學(xué)生在進(jìn)行智能機(jī)器人的學(xué)習(xí)和制作時，大多使用傳感器來進(jìn)行外界信息的獲取。如在尋跡小車中通常使用紅外傳感器來檢測地面上黑色軌跡，通過檢測到的信號來控制小車的行進(jìn)方向。這種以傳感器來接收外界信號的方法原理易懂、計算簡單，但是這種獲取信息的方式對于外界環(huán)境的要求很高，且接受到的信號非常有限，這就直接導(dǎo)致了智能機(jī)器人不能滿足更加復(fù)雜且自主化的要求。

基于上述出現(xiàn)的問題，該文考慮將機(jī)器視覺技術(shù)加入到實踐教學(xué)中，讓學(xué)生了解和學(xué)習(xí)關(guān)于機(jī)器視覺領(lǐng)域的知識。通過機(jī)器視覺技術(shù)提高機(jī)器人的智能化，并在實踐操作過程中提高自身的創(chuàng)新能力。

機(jī)器視覺簡單來說就是一門研究如何使機(jī)器“看”的科學(xué)，一個完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)通常使用攝像頭等設(shè)備進(jìn)行圖像或視頻的獲取，然后使用計算機(jī)對其進(jìn)行理解，最后做出系統(tǒng)需要的判斷[2]。機(jī)器視覺屬于交叉學(xué)科，結(jié)合了數(shù)字圖像處理、模式識別、人工智能等技術(shù)，與人工視覺相比，機(jī)器視覺有著高精度、高復(fù)雜性、高集成性等優(yōu)勢，并且可以在相對特殊或極端的環(huán)境下作業(yè)，防止人員受傷[3]。近幾年，隨著數(shù)字圖像處理和模式識別等技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺取得了一定意義上的成功，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣，如工業(yè)/農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量檢測、車道線檢測、自動倒車、指紋/掌紋/虹膜/人臉識別、車牌信息識別、步態(tài)檢測及跟蹤，等等[4]-[6]。

1 機(jī)器視覺的教學(xué)理念及教學(xué)目標(biāo)

目前，隨著機(jī)器視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大，將機(jī)器視覺技術(shù)引入到實踐教學(xué)中，旨在引導(dǎo)學(xué)生接觸到更加前沿和實用的科學(xué)技術(shù)，在提高機(jī)器人智能化的同時，也為以后進(jìn)行其它學(xué)科的研究打下基礎(chǔ)[7]。

將機(jī)器視覺與智能機(jī)器人教學(xué)相結(jié)合的模式實際上是一種類似嵌入式開發(fā)的模式，屬于軟硬件結(jié)合的領(lǐng)域，通過選取合適的硬件設(shè)備，試圖將可以在計算機(jī)上完成的算法、系統(tǒng)等移植到芯片中，通過芯片控制移動設(shè)備來完成需要的行為，以便應(yīng)用于實際中。若在智能機(jī)器人的合適位置安裝攝像頭來獲取外界圖像，通過機(jī)器視覺中的相關(guān)技術(shù)使機(jī)器人完成相應(yīng)的動作，這不但提高了機(jī)器人的智能化，也讓學(xué)生在過程中學(xué)習(xí)到更多領(lǐng)域的知識。[8]

機(jī)器視覺屬于交叉性學(xué)科，內(nèi)容涉及廣，且大多算法在學(xué)習(xí)時需要一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，若采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，學(xué)生難以理解，且容易陷入復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式中而脫離實際[9]。因此，該文采用以理論知識為基礎(chǔ)，實際應(yīng)用為核心的教學(xué)理念。在教學(xué)時盡量去除繁瑣和難以理解的公式，使學(xué)生在掌握到一定機(jī)器視覺概念的基礎(chǔ)上，盡量提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過學(xué)生自身的主動性，并結(jié)合所學(xué)專業(yè)進(jìn)行機(jī)器視覺的深入學(xué)習(xí)。

2 以實際應(yīng)用為核心的階段式教學(xué)體系

本文采用以應(yīng)用為核心的教學(xué)體系，并將其分階段進(jìn)行，以滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)要求。學(xué)生通過該體系的學(xué)習(xí)，不僅可以快速的學(xué)習(xí)和掌握機(jī)器視覺技術(shù)中的一些基本算法，并且能夠根據(jù)所學(xué)專業(yè)選擇合適的方向深入研究。

本文分為四個階段進(jìn)行機(jī)器視覺技術(shù)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠循序漸進(jìn)的接受知識。第一階段以演示實驗為切入點，引入機(jī)器視覺技術(shù)中需要掌握的基本概念，并提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；

第二階段為基礎(chǔ)性實驗，通過教師手把手帶著學(xué)生完成一些簡單的程序，使學(xué)生可以直觀的看到機(jī)器視覺技術(shù)可以得到的效果，并學(xué)習(xí)到基礎(chǔ)性的機(jī)器視覺知識；

第三階段為提高性實驗，主張學(xué)生以小組為單位，獨立完成教師的指定項目，在此過程中教師僅僅進(jìn)行指導(dǎo)工作。另外，學(xué)生還可通過一些科技競賽等形式的鍛煉來強(qiáng)化知識；

第四階段為創(chuàng)新型實驗，主要由學(xué)生自行選擇題目，或加入已有的項目組進(jìn)行設(shè)備研制等工作，使學(xué)生掌握到更多機(jī)器視覺技術(shù)，并能夠靈活運用。

3 具體教學(xué)實施方案與平臺

本次針對機(jī)器視覺技術(shù)的教學(xué)工作依托于西安科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心創(chuàng)新班為基礎(chǔ)開展，創(chuàng)新班由于其成熟的開放實驗室管理模式[10]與學(xué)生自身良好的學(xué)習(xí)主動性，使得本文中以應(yīng)用為核心、不同于常規(guī)的教學(xué)體系得以順利進(jìn)行。該文所設(shè)置的階段性實驗具體如下：

3.1 以演示實驗引入機(jī)器視覺基本概念

機(jī)器視覺中最常用的技術(shù)為：數(shù)字圖像處理和模式識別，其基本概念包括以下五個部分：

1） 數(shù)字圖像的基本概念；

2） 常見的數(shù)字圖像處理算法；

3） 模式識別的基本概念；

4） 常見的模式識別算法；

5） VC++6.0軟件平臺以及OpenCV的用法。

3.2設(shè)置基礎(chǔ)性實驗掌握基本知識

學(xué)生經(jīng)過演示實驗掌握機(jī)器視覺中的基本概念后，就可以設(shè)置一些基礎(chǔ)性實驗?；A(chǔ)性實驗由教師一步一步帶著學(xué)生完成，在實驗過程中向?qū)W生傳授更多的機(jī)器視覺內(nèi)容，并且可以根據(jù)學(xué)生的接受情況來增減實驗內(nèi)容。表2給出了基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容及實驗結(jié)論。

3.3設(shè)置提高性實驗強(qiáng)化知識

當(dāng)學(xué)生有了一定的機(jī)器視覺基礎(chǔ)后，就可以獨立的完成一些提高性實驗。提高性實驗側(cè)重于如何讓學(xué)生將所學(xué)的機(jī)器視覺知識應(yīng)用于智能機(jī)器人的制作中去。實驗以小組為單位進(jìn)行，學(xué)生根據(jù)擅長方向自行進(jìn)行分工。提高性實驗具體如下：

實驗1：車道線檢測機(jī)器人。主要模擬汽車上的車道線檢測裝置，使機(jī)器人能夠沿著標(biāo)定的軌跡前行。當(dāng)機(jī)器人壓線時發(fā)出警報，并且及時對行進(jìn)軌跡作出調(diào)整。

實驗2：模擬自動考勤系統(tǒng)。要求當(dāng)攝像頭中視頻圖像出現(xiàn)人臉的時候取一幀圖片，并保存在指定文件夾下，圖片文件名以當(dāng)前時間命名。

除了上述提高性實驗的訓(xùn)練外，還可以通過組織競賽等形式讓學(xué)生強(qiáng)化所學(xué)知識，并加強(qiáng)應(yīng)用能力。

3.4 學(xué)生自行選擇創(chuàng)新型實驗

創(chuàng)新型實驗主要針對想進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)器視覺的學(xué)生設(shè)置。學(xué)生通過提高性實驗基本掌握機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用方式，并具備一定獨立思考問題和解決問題的能力。之后可以根據(jù)興趣自由組成小組形式，自己命題，并獨立完成項目。完成的項目可以作為演示實驗給下一批學(xué)生演示。

4 總結(jié)

近年來，隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)、模式識別技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺取得了一定意義的成功，也越來越廣泛的應(yīng)該于各個領(lǐng)域。此次實踐教學(xué)將機(jī)器視覺這種偏軟件的知識與硬件的學(xué)習(xí)相結(jié)合，不但使學(xué)生可以學(xué)習(xí)到更多跨學(xué)科的理論知識，同時讓學(xué)生通過這些交叉學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)習(xí)完成復(fù)雜性更高、實用性更強(qiáng)的作品，在此過程中不斷提高學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊協(xié)作能力。

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