計算機視覺檢測與圖像處理課程教學(xué)改革實踐

趙靜+魯力群

[摘 要]計算機視覺檢測與圖像處理是農(nóng)業(yè)工程專業(yè)研究生的一門選修課程。學(xué)習(xí)該課程，學(xué)生能掌握計算機視覺的基本理論知識并將其應(yīng)用于解決農(nóng)業(yè)工程的實際問題。要提高學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的興趣，并將理論知識內(nèi)化成解決實際問題的能力，教學(xué)方法起到很重要的作用。教師可以在課堂教學(xué)中引入探究式教學(xué)法、翻轉(zhuǎn)教學(xué)法和案例式教學(xué)法等，同時將創(chuàng)新思維引入課堂教學(xué)和互動中，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)他們的探索精神和創(chuàng)新能力。這種教學(xué)方式學(xué)生容易接受并能較好地進(jìn)行知識遷移，將知識內(nèi)化成解決實際問題的能力。

[關(guān)鍵詞]計算機視覺檢測與圖像處理；教學(xué)改革 創(chuàng)新思維；實踐能力

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）08-0085-03

計算機視覺檢測與圖像處理是指通過圖像獲取裝置將拍攝的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號，利用各種圖像處理算法，計算圖像的直方圖及檢測顏色信息，根據(jù)圖像中像素分布和亮度、顏色等信息，通過各種運算來抽取目標(biāo)的特征，根據(jù)目標(biāo)特征來檢測和識別感興趣的區(qū)域。計算機視覺檢測與圖像處理技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，主要是植物種類的鑒別、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測與分級等。隨著計算機軟硬件技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，它在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究有了較大的突破，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)前、生產(chǎn)中、收獲時和產(chǎn)后的各個環(huán)節(jié)中，均可以利用計算機視覺技術(shù)來實現(xiàn)這些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可視化和自動化。計算機視覺檢測和圖像處理技術(shù)在農(nóng)田作業(yè)方面的應(yīng)用主要是播種、施肥、農(nóng)藥噴灑、田間鋤草、病蟲害的監(jiān)測、植物生長信息的監(jiān)測及營養(yǎng)脅迫診斷、苗木嫁接和收獲等農(nóng)業(yè)機械或農(nóng)業(yè)機器人上的應(yīng)用。對農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)鑒定及分級主要是利用計算機視覺技術(shù)進(jìn)行無損檢測，獲取農(nóng)產(chǎn)品表面物理參數(shù)對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量評估和分級，對農(nóng)產(chǎn)品檢測的研究主要集中在水果、蔬菜等農(nóng)副產(chǎn)品上。農(nóng)業(yè)工程類專業(yè)學(xué)位研究生學(xué)習(xí)計算機視覺檢測與數(shù)字圖像處理這門課程的目的，是把它作為一個手段或者說是一個工具來研究農(nóng)業(yè)工程方面的課題，注重于如何運用，而不是糾結(jié)于具體的算法及編程技巧上。在本課程近幾年的研究生教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)了一些問題，在授課過程中做了一些探索和實踐，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性和興趣。

一、教學(xué)中存在的問題

計算機視覺檢測及圖像處理課程實際上是綜合了數(shù)字圖像處理和機器視覺兩門課的內(nèi)容。目前國內(nèi)數(shù)字圖像處理及機器視覺課程的教學(xué)依然是傳統(tǒng)的教學(xué)方法，由于該類課程主要是在電氣專業(yè)和計算機專業(yè)的本科生中開設(shè)，所以他們的教學(xué)重點放在數(shù)字圖像處理和計算機視覺檢測的基本理論、基本算法及編程技巧上，也就是如何實現(xiàn)算法的功能。而農(nóng)業(yè)工程的專業(yè)學(xué)位研究生不必把時間和精力大量花費在如何實現(xiàn)算法的功能上，而主要是了解這個算法或軟件能完成什么功能，在自己的研究領(lǐng)域能夠起到什么作用，自己可不可以利用該算法完成自己的專業(yè)領(lǐng)域的課題，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的自動化和智能化。過去計算機視覺檢測與圖像處理課程主要采用教師授課為主，對學(xué)生采用滿堂灌、填鴨式的教學(xué)方式來講圖像處理的各種算法，及如何編程，采用哪些編程技巧來實現(xiàn)這些算法，導(dǎo)致許多學(xué)生聽得昏昏沉沉，學(xué)完該課程也不知如何在自己的研究課題中應(yīng)用相關(guān)知識。根據(jù)上述存在的問題，在講授該課程時，筆者采取了翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)法、基于項目驅(qū)動的教學(xué)方法及探究式教學(xué)方法，取得了較好的效果。一般該課程各算法功能的實現(xiàn)都是用VC++進(jìn)行編程，對于農(nóng)業(yè)工程大部分研究生來說，讀懂程序還是存在一定困難的，而利用MATLAB軟件的數(shù)字圖像處理工具箱的各種圖像處理函數(shù)可以輕松方便地完成農(nóng)業(yè)工程里需要進(jìn)行圖像處理和分析的內(nèi)容，而不必詳細(xì)理解該算法是如何工作的，只需了解這個算法或程序能夠完成什么功能。學(xué)習(xí)該門課程，督促學(xué)生查閱相關(guān)農(nóng)產(chǎn)品計算機視覺處理的國內(nèi)外期刊論文，能讓他們了解計算機視覺及數(shù)字圖像處理在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用及最新的發(fā)展趨勢，同時可以思考在自己的專業(yè)研究中如何運用計算機視覺檢測及數(shù)字圖像處理的知識進(jìn)行科研創(chuàng)新。

二、教學(xué)方法改革

（一）利用探究式教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的能力和探索精神

探究式教學(xué)方法從學(xué)科領(lǐng)域或者現(xiàn)實生活中確定要研究的主題，在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)類似于科學(xué)研究的情境，使學(xué)生能夠獨立自主地發(fā)現(xiàn)問題，然后通過一系列的科學(xué)研究和分析手段來解決問題，獲得知識，培養(yǎng)能力，發(fā)展探索精神與創(chuàng)新能力。探究式教學(xué)方法提倡教學(xué)過程中以學(xué)生為主體，教師是啟發(fā)者與引導(dǎo)者。

在進(jìn)行該課程教學(xué)時，教師為了讓學(xué)生將該門課程所學(xué)理論知識直接運用于其所攻讀的專業(yè)方向課題研究中，在課程剛開始階段，要求每個學(xué)生結(jié)合自己的專業(yè)研究方向確定一個小課題，在實驗室利用機器視覺和圖像處理方法及相關(guān)設(shè)備對該課題展開研究，研究的結(jié)果及處理過程中遇到的問題在課堂上同教師和同學(xué)討論；每次課后需查閱一定數(shù)量的相關(guān)資料仔細(xì)研讀后提出問題并嘗試自己解決，解決不了的問題在課堂上提出和教師交流，讓學(xué)生真正學(xué)以致用，而不是糾纏于理論知識和各種處理算法的思路及編程技巧。農(nóng)業(yè)工程專業(yè)學(xué)位的碩士只是把計算機視覺檢測和圖像處理作為一種手段和工具，能夠有意識地利用在該課程上學(xué)到的知識創(chuàng)造性地解決專業(yè)上所遇到的問題即可。比如有的學(xué)生是進(jìn)行玉米播種機的研究的，確定的小課題為“如何利用視覺檢測識別播種過程中的漏播問題”，做馬鈴薯切塊裝置研究的學(xué)生確定的課題為“如何利用視覺檢測技術(shù)確定馬鈴薯的形狀和大小”，做大蒜播種裝置研究的學(xué)生確定的小題目為“在播種過程中如何確定大蒜的朝向”等。

（二）利用翻轉(zhuǎn)課堂的同伴教學(xué)方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法的目的是創(chuàng)建以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠最大化地利用面對面的課堂教學(xué)時間。翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)環(huán)境的核心是對課堂時間的充分利用。在課外，主要集中在淺層次的學(xué)習(xí)方面，學(xué)習(xí)教材上的基礎(chǔ)理論和知識，主要偏重于知識的記憶，而在課內(nèi)，則主要進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，強調(diào)學(xué)習(xí)者的批判性學(xué)習(xí)能力、強調(diào)學(xué)習(xí)知識的遷移，注重高層次思維能力的培養(yǎng)，既要求學(xué)習(xí)者高情感投入和高行為投入，也注重認(rèn)知結(jié)果方面的概念轉(zhuǎn)變和復(fù)雜認(rèn)知結(jié)構(gòu)的養(yǎng)成。endprint

教師提前將教材要講的內(nèi)容布置給學(xué)生，讓學(xué)生課下學(xué)習(xí)、記憶和理解，做教學(xué)PPT；每次給一個學(xué)生1節(jié)課的時間，讓其在課堂上給其他學(xué)生講解，包括算法功能、如何實現(xiàn)MATLAB里相應(yīng)函數(shù)的調(diào)用及其在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用實例等。在學(xué)生教授過程中，教師要適時點評或者對不合適的地方加以糾正，其他學(xué)生也會提出疑問，再由講課的學(xué)生予以解答。如果學(xué)生解答不了或回答得不完善，教師要及時給予解答和補充。通過學(xué)生之間、教師與學(xué)生之間的討論、交流和溝通，學(xué)生對于知識的理解和應(yīng)用記憶更深刻。

（三）采用案例教學(xué)與頭腦風(fēng)暴法，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)

案例教學(xué)法中采用的案例是生活中真實存在的，通過文字、圖片、動畫及視頻的展示，易于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解，因此能夠調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。在教學(xué)中，通過講解和討論等，能夠及時調(diào)節(jié)學(xué)生的注意力，有利于學(xué)生精神始終處于較興奮的狀態(tài)。一般選取的案例內(nèi)容具有一定的代表性和普遍性，具有舉一反三、觸類旁通的作用。頭腦風(fēng)暴法通過鼓勵學(xué)生在課堂上自由發(fā)表意見，無拘無束地通過思維共振方式針對所要解決的問題，天馬行空地提出解決問題的思路和方法，這既可以促進(jìn)課堂的活躍，也能增加教師和學(xué)生之間的交流和溝通，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和主動性。

比如在講圖像直方圖時，學(xué)生已經(jīng)了解了灰度直方圖是表示圖像中像素亮度的分布情況，不同的物體在圖像中的亮度分布是不一樣的，而且也學(xué)會了如何對圖像直方圖進(jìn)行處理的方法，使圖像更易于觀看或識別，但具體如何在實際中應(yīng)用這些知識，學(xué)生就不太了解，這時采用案例教學(xué)法就比較有效了。

在課堂上，教師通過圖片給學(xué)生展示掉落在地的紅棗，以前都是人工撿拾，在面積大數(shù)量多的情況下，工人勞動強度大，效率低。教師可以就如何收獲掉落在地的紅棗這個問題，請學(xué)生各抒己見，相互補充，能產(chǎn)生許多收獲紅棗的設(shè)想。等學(xué)生把自己的想法發(fā)表完畢，教師提示學(xué)生思考如何基于圖像處理的方法來設(shè)計一臺撿拾落地紅棗的智能撿拾機，給學(xué)生留出30分鐘左右的時間，讓他們思考和討論及上網(wǎng)查閱資料。

由于在課堂上充分調(diào)動了學(xué)生的積極性和主動性，引導(dǎo)他們進(jìn)行創(chuàng)新思維，因此教師在課堂上不是“獨唱”，而是和學(xué)生一塊討論思考，學(xué)生在課堂上也不再只是看書、聽老師講和記筆記，而是與老師同學(xué)共同探討問題。由于案例教學(xué)法能充分調(diào)動學(xué)生的智慧和力量，因此容易開闊思路，收到良好的效果。30分鐘后學(xué)生們提出了各種比較好的想法和思路，這時教師打開一個大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計競賽的獲特等獎的作品——一種機器視覺的自動調(diào)速落地紅棗撿拾機，這是一款與消防風(fēng)機配套使用的新型落地紅棗收獲機械，該機械通過圖像識別裝置配備的CCD傳感器可識別機具前方地面紅棗的數(shù)量。根據(jù)地面紅棗數(shù)量的不同，電氣控制系統(tǒng)可自動調(diào)節(jié)機具向前行進(jìn)作業(yè)的速度大小，實現(xiàn)作業(yè)速度的智能控制。通過圖片和文字讓學(xué)生了解將所學(xué)知識應(yīng)用于農(nóng)機裝備智能化并不是高不可攀的，只要愿意去觀察和思考創(chuàng)新，運用課堂上所學(xué)的理論知識解決實際農(nóng)業(yè)工程中遇到的問題就可以做到。

教師可提前給學(xué)生布置一些任務(wù)，這也是下次課要講的案例內(nèi)容，比如如何利用計算機視覺技術(shù)去分揀蔬菜中的黃葉，這不但需要用到前面圖像增強和平滑的知識，而且還要用到圖像顏色識別及圖像分割的知識，促使他們課后提前查找資料，學(xué)習(xí)后面的圖像分割及識別的相關(guān)知識，然后將相關(guān)知識應(yīng)用于解決該實際問題。學(xué)生通過獨立思考和創(chuàng)造，如果還有不理解或不能解決的問題，可以在上課時與教師和同學(xué)溝通交流，這對于將書本上的理論知識內(nèi)化成自己解決問題的實踐能力是有益的。

三、基于計算機視覺的農(nóng)業(yè)工程專業(yè)碩士實踐能力培養(yǎng)探索

專業(yè)碩士的培養(yǎng)與學(xué)術(shù)型碩士研究生的培養(yǎng)不同，對于學(xué)術(shù)性碩士研究生的培養(yǎng)比較偏重于理論，使他們在進(jìn)行項目研究時能夠有理論上的創(chuàng)新；而專業(yè)型碩士研究生的培養(yǎng)側(cè)重于實踐能力和應(yīng)用能力的培養(yǎng)，在碩士學(xué)習(xí)期間，能夠使他們獲得工程實踐能力及創(chuàng)新能力，順利實現(xiàn)從理論到實踐的過渡，以便更好地適應(yīng)畢業(yè)后在本行業(yè)內(nèi)的工作。因此必須充分利用一切可以利用的條件來鍛煉他們的實踐和應(yīng)用能力。學(xué)院創(chuàng)新實驗室有許多機構(gòu)和零部件，還有一個比較先進(jìn)的計算機視覺排種器試驗臺，用來測試各種排種器的性能。這種基于計算機視覺的排種器性能試驗臺的結(jié)構(gòu)是輸送帶運動，排種器固定，原理是用計算機高速攝影技術(shù)來對排種器進(jìn)行性能檢測，它的特點是應(yīng)用相機拍攝種子運動的圖片，然后通過各種圖像處理與分析技術(shù)進(jìn)行排種器性能參數(shù)測量。教師可將學(xué)生分成2人一組，對農(nóng)業(yè)機械中常用的排種器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，然后選擇一種排種器在計算機視覺排種試驗臺上進(jìn)行測試，記錄結(jié)果，分析原因。讓學(xué)生不但要了解在排種器性能測試時，用了哪些圖像處理和視覺檢測方法，還要了解排種器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，針對現(xiàn)有排種器的缺點，利用各種創(chuàng)新技法，尋求改進(jìn)，進(jìn)行創(chuàng)新。

在計算機視覺檢測與圖像處理的課堂教學(xué)中，教師要有意識地引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)理論知識應(yīng)用于實際的項目，但由于課堂教學(xué)時間的限制，有些利用計算機視覺的實際工程問題只是提出了一些想法，沒有具體實施的條件。為了在學(xué)完本課程后學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的理論知識應(yīng)用到具體的農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中并形成一套完整的裝置，教師要鼓勵學(xué)生積極進(jìn)行農(nóng)機裝備智能化，把在本課程學(xué)到的知識轉(zhuǎn)化成能力應(yīng)用于機械裝置的設(shè)計，參加山東省機電創(chuàng)新大賽和“東方紅”杯全國大學(xué)生智能農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新大賽。這樣可以促使他們將計算機視覺知識應(yīng)用于實際的產(chǎn)品設(shè)計中，增強他們的動手實踐能力，同時還要與其他學(xué)科知識結(jié)合起來完成相應(yīng)的功能。

四、結(jié)束語

通過對計算機視覺檢測與圖像處理在這門課程的教學(xué)改革，學(xué)生對于學(xué)習(xí)這門課程的興趣和積極性提高了；特別對于農(nóng)業(yè)工程專業(yè)的研究生來說，了解和掌握計算機視覺檢測和圖像處理的知識，對于他們的專業(yè)研究或是以后的工作方面都可以起到開闊視野的作用，對其素質(zhì)的提高和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也起到了非常重要的作用。

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[責(zé)任編輯：劉鳳華]endprint