在研究生教學中引入機器視覺理論與技術(shù)內(nèi)容方法探析

榮譽 曲夢可

摘 要：闡述了在研究生教學中引入機器視覺理論與技術(shù)內(nèi)容方法，細化了機器視覺理論與技術(shù)內(nèi)容引入方法，通過概念引入和算法引入實現(xiàn)研究生培養(yǎng)入門，提出了任務(wù)和項目式能力提升方法，通過任務(wù)和項目逐步實現(xiàn)研究生的培養(yǎng)，通過研究生的指導實踐驗證了上述方法的有效性，為高端機器視覺領(lǐng)域工程技術(shù)人才教學提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：機器視覺；研究生教學；指導方法

隨著制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，基于無人感知、無人識別、無人執(zhí)行、無人制造、無人數(shù)據(jù)采集、無人生產(chǎn)工藝和任務(wù)下達技術(shù)的全柔性生產(chǎn)線正逐漸成為制造業(yè)的主要發(fā)展方向。其中，無人感知和識別技術(shù)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，目前的生產(chǎn)線無人感知和識別技術(shù)主要通過機器視覺、標碼追溯、RFID視頻技術(shù)等方法實現(xiàn)，機器視覺是最主要的無人感知和識別實現(xiàn)方法，在整個智能制造生產(chǎn)線中占有重要地位。然后，目前我國的工科專業(yè)目錄和高等教育體系中，沒有專門針對應(yīng)用類機器視覺的研究生專業(yè)，僅有一些高校設(shè)置了圖像處理類的專業(yè)方向，導致制造業(yè)機器視覺應(yīng)用方面人才極為短缺。

依托我國已有的研究生教育體系，在相關(guān)專業(yè)的研究生教學中引入機器視覺理論與應(yīng)用技術(shù)方面的教學和研究內(nèi)容，并通過企業(yè)工程項目案例調(diào)動研究生從事開發(fā)的積極性，可以有效提高人才培養(yǎng)效率。

1 機器視覺理論與技術(shù)內(nèi)容引入方法

1.1 機器視覺與工業(yè)應(yīng)用概念引入

視覺及圖像處理技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)很久，但是，視覺機器真正大規(guī)模進入制造業(yè)應(yīng)用是近10年開始的，尤其是針對具體行業(yè)、具體工藝、具體環(huán)節(jié)的應(yīng)用是隨著代表性企業(yè)康耐視、基恩士等工程類視覺產(chǎn)品公司的大量推廣和應(yīng)用展開的。要在研究生教學過程中引入機器視覺與工業(yè)應(yīng)用的概念，最有效的方法就是讓學生通過康耐視、基恩士等成熟視覺產(chǎn)品的使用、實驗性開發(fā)、練習等，逐漸從應(yīng)用方法、工程效果的角度理解機器視覺產(chǎn)品，從而更直觀有效地掌握機器視覺在工程領(lǐng)域的定位。

因此，可以通過集成式機器視覺系統(tǒng)，在開放的視覺算法軟件基礎(chǔ)上二次開發(fā)，通過工業(yè)相機、鏡頭、光源等的組合應(yīng)用，使學生從應(yīng)用入手，逐漸升級到理論層面，這樣可以取得較為理想的效果。

1.2 開源視覺算法軟件及方法引入

在學生通過產(chǎn)品和應(yīng)用及的視覺系統(tǒng)對工程應(yīng)用有了直觀理解后，可以在研究生教學過程中逐步升級理論深度。目前，較為普及的開源視覺算法軟件例如OPEN CV等可以為研究生提供良好的開源環(huán)境和廣闊的二次開發(fā)空間。此階段可以通過給學生引入大量的開源視覺算法，讓學生探索底層視覺算法的奧秘和應(yīng)用，從而建立學生的興趣。

2 任務(wù)和項目式能力提升方法

2.1 通過任務(wù)實現(xiàn)能力提升方法

當研究生具有一定的機器視覺算法和工程應(yīng)用基礎(chǔ)后，可以通過給學生布置模塊、功能式任務(wù)的方式，讓學生實驗性獨立開展視覺項目的開發(fā)。具體開發(fā)過程可以使先使用成熟產(chǎn)品的PCBASE系統(tǒng)進行功能開發(fā)，當完成任務(wù)和實現(xiàn)功能后，可以逐步升級為采用OPENCV等自編底層算法進行任務(wù)開發(fā)。在任務(wù)階段，可以按照識別、測量、定位引導、讀二維碼、讀條碼、讀OCR碼等不同視覺功能及領(lǐng)域，有針對性地進行任務(wù)布置和效果檢驗。

2.2 通過項目實現(xiàn)能力提升方法

當本科生已經(jīng)進入畢業(yè)設(shè)計課題的核心領(lǐng)域的時候，可以通過開展同年級、通課題組學生競爭的方式進行培養(yǎng)。具體的競爭式培養(yǎng)方法為：首先確立各位學生的第一階段任務(wù)，然后，在進入第二階段任務(wù)時進行橫向比較，只為第一階段完成較好的學生提供優(yōu)先進入第二階段任務(wù)的機會。這樣可以在激勵優(yōu)秀學生的同時，有效鞭策懶散學生，從而實現(xiàn)學生畢業(yè)設(shè)計課題質(zhì)量的全面提高。

2.3 通過項目驗收指標進行量化考核

當研究生已經(jīng)完成并通過任務(wù)階段的能力培養(yǎng)與提升后，可以采用實際工程項目的方式對研究生的視覺工程應(yīng)用能力進一步培養(yǎng)和提升。項目的來源可以是實際生產(chǎn)線的一個部分或者集成式單元，也可以是基于視覺的識別測量單機設(shè)備。通過給研究生確立項目實施目標、技術(shù)路線、方法規(guī)劃等步驟，讓研究生跟隨項目的思路并逐步完成項目的設(shè)計、實施全過程，從而以更直接的角度掌握機器視覺在工程應(yīng)用的開發(fā)和實施過程。

3 機器視覺實際開發(fā)過程案例實踐

本文作者通過給2015級工程碩士研究生布置機器視覺領(lǐng)域的碩士研究生課題，并按照上述概念引入、視覺算法及開發(fā)方法引入、任務(wù)提升、項目提升、項目效果考核的過程，對研究生進行指導和培養(yǎng)。在研究生指導過程中，給研究生設(shè)定的碩士課題題目為：手眼伺服作業(yè)機器人平臺系統(tǒng)的研究，該課題是以機器視覺系統(tǒng)為傳感層，通過工業(yè)相機識別并定位工件位置，然后將工件位置坐標傳輸給工業(yè)機器人，由工業(yè)機器人根據(jù)視覺系統(tǒng)的引導對工件進行加工和作業(yè)。開發(fā)過程中，研究生首先采用康耐視的PCBASE系統(tǒng)完成了上述任務(wù)目標，以此為基礎(chǔ)，研究生又采用OPENCV自編視覺算法完成了同樣的任務(wù)目標，最終使學生在充分掌握機器視覺系統(tǒng)工程應(yīng)用原理的基礎(chǔ)上，能夠獨立采用自編算法開發(fā)視覺系統(tǒng)。

4 結(jié)語

通過在研究生教學中引入機器視覺理論與技術(shù)內(nèi)容的探索與實踐，逐步總結(jié)并建立一套適應(yīng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級趨勢的機器視覺高端工程人才培養(yǎng)體系，培養(yǎng)更多有應(yīng)用能力的高端機器視覺領(lǐng)域人才。

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課題來源：河北科技師范學院教學研究項目：聯(lián)合國家級研究院培養(yǎng)智能系統(tǒng)創(chuàng)新團隊模式探索（編號：JYZL201706）

作者簡介：榮譽（1981），男，副教授，主要從事并聯(lián)機器人理論及應(yīng)用研究。