探究機器視覺在自動控制教學中的應用

劉江濤 袁永偉 李珊珊 孔德剛 張秀花

摘要：隨著計算機應用與信息技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代計算機技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)能夠應用于機械的視覺系統(tǒng)上，并能夠通過合理的技術(shù)遷移實現(xiàn)在自動控制教學上的應用，機器視覺技術(shù)與移動控制系統(tǒng)的結(jié)合為信息工程類教學提供了更多可能，因此本文就以機器視覺在自動控制教學上的應用進行分析，通過對其應用的背景與教學目標的闡述，從而為機械視覺下的自動控制系統(tǒng)教學提供有效的參考與推進作用。

關(guān)鍵詞：機器視覺;模式識別;自動控制;教學方法

機器視覺就是通過圖像收集與計算機強大的運算能力對物體進行識別處理的技術(shù)，一方面對所識別對象的信息提取是具有一定要求，一個完整的視覺識別系統(tǒng)需要它能夠?qū)ψR別的信息進行選擇與變換，所提取到的信息能夠充分反應識別對象的本質(zhì)特征，這樣后期的算法處理才能達到精準無誤。另一方面在完成圖像收集后就進入到計算機的算法處理階段，讓設備控制能夠?qū)崿F(xiàn)自動化操作，在教學過程的應用能夠更好的加強學生的動手時間能力，讓自動控制的教學真正進入到學習的方方面面。加強教學效果的同時讓學生對于控制理論的學習中有了更深的理解。

1、機器視覺技術(shù)在自動控制教學中的應用背景研究

視覺是人類感知世界最主要的感官點，大腦信息的主要來源就是視覺系統(tǒng)的收集，而自動控制自控的實現(xiàn)自然也需要機器視覺技術(shù)作為輔助，也就是讓計算機輔助下的圖像收集與信息處理成為機器的眼睛。能夠及時感知所處理對象的信息變化，當前隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展人工智能已經(jīng)成為大家對未來科技發(fā)展的統(tǒng)一認同點，并且借助傳感器、掃描器等設備自動控制系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)視覺識別技術(shù)。所以機器視覺技術(shù)與自動控制系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)變得不那么遙遠，對于未來的人類服務也會創(chuàng)造出更多可能。

但是從目前自動控制系統(tǒng)的課堂教學來看，智能機械的學習與操作中并沒有充分應用到圖形圖像的處理技術(shù)，教學機器主要開始通過老式傳感器來獲取外界信息。比如經(jīng)常會使用到的循跡避障小車案例，其教學技術(shù)并不是真正的機器視覺技術(shù)。而是通過在小車周圍攜帶紅外傳感器來感知與檢測地面上的黑色軌跡，然后再通過紅外接收裝置來確定小車契合度偏離車道，雖然有一定的技術(shù)原理，但這種紅外傳感器技術(shù)對環(huán)境的要求很高，任何光線的變化都會對影響到傳感器的反饋結(jié)果。這樣的自動控制系統(tǒng)教學并不具備足夠的穩(wěn)定性。所以需要一種更為規(guī)范、專業(yè)的機器視覺技術(shù)來提升自動控制系統(tǒng)的教學效果。

2、機器視覺技術(shù)的教學目標

根據(jù)以上教學背景與教學要求的分析，高校對于自動控制系統(tǒng)課程的設置應該要以實踐教學為主，通過將機器設備有效引入教學環(huán)境讓學生接觸前沿科學技術(shù)，對于當前的機器視覺技術(shù)與自動控制系統(tǒng)有更深入的理解。同時新技術(shù)在教學課堂中的應用也能夠很好的提升學生創(chuàng)新能力，以更加開闊的眼光去觀察世界，在真正的技術(shù)氛圍下養(yǎng)成全面的求知、創(chuàng)造能力。

機器視覺技術(shù)與自動控制類課程的結(jié)合，其實更傾向于對控制類系統(tǒng)的開發(fā)項目教學，主要內(nèi)容還是如果通過技術(shù)遷移實現(xiàn)視覺算法在機器控制中的應用。根據(jù)圖像理解的結(jié)果來實現(xiàn)機器視覺技術(shù)與自動控制系統(tǒng)軟硬件的有效結(jié)合。這種交叉性學科由于設計內(nèi)容廣，在實際教學中一定要采取機器視覺學理念進行教學，避免由于繁瑣的算法問題而影響到學生正常的學習興趣。從機器學習與智能技術(shù)的角度主動結(jié)合所學的控制理論知識來進行教學。

3、機器視覺在自動控制教學中的實施方案介紹

機器視覺教學最好能夠采用以實際應用為導向的教學方法，結(jié)合具體的案例分析讓學生掌握到基本視覺技術(shù)與自動控制的結(jié)合原理，選擇一些有代表性、技術(shù)完善的教學案例。在實際教學中可以分為三個階段：實驗演示、基礎(chǔ)實驗、技術(shù)拓展。分別從自動控制從研究到應用的整個流程有一個全面的了解。

3.1、演示實驗

實驗演示主要是讓學生對于機器視覺中所使用的圖像處理與識別技術(shù)有一個應用過程的認知，包括對于圖像、像素的基本概念、常用處理算法，讓學生人知道自動控制與視覺技術(shù)結(jié)合原理，目前高校主要使用MATLAB作為圖像處理的軟件平臺，一方面MB為使用者提供了大量的圖像處理函數(shù)。學生可以采用調(diào)用方式節(jié)省計算機算法編制的工作時間。另一方面也符合教學中傾向?qū)τ趯W生控制實踐的教學要求。由淺入深、富有樂趣的進行自動控制學習，例如教師可以安排視頻演示車牌識別應用實驗。車牌識別是機器視覺應用比較經(jīng)典也比較簡單的案例，由于車牌形狀、字體顏色都十分規(guī)范明顯，所以這項機器視覺技術(shù)非常適合在課堂上進行教學，而且該技術(shù)在平常的交通管理中也有著非常重要的作用。

3.2、基礎(chǔ)性實驗

通過給學生演示機器視覺實驗后學生對機器視覺技術(shù)已有一定的概念，此時教師可以根據(jù)學生的能力設置一些基礎(chǔ)的實驗教學，讓學生在動手的過程中實現(xiàn)對自動控制的感性認識，有效回避自動控制教學中的復雜算法的影響，采用實驗教學讓學生自動控制學習有更清晰的認知。一般情況下基礎(chǔ)性實現(xiàn)需要有一個完整的工程流程，教師可以讓學生在MATLAB平臺實現(xiàn)以下幾項功能，首先要求系統(tǒng)能夠自動打開文件并顯示圖像。其次能夠?qū)D像進行縮放、旋轉(zhuǎn)、剪裁、保存功能，最后采用簡單的通道圖像處理法進行灰度和二值化處。結(jié)束后觀察圖像明白進行灰度處理的根本意義所在。

3.3、機器視覺與自動控制拓展教學

開展拓展教學的目的一方面能夠強化學生對于技術(shù)的認知，讓學生對于技術(shù)內(nèi)容有一個更全面的了解。其次提升學生的基礎(chǔ)應用能力，在對機器視覺技術(shù)的學習后能夠有一定的應用能力，比如在基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上舉一反三完成一些其他的實驗項目?？梢圆捎脤嶒炐〗M的形式進行教學，學生在實施過程中可以采用基礎(chǔ)實驗的一些框架，比如根據(jù)上述車牌號碼識別系統(tǒng)，直接通過交通運動視頻進行編寫算法實現(xiàn)車牌號碼的識別，可在Java或C#平臺上搭建應用相機采集到的圖片自動處理，最終輸出該照片對應的車牌號的自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。

4、總結(jié)

綜上所述，自動控制系統(tǒng)作為信息工程類專業(yè)的一門重要課程，教學中會涉及到計算機技術(shù)、機械控制、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，是一門綜合性非常強的理工學科，高校一般都會會再在計算機與機械控制相關(guān)連的專業(yè)下開設這門課，通過機器技術(shù)與自動控制的結(jié)合教學實現(xiàn)學生綜合能力的發(fā)展。所以在自動化控制教學中有必要結(jié)合模式識別理論來加提高學生的實踐水平。

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（作者單位：河北農(nóng)業(yè)大學）