工業(yè)機(jī)器視覺課程教學(xué)分析

張楠

摘要：本文針對(duì)近期眾多專業(yè)新開設(shè)的工業(yè)視覺相關(guān)課程教學(xué)工作進(jìn)行分析與研究。該門課被爭(zhēng)相開設(shè)正是由于我國(guó)《中國(guó)制造2025》的提出，智能制造成為必然趨勢(shì)，而制造業(yè)關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人以至智能化管理替代等都離不開機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)建。首先，學(xué)習(xí)機(jī)器視覺知識(shí)的前提是掌握編程邏輯思維能力，所以本文結(jié)合編程課程討論了程序算法的教學(xué)方法?？紤]到該課程獨(dú)有的特點(diǎn)，軟硬件皆涉及，對(duì)各部分所占學(xué)時(shí)合理分配。必要硬件的介紹，但重點(diǎn)會(huì)集中在程序編寫方面。只對(duì)經(jīng)典算法進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹v解，重點(diǎn)放在各種常見類型應(yīng)用解決方案相關(guān)的編程教學(xué)上。在此基礎(chǔ)上，細(xì)致分析工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景中機(jī)器視覺教學(xué)的整個(gè)過程，從理論知識(shí)到動(dòng)手實(shí)踐，考慮細(xì)節(jié)仔細(xì)研究，給出可行教學(xué)方法。相信按照本文研究的教學(xué)方法變通靈活教學(xué)，能夠使得學(xué)生在該門課程上受益匪淺。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;理論;實(shí)驗(yàn);實(shí)訓(xùn);教學(xué)研究

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）27-0101-02

2016年，《中國(guó)制造2025》由文件編制進(jìn)入全面實(shí)施新階段。目標(biāo)到2025年，制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域全面實(shí)現(xiàn)智能化。作為智能制造工程涉及的環(huán)節(jié)，關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人以至智能化管理替代等都離不開機(jī)器視覺。《中國(guó)制造2025》離不開智能制造，智能制造離不開機(jī)器視覺。

當(dāng)今各學(xué)科不斷打破學(xué)科邊界，學(xué)科間相互滲透交叉。機(jī)器視覺就是學(xué)科融合的新興產(chǎn)物，甚至對(duì)于這個(gè)概念并沒有官方的定義。機(jī)器視覺可以說是涉及應(yīng)用光學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)軟件、自動(dòng)控制和傳感器等不同學(xué)科的融合。和計(jì)算機(jī)視覺相比，機(jī)器視覺更強(qiáng)調(diào)是工業(yè)自動(dòng)化中的真實(shí)應(yīng)用。于是工業(yè)視覺技術(shù)及應(yīng)用課程紛紛被學(xué)校開設(shè)。由于工業(yè)視覺為多學(xué)科融合的一門課，所以在不同學(xué)院（系別）雖然都開設(shè)了該門課，側(cè)重點(diǎn)有所不同。我校高職本科部將編程語(yǔ)言定為C語(yǔ)言，雖然視覺軟件并不一定使用這種高級(jí)編程語(yǔ)言編寫程序，甚至不用編寫代碼，但不可或缺的是編程的邏輯思維能力，學(xué)習(xí)C語(yǔ)言就是鍛煉學(xué)生邏輯思維能力的較好方式之一。想要學(xué)生在后期為視覺系統(tǒng)編寫程序時(shí)，具有足夠的邏輯思維能力，在編程語(yǔ)言教學(xué)過程中，教師要加強(qiáng)基礎(chǔ)編程方法的傳輸和訓(xùn)練，學(xué)生只有打好堅(jiān)實(shí)的編程基礎(chǔ)，才能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于工業(yè)視覺的學(xué)習(xí)中。

1硬件系統(tǒng)

機(jī)器視覺可以說還處于初級(jí)階段，可謂朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，更值得通過課堂將相關(guān)知識(shí)傳授給學(xué)生，啟發(fā)學(xué)生將來在工業(yè)視覺方面有創(chuàng)新性的成果。現(xiàn)在的工業(yè)視覺系統(tǒng)特點(diǎn)或者說最大軟肋就是對(duì)于不同的處理對(duì)象必須選用對(duì)應(yīng)硬件和定制解決方案。

工業(yè)視覺方面的許多問題可以通過硬件或軟件兩種途徑解決。但由于生產(chǎn)過程對(duì)速度的要求極高，一般能夠使用適當(dāng)?shù)挠布鉀Q的問題都不會(huì)選擇更復(fù)雜的算法。也就是說，硬件的選擇視覺系統(tǒng)的構(gòu)建是非常重要的。

課程首先應(yīng)介紹相機(jī)、鏡頭、光源、傳感器、圖像采集卡、PC平臺(tái)等視覺系統(tǒng)硬件。國(guó)內(nèi)外相關(guān)硬件廠家及廠家旗下不同型號(hào)繁多，是不可能在有限的課程中介紹的。一般來說都是以較為常用的某品牌某型號(hào)為例，引導(dǎo)學(xué)生了解各類硬件。各類型的硬件都是什么作用，如何搭配形成一個(gè)完整的視覺系統(tǒng)。此處，安排學(xué)生動(dòng)手組合各硬件搭建視覺系統(tǒng)，完成最簡(jiǎn)單并有反饋的操作，必然激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣，留下深刻的印象。這樣學(xué)生碰到不同廠家不同類型的硬件也能觸類旁通。這些硬件都有為數(shù)不少的參數(shù)，這些參數(shù)值都會(huì)是選擇硬件的依據(jù)。但是生硬的介紹這些參數(shù)是非?？菰锏?，老師也無法使之生動(dòng)。不妨結(jié)合具體產(chǎn)品舉例，例如要檢測(cè)生產(chǎn)線上大小，5mm的零件，裝配精度0.1mm，生產(chǎn)率：10個(gè)/秒，觀測(cè)距離為300mm，相機(jī)類型、像素個(gè)數(shù)、曝光方式、觸發(fā)類型和鏡頭焦距等參數(shù)如何選擇，根據(jù)某品牌產(chǎn)品手冊(cè)，繼而決定相機(jī)和鏡頭的型號(hào)。硬件選擇的不同采集到的圖像也會(huì)存在很多有趣的現(xiàn)象，很適合在教學(xué)中展示給學(xué)生觀察。這樣，學(xué)生在介紹、計(jì)算和查表過程中掌握了硬件的選擇。雖然現(xiàn)在國(guó)內(nèi)做相關(guān)硬件的企業(yè)已經(jīng)為數(shù)不少，但與國(guó)外產(chǎn)品相比能從價(jià)格上看出性能的差異。如果開設(shè)這門課程的專業(yè)偏硬件的話，可以在硬件性能上著重介紹。

2軟件

2.1理論教學(xué)

視覺方面的理論知識(shí)主要是各類經(jīng)典的圖像處理算子。對(duì)于高職本科的學(xué)生而言，主要掌握常用算子的作用，了解相關(guān)參數(shù)對(duì)圖像處理效果的影響，在教學(xué)上會(huì)適當(dāng)講授算子的內(nèi)在原理，為學(xué)生進(jìn)一步創(chuàng)新研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，畢竟僅僅會(huì)用還是無法超越視覺系統(tǒng)的現(xiàn)狀。理論介紹結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，避免紙上談兵，并且還規(guī)劃了兩種不同用途的軟件來展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一個(gè)是偏科研的軟件，例如MATLAB，另一個(gè)是偏工程應(yīng)用的軟件，例如HALCON。作者相信工業(yè)視覺正處在起步階段，視覺系統(tǒng)主流還是按照?qǐng)D像處理結(jié)合特征提取的方式去解決問題，但未來視覺系統(tǒng)在軟件上可能會(huì)顛覆這種模式，深度學(xué)習(xí)模型已被應(yīng)用到數(shù)家知名視覺軟件中。而深度學(xué)習(xí)源自神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這種處理方式已經(jīng)完全不同于傳統(tǒng)模式，而是模仿人類的思維模式。

2.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)有著同等的教學(xué)地位，工業(yè)視覺實(shí)驗(yàn)的前提就是熟練掌握編程邏輯思維能力了。實(shí)驗(yàn)階段采用MATLAB軟件，學(xué)生已具有C語(yǔ)言等高級(jí)編程語(yǔ)言能力前提下，在實(shí)驗(yàn)期間，教師帶領(lǐng)學(xué)生熟悉新的編程環(huán)境。提供圖像和要求，由學(xué)生充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，自行搜索理論學(xué)習(xí)中提到的算子在該軟件中的函數(shù)名及參數(shù)。處理好細(xì)節(jié)加上編程基礎(chǔ)，通過例題練習(xí)迅速掌握MATLAB程序。在以前的教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)不論是?？苹虮究茖W(xué)生都存在缺少自主學(xué)習(xí)能力的問題。尋找有特殊效果的圖像處理案例，誘導(dǎo)學(xué)生追尋該結(jié)果，積極討論，教師參與討論，適時(shí)提出疑問，讓學(xué)生考慮自己的解題思路是否存在問題，分析為何和預(yù)期的處理效果有出入。不斷修正思路過程中，培養(yǎng)學(xué)生積極思考和討論的習(xí)慣，營(yíng)造好學(xué)求知的課堂氣氛，不因?yàn)橐粫r(shí)受挫就放棄尋找正確的答案。手機(jī)一度被認(rèn)為是課堂上的大忌，但只要教師能夠合理運(yùn)用，手機(jī)是一個(gè)很好的教學(xué)工具。視覺相關(guān)課程就可以由學(xué)生拍攝圖像，上傳到機(jī)房電腦中，進(jìn)行圖像處理的實(shí)驗(yàn)。例如車牌識(shí)別，就可以拍攝車牌的圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，程序中的語(yǔ)句語(yǔ)法和算子使用都會(huì)影響到運(yùn)行的結(jié)果，識(shí)別車牌號(hào)的正確率與設(shè)計(jì)的程序緊密相關(guān)。這樣一來，調(diào)動(dòng)起學(xué)生的積極性，沒有工業(yè)相機(jī)等硬件，當(dāng)學(xué)生課上未完成實(shí)驗(yàn)或有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的需求時(shí)，也可以利用自己的手機(jī)和電腦進(jìn)行各種圖像處理的實(shí)驗(yàn)。視覺編程需要熟練的編程邏輯和一定的經(jīng)驗(yàn)累積，只有多思考和多動(dòng)手才能得心應(yīng)手?？己顺煽?jī)的時(shí)候，該課程應(yīng)以隨堂測(cè)試為主，筆試為輔。而且隨堂測(cè)試不能只關(guān)注程序運(yùn)行結(jié)果是否正確，視覺實(shí)驗(yàn)結(jié)果有時(shí)是無法用肉眼判斷差異的，必須查看各參數(shù)的值，同時(shí)教師應(yīng)隨機(jī)提出疑問，由學(xué)生解答，以此了解該學(xué)生的思路，對(duì)視覺系統(tǒng)根據(jù)不同對(duì)象進(jìn)行圖像處理從而提取特征的真實(shí)掌握程度。

2.3實(shí)訓(xùn)教學(xué)

進(jìn)一步的實(shí)訓(xùn)教學(xué)很有必要，相當(dāng)于是更接近真實(shí)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的教學(xué)。所以教學(xué)中會(huì)選用工業(yè)視覺軟件HALCON，該軟件除了各種經(jīng)典算子甚至還囊括了深度學(xué)習(xí)的相關(guān)模型，并不斷在更新中。實(shí)訓(xùn)搭配相關(guān)相機(jī)、鏡頭、光源、傳感器、圖像采集卡、PC平臺(tái)等視覺系統(tǒng)硬件。由教師設(shè)計(jì)多套項(xiàng)目方案，學(xué)生從硬件選型開始，只要通過前面的編程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就能較快上手使用工業(yè)視覺軟件HALCON，搭建完整的視覺系統(tǒng)。從利用工業(yè)相機(jī)鏡頭采集圖像開始，編寫程序處理圖像，最后得到?jīng)Q策信息。整個(gè)軟硬件系統(tǒng)構(gòu)建下來，必然能夠鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。由于工業(yè)視覺處于蓬勃發(fā)展的初級(jí)階段，視覺軟硬件的更新?lián)Q代比較快，教學(xué)、實(shí)驗(yàn)以及實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容都需要不斷修改，例如視覺軟件的版本、實(shí)驗(yàn)題目和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的選擇。設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容盡量源自企業(yè)實(shí)際問題，使得學(xué)生在畢業(yè)后走入社會(huì)時(shí)，已經(jīng)累積一定的經(jīng)驗(yàn)。

在我國(guó)市場(chǎng)上，工業(yè)視覺系統(tǒng)現(xiàn)階段還處于代理國(guó)外軟件，再進(jìn)行二次開發(fā)的狀態(tài)。如果企業(yè)需求應(yīng)用面較窄，就意味著開發(fā)代價(jià)較大，導(dǎo)致此類企業(yè)智能制造進(jìn)程被迫過緩。因此，擁有自主創(chuàng)新的視覺軟件才能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工序智能化，進(jìn)一步支撐中國(guó)制造的實(shí)現(xiàn)。從另一個(gè)角度理解的話，學(xué)生今后從事該朝陽(yáng)行業(yè)會(huì)有很大的發(fā)展空間。

3結(jié)論

工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)技術(shù)日新月異，作為教師一定要做到不停下學(xué)習(xí)的腳步?？傊?，在工業(yè)機(jī)器視覺的教學(xué)中，夯實(shí)機(jī)器視覺理論知識(shí)基礎(chǔ)，了解當(dāng)下流行算法，輔以相關(guān)實(shí)驗(yàn)，最后利用實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目鍛煉學(xué)生實(shí)現(xiàn)整個(gè)視覺系統(tǒng)的能力。為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，我們要不斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，不斷探索，分析自身的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，根據(jù)不同學(xué)生不同特質(zhì)不斷改進(jìn)，因材施教，從而激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型人才。