面向機(jī)器人工程專業(yè)的機(jī)器視覺課程建設(shè)

殷 悅 楊 斌 王臨茹 萬 浩 陳曉康

（泰州學(xué)院船舶與機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 泰州225300）

在“中國制造2025”“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略指導(dǎo)下，工廠里面用機(jī)器人替代人工勞動(dòng)力的現(xiàn)象越來越多，我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展也越來越得到重視。機(jī)器視覺技術(shù)也成為人工智能的一個(gè)重要的分支，它將圖像處理、機(jī)械、光學(xué)、傳感器、虛擬、計(jì)算機(jī)軟硬件等多個(gè)專業(yè)技術(shù)融合到一起發(fā)展成為一項(xiàng)綜合的技術(shù)[1]。機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于零售業(yè)、制造業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、自動(dòng)駕駛、農(nóng)業(yè)、安防和保險(xiǎn)業(yè)等，可以完成圖像分類、定位、目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)分割等任務(wù)。機(jī)器視覺主要用計(jì)算機(jī)來模擬人的視覺功能，但并不僅僅是人眼的簡單延伸，更重要的是具有人腦的一部分功能一一從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制。

1 機(jī)器視覺課程建設(shè)中的問題

因?yàn)闄C(jī)器人工程專業(yè)是個(gè)新設(shè)學(xué)科，目前高校里開設(shè)面向機(jī)器人工程專業(yè)的機(jī)器視覺的課程較少，且側(cè)重點(diǎn)不同，應(yīng)用到實(shí)際中必須掌握的知識(shí)有：（1）機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本組成；（2）基本成像與光學(xué)知識(shí)；（3）基本的數(shù)字圖像處理知識(shí)；（4）通用的視覺庫，如Matlab圖像處理庫和OpenCV視覺庫，或者專業(yè)的工業(yè)機(jī)器視覺軟件halcon，只有掌握這些初步基本的技能才能夠?yàn)槌蔀橐幻麢C(jī)器視覺工程師打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2]。

泰州學(xué)院的辦學(xué)定位是建設(shè)有特色高水平應(yīng)用型地方本科院校，著力培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才。機(jī)器人工程專業(yè)開設(shè)于2018年，機(jī)器視覺課程于第六學(xué)期開設(shè)，前期已開設(shè)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、機(jī)器人工程導(dǎo)論、機(jī)器人操作系統(tǒng)等專業(yè)課程，學(xué)生已經(jīng)有了一定的理論基礎(chǔ)，也對(duì)機(jī)器人技術(shù)有一定的了解。同期開設(shè)機(jī)器人傳感器技術(shù)及應(yīng)用、深度學(xué)習(xí)和機(jī)器人控制與應(yīng)用編程等課程，讓學(xué)生能夠掌握最新一代機(jī)器人傳感器技術(shù)，并利用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的智能控制、決策、規(guī)劃、學(xué)習(xí)等，從而解決復(fù)雜工程問題。

根據(jù)目前的研究，機(jī)器視覺課程普遍存在的問題有：（1）注重理論教學(xué)，不能很好地跟實(shí)踐教學(xué)聯(lián)系起來；（2）機(jī)器視覺是一門交叉學(xué)科，學(xué)生片面地學(xué)習(xí)機(jī)器視覺理論知識(shí)，不能跟其他課程融會(huì)貫通，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；（3）機(jī)器視覺知識(shí)更新較快，是一門不斷發(fā)展的課程，需要所學(xué)的知識(shí)能夠與時(shí)俱進(jìn)，學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)較為基礎(chǔ)，僅教材上的知識(shí)很難滿足社會(huì)的需求。

2 機(jī)器視覺課程建設(shè)改進(jìn)方式

2．1 教學(xué)內(nèi)容的選擇

因?yàn)閭鹘y(tǒng)的教學(xué)模式多屬于“一言堂”模式，以教師為中心，學(xué)生被迫接受知識(shí)點(diǎn)，很難找到興趣點(diǎn)，學(xué)習(xí)效果就會(huì)有一定的影響。教師在進(jìn)行知識(shí)導(dǎo)入時(shí)，可從日常生活中的例子切入，如智能手機(jī)的人臉解鎖引入“人臉識(shí)別”的知識(shí)內(nèi)容；老照片修復(fù)技術(shù)引入“圖像增強(qiáng)”知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容；電影摳圖技術(shù)引入“圖像分割”知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容。選擇學(xué)生感興趣的內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)動(dòng)力。

2.2 引入仿真軟件

機(jī)器視覺課程中圖像處理技術(shù)占據(jù)較重要的地位，講解相關(guān)知識(shí)時(shí)引入Matlab圖像處理軟件，Matlab具有數(shù)值分析、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真、數(shù)字圖像處理等強(qiáng)大功能，將Matlab引入實(shí)踐教學(xué)，更有利于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)技術(shù)的深入理解，提高學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的加強(qiáng)

為避免授課過程過于注重理論，本課程會(huì)進(jìn)行兩次分組實(shí)驗(yàn)，分別是雙目相機(jī)標(biāo)定和圖像分割實(shí)驗(yàn)。以相機(jī)標(biāo)定為例，雙目相機(jī)標(biāo)定的本質(zhì)就是通過建立世界坐標(biāo)系跟圖像坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系，從而主要得到相機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣以及相機(jī)2相對(duì)于相機(jī)1的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。在講解完原理之后，6~8名學(xué)生組成一組，選取標(biāo)準(zhǔn)黑白方格作為標(biāo)定板，用雙目相機(jī)進(jìn)行拍照，自主搭建雙目圖像采集系統(tǒng)，采集圖集，利用Matlab標(biāo)定工具導(dǎo)入和標(biāo)定，最終獲得標(biāo)定參數(shù)以及相機(jī)和標(biāo)定板的位置模擬圖，如圖1和圖2所示，圖1模擬出實(shí)驗(yàn)過程中雙目相機(jī)靜止，標(biāo)定板相對(duì)相機(jī)擺放的多個(gè)位置，同時(shí)還可以觀察到兩個(gè)相機(jī)的相對(duì)位置的擺放。圖2模擬出實(shí)驗(yàn)過程中標(biāo)定板保持靜止，而雙目相機(jī)相對(duì)標(biāo)定板擺放多個(gè)位置的變化情況，可以讓學(xué)生直觀地了解相機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)中多個(gè)坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系，以及標(biāo)定結(jié)果中各參數(shù)的意義。

圖1 標(biāo)定板運(yùn)動(dòng)圖

圖2 相機(jī)運(yùn)動(dòng)圖

小組實(shí)驗(yàn)會(huì)在一定程度上調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性，過程中，教師不做主導(dǎo)，學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)途徑，自行探索和修正，在理解理論知識(shí)的前提下，自主搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程。通過實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，不僅讓學(xué)生深入理解相機(jī)標(biāo)定的原理和應(yīng)用，還可以鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，讓學(xué)生通過自己的努力思考和實(shí)踐不斷地突破和獲得實(shí)踐成果，培養(yǎng)了學(xué)生協(xié)同合作、溝通交流、自主學(xué)習(xí)的能力。

2.4 加強(qiáng)校企合作

該校作為一所應(yīng)用型本科院校，應(yīng)用型主要體現(xiàn)在突出服務(wù)地方和注重學(xué)生的實(shí)踐能力。服務(wù)地方不僅是教師深入企業(yè)實(shí)踐，也是為本地企業(yè)培養(yǎng)新一批人才，本科第四年的企業(yè)實(shí)踐是鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力的重要舉措，也是搭建學(xué)生和企業(yè)之間的橋梁。學(xué)生進(jìn)入企業(yè)可以促進(jìn)他們快速成長，可以看到機(jī)器視覺在實(shí)際應(yīng)用中的體現(xiàn)，讓學(xué)生不僅僅局限于書本上的知識(shí)，看到機(jī)器視覺與時(shí)俱進(jìn)的發(fā)展，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情和創(chuàng)新能力。

2.5 積極參加競(jìng)賽

目前，面對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)在國內(nèi)廣闊的發(fā)展空間，為了進(jìn)一步推動(dòng)自主技術(shù)的研究進(jìn)展，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和思維能力，國家以及省級(jí)舉辦多種比賽，這些比賽實(shí)際上是學(xué)生發(fā)揮想象，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的過程。由于學(xué)生上課的局限性，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中較無目的性，且沒有深入研究相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，通過比賽的具體任務(wù)，可以激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)知識(shí)，不斷地將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際操作上來，這個(gè)過程是一種轉(zhuǎn)化過程，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)造能力，培養(yǎng)了對(duì)機(jī)器視覺的興趣，意義非常重大。并且比賽都不會(huì)局限于機(jī)器視覺，還會(huì)運(yùn)用到機(jī)械設(shè)計(jì)、電路和控制系統(tǒng)等知識(shí)，促進(jìn)了學(xué)生的各科知識(shí)的融會(huì)貫通，讓學(xué)生主動(dòng)地去運(yùn)用知識(shí)，汲取知識(shí)，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面。

3 結(jié)論

通過對(duì)機(jī)器人專業(yè)的機(jī)器視覺課程的建設(shè)研究，探索了機(jī)器視覺課程中的問題，提出了課程建設(shè)中的一些方式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作，發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。為機(jī)器人專業(yè)的學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)深造和從事相關(guān)工作都奠定了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)通過教學(xué)方式的改進(jìn)，活躍了課堂氣氛，拉近了學(xué)生和教師的距離，對(duì)于課堂的質(zhì)量和效率都有一定的提高。