機(jī)器視覺的人才培養(yǎng)分析和實(shí)訓(xùn)室建設(shè)探索

謝婷婷

摘要：隨著機(jī)器視覺技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用增多，機(jī)器視覺人才的社會(huì)需求大。該文分析了機(jī)器視覺崗位人員需具備的知識(shí)和能力，并提出相應(yīng)的機(jī)器視覺實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)思路，以培養(yǎng)符合社會(huì)需求的應(yīng)用型人才。通過機(jī)器視覺檢測(cè)教學(xué)系統(tǒng)的硬件和軟件教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的硬件選型能力和開發(fā)平臺(tái)的應(yīng)用能力，利用機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用工作站進(jìn)行綜合實(shí)踐，幫助學(xué)生理解自動(dòng)化生產(chǎn)線中的系統(tǒng)集成，同時(shí)輔以3D視覺、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)應(yīng)用，使學(xué)生熟悉機(jī)器視覺的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;人才培養(yǎng);實(shí)訓(xùn)室建設(shè)

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）30-0282-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

機(jī)器視覺是人工智能正在快速發(fā)展的一個(gè)分支。在智能制造生產(chǎn)線上，機(jī)器視覺可以引導(dǎo)機(jī)器人工作，自動(dòng)檢測(cè)生產(chǎn)線上產(chǎn)品的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高速、高精度測(cè)量，識(shí)別目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和追溯。機(jī)器視覺技術(shù)具有安全可靠、生產(chǎn)效率高、檢測(cè)精度高、非接觸性、可在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。在現(xiàn)代工業(yè)中，機(jī)器視覺技術(shù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化、智能化和精確控制的常用手段之一。目前機(jī)器視覺技術(shù)已廣泛地用于汽車、電子、交通航海、醫(yī)藥、食品飲料、裝配制造等行業(yè)。侯天龍等通過基于機(jī)器視覺的無接觸式檢測(cè)方法，對(duì)高鐵白車身零部件的裝配間隙進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)精度可達(dá)到0.05mm[1]。楊利等設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺的紅外接收頭芯片引腳缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)芯片外觀并判斷芯片是否為合格品，檢測(cè)系統(tǒng)誤判率為0.4%[2]。王艷研究了基于機(jī)器視覺的輪轂分類方法，應(yīng)用于汽車輪轂識(shí)別和自動(dòng)分揀[3]。翟偉良等也采用基于機(jī)器視覺、PLC的小工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汽車配件的自動(dòng)化分揀[4]。郁巖利用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)輪胎、軸承、鋼材、模具等產(chǎn)品表面的壓紋字符進(jìn)行檢測(cè)[5]。張萬里等基于機(jī)器視覺技術(shù)，提出了一種蓮子去芯位置定位方法，應(yīng)用于不同產(chǎn)地、不同尺寸的蓮子自動(dòng)化精準(zhǔn)去芯作業(yè)[6]。聊城市中醫(yī)醫(yī)院使用機(jī)器視覺系統(tǒng)指導(dǎo)腔鏡器械的清點(diǎn)、核對(duì)、拆分、清洗、組裝及檢查等過程，使得器械的返洗率、差錯(cuò)失誤率降低，手術(shù)延遲次數(shù)減少[7]。

隨著智能制造的快速發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和檢測(cè)要求的不斷提高，隨著機(jī)器視覺技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增多，各行業(yè)對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)的人才需求也越來越大，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的機(jī)器視覺人才至關(guān)重要。

2 機(jī)器視覺的人才培養(yǎng)

基于社會(huì)對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)相關(guān)人才的需求，各高校正逐步開設(shè)機(jī)器視覺相關(guān)課程，著重培養(yǎng)適應(yīng)機(jī)器視覺崗位的專業(yè)人才。主要教學(xué)課程有機(jī)器視覺技術(shù)、機(jī)器人檢測(cè)設(shè)備、機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)，其他相關(guān)的教學(xué)課程有工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)器人焊接質(zhì)量管理、現(xiàn)代鑄造質(zhì)量管理、機(jī)器人焊接工藝技術(shù)等。高校對(duì)機(jī)器視覺崗位的人才培養(yǎng)大多正在摸索中。

通過企業(yè)走訪，與行業(yè)內(nèi)具有豐富經(jīng)驗(yàn)的機(jī)器視覺工程師溝通和交流，探討得出一名機(jī)器視覺工程師必須掌握的知識(shí)和能力大致主要有以下幾個(gè)方面：

（1）機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本硬件構(gòu)成和硬件選型

機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本硬件主要由相機(jī)、鏡頭和光源構(gòu)成，如圖1所示。機(jī)器視覺工程師應(yīng)熟悉工業(yè)相機(jī)的分類，熟悉工業(yè)相機(jī)的通信接口類型，掌握工業(yè)相機(jī)的主要參數(shù)，能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇合適的相機(jī)。應(yīng)熟悉工業(yè)鏡頭的分類和主要參數(shù)，能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇合適的鏡頭。應(yīng)熟悉工業(yè)光源種類，掌握常見的不同打光方式，能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求合理地選擇光源，選擇合適的打光方式。

另外，還需熟悉圖像采集卡、濾光片、漫射板、偏振片、標(biāo)定板、近攝接圈等其他配件的作用和應(yīng)用場(chǎng)合。

（2）基本的成像要素和光學(xué)知識(shí)

機(jī)器視覺工程師應(yīng)了解成像的基本要素，具備基礎(chǔ)的光學(xué)知識(shí)，以更好地理解應(yīng)用不同打光方式和光源波長(zhǎng)而得到的不同打光效果，理解選用不同類型、參數(shù)的相機(jī)和鏡頭對(duì)圖片質(zhì)量、視野大小等的影響，從而能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，靈活、合理地選擇光源、相機(jī)和鏡頭。

（3）開發(fā)平臺(tái)的應(yīng)用

構(gòu)建一套可靠運(yùn)行的機(jī)器視覺系統(tǒng)，除了要有合適的硬件，還需要良好的測(cè)試環(huán)境和開發(fā)平臺(tái)。通用的視覺庫(kù)有MATLAB圖像處理庫(kù)和OpenCV視覺庫(kù)等，商用機(jī)器視覺開發(fā)包有NI、adept、HALCON等。機(jī)器視覺工程師應(yīng)能熟練應(yīng)用其中至少一種開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行圖像分析和處理，以達(dá)到完成分析檢測(cè)的目的。

（4）基本的數(shù)字圖像處理知識(shí)

大部分的開發(fā)平臺(tái)提供了豐富的函數(shù)，應(yīng)用時(shí)可通過調(diào)用函數(shù)進(jìn)行圖像分析和處理。但如果機(jī)器視覺工程師沒有數(shù)字圖像處理方面的基礎(chǔ)知識(shí)，在靈活使用這些函數(shù)并設(shè)置合適的參數(shù)方面會(huì)有一定的難度。因此，機(jī)器視覺工程師還應(yīng)掌握基本的數(shù)字圖像處理知識(shí)，以加深對(duì)開發(fā)平臺(tái)中函數(shù)的理解，更好地應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)。

此外，由于機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)際通常應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線中，并非單獨(dú)應(yīng)用。因此，機(jī)器視覺工程師除了要掌握以上機(jī)器視覺的專業(yè)知識(shí)，還要對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的系統(tǒng)集成有一定的了解，能夠理解機(jī)器視覺部分和工業(yè)機(jī)器人、電氣控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、傳感技術(shù)等的配合協(xié)作。

3 機(jī)器視覺實(shí)訓(xùn)室建設(shè)思路

實(shí)踐環(huán)節(jié)在機(jī)器視覺人才的培養(yǎng)中起重要作用，建設(shè)機(jī)器視覺實(shí)訓(xùn)室可以很好地支持課程教學(xué)，更好地培養(yǎng)應(yīng)用型機(jī)器視覺人才。圍繞機(jī)器視覺工程師需要掌握的知識(shí)和技能，機(jī)器視覺實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)可分為機(jī)器視覺檢測(cè)教學(xué)系統(tǒng)、機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用工作站和3D視覺系統(tǒng)三個(gè)部分。

（1）機(jī)器視覺檢測(cè)教學(xué)系統(tǒng)

機(jī)器視覺檢測(cè)教學(xué)系統(tǒng)主要包括機(jī)器視覺系統(tǒng)的硬件和教學(xué)軟件兩部分。

硬件部分主要可分為機(jī)器視覺運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、線陣檢測(cè)系統(tǒng)兩種。機(jī)器視覺運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中物體的在線視覺檢測(cè)，涵蓋機(jī)器視覺中常用的硬件設(shè)備，包括工業(yè)相機(jī)、工業(yè)鏡頭、光源和常用配件（濾光片、漫射板、偏振片、標(biāo)定板、近攝接圈等）。其中工業(yè)相機(jī)可選擇不同分辨率大小、不同色彩（黑白或彩色）、不同曝光方式（逐行曝光或全局曝光），工業(yè)鏡頭可選擇不同焦距，同時(shí)配備遠(yuǎn)心鏡頭以適應(yīng)特殊應(yīng)用需求，工業(yè)鏡頭配合工業(yè)相機(jī)使用，教學(xué)時(shí)通過理實(shí)一體化的教學(xué)方式，可幫助學(xué)生更好地理解工業(yè)相機(jī)和工業(yè)鏡頭的參數(shù)。光源可選擇不同打光方式的光源結(jié)構(gòu)，如背光、環(huán)形光、條形光、同軸光、碗光，教學(xué)過程中可選用不同光源結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)打光效果的差異，使學(xué)生能對(duì)光源的作用有更為直觀的感受。在光源波長(zhǎng)的選擇上盡可能涵蓋常用的光源波長(zhǎng)，如可見光中常用紅光、藍(lán)光、白光，同時(shí)配備紅外光源、紫外光源以適應(yīng)特殊場(chǎng)合的應(yīng)用?？紤]到常規(guī)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)曲面物體（或大視野、高精度應(yīng)用場(chǎng)合）的視覺檢測(cè)，針對(duì)此類應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)計(jì)機(jī)器視覺線陣檢測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)涵蓋線陣檢測(cè)系統(tǒng)必要的硬件設(shè)備，包括線陣相機(jī)、配套的鏡頭和線陣光源。結(jié)合以上機(jī)器視覺的硬件部分（具體規(guī)格和參數(shù)可參考表1），幫助學(xué)生理解成像的基本要素與基礎(chǔ)光學(xué)知識(shí)，使學(xué)生掌握機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本硬件構(gòu)成，在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，學(xué)生可針對(duì)實(shí)際的應(yīng)用需求進(jìn)行硬件選型，選擇合適的硬件。

教學(xué)軟件部分應(yīng)具備豐富的圖像處理和分析功能，通過視覺軟件的應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)定位、測(cè)量、檢測(cè)、識(shí)別主要四類應(yīng)用。在教學(xué)過程中，學(xué)生可結(jié)合實(shí)際需求，進(jìn)行軟件的函數(shù)調(diào)用，以達(dá)到完成分析測(cè)量的目的。在操作軟件的練習(xí)過程中，使學(xué)生掌握視覺軟件的應(yīng)用。同時(shí)，在調(diào)用視覺軟件的函數(shù)時(shí)，適時(shí)地開展基本的數(shù)字圖像處理知識(shí)的教學(xué)。

（2）機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用工作站

機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用工作站是指綜合了機(jī)器視覺、工業(yè)機(jī)器人、電氣控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、傳感技術(shù)等的小型自動(dòng)化生產(chǎn)線，主要融合機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用、工業(yè)機(jī)器人操作與編程、可編程控制器等技能點(diǎn)，可囊括機(jī)器視覺手眼標(biāo)定、工業(yè)機(jī)器人動(dòng)態(tài)追蹤、分揀工藝、裝配工藝、檢測(cè)工藝等最典型的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工藝應(yīng)用。在綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)，可利用工作站圍繞工作崗位需求開展項(xiàng)目教學(xué)，幫助學(xué)生對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的系統(tǒng)集成有一定的了解，熟悉機(jī)器視覺部分和工業(yè)機(jī)器人之間的協(xié)作配合，初步掌握機(jī)器視覺工程師所需的基本技能。

（3）3D視覺系統(tǒng)

主流的2D視覺系統(tǒng)拍攝得到的是一個(gè)二維平面的圖片，無法獲得物體的空間坐標(biāo)信息。3D視覺可以獲取深度信息，可以識(shí)別堆積在一起的物體，并獲取目標(biāo)物體的高精度空間位置，提供工業(yè)機(jī)器人。相比2D視覺，3D視覺還可以更好地獲取物體的表面深度信息，有利于分析工件表面的凹凸缺陷，尤其對(duì)于一些十分微小的物體表面紋理變化，3D視覺的檢測(cè)精度更高。

隨著機(jī)器視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，3D視覺、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的應(yīng)用也越來越多，機(jī)器視覺技術(shù)向著更多維度、更高柔性、更復(fù)雜任務(wù)、更智能的方向發(fā)展。圍繞3D視覺系統(tǒng)開展認(rèn)識(shí)教學(xué)，使學(xué)生了解機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)3D視覺技術(shù)的原理和應(yīng)用有一定的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)語

機(jī)器視覺技術(shù)人才的社會(huì)需求越來越大，對(duì)此，本文結(jié)合機(jī)器視覺崗位人員需具備的知識(shí)和能力，提出相應(yīng)的機(jī)器視覺實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)思路。建設(shè)的機(jī)器視覺實(shí)訓(xùn)室可以為學(xué)生的實(shí)訓(xùn)提供條件，學(xué)生通過實(shí)踐掌握機(jī)器視覺的硬件選型、開發(fā)平臺(tái)的使用，了解自動(dòng)化生產(chǎn)線中的系統(tǒng)集成。另外，作為一種新興技術(shù)，機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用型實(shí)訓(xùn)室十分緊缺，實(shí)訓(xùn)室建成后也可為該領(lǐng)域內(nèi)企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)與社會(huì)培訓(xùn)，為開展職業(yè)技能鑒定和各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練提供有利的條件。

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