“智能視覺(jué)技術(shù)”理實(shí)一體化素質(zhì)提升探索

機(jī)器視覺(jué)是智能制造生產(chǎn)線的重要組成部分，在生產(chǎn)線上機(jī)器視覺(jué)可以起到替代人眼的作用，在一定程度上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的外觀缺陷檢測(cè)，進(jìn)行非接觸式尺寸測(cè)量，識(shí)別工件或目標(biāo)信息，與機(jī)器人配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配等。引入機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的檢測(cè)，節(jié)省大量的人工和機(jī)械工裝。目前機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用主要有引導(dǎo)、檢測(cè)、測(cè)量和識(shí)別四大類，涉及的行業(yè)范圍廣，典型應(yīng)用行業(yè)有汽車制造行業(yè)、電子和半導(dǎo)體行業(yè)、工業(yè)包裝行業(yè)、制藥行業(yè)等。張愛(ài)云等

針對(duì)VVT發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)了一種缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)有效檢測(cè)外觀的劃痕、劃傷，且可篩選出磕碰點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)外徑進(jìn)行精確測(cè)量。臧程程

將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的標(biāo)簽號(hào)碼打刻質(zhì)量，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配是否存在漏裝或安裝錯(cuò)誤進(jìn)行自動(dòng)化檢查，在保證產(chǎn)品裝配質(zhì)量的同時(shí)，大大提高了工作效率。賈茜偉等

利用機(jī)器視覺(jué)對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)、分類和定位，通過(guò)PLC對(duì)工件的坐標(biāo)信息進(jìn)行解析并發(fā)送給機(jī)器人，從而引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行智能組裝和入庫(kù)。基于機(jī)器視覺(jué)的物流系統(tǒng)的應(yīng)用使物流的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高。姚應(yīng)方等

利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)八角進(jìn)行外觀檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)八角的顏色識(shí)別和形狀分析，識(shí)別正確率高，檢測(cè)精確。

未來(lái)世友將堅(jiān)持“聚焦地板、以質(zhì)立世”的策略，以全渠道拓展、全品類發(fā)力、雙模式運(yùn)營(yíng)的方式，打造更廣闊的品牌發(fā)展。

基于機(jī)器視覺(jué)的興起和應(yīng)用擴(kuò)展，社會(huì)上對(duì)機(jī)器視覺(jué)人才的需求也逐漸增大，因此開(kāi)設(shè)機(jī)器視覺(jué)相關(guān)課程，培養(yǎng)適應(yīng)機(jī)器視覺(jué)工程師崗位需求的人才迫在眉睫。本文以智能視覺(jué)技術(shù)課程為例，探討如何運(yùn)用理實(shí)一體化教學(xué)模式，更好地培養(yǎng)學(xué)生具備機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和一定的實(shí)踐操作能力，為今后從事機(jī)器視覺(jué)工程師崗位奠定基礎(chǔ)。

相關(guān)地，同一知識(shí)點(diǎn)螺旋重復(fù)多少次合適？比如，“平行四邊形概念”在4個(gè)版本中出現(xiàn)了3次，2個(gè)版本出現(xiàn)了4次．“性質(zhì)1”在北師版中沒(méi)有重復(fù)，冀教版中出現(xiàn)了3次，其余版本出現(xiàn)了2次．“性質(zhì)2”在冀教版和青島版中出現(xiàn)了2次，其它4個(gè)版本均沒(méi)有重復(fù)出現(xiàn)．冀教版中的“知識(shí)點(diǎn)Z9”出現(xiàn)了2次，分別在二下、四下，其它5個(gè)版本均沒(méi)有重復(fù)出現(xiàn)．

1 定位

智能視覺(jué)技術(shù)是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、理化測(cè)試與質(zhì)檢技術(shù)專業(yè)的必修課，是崗位核心課程之一，主要面向機(jī)器視覺(jué)工程師崗位而設(shè)置。作者在2020-2021年期間，作為訪問(wèn)工程師在杭州指南車機(jī)器人科技有限公司研修，期間了解到機(jī)器視覺(jué)工程師崗位要求具備的基礎(chǔ)知識(shí)和能力，據(jù)此確定智能視覺(jué)技術(shù)課程的教學(xué)目標(biāo)，使培養(yǎng)的學(xué)生更加適應(yīng)社會(huì)需求。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生掌握機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的基本硬件構(gòu)成和硬件選型，熟悉基本的成像要素和光學(xué)知識(shí)，了解基本的數(shù)字圖像處理知識(shí)。培養(yǎng)學(xué)生具有機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和一定的實(shí)踐操作能力，能夠針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求合理選擇硬件系統(tǒng)，能熟練應(yīng)用至少一種開(kāi)發(fā)平臺(tái)分析和處理圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分析檢測(cè)的目的。本課程涉及技術(shù)眾多，包括物理光學(xué)、計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理、機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)化控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)等，大多理論枯燥，且理論難度較高、不易理解。

2 學(xué)情分析

(2)學(xué)生實(shí)踐操作：學(xué)生搭建機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，主要包括工業(yè)相機(jī)、工業(yè)鏡頭和環(huán)形光源的安裝。通過(guò)螺紋接口的連接，將工業(yè)鏡頭安裝在工業(yè)相機(jī)上，將被檢試樣置于工業(yè)相機(jī)和工業(yè)鏡頭下方，將環(huán)形光源置于被檢試樣和工業(yè)相機(jī)、工業(yè)鏡頭中間，如圖2所示。搭建完成后，分別采用紅色、藍(lán)色和白色環(huán)形光源對(duì)被檢試樣進(jìn)行打光。環(huán)形光源屬于反射光照明，環(huán)形光源的光線照射到被檢試樣的表面，形成反射，反射光進(jìn)入工業(yè)鏡頭，由鏡頭接收反射光線并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，工業(yè)相機(jī)通過(guò)CCD或CMOS圖像傳感器將鏡頭接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再將這些信息通過(guò)相應(yīng)接口傳送到計(jì)算機(jī)主機(jī)。本系統(tǒng)中，相機(jī)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口、用網(wǎng)線連接到電腦(工控機(jī))，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。利用電腦(工控機(jī))上的機(jī)器視覺(jué)開(kāi)發(fā)平臺(tái)(如VisionPro、MVP軟件)，拍攝獲取三組圖像。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，反射光照明條件下，獲得一副圖像主要是通過(guò)工業(yè)相機(jī)的感光芯片捕獲到進(jìn)入的反射光線，進(jìn)入的反射光線越多，獲得的圖像越亮；反之，則獲得的圖像越暗。

(1)準(zhǔn)備實(shí)訓(xùn)設(shè)備：工業(yè)相機(jī)1個(gè)，工業(yè)鏡頭1個(gè)，紅色、藍(lán)色和白色環(huán)形結(jié)構(gòu)光源各1個(gè)。檢測(cè)試樣1個(gè)(應(yīng)具有典型的紅色、藍(lán)色，盡量選擇真實(shí)檢測(cè)工件，也可選擇生活中常見(jiàn)的物體。如選擇飲料瓶蓋作為檢測(cè)試樣，對(duì)瓶蓋上生產(chǎn)日期進(jìn)行識(shí)別作為檢測(cè)項(xiàng)目目的)。

3 實(shí)訓(xùn)設(shè)備和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

結(jié)合案例(如瓶蓋上生產(chǎn)日期的識(shí)別)，分析生產(chǎn)日期該特征如何實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，選擇哪個(gè)顏色的光源效果最佳。瓶蓋本身的顏色由藍(lán)色、紅色和白色組成，其中藍(lán)色為主。在瓶蓋藍(lán)色背景上印刷有黑色字體的生產(chǎn)日期。采用紅色環(huán)形光源進(jìn)行打光時(shí)，由于物體會(huì)反射和它顏色相近的光，因此紅色區(qū)域?qū)t光的反射強(qiáng)，進(jìn)入工業(yè)鏡頭和相機(jī)的反射光線多，而藍(lán)色區(qū)域與對(duì)紅光的反射較弱，進(jìn)入的反射光線較少，因此拍攝的圖像呈現(xiàn)為紅色區(qū)域較亮、藍(lán)色區(qū)域較暗的特點(diǎn)。反之，采用藍(lán)色環(huán)形光源進(jìn)行打光時(shí)，由于藍(lán)色區(qū)域?qū)λ{(lán)光的反射強(qiáng)，拍攝的圖像呈現(xiàn)為藍(lán)色區(qū)域較亮、紅色區(qū)域較暗的特點(diǎn)。采用白色環(huán)形光源進(jìn)行打光時(shí)，由于白色光是混色光，是由多種有色光組成的，因此藍(lán)色區(qū)域、紅色區(qū)域都將吸收其中和它顏色互補(bǔ)的部分有色光，只有和它顏色相近的部分有色光被反射，使得進(jìn)入工業(yè)鏡頭和工業(yè)相機(jī)的反射光強(qiáng)度均相對(duì)較弱，如圖3所示。因此在白色環(huán)形光源打光時(shí)，藍(lán)色區(qū)域和紅色區(qū)域均較暗。考慮到機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)需要識(shí)別瓶蓋上的生產(chǎn)日期，為了使圖像上的生產(chǎn)日期強(qiáng)化、易于識(shí)別，應(yīng)盡可能提高生產(chǎn)日期和背景的對(duì)比度，也就是檢測(cè)的特征與非檢測(cè)的特征有明顯的明暗差別。由于瓶蓋上的生產(chǎn)日期為黑色，因此當(dāng)圖像中背景為白色時(shí)有最為明顯的明暗差別，對(duì)比度最佳。要使圖像中背景為白色，應(yīng)盡可能使背景區(qū)域的反射光線增多，通過(guò)前面不同顏色環(huán)形光源的打光對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，藍(lán)色背景在選擇藍(lán)色光源時(shí)，反射光最強(qiáng)，在圖像上背景將最亮，從而與黑色字體的生產(chǎn)日期明暗差別最明顯，可獲得最佳的圖像對(duì)比度。在分析該案例的基礎(chǔ)上，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步補(bǔ)充藍(lán)色的互補(bǔ)色(黃色)打光試驗(yàn)，比較圖像上藍(lán)色背景的亮暗變化。必要時(shí)可結(jié)合更多案例，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。

(5)教師總結(jié)和延伸：通過(guò)案例中打光試驗(yàn)的對(duì)比，得出光源的主要作用是通過(guò)光源將被測(cè)物體(特征)與背景信息盡量明顯區(qū)分，獲得高品質(zhì)、高對(duì)比度的圖像。在此基礎(chǔ)上，可延伸補(bǔ)充光源的其他作用，如增加均勻性、消隱背景、增加一致性。

4 理實(shí)一體化教學(xué)案例——不同顏色光源的打光對(duì)比試驗(yàn)

高職學(xué)生普遍對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的接受度較差。在以往的考試中發(fā)現(xiàn)，以理論知識(shí)點(diǎn)為主的考試課程，班級(jí)平均分?jǐn)?shù)在65分-75分；而以實(shí)踐操作為主的考試課程，班級(jí)平均分?jǐn)?shù)在80分以上。這一現(xiàn)象反映了相比理論知識(shí)點(diǎn)，高職學(xué)生對(duì)實(shí)踐操作技能的接受度更高。因此，在智能視覺(jué)技術(shù)的高職課堂教學(xué)中，采用理實(shí)一體化教學(xué)模式或許能達(dá)到更好的教學(xué)效果。

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、理化測(cè)試與質(zhì)檢技術(shù)專業(yè)的高職學(xué)生一般不具備編程語(yǔ)言基礎(chǔ)，對(duì)物理光學(xué)基本概念的了解也不深入。如果在教學(xué)過(guò)程中單純講授理論知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生一時(shí)難以理解，可能產(chǎn)生畏難情緒，從而失去對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣。因此，在教學(xué)內(nèi)容的選擇上應(yīng)以實(shí)際應(yīng)用為主，理論夠用為度。

(3)學(xué)生分析和討論：通過(guò)對(duì)比不同顏色環(huán)形光源的打光條件下拍攝得到的圖像，學(xué)生分析光源的顏色對(duì)圖像效果的影響，并討論哪個(gè)光源最為合適。必要時(shí)可進(jìn)行記錄，如表2所示。最后派代表闡述說(shuō)明。

(4)教師提煉理論知識(shí)點(diǎn)：結(jié)合學(xué)生的討論結(jié)果，引出相關(guān)的理論知識(shí)點(diǎn)，不同顏色環(huán)形光源打光之所以得到不同的圖像效果，是因?yàn)槲矬w會(huì)反射和它顏色相近的光，而吸收和它顏色互補(bǔ)的光，因此可以利用待測(cè)物顏色的不同，通過(guò)互補(bǔ)顏色或者相同顏色的照明把需要的特征強(qiáng)化和消除。

理實(shí)一體化是突破理論與實(shí)踐相脫節(jié)現(xiàn)象的一種教學(xué)模式，它強(qiáng)調(diào)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的緊密相連，在教學(xué)環(huán)節(jié)中理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)交互進(jìn)行，沒(méi)有固定的先后順序。在理實(shí)一體化教學(xué)課堂上，教師依然起主導(dǎo)作用，教師通過(guò)設(shè)定教學(xué)任務(wù)，將理論知識(shí)點(diǎn)融于實(shí)踐教學(xué)中。通過(guò)實(shí)踐，學(xué)生不僅掌握了操作技能，同時(shí)也完成了對(duì)理論知識(shí)的理解和內(nèi)化。對(duì)于高職學(xué)生來(lái)說(shuō)，“做中學(xué)、學(xué)中做”這種方式可充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性

。

理實(shí)一體化教學(xué)需要教師將理論知識(shí)點(diǎn)和實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行融合，提前準(zhǔn)備好實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)所需的設(shè)備。作者結(jié)合訪工期間的經(jīng)驗(yàn)，將機(jī)器視覺(jué)工程師需具備的硬件選型能力進(jìn)行細(xì)分，并對(duì)相關(guān)的理論知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理，設(shè)計(jì)了智能視覺(jué)技術(shù)課程的理實(shí)一體化教學(xué)項(xiàng)目，如表1所示。同時(shí)將實(shí)際應(yīng)用中需要的硬件進(jìn)行簡(jiǎn)化，在保證能完成分析檢測(cè)目的的前提條件下，選取主要的基本設(shè)備，搭建了一套簡(jiǎn)易機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，便于在課堂中實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)，如圖1所示。該套系統(tǒng)主要包括工業(yè)相機(jī)、工業(yè)鏡頭、光源、光源控制器、可調(diào)節(jié)支架和電腦(工控機(jī))等。其中可調(diào)節(jié)支架應(yīng)能固定工業(yè)相機(jī)，且支持各類光源的安裝和使用。光源選擇發(fā)光二極管光源(簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED光)，LED光具有壽命長(zhǎng)、照明穩(wěn)定、功耗低、指向性好、響應(yīng)快、亮度高、顏色多、靈活組合等優(yōu)點(diǎn)。可以使用多個(gè)LED燈珠以達(dá)到高亮度，同時(shí)有各種不同的顏色的燈珠可供選擇使用，也可以將不同顏色的燈珠進(jìn)行混合使用。LED光組合靈活，結(jié)構(gòu)上可組合成不同的形狀，包括環(huán)形光源、條形光源、背光源、同軸光源、點(diǎn)光源、球積分光源(碗光)、線光源等。而且同樣的環(huán)形光源結(jié)構(gòu)條件下，還可將LED光組裝成不同的打光角度，包括高角度打光和低角度打光?；贚ED光的以上特點(diǎn)，LED光源能夠基本滿足如表1所示的理實(shí)一體化教學(xué)項(xiàng)目的需要。

在本案例中，通過(guò)實(shí)踐項(xiàng)目的教學(xué)，可以將相關(guān)的理論知識(shí)點(diǎn)自然融入，實(shí)現(xiàn)了理實(shí)一體化教學(xué)。由于實(shí)踐項(xiàng)目任務(wù)的驅(qū)動(dòng)，學(xué)生在課堂上的參與度大大提高，而且不同顏色環(huán)形光源的打光試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比明顯，學(xué)生有更為直觀的感受，通過(guò)實(shí)踐操作后的分析討論，引發(fā)學(xué)生的好奇心，激發(fā)其學(xué)習(xí)主動(dòng)性，最后再通過(guò)教師的講解，使學(xué)生掌握相關(guān)的理論知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)理實(shí)一體化教學(xué)，學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)積極性都得到了明顯提高，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)也將更加深刻，同時(shí)通過(guò)討論也鍛煉了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

經(jīng)過(guò)對(duì)兩組療效進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示觀察組治療口腔潰瘍的總有效率比對(duì)照組顯著更高（P＜0.05）。詳見(jiàn)表1。

由傳統(tǒng)的水文模型參數(shù)取值得到模型模擬的洪峰合格率為69.2%，洪量合格率為46.15%，可見(jiàn)雙超模型對(duì)洪峰的模擬精度較高，對(duì)洪量的模擬精度較低。

本文所設(shè)計(jì)的理實(shí)一體化教學(xué)項(xiàng)目基于校企合作，突出應(yīng)用，重在培養(yǎng)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的硬件選型能力，與企業(yè)的需求相匹配；所搭建的簡(jiǎn)易機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活，能適應(yīng)大部分硬件選型試驗(yàn)的需求，且成本不高。在企業(yè)、行業(yè)工作人員培訓(xùn)時(shí)，也可參考本文的理實(shí)一體化教學(xué)項(xiàng)目和簡(jiǎn)易機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)。

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