面向新時(shí)代人才培養(yǎng)需求的“機(jī)器視覺(jué)”課程教學(xué)改革研究*

付貴忠 ，牛福洲 ，陳 浩 ，曹自洋 ，沈曄湖 ，謝 鷗

（蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

德國(guó)提出的“工業(yè)4.0”概念強(qiáng)調(diào)將物理世界和數(shù)字世界融合，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能制造。智能制造涉及人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)，在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。智能制造可以促使企業(yè)更加注重技術(shù)創(chuàng)新、品牌建設(shè)和高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)[1]。智能包含的能力包括感知能力、學(xué)習(xí)能力、推理能力、語(yǔ)言能力和協(xié)作能力等，而其中智能化的感知能力是非常重要的一環(huán)，機(jī)器視覺(jué)因其非接觸、成本低、效率高和可重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)作為智能化感知的重要實(shí)現(xiàn)方式，在眾多行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。為了更好地培養(yǎng)滿足新時(shí)代智能制造產(chǎn)業(yè)需求的人才，在人才教育和培養(yǎng)的過(guò)程中需要針對(duì)性地做好機(jī)器視覺(jué)專業(yè)素質(zhì)的相關(guān)培養(yǎng)[2]。

機(jī)器視覺(jué)專業(yè)人才培養(yǎng)方式如圖1所示，其中人才培養(yǎng)定位為以康耐視、基恩士和德創(chuàng)等機(jī)器視覺(jué)企業(yè)的典型崗位需求為目標(biāo)，人才培養(yǎng)課程包括“數(shù)字圖像處理”“機(jī)器視覺(jué)”“機(jī)器/深度學(xué)習(xí)”和“編程語(yǔ)言”等，在人才培養(yǎng)的過(guò)程中引入應(yīng)用型項(xiàng)目實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)參與領(lǐng)域競(jìng)賽、行業(yè)專家講座和機(jī)器視覺(jué)企業(yè)參觀等重點(diǎn)項(xiàng)目。

圖1 機(jī)器視覺(jué)專業(yè)人才培養(yǎng)方式

1 “機(jī)器視覺(jué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

機(jī)器視覺(jué)指機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷，是計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，涉及使計(jì)算機(jī)能夠模仿人類視覺(jué)系統(tǒng)的能力，從圖像或視頻數(shù)據(jù)中提取信息、分析場(chǎng)景、識(shí)別對(duì)象等?！皺C(jī)器視覺(jué)”課程通常涵蓋機(jī)器視覺(jué)的基礎(chǔ)理論、圖像處理技術(shù)、模式識(shí)別和深度學(xué)習(xí)等。

1.1 教材偏陳舊

目前，高校在機(jī)器視覺(jué)和數(shù)字圖像處理方面用的教材包括：1）《Digital Image Processing》，作者為Rafael C. Gonzalez和Richard E. Woods；2）《數(shù)字圖像處理》，即Digital Image Processing的中譯版，阮秋琦等譯；3）《數(shù)字圖像處理的MATLAB實(shí)現(xiàn)》，作者為Rafael C. Gonzalez，Richard E. Woods，Steven L. Eddins，阮秋琦譯；4）《計(jì)算機(jī)視覺(jué)教程》，作者為章毓晉；5）《數(shù)字圖像處理》，卡斯?fàn)柭?，朱志剛等譯。以上教材內(nèi)容十分豐富，但是在自動(dòng)化、電氣和儀器等專業(yè)的培養(yǎng)方案中，“機(jī)器視覺(jué)”課程一般不是專業(yè)的核心課程，課程內(nèi)容的豐富性有時(shí)會(huì)受到學(xué)時(shí)的限制[3]。在授課教師講授課程時(shí)，主要講解的內(nèi)容會(huì)選擇圖像的基礎(chǔ)知識(shí)、基礎(chǔ)算法、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、邊緣檢測(cè)和圖像分割等應(yīng)用較廣的章節(jié)，而對(duì)很多比較重要的內(nèi)容沒(méi)有詳細(xì)的講解，如圖像恢復(fù)/校正/修補(bǔ)、圖像去霧/雨、圖像重建、圖像編碼和目標(biāo)識(shí)別等內(nèi)容，這些內(nèi)容有些是和行業(yè)中的實(shí)際需求相關(guān)的。

岡薩雷斯的《數(shù)字圖像處理》教材及其譯本，教材較為經(jīng)典，受到廣泛使用。作為近年來(lái)快速發(fā)展的技術(shù)之一，機(jī)器視覺(jué)的理論內(nèi)容、新方法和新設(shè)備等都有了很大的發(fā)展。但在選擇經(jīng)典版本書籍作為教材時(shí)，存在滯后性，由于機(jī)器視覺(jué)教材的編寫時(shí)間較早，如《數(shù)字圖像處理》教材已經(jīng)編寫完成十余年，教材內(nèi)容可能無(wú)法涵蓋相關(guān)領(lǐng)域最新的研究進(jìn)展和技術(shù)，尤其是在快速發(fā)展的機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法了解機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域最新的發(fā)展趨勢(shì)和相關(guān)前沿知識(shí)，一些教材中的內(nèi)容變得過(guò)時(shí)或不再適用，這可能導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中面臨困難[4]。

1.2 課程教學(xué)內(nèi)容工程實(shí)踐性不強(qiáng)

相關(guān)教師在授課時(shí)主要集中在基礎(chǔ)理論上，少量的例題也是對(duì)理論進(jìn)一步闡述，缺少和實(shí)際任務(wù)需求相關(guān)的例題。這導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)理論與實(shí)踐脫節(jié)的情況[5]，學(xué)生在掌握理論知識(shí)時(shí)會(huì)局限在書本講述的內(nèi)容，而無(wú)法和實(shí)際情況聯(lián)系起來(lái)。例如講解圖像去噪的時(shí)候，教材中主要講解利用各種模板進(jìn)行圖像的去噪，關(guān)于噪聲的產(chǎn)生作了一定的介紹，但是在給出需要處理的含噪圖片時(shí)，并沒(méi)有給出實(shí)際情況下的自然含噪圖片，而是通過(guò)人工合成方式生成含噪圖片，這不利于學(xué)生形成對(duì)實(shí)際有噪聲圖像的直觀印象和培養(yǎng)學(xué)生對(duì)圖像處理的能力。因此，當(dāng)學(xué)生畢業(yè)工作后面臨實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)，他們會(huì)局限于書本中的圖像去噪方案，而不能因地制宜地根據(jù)被研究對(duì)象的物體特性、光學(xué)特性、數(shù)據(jù)生成形式和環(huán)境影響等因素設(shè)計(jì)圖像去噪算法。

1.3 教學(xué)方式單一，學(xué)生積極性不高

機(jī)器視覺(jué)在多個(gè)行業(yè)中都有很廣泛的應(yīng)用，包括制造業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)和交通等，多學(xué)科的交叉和融合現(xiàn)象較強(qiáng)，因此需要具備多學(xué)科專業(yè)知識(shí)來(lái)解決實(shí)際的工程問(wèn)題。在傳統(tǒng)的板書和PPT教學(xué)模式中，更加側(cè)重于理論知識(shí)的展示，對(duì)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的背景闡述、問(wèn)題剖析和研究方案的設(shè)計(jì)內(nèi)容較少。一些經(jīng)典教材可能沿用傳統(tǒng)的教學(xué)方法和教學(xué)風(fēng)格，可能不夠貼近現(xiàn)代學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和方式。這可能影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和理解深度。在部分院校中有一定的上機(jī)實(shí)驗(yàn)課，但是上機(jī)實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)較少，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容也僅是書本中的例題，實(shí)驗(yàn)部分的成績(jī)對(duì)最終評(píng)定影響較小，因而學(xué)生對(duì)這一部分的重視度不夠。

學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)習(xí)興趣和積極性不高，認(rèn)真聽課率不高。復(fù)習(xí)準(zhǔn)備考試的過(guò)程中，學(xué)生只能面對(duì)理論的內(nèi)容反復(fù)記憶背誦以通過(guò)考試。最后雖然學(xué)生通過(guò)了考試，但是從本課程中獲取的專業(yè)知識(shí)并不能夠滿足實(shí)際的工作需要，這樣的教學(xué)方式自然不能達(dá)成專業(yè)的教學(xué)目標(biāo)和畢業(yè)目標(biāo)。參加工作后需要在工作中摸索完成工作所需要的內(nèi)容。

2 “機(jī)器視覺(jué)”課程教學(xué)改革措施

2.1 選用合適的教材

針對(duì)機(jī)器視覺(jué)教材選用存在的不足，教師應(yīng)該充分意識(shí)到這些缺點(diǎn)，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)彌補(bǔ)。首先，選擇國(guó)內(nèi)外最新的機(jī)器視覺(jué)和圖像處理方面的教材作為主要參考資料，再提供一些經(jīng)典的書籍給學(xué)生作為輔助參考資料，學(xué)生可以通過(guò)主要參考教材了解最新且成熟的技術(shù)，課后通過(guò)輔助參考教材補(bǔ)充了解上課老師沒(méi)講或者自己沒(méi)理解的內(nèi)容。雖然在教學(xué)中可以選擇較新的教材，但是教材從編寫到出版一般也是需要最少一兩年，其中的相關(guān)技術(shù)不會(huì)一直保持最新的狀態(tài)。因此，在講解到相應(yīng)的內(nèi)容時(shí)，教師可以通過(guò)引用最新的研究文獻(xiàn)、技術(shù)博客、行業(yè)報(bào)告等資料，將教材內(nèi)容與機(jī)器視覺(jué)最新的研究進(jìn)展聯(lián)系起來(lái)，以幫助學(xué)生了解機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢(shì)和前沿知識(shí)。

2.2 增強(qiáng)課程的實(shí)踐性

考慮到現(xiàn)有的“機(jī)器視覺(jué)”課程教學(xué)更加側(cè)重于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，實(shí)踐性的內(nèi)容偏少，因此可以針對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)大綱進(jìn)行一定的調(diào)整[6]。首先，在常規(guī)教學(xué)中引入實(shí)際的案例和問(wèn)題，讓學(xué)生在課堂上分析和解決真實(shí)世界中的機(jī)器視覺(jué)問(wèn)題。這可以幫助他們將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際情境中。項(xiàng)目組曾經(jīng)以停車場(chǎng)車牌號(hào)識(shí)別、答題卡分?jǐn)?shù)判別和農(nóng)作物成熟度檢測(cè)作為案例進(jìn)行分析與講解，停車場(chǎng)車牌號(hào)識(shí)別和答題卡分?jǐn)?shù)判別均為學(xué)生學(xué)校日常生活中能夠接觸到的場(chǎng)景。因此學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)不會(huì)感到陌生，反而相當(dāng)一部分同學(xué)會(huì)感興趣這些案例背后的原理。在講解農(nóng)作物成熟度檢測(cè)的時(shí)候，需要展示實(shí)際的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用示范視頻，一步一步地解釋其原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，形成直觀的過(guò)程。機(jī)器視覺(jué)在農(nóng)業(yè)項(xiàng)目應(yīng)用中番茄成熟度檢測(cè)的結(jié)果展示如圖2所示，可以看到學(xué)生通過(guò)番茄成熟度項(xiàng)目研究，對(duì)三種成熟度的番茄都獲得了較準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，學(xué)生的動(dòng)手和實(shí)踐能力得到驗(yàn)證。因此，可以鼓勵(lì)學(xué)生使用開源的圖像處理庫(kù)，如OpenCV以及深度學(xué)習(xí)框架，讓他們能夠快速構(gòu)建和測(cè)試機(jī)器視覺(jué)模型。利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或在線工具，讓學(xué)生在模擬環(huán)境中進(jìn)行圖像處理和機(jī)器視覺(jué)實(shí)驗(yàn)，幫助他們熟悉實(shí)際操作步驟。此外，學(xué)科競(jìng)賽成為當(dāng)前大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要載體[7]，目前機(jī)器視覺(jué)在各個(gè)領(lǐng)域的項(xiàng)目和競(jìng)賽都很多，我國(guó)的一些機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的比賽如表1所示，可以引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位參加項(xiàng)目和競(jìng)賽。以阿里云天池大賽為例，大賽一般提供公開的圖像數(shù)據(jù)集，讓學(xué)生嘗試不同的機(jī)器視覺(jué)任務(wù)，如圖像分類、目標(biāo)檢測(cè)等，參賽者可以利用提供的數(shù)據(jù)集，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，展示自己的技能和創(chuàng)新能力。比賽結(jié)束后，對(duì)于獲得比賽名次的團(tuán)隊(duì)，主辦方還會(huì)頒發(fā)證書，這對(duì)于參賽團(tuán)隊(duì)中的學(xué)生進(jìn)一步深造或者在機(jī)器視覺(jué)行業(yè)中工作非常有幫助。

表1 機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域競(jìng)賽

圖2 番茄成熟度檢測(cè)項(xiàng)目結(jié)果展示

2.3 改進(jìn)教學(xué)方式

除了選擇更合適的教材，改進(jìn)教學(xué)方式也很重要。教學(xué)方法的改革不僅需要教師自身針對(duì)教學(xué)的成效進(jìn)行分析，還需要教師了解學(xué)生對(duì)教學(xué)的評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)學(xué)生提供反饋，發(fā)表對(duì)教材和教師教學(xué)的看法。根據(jù)學(xué)生的反饋，在下一次上課的時(shí)候及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法。除了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，還可以實(shí)施以下幾種課堂教學(xué)方式。

1）學(xué)生討論。利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)解決問(wèn)題時(shí)，往往一個(gè)問(wèn)題可以有多個(gè)解決方案，每個(gè)解決方案在實(shí)施時(shí)有很多參數(shù)需要調(diào)整和調(diào)試，在課堂上引導(dǎo)學(xué)生對(duì)這些方案和參數(shù)選擇進(jìn)行討論和思考，探討知識(shí)在實(shí)際情境中的應(yīng)用，分析各自的優(yōu)劣。課堂上鼓勵(lì)學(xué)生提出問(wèn)題、分享觀點(diǎn)，從而促進(jìn)學(xué)生深入思考。

2）專家演講。和行業(yè)中的專家建立聯(lián)系，邀請(qǐng)機(jī)器視覺(jué)行業(yè)專家或從業(yè)者進(jìn)行演講，分享一些實(shí)際的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)?？梢宰寣W(xué)生更好地了解實(shí)際問(wèn)題和需求，學(xué)生針對(duì)演講的內(nèi)容更容易提出問(wèn)題。課后還可以組織學(xué)生去機(jī)器視覺(jué)行業(yè)相關(guān)公司走訪參觀。

3）應(yīng)用相關(guān)軟件。在教學(xué)中將機(jī)器視覺(jué)的相關(guān)軟件作為教學(xué)工具，如MATLAB。MATLAB軟件具有強(qiáng)大的圖形可視化能力、豐富的內(nèi)置函數(shù)和友好的編程環(huán)境。項(xiàng)目組在教學(xué)準(zhǔn)備過(guò)程中編寫相應(yīng)代碼程序作為課本教學(xué)的補(bǔ)充，發(fā)現(xiàn)講解MATLAB軟件代碼及操作時(shí)學(xué)生的專注度比講解理論部分更好，證實(shí)這種教學(xué)方式的教學(xué)效果更佳。

3 結(jié)語(yǔ)

毋庸置疑，提高人才培養(yǎng)效果關(guān)系到國(guó)家智能化、數(shù)字化發(fā)展質(zhì)量和發(fā)展速度[8-10]。為更好地培養(yǎng)滿足新時(shí)代智能制造產(chǎn)業(yè)需求的人才，在人才教育和培養(yǎng)的過(guò)程中需要針對(duì)性地做好“機(jī)器視覺(jué)”課程的教學(xué)改革。項(xiàng)目組分析了現(xiàn)有的“機(jī)器視覺(jué)”教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的教材偏陳舊、課程內(nèi)容工程實(shí)踐性不強(qiáng)和教學(xué)方式單一等問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的教學(xué)改革方案，以更好地滿足新時(shí)代人才教育和培養(yǎng)方面的需求。