自制教學(xué)儀器在研究生教學(xué)中的應(yīng)用*
——以在機(jī)器視覺課程教學(xué)中的應(yīng)用為例

◆宋麗梅 高艷艷 王紅一 朱新軍

自制教學(xué)儀器在研究生教學(xué)中的應(yīng)用*
——以在機(jī)器視覺課程教學(xué)中的應(yīng)用為例

◆宋麗梅 高艷艷 王紅一 朱新軍

將自制教學(xué)儀器應(yīng)用在機(jī)器視覺課程教學(xué)中，利用自制軟件促進(jìn)學(xué)生對(duì)圖像處理的理解，自制三維掃描儀讓學(xué)生對(duì)攝像機(jī)標(biāo)定和三維重建有現(xiàn)實(shí)的認(rèn)識(shí)。自制教學(xué)儀器在課程中的應(yīng)用對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新興趣，引導(dǎo)學(xué)生提早進(jìn)入課題具有一定的促進(jìn)作用。

機(jī)器視覺；自制教學(xué)儀器；研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.048

1 前言

應(yīng)用自制教學(xué)儀器設(shè)備可以突破研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和方法的創(chuàng)新。為了加強(qiáng)天津工業(yè)大學(xué)“自動(dòng)化與電氣工程”天津市實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，介紹自制教學(xué)儀器在機(jī)器視覺這門課程中的應(yīng)用。

自制教學(xué)儀器是利用筆者前期主持完成的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)，自主開發(fā)設(shè)計(jì)完成的（項(xiàng)目號(hào)：60808020和61078041），它緊密配合高等學(xué)校課程改革的新思路。清華大學(xué)利用自制單頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)和正交信號(hào)的校正處理部分FPGA電路組合來增加高速相位檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)證明，該電路穩(wěn)定，可以滿足高速、可靠、精度高等需求［1］。華東理工大學(xué)利用自制教學(xué)設(shè)備，讓學(xué)生對(duì)無水無氧條件下的高等有機(jī)合成操作有一定的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐操作能力［2］。

相比于國內(nèi)，自制教學(xué)儀器在國外更受重視。法國的Billard T和Fresnet F等［3］，利用自制的傳感器提高信噪比的信號(hào)處理。歐洲機(jī)器視覺協(xié)會(huì)的Darmont A和Chahiba J等［4］自制了emva1288的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)圖像傳感器和照相機(jī)，測(cè)量重現(xiàn)性好。

2 機(jī)器視覺課程概況

機(jī)器視覺是一門涉及光學(xué)、圖像處理、攝像機(jī)標(biāo)定以及最新的三維重建等相關(guān)內(nèi)容的多學(xué)科交叉課程。機(jī)器視覺這門課程表達(dá)抽象、內(nèi)容寬泛、算法頗多，很難理解。通過自制教學(xué)儀器的使用，有助于學(xué)生直觀看到所學(xué)理論能夠達(dá)到的實(shí)際效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的開發(fā)探索能力。

3 自制軟件促進(jìn)學(xué)生對(duì)圖像處理直觀的理解

圖像處理是機(jī)器視覺技術(shù)的基礎(chǔ)，但它的算法的數(shù)學(xué)理論較多，比較抽象，難以理解。以子為例，它是基于一階導(dǎo)數(shù)的邊緣檢測(cè)算子，利用離散的微分算子，結(jié)合高斯平滑和微分求導(dǎo)，近似計(jì)算圖像亮度函數(shù)梯度。由于該算子引入類似局部平均的相關(guān)運(yùn)算，與Prewitt算子、Roberts算子相比，抗噪效果更好。Sobel算子含有水平和垂直兩個(gè)方向的3×3的矩陣，分別與被作用圖像做卷積，可計(jì)算出圖像每一點(diǎn)處的近似梯度。

實(shí)際使用中，常用公式（1）中的兩個(gè)模板來檢測(cè)圖像邊緣。

Gx為水平方向模板，Gy為垂直方向模板，結(jié)合公式（1）求出梯度近似值，如公式（2）所示：

然后用公式（3）計(jì)算梯度方向：

為了促進(jìn)學(xué)生對(duì)圖像處理方法的理解，直觀認(rèn)識(shí)每種方法的處理效果，本課題組自制圖像處理軟件系統(tǒng)——天津工業(yè)大學(xué)圖像處理教學(xué)軟件系統(tǒng)，目前已經(jīng)獲得軟件著作權(quán)（登記號(hào)為：2014SR016898）。利用自制的圖像處理軟件可實(shí)現(xiàn)位圖操作、圖像處理（包括灰度化、濾波、直方圖均衡化、圖像增強(qiáng)、邊緣檢測(cè)、形態(tài)學(xué)運(yùn)算、圖像銳化等）操作。自制軟件系統(tǒng)除了可以進(jìn)行課堂教學(xué)之外，對(duì)學(xué)生的碩士課題也有一定的幫助作用，節(jié)省學(xué)生進(jìn)入課題的時(shí)間，減少編程的難度，讓學(xué)生更加有精力進(jìn)行核心算法的研究。

4 自制三維掃描儀讓學(xué)生對(duì)機(jī)器視覺中的攝像機(jī)的標(biāo)定和三維重建有現(xiàn)實(shí)的認(rèn)識(shí)

攝像機(jī)的標(biāo)定 攝像機(jī)的標(biāo)定對(duì)機(jī)器視覺或者圖像測(cè)量來講都是十分重要的，它就像刻度對(duì)于標(biāo)尺的重要性一樣，因而隨著機(jī)器視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，標(biāo)定技術(shù)越來越受到人們的重視。它建立了相機(jī)二維平面中像點(diǎn)位置與空間點(diǎn)位置之間的關(guān)系，利用已知物體三維坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)，求取攝像機(jī)模型的內(nèi)外參數(shù)。其標(biāo)定算法的穩(wěn)定性和精度，對(duì)相機(jī)后續(xù)工作的準(zhǔn)確性有較大的影響。

自制的三維掃描儀的標(biāo)定使用了一種帶有圓心定位和方向定位的平板靶標(biāo)，從不同角度拍攝平板靶標(biāo)，并且平板靶標(biāo)或者相機(jī)位置可以隨意擺動(dòng)，不需要運(yùn)動(dòng)參數(shù)，操作步驟非常簡單。這種帶有圓心定位和方向定位的平板靶標(biāo)不僅可以用來進(jìn)行邊緣提取、閾值分割、圓心提取、濾波等操作，還實(shí)現(xiàn)了雙目及多目攝像機(jī)的標(biāo)定和匹配，學(xué)生通過移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)等各種方法，確定攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)［5］。

三維重建 隨著計(jì)算機(jī)視覺在許多工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，快速、準(zhǔn)確地自動(dòng)獲取和分析圖像中包含的三維信息，已經(jīng)成為視覺研究者十分關(guān)注的問題。三維重構(gòu)的應(yīng)用范圍廣泛，在醫(yī)療、逆向工程、工業(yè)檢測(cè)等很多領(lǐng)域都有十分重要的作用，實(shí)現(xiàn)物體的三維重建是機(jī)器視覺的最終研究目標(biāo)。

三維重建融合了多項(xiàng)技術(shù)，是由圖像去噪、攝像機(jī)標(biāo)定、立體匹配、三維坐標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算來實(shí)現(xiàn)的。圖像去噪可由本課題組自制的圖像處理軟件系統(tǒng)——天津工業(yè)大學(xué)圖像處理教學(xué)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，攝像機(jī)標(biāo)定可由自制的三維掃描儀實(shí)現(xiàn)。立體匹配是雙目立體視覺中非常重要的一步，采用SIFT算子進(jìn)行初始匹配，再利用RANSAC算法達(dá)到精匹配的效果，來滿足三維重建的需要。三維坐標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算依據(jù)雙目視覺理論，由自制掃描儀的兩個(gè)數(shù)碼相機(jī)在兩個(gè)不同位置進(jìn)行拍攝獲取立體像對(duì)，然后根據(jù)二維圖像平面上的像點(diǎn)與實(shí)際空間點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系和SFM原理推算出。如此利用自制教學(xué)儀器進(jìn)行物體的三維重建，能夠很好地反映出物體的三維特征。

5 結(jié)束語

自制教學(xué)儀器是科研和教學(xué)相結(jié)合的成果，將自制教學(xué)儀器應(yīng)用在機(jī)器視覺課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生對(duì)這門課程有形象的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維。自制教學(xué)儀器開創(chuàng)了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)局面，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，培訓(xùn)了一大批優(yōu)秀的技術(shù)人才，有利于及時(shí)維修儀器，避免了購買的儀器設(shè)備出現(xiàn)問題，使實(shí)驗(yàn)設(shè)備更具有經(jīng)濟(jì)性，提高研究生教學(xué)質(zhì)量。■

［1］閆冠屹，諶雅琴，孫利群，等.基于FPGA的單頻激光干涉儀高速相機(jī)檢測(cè)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.光電子技術(shù)，2012，32（1）:11-14.

［2］孫學(xué)芹，楊曉霞.自制無水無氧操作系統(tǒng)裝置在化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013（3）:68-69.

［3］Billard T， Fresnet F， Makarov M. Partial discharges monitoring in twisted pair fed with PWM inverter using nonintrusive sensors［R］.Bologna， Italy: IEEE International Conference on Solid Dielectrics，2013:314-317.

［4］Darmont A， Chahiba J， Lemaitre J， et al. Implementing and using the EMVA1288 standard［R］.Burlingame， CA: Conference on Sensors， Cameras， and Systems for Industrial and Scienti c Applications XIII，2012.

［5］宋麗梅，董虓霄，張春波.一種新型機(jī)器視覺教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2011，21（6），126-128.

G643.2

B

1671-489X（2015）24-0048-02

*項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金“單目高精度大型物體彩色三維數(shù)字化測(cè)量原理研究”（60808020）和“基于視覺的織物疵點(diǎn)三維檢測(cè)和三維識(shí)別原理研究”（61078041）。

作者：宋麗梅，天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授，天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院副院長，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺、三維光學(xué)測(cè)量、逆向工程和模式識(shí)別；高艷艷、王紅一、朱新軍，天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院（300387）。