面向生產實踐的機器視覺課程教學探索與實踐

閔鋒　魯統偉

摘 要：分析教學過程中存在的問題，針對機器視覺課堂教學與實踐教學環節，提出改進的教學方法，闡述如何選擇教材，恰當組織教學和實驗內容，高效運用多媒體教學手段，激發學生的學習興趣。

關鍵詞：機器視覺；圖像處理；教學改革

0 引 言

隨著計算機技術的快速發展和攝像頭的大量普及，機器視覺在許多新的領域不斷得到應用，目前機器視覺已成為機器人、生產線乃至社會生活的一部分。機器視覺簡單來說就是用機器代替人眼做測量和判斷，一個完整的機器視覺系統通常使用攝像頭等設備進行圖像或視頻的獲取，然后使用計算機對其進行理解，最后做出系統需要的判斷[1]。機器視覺已成為圖像和視頻處理從業人員的必備素質之一，也是我院智能科學與技術專業重要的專業方向課。

1 課堂教學改革

機器視覺屬于交叉性學科，內容涉及廣，且大多算法在學習時需要一定的數學基礎，若采用傳統教學方法，學生難以理解，且容易陷入復雜的數學公式中而脫離實際[2]。學生往往開始學時興趣極大，學到中間一知半解，最后是一頭霧水，消極應對。

1.1 選擇教材

機器視覺這門課一般是大三下學期開設，選擇教材時需要兼顧本科畢業就業和考研兩部分學生的需求。對于本科畢業就要參加工作的同學而言，需要“廣度”，需要了解這門課在各個領域中的應用，在實際中接觸到相關的項目或工作時，能夠知道去哪里找到自己需要的參考資料；而對于要進一步深造的同學而言，則需要一定的“深度”，為研究生階段的研究打下基礎[3]。同時，機器視覺與圖像處理關系密切，需要圖像處理的知識作為理論基礎，并在此基礎上應用于實踐。

基于以上考慮，我們選擇了清華大學出版社2012年出版的《圖像處理與計算機視覺算法及應用》[4]作為教材，作者是帕科爾，譯者景麗。有讀者這樣評價：“這本書，通過圖示、數學公式、文字描述，并配有恰當的代碼內容讓讀者了解圖像處理與計算機視覺算法的原理。對著源碼學習是最有效的方式，對著本書，讀著源碼，相信讀者會進步神速。這本書是圖像處理人員的必備書籍！”配有源碼是這本書的最大特色，源碼大部分是C語言編寫的，采用了OpenCV1.0的接口，有很強的實用性。

1.2 組織教學內容

《圖像處理與計算機視覺算法及應用》一書共有11章，有些章節部分的內容與數字圖像處理課程的內容重合，考慮到僅有20個學時，只選取了這本書的第一章視覺系統實踐、第四章灰階分割、第五章紋理和色彩、第八章分類、第九章符號識別和第十章基于內容的搜索作為授課內容。第一、四、五章的內容與數字圖像處理密切相關，起到復習鞏固以前所學知識的作用，讓學生快速進入學習狀態，只占總學時的1/3；第八、九、十章的內容屬于機器視覺，是這門課的重點，占總學時的2/3。授課時，對一些機器視覺的基本概念如特征、模式、距離度量、訓練和測試等要作詳細的解釋，對一些經典算法如SVM和Boosting要作深入淺出的講解，并將這些算法應用于實踐如光學字符識別（Optical Character Recognition， OCR）、人臉檢測等，讓學生對所學的算法進一步加深理解，理論聯系實踐。

1.3 多媒體教學

機器視覺算法理論性強，抽象，不易理解，單純采用文字敘述和公式推導的教學手段，學生看不見，摸不著，教學效果并不好。多媒體教學可以制作算法的動畫仿真演示，分解算法步驟，用圖片展示算法效果，使抽象難懂的原理公式變成具體生動的畫面，相比老師的語言陳述，能更加吸引學生的注意，加深理解。如講解Boosting算法應用時，可以以人臉檢測為例，先播放一段講授人臉檢測原理與應用的視頻，然后現場演示程序，讓學生上講臺，對著攝像頭運動，展示人臉檢測的效果。這樣的演示很受歡迎，能極大地激發他們的學習興趣和提升對獲取知識的渴求度。

1.4 引導問答式教學

隨著智能手機的普及，學生基本是人手一臺，授課時如不能吸引注意力，學生很容易開小差。傳統授課滿堂灌方式，會導致課堂效果猶如一潭死水，毫無生氣，老師在講臺上講得累死，學生在底下玩手機，自娛自樂。所以要提倡引導問答式教學，增加老師與學生之間的互動，通過提問引導學生去思考，激發其求知欲，形成探究性學習風氣，充分調動學生的學習積極性和主觀能動性。

2 實踐教學改革

實踐教學是課堂教學的深化和補充，學生在實踐環節將課堂教學學到的知識加以運用，有助于知識的理解和掌握。傳統的實踐教學內容大多為驗證型實驗，與實際應用差距較大，對于基礎差的學生來說，有點難又沒有興趣，不愿意做；對于基礎好的學生來說，簡單又沒有挑戰性，敷衍了事；缺乏綜合性實驗，對學生綜合應用能力、創新能力和解決實際問題能力的培養不夠。

2.1 組織實驗內容

實驗內容要與課堂教學內容緊密聯系在一起，難度要適中，并且要有一定的實際應用，能夠引起學生的興趣。基于以上考慮，我們組織了表1所列的實驗內容。

2.2 考核實驗效果

為了保證實驗的質量，加強對實驗的管理，每一次實驗前都要求學生寫出實驗方案，實驗中檢查學生完成情況，有問題及時解答；實驗后完成相應的實驗報告，將核心代碼和實驗結果貼在實驗報告上。老師根據學生完成實驗報告的情況給出評分和評語，并計入平時成績中。由于老師重視，準備充分，大部分學生都能獨自完成實驗，并且感覺收獲很大，動手能力得到了提高。課后的補充實驗涉及很多工業視覺中的實際問題，比如電路板的焊點問題、光源問題、攝像機的選型等，對同學們的觸動很大，開拓了視野，為以后的工作打下了堅實的基礎。

3 結 語

機器視覺是一門不斷發展的交叉學科，其應用領域也越來越廣，要求機器視覺課程的內容不斷更新，教學方法和教學模式也要不斷改進。經過多年的教學摸索，我們認為，選擇合適的教材，恰當組織教學和實驗內容，使用多媒體教學手段，提倡引導問答式教學，增加老師與學生之間的互動，對講好機器視覺這門課，非常有益。

參考文獻：

[1] 韓九強. 機器視覺技術及應用[M]. 北京： 高等教育出版社， 2009.

[2] 劉釗， 胡佳， 吳懷宇. 機器視覺仿真實驗平臺的研究與設計[J]. 教育教學論壇， 2012（10）： 210-212.

[3] 韓紅， 焦李成. 談計算機視覺課程的教學創新[J]. 計算機教育， 2010（19）： 84-86.

[4] Parke J R. 圖像處理與計算機視覺算法及應用[M]. 景麗， 譯. 北京： 清華大學出版社， 2012.

（編輯：郭田珍）endprint