“機(jī)器視覺”課程教學(xué)改革微探

□ 耿 磊 肖志濤 張 芳 王 佳 李亞茹

機(jī)器視覺是通過光學(xué)裝置與傳感器自動獲取一個物體的圖像，借助于計算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力對圖像進(jìn)行處理，來獲取所需信息或控制機(jī)器運(yùn)動的一門技術(shù)。目前，機(jī)器視覺已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，從零件尺寸測量、工件缺陷檢測到字符識別、追蹤定位，都有不同種類的視覺系統(tǒng)在工作。視覺系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展使得越來越多的高校開設(shè)該課程，但傳統(tǒng)的教學(xué)模式側(cè)重于理論，與企業(yè)實際需求脫軌，必須進(jìn)行改革以適應(yīng)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

隨著國家2025戰(zhàn)略的實施，我國的制造者面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，“創(chuàng)新”被提到了一個前所未有的高度。在工業(yè)轉(zhuǎn)型的過程中，智能制造成為企業(yè)的著手點。其中，機(jī)器視覺被廣泛應(yīng)用到新建立的生產(chǎn)線或提升改造的生產(chǎn)線中，機(jī)器視覺被賦予替代人工、提升生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的重任。目前，機(jī)器視覺相關(guān)的技術(shù)，比如單目測量、雙目測量、結(jié)構(gòu)光測量及相關(guān)的光源、相機(jī)、傳感器等被廣泛應(yīng)用，可高效、低成本的解決復(fù)雜及枯燥重復(fù)的生產(chǎn)工藝。

在修改培養(yǎng)方案的過程中，根據(jù)企業(yè)反饋和就業(yè)導(dǎo)向，“機(jī)器視覺”課程被放入2016級的培養(yǎng)計劃中，因此就面臨該課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)大綱及創(chuàng)新教學(xué)方法如何滿足企業(yè)需求等迫在眉睫的問題。根據(jù)前期的調(diào)研，各個學(xué)校對該課程的教學(xué)內(nèi)容不盡相同，但培養(yǎng)目標(biāo)基本是面向企業(yè)實際應(yīng)用。但普遍面臨的問題是：注重理論教學(xué)，實踐教學(xué)相對偏弱；教學(xué)內(nèi)容不能與案例結(jié)合，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；課程編程語言選擇與企業(yè)要求有差異，影響學(xué)生就業(yè)選擇；實驗設(shè)備老舊，不能與最新技術(shù)的發(fā)展同步。

圍繞以上存在的問題，本課題將深入分析“機(jī)器視覺”課程體系，研究各大高校課程教學(xué)內(nèi)容，聯(lián)系行業(yè)內(nèi)企業(yè)具體需求，完善該課程的理論教學(xué)內(nèi)容、實踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)大綱及教學(xué)方法，這對促進(jìn)該課程教學(xué)的開展、培養(yǎng)符合企業(yè)需求的人才具有重要的意義。

一、改革目標(biāo)

隨著機(jī)器視覺應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，將“機(jī)器視覺”課程引入高校教學(xué)中，可以使學(xué)生接觸到更加先進(jìn)、更具有實用性的技術(shù)，同時也為以后其他學(xué)科的研究提供基礎(chǔ)。機(jī)器視覺屬于交叉學(xué)科，內(nèi)容涉及廣，在編寫算法時需要一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，若僅注重理論教學(xué)，則容易脫離實際。因此，在教學(xué)過程中采用以機(jī)器視覺理論為基礎(chǔ)，實際應(yīng)用為核心的教學(xué)理念。在教學(xué)中應(yīng)盡量避免煩瑣的公式推導(dǎo)，并結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)案例，以面向企業(yè)實際應(yīng)用為培養(yǎng)目標(biāo)。

學(xué)生通過該課程可以學(xué)習(xí)到圖像處理、機(jī)器視覺以及智能檢測方面的知識，同時通過綜合設(shè)計性實踐題目培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在掌握了基本而又較全面的機(jī)器視覺、智能檢測方面的知識后，提升學(xué)生從事相關(guān)行業(yè)的競爭力。

二、具體實施方案

首先，優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，調(diào)研企業(yè)應(yīng)用，增加密切聯(lián)系實際的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。然后，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計教學(xué)大綱。最后，調(diào)研企業(yè)選定研發(fā)語言和平臺，設(shè)計實踐教學(xué)內(nèi)容。

1.教學(xué)內(nèi)容篩選。機(jī)器視覺是一門強(qiáng)調(diào)理論與實踐相結(jié)合的學(xué)科，具有較強(qiáng)的可操作性、工具性。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，高校往往通過課堂理論講授和圖像算法分析的方法進(jìn)行授課，并且考核內(nèi)容側(cè)重于理論知識的掌握。這就導(dǎo)致學(xué)生們無法將理論知識應(yīng)用在實際問題中，遇到問題時常常不知所措。

通過對現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容“重理論，輕實踐”的反思，探索出機(jī)器視覺課程應(yīng)采取 “精講多練，注重實踐”的原理，堅持教學(xué)內(nèi)容少而精的原則，形成“從典型到一般，從理論到應(yīng)用”的教學(xué)思路。因此，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該覆蓋視覺系統(tǒng)基礎(chǔ)理論、應(yīng)用案例、動手實踐等幾個方面。學(xué)生通過理論講解掌握機(jī)器視覺的基本知識，借助于工業(yè)應(yīng)用案例了解其使用方法，最后在綜合性實踐項目中培養(yǎng)解決實際應(yīng)用問題的能力。

2.教學(xué)編程語言選擇。OpenCV，HALCON與Matlab都有機(jī)器視覺相關(guān)的功能，HALCON與OpenCV都是函數(shù)庫，提供了多種編程語言訪問的接口。不同在于：HALCON可以用C，C++，C#，Visual basic和Delphi等語言訪問，OpenCV提供了Python、Ruby、MATLAB等語言的接口。OpenCV側(cè)重計算機(jī)視覺領(lǐng)域，HALCON側(cè)重機(jī)器視覺領(lǐng)域。HALCON是商業(yè)軟件，而OpenCV可以在商業(yè)和研究領(lǐng)域中免費使用。

HALCON是德國MVtec公司開發(fā)的一套圖像處理庫，由一千多個獨立的函數(shù)以及底層的數(shù)據(jù)管理核心構(gòu)成，其靈活的架構(gòu)便于機(jī)器視覺、醫(yī)學(xué)圖像和圖像分析應(yīng)用的快速開發(fā)。

HALCON的函數(shù)庫包含了各類濾波、幾何校正、數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換、形態(tài)學(xué)計算、測量、形狀匹配等基本的幾何與影像計算功能，應(yīng)用范圍涵蓋了醫(yī)學(xué)、遙感探測、安保監(jiān)控以及工業(yè)上的各類自動化檢測，企業(yè)在實際生產(chǎn)中廣泛選擇HALCON作為機(jī)器視覺的編程軟件。因此，在高校“機(jī)器視覺”課程中選擇HALCON作為編程語言，可以使學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)和就業(yè)中做得更好。

3.實踐教學(xué)的探索。“機(jī)器視覺”是一門實踐性很強(qiáng)的課程，該課程強(qiáng)調(diào)理論與實踐相結(jié)合，在教學(xué)過程中不僅要求學(xué)生掌握機(jī)器視覺方面的基本概念、基本原理和方法，更注重對各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生獨立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的實際動手能力。因此，應(yīng)該避免傳統(tǒng)教學(xué)方法中課題理論講授和算法分析相結(jié)合的教學(xué)方法，并克服考核內(nèi)容以對理論知識的掌握為側(cè)重點的考核方法。突出本課程作為一種工程應(yīng)用為主導(dǎo)的實踐性、應(yīng)用型特點，將實踐教學(xué)提到了更加重要的位置。擬采取以下的措施：明確任務(wù)，教師實現(xiàn)向?qū)W生說明將要完成的任務(wù)的內(nèi)容、要求和注意事項；學(xué)生嘗試完成任務(wù)，在完成過程中記錄出現(xiàn)的問題，并向教師提出問題；教師對相關(guān)基礎(chǔ)知識進(jìn)行講解；學(xué)生重新認(rèn)識問題，解決問題，記錄未解決的問題，并修改解決方案；教師與學(xué)生共同討論完成任務(wù)的過程中遇到的問題、今后遇到類似的問題要如何處理、如何把學(xué)到的知識運(yùn)用到實踐中去。

4.教學(xué)實踐。為了突出“機(jī)器視覺”課程應(yīng)用型的特點，課程實驗采用小組的形式進(jìn)行：4～8名學(xué)生根據(jù)興趣任意組成小組，并從教師給定的幾種實驗項目中選擇一種作為研究方向，通過收集資料、數(shù)據(jù)采集、編程實踐、系統(tǒng)調(diào)試等過程最終完成該項目。綜合性實驗項目可以采用以下所示：

實驗一：字符識別實驗。學(xué)生通過相機(jī)拍攝工件上印刷字符的圖片，編寫算法對字符進(jìn)行識別，并將識別結(jié)果自動顯示在字符區(qū)域的上方。

實驗二：距離測量實驗。該實驗需要學(xué)生測量某件物體的二維尺寸，涉及圖像獲取、標(biāo)定、邊緣提取、測量等步驟，可以很好地幫助學(xué)生掌握機(jī)器視覺技術(shù)。

實驗三：形狀分類實驗。學(xué)生需要將一幅圖片中不同形狀的物體區(qū)分開，并在每個物體下方標(biāo)注出其所屬的類別和判斷的概率。

面向企業(yè)的“機(jī)器視覺”課程改革，立足于企業(yè)的實際用人需求，側(cè)重于加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，使學(xué)生通過這門課程的學(xué)習(xí)掌握多學(xué)科、多領(lǐng)域的知識，并在此過程中不斷提高解決問題的能力、知識創(chuàng)新的能力以及團(tuán)隊協(xié)作的能力。本文的創(chuàng)新之處在于在教學(xué)過程中不僅要求學(xué)生掌握機(jī)器視覺方面的基本概念、基本原理和方法，更注重其在各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生獨立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的實際動手能力。

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