探究機(jī)器視覺在自動(dòng)控制教學(xué)中的應(yīng)用

劉江濤 袁永偉 李珊珊 孔德剛 張秀花

摘要：隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用與信息技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)能夠應(yīng)用于機(jī)械的視覺系統(tǒng)上，并能夠通過合理的技術(shù)遷移實(shí)現(xiàn)在自動(dòng)控制教學(xué)上的應(yīng)用，機(jī)器視覺技術(shù)與移動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)合為信息工程類教學(xué)提供了更多可能，因此本文就以機(jī)器視覺在自動(dòng)控制教學(xué)上的應(yīng)用進(jìn)行分析，通過對(duì)其應(yīng)用的背景與教學(xué)目標(biāo)的闡述，從而為機(jī)械視覺下的自動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)提供有效的參考與推進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;模式識(shí)別;自動(dòng)控制;教學(xué)方法

機(jī)器視覺就是通過圖像收集與計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別處理的技術(shù)，一方面對(duì)所識(shí)別對(duì)象的信息提取是具有一定要求，一個(gè)完整的視覺識(shí)別系統(tǒng)需要它能夠?qū)ψR(shí)別的信息進(jìn)行選擇與變換，所提取到的信息能夠充分反應(yīng)識(shí)別對(duì)象的本質(zhì)特征，這樣后期的算法處理才能達(dá)到精準(zhǔn)無誤。另一方面在完成圖像收集后就進(jìn)入到計(jì)算機(jī)的算法處理階段，讓設(shè)備控制能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化操作，在教學(xué)過程的應(yīng)用能夠更好的加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手時(shí)間能力，讓自動(dòng)控制的教學(xué)真正進(jìn)入到學(xué)習(xí)的方方面面。加強(qiáng)教學(xué)效果的同時(shí)讓學(xué)生對(duì)于控制理論的學(xué)習(xí)中有了更深的理解。

1、機(jī)器視覺技術(shù)在自動(dòng)控制教學(xué)中的應(yīng)用背景研究

視覺是人類感知世界最主要的感官點(diǎn)，大腦信息的主要來源就是視覺系統(tǒng)的收集，而自動(dòng)控制自控的實(shí)現(xiàn)自然也需要機(jī)器視覺技術(shù)作為輔助，也就是讓計(jì)算機(jī)輔助下的圖像收集與信息處理成為機(jī)器的眼睛。能夠及時(shí)感知所處理對(duì)象的信息變化，當(dāng)前隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展人工智能已經(jīng)成為大家對(duì)未來科技發(fā)展的統(tǒng)一認(rèn)同點(diǎn)，并且借助傳感器、掃描器等設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)視覺識(shí)別技術(shù)。所以機(jī)器視覺技術(shù)與自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)變得不那么遙遠(yuǎn)，對(duì)于未來的人類服務(wù)也會(huì)創(chuàng)造出更多可能。

但是從目前自動(dòng)控制系統(tǒng)的課堂教學(xué)來看，智能機(jī)械的學(xué)習(xí)與操作中并沒有充分應(yīng)用到圖形圖像的處理技術(shù)，教學(xué)機(jī)器主要開始通過老式傳感器來獲取外界信息。比如經(jīng)常會(huì)使用到的循跡避障小車案例，其教學(xué)技術(shù)并不是真正的機(jī)器視覺技術(shù)。而是通過在小車周圍攜帶紅外傳感器來感知與檢測(cè)地面上的黑色軌跡，然后再通過紅外接收裝置來確定小車契合度偏離車道，雖然有一定的技術(shù)原理，但這種紅外傳感器技術(shù)對(duì)環(huán)境的要求很高，任何光線的變化都會(huì)對(duì)影響到傳感器的反饋結(jié)果。這樣的自動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)并不具備足夠的穩(wěn)定性。所以需要一種更為規(guī)范、專業(yè)的機(jī)器視覺技術(shù)來提升自動(dòng)控制系統(tǒng)的教學(xué)效果。

2、機(jī)器視覺技術(shù)的教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)以上教學(xué)背景與教學(xué)要求的分析，高校對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)課程的設(shè)置應(yīng)該要以實(shí)踐教學(xué)為主，通過將機(jī)器設(shè)備有效引入教學(xué)環(huán)境讓學(xué)生接觸前沿科學(xué)技術(shù)，對(duì)于當(dāng)前的機(jī)器視覺技術(shù)與自動(dòng)控制系統(tǒng)有更深入的理解。同時(shí)新技術(shù)在教學(xué)課堂中的應(yīng)用也能夠很好的提升學(xué)生創(chuàng)新能力，以更加開闊的眼光去觀察世界，在真正的技術(shù)氛圍下養(yǎng)成全面的求知、創(chuàng)造能力。

機(jī)器視覺技術(shù)與自動(dòng)控制類課程的結(jié)合，其實(shí)更傾向于對(duì)控制類系統(tǒng)的開發(fā)項(xiàng)目教學(xué)，主要內(nèi)容還是如果通過技術(shù)遷移實(shí)現(xiàn)視覺算法在機(jī)器控制中的應(yīng)用。根據(jù)圖像理解的結(jié)果來實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺技術(shù)與自動(dòng)控制系統(tǒng)軟硬件的有效結(jié)合。這種交叉性學(xué)科由于設(shè)計(jì)內(nèi)容廣，在實(shí)際教學(xué)中一定要采取機(jī)器視覺學(xué)理念進(jìn)行教學(xué)，避免由于繁瑣的算法問題而影響到學(xué)生正常的學(xué)習(xí)興趣。從機(jī)器學(xué)習(xí)與智能技術(shù)的角度主動(dòng)結(jié)合所學(xué)的控制理論知識(shí)來進(jìn)行教學(xué)。

3、機(jī)器視覺在自動(dòng)控制教學(xué)中的實(shí)施方案介紹

機(jī)器視覺教學(xué)最好能夠采用以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向的教學(xué)方法，結(jié)合具體的案例分析讓學(xué)生掌握到基本視覺技術(shù)與自動(dòng)控制的結(jié)合原理，選擇一些有代表性、技術(shù)完善的教學(xué)案例。在實(shí)際教學(xué)中可以分為三個(gè)階段：實(shí)驗(yàn)演示、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)拓展。分別從自動(dòng)控制從研究到應(yīng)用的整個(gè)流程有一個(gè)全面的了解。

3.1、演示實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)演示主要是讓學(xué)生對(duì)于機(jī)器視覺中所使用的圖像處理與識(shí)別技術(shù)有一個(gè)應(yīng)用過程的認(rèn)知，包括對(duì)于圖像、像素的基本概念、常用處理算法，讓學(xué)生人知道自動(dòng)控制與視覺技術(shù)結(jié)合原理，目前高校主要使用MATLAB作為圖像處理的軟件平臺(tái)，一方面MB為使用者提供了大量的圖像處理函數(shù)。學(xué)生可以采用調(diào)用方式節(jié)省計(jì)算機(jī)算法編制的工作時(shí)間。另一方面也符合教學(xué)中傾向?qū)τ趯W(xué)生控制實(shí)踐的教學(xué)要求。由淺入深、富有樂趣的進(jìn)行自動(dòng)控制學(xué)習(xí)，例如教師可以安排視頻演示車牌識(shí)別應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。車牌識(shí)別是機(jī)器視覺應(yīng)用比較經(jīng)典也比較簡單的案例，由于車牌形狀、字體顏色都十分規(guī)范明顯，所以這項(xiàng)機(jī)器視覺技術(shù)非常適合在課堂上進(jìn)行教學(xué)，而且該技術(shù)在平常的交通管理中也有著非常重要的作用。

3.2、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

通過給學(xué)生演示機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)后學(xué)生對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)已有一定的概念，此時(shí)教師可以根據(jù)學(xué)生的能力設(shè)置一些基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生在動(dòng)手的過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)控制的感性認(rèn)識(shí)，有效回避自動(dòng)控制教學(xué)中的復(fù)雜算法的影響，采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)讓學(xué)生自動(dòng)控制學(xué)習(xí)有更清晰的認(rèn)知。一般情況下基礎(chǔ)性實(shí)現(xiàn)需要有一個(gè)完整的工程流程，教師可以讓學(xué)生在MATLAB平臺(tái)實(shí)現(xiàn)以下幾項(xiàng)功能，首先要求系統(tǒng)能夠自動(dòng)打開文件并顯示圖像。其次能夠?qū)D像進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、剪裁、保存功能，最后采用簡單的通道圖像處理法進(jìn)行灰度和二值化處。結(jié)束后觀察圖像明白進(jìn)行灰度處理的根本意義所在。

3.3、機(jī)器視覺與自動(dòng)控制拓展教學(xué)

開展拓展教學(xué)的目的一方面能夠強(qiáng)化學(xué)生對(duì)于技術(shù)的認(rèn)知，讓學(xué)生對(duì)于技術(shù)內(nèi)容有一個(gè)更全面的了解。其次提升學(xué)生的基礎(chǔ)應(yīng)用能力，在對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)的學(xué)習(xí)后能夠有一定的應(yīng)用能力，比如在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上舉一反三完成一些其他的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。可以采用實(shí)驗(yàn)小組的形式進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生在實(shí)施過程中可以采用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的一些框架，比如根據(jù)上述車牌號(hào)碼識(shí)別系統(tǒng)，直接通過交通運(yùn)動(dòng)視頻進(jìn)行編寫算法實(shí)現(xiàn)車牌號(hào)碼的識(shí)別，可在Java或C#平臺(tái)上搭建應(yīng)用相機(jī)采集到的圖片自動(dòng)處理，最終輸出該照片對(duì)應(yīng)的車牌號(hào)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

4、總結(jié)

綜上所述，自動(dòng)控制系統(tǒng)作為信息工程類專業(yè)的一門重要課程，教學(xué)中會(huì)涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械控制、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，是一門綜合性非常強(qiáng)的理工學(xué)科，高校一般都會(huì)會(huì)再在計(jì)算機(jī)與機(jī)械控制相關(guān)連的專業(yè)下開設(shè)這門課，通過機(jī)器技術(shù)與自動(dòng)控制的結(jié)合教學(xué)實(shí)現(xiàn)學(xué)生綜合能力的發(fā)展。所以在自動(dòng)化控制教學(xué)中有必要結(jié)合模式識(shí)別理論來加提高學(xué)生的實(shí)踐水平。

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（作者單位：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)）