面向智能科學的機器感知實驗課程建設

摘要：介紹北京大學智能科學系面向智能科學的機器感知實驗課程建設，提出實驗課程應跟隨技術發展，具有實用性和自主創新性等觀點。

關鍵詞：機器感知；智能科學；安卓；移動終端；嵌入式系統

0 引言

隨著計算機信息化技術在各領域不斷地深入應用，在當前的計算機教學中，實驗課程是教學環節中一個至關重要的組成部分。其目的是讓學生加深對理論知識的理解，培養學生的綜合應用能力和創新能力。然而由于教材內容與實驗設備更新緩慢，國內高校計算機實驗教學并未跟上技術發展的步伐，普遍存在內容與技術發展脫節，實驗內容應用機會少，驗證性內容多而創新性內容少等諸多缺點，使得學生在理論課程中學習到的知識無法在實驗課程中得到有效的復習和掌握，難以進一步進行創新性研究。

針對以上諸多問題，實驗課程的改進方向應該是跟隨技術發展，使實驗課程具有一定的實用性和自主創新性，以此吸引學生對實驗的興趣，為其畢業后具有創新思維打下堅實基礎。本文以北京大學信息科學技術學院智能科學系開設的面向智能科學的機器感知實驗課程建設為例，闡述如何將實用和自主創新融入實驗課程中。

2002年9月，在信息中心和國家重點實驗室的基礎上，北京大學智能科學系組建完成，并于次年并入北京大學最大的學院——信息科學技術學院，翻開了發展進程中嶄新的一頁。近幾年，北京大學的智能科學系得到了較快的發展，已逐步確定了在培養學生的過程中，不僅要求學生具有堅實的數學、物理、計算機和信息處理的基礎知識以及心理生理等認知和生命科學的多學科交叉知識，更要求學生系統地掌握智能科學技術的基礎理論知識、基本技能和方法，同時側重要求科學思維、科學實驗和初步科學研究方面的訓練，以使得學生在畢業時具備智能信息處理、智能行為交互和智能系統集成方面研究和開發的基本能力。在進行這些基礎課程訓練的同時，智能科學系以機器感知與機器智能兩個方向的專業核心課程為架構，為學生開設不同方向的選修課程，以進一步提高學生對于智能科學的認識和進行科學研究的能力。在這種大方向下，為了使學生學習過的理論知識能夠得到實際應用，培養學生的動手實踐能力，北京大學智能科學系開設了本科生機器感知實驗課（MachiIle PerceptionLaboratory）。該課程為信息類選修課，每年春季開課，共72學時，2學分。本課程一改其他實驗課程的傳統設計，將聽覺和視覺的具體應用實例融入實驗中，增強了實驗的實用性；采用了當下較為流行的搭載安卓操作系統的移動終端作為實驗設備，在要求學生掌握基本原理的同時，也培養了學生前沿開發的編程能力；同時實驗課程的自主創新性較大，能夠培養學生的自主學習能力和創新思維。

1 課程基本目標

基于最大限度幫助學生理論聯系實際的目的，我們要求學生參加實驗之前需要有一定的理論儲備，要閱讀一些有關信號處理、語音編碼、圖像處理等方面的書籍。然后通過本實驗課程訓練，使學生進一步掌握視覺、聽覺信號處理的基本原理，初步具有基于嵌入式系統及安卓操作系統的信號處理算法設計和編程實現能力。

2 實驗課設置

本課程共包括6個單元實驗和1個綜合實驗。

2.1 單元實驗

實驗1：語音、圖像信號采集與分析。通過本實驗的學習，學生能掌握搭載安卓操作系統的移動終端實驗平臺的使用方法，并且了解在本課程實驗環境中如何進行聲音和圖像的采集，為后面的實驗打好基礎。

實驗2：語音壓縮。通過本實驗的學習，使學生掌握語音壓縮編碼的基本原理，能夠實現基于A律和u律的語音編碼算法。

實驗3：三維虛擬聲音。通過本實驗的學習，使學生掌握虛擬聲實現的基本原理，并能夠基于頭相關傳遞函數實現靜止或運動三維虛擬聲音的合成。

實驗4：語音增強。通過本實驗的學習，使學生掌握語音增強的基本原理，并能夠基于自適應濾波器和零限波束形成實現一個語音增強系統。

實驗5：圖像壓縮。通過本實驗的學習，使學生掌握圖像壓縮編碼的基本原理，實現并比較JPEG及JPEG21000兩種壓縮方法的效果。

實驗6：圖像增強處理。通過本實驗的學習，使學生掌握圖像增強的基本原理，并能夠實現基于直方圖、平滑濾波器、銳化濾波器、中值濾波器及頻域濾波器的圖像增強方法。

2.2 綜合實驗

綜合實驗主要是學生們根據自身興趣，自主選擇與視覺、聽覺相關的智能感知實驗進行創新實踐，也可從老師提供的題庫中選題，分組或獨立完成實驗。圖1和圖2分別是學生自主完成的一個關于圖像邊緣提取的視覺感知實驗和一個關于聲源定位的聽覺感知實驗。

在本課程的實驗安排中，通過單元實驗引導學生熟悉實驗基本方法，掌握使用搭載安卓系統的移動終端實驗平臺的技能，學生能夠了解不同實驗需要用到的不同方法，發現實驗中可能遇到的問題，融會貫通所學知識，逐漸具有獨立分析和解決這些問題的能力，與此同時擁有了一定的新平臺開發經驗。通過單元實驗的實例強化訓練，學生可以逐步掌握語音和圖像處理的基本方法。綜合實驗能引導學生開拓思路，對于具體問題可以聯想所學知識逐步解決，進行創新型的視覺與聽覺方面智能感知實驗。由此，本實驗課程既培養了學生機器感知的科學創新研究能力，又培養了學生在嵌入式系統平臺上的編程實現能力。

3 授課情況

通過近6年的基礎建設，本課程逐步完善，得到了學生們的認可，每年選修實驗課的人數已從最初的5人達到現在的30余人，成績優秀者可達選課人數的15%。為跟隨技術發展腳步，本課程從最初采用MATLAB編程方式，近兩年逐步改進采用Android編程。本課程提高了學生專業素養，有助于學生掌握數字信號處理、聽覺智能感知和視覺智能感知的基本原理及其算法實現，熟悉Java、c等編程語言程序設計方法，了解最新的技術開發動向，并幫助學生在此基礎上設計并實現相關算法，為學生今后進入機器感知及智能學習領域打下了較好的基礎。

4 課程特色及參考教材

本實驗課程特色有如下幾點：①Android編程：本實驗課程開展了基于移動終端的面向安卓系統的編程實現，把機器感知與目前的流行技術相結合，使學生接觸到前沿開發技術，與時俱進。②嵌入式系統實現：本實驗課程基于嵌入式系統實現機器感知實驗，可以提高學生們的興趣，并學以致用。③視覺感知實驗：本實驗課程包括了圖像壓縮、圖像增強等方面的視覺感知實驗。課程選取了一些常見的圖像處理實例，激發學生的實驗興趣。④聽覺感知實驗：本實驗課程開展了包括語音壓縮、語音增強、三維聲音等方面的聽覺感知實驗。課程選取了一些常見的音頻處理實例，使同學們對所學信號處理的理論知識有了更深入、形象的認識，增強實驗課程對學生的實用性。⑤綜合實驗：本課程的綜合實驗由學生自由選擇視覺和聽覺相關的實驗內容，獨立或組隊完成實驗內容，具有較大的自主性，可以培養學生對已有知識的綜合性和創新性。⑥基于教學網建設課程：本實驗課程基于北京大學教學網開展教學，充分利用了網上資源，有利于學生和教師的互動以及學生和學生之間的交流、互助。

本實驗課程使用的教材有：①自編教材《機器感知實驗》。②Sanjit K.Milra著，清華大學出版社出版的《數字信號處理——基于計算機的方法》。③胡廣書著，清華大學出版社出版的《數字信號處理》。④王炳錫著，西安電子科技大學出版社出版的《語音編碼》。⑤章毓晉著，清華大學出版社出版的《圖像工程》。

5 結語

機器感知實驗基于搭載了安卓操作系統的移動終端平臺，開展了視覺和聽覺方面的機器感知實驗。本實驗課程從2008年至今已經開展了6年，實踐表明，既培養了學生機器感知的科學研究能力，又培養了學生在嵌入式系統平臺上的編程實現能力，得到了學生的認可和喜愛。

通過幾年機器感知實驗課建設，筆者認為，實驗課教學像其他理論課一樣，需要與時俱進。第一要經常了解國內外先進的實驗儀器、實驗方法及教學方法，及時對課程進行改進；第二要經常了解國家、社會和學生的個人需求，制定更加切合社會需求的實驗內容，使學生能夠學有所獲，學以致用；第三要加強實驗課程學生的自主性，激發學生對實驗課程的興趣，同時也培養了學生的應用能力和創新能力。實驗課程教學是學生掌握專業知識技能的一個非常重要的途徑，搞好實驗教學提高教學質量，對培養適應21世紀計算機技術發展所需要人才具有非常重要的現實意義。

（編輯：郭田珍）