機(jī)器視覺在自動(dòng)控制教學(xué)中的應(yīng)用方法

楊俊東

摘 要：近些年現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)不斷完善與發(fā)展，自動(dòng)控制傳統(tǒng)教學(xué)模式逐漸顯露不足，造成教學(xué)質(zhì)量效果不理想。自動(dòng)控制教學(xué)中引入機(jī)器視覺技術(shù)，有助于提高教學(xué)效果與質(zhì)量。本文中機(jī)器視覺為切入點(diǎn)，詳細(xì)探討機(jī)器視覺技術(shù)教學(xué)目標(biāo)，并給出其在自動(dòng)控制教學(xué)的應(yīng)用，以供同行借鑒。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺 自動(dòng)控制 教學(xué)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（b）-0208-02

視覺識(shí)別技術(shù)利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大運(yùn)算能力處理圖像并提取相關(guān)信息的技術(shù)，完整視覺識(shí)別系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)圖片進(jìn)行采集，或是預(yù)處理視頻信息，接著選擇與變換預(yù)處理的信息，最終反映分類本質(zhì)的特征，分類特征并判別規(guī)則處理信息。當(dāng)前教學(xué)背景下，高等院校教學(xué)強(qiáng)調(diào)實(shí)踐與創(chuàng)新，自動(dòng)控制中引入智能控制技術(shù)，有助于提高教學(xué)效果。

1 機(jī)器視覺應(yīng)用背景分析

作為人類的主要感官，視覺在日常生活與工作中發(fā)揮著重要作用，也是人腦理解環(huán)境所需信息的主要來源渠道。機(jī)器視覺就是輔助計(jì)算機(jī)替代視覺工作，讓機(jī)器設(shè)備長(zhǎng)出“眼睛”的技術(shù)，對(duì)周圍事物產(chǎn)生視覺感知到環(huán)境變化。特別是近些年人們對(duì)人工智能興趣不斷提高，有效融合自動(dòng)化控制系統(tǒng)與視覺識(shí)別系統(tǒng)可以顯著提高系統(tǒng)自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)人工智能，給人們提供更加優(yōu)秀的服務(wù)。這里以單片機(jī)實(shí)踐課程為例進(jìn)行分析。如單片機(jī)實(shí)踐課程學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)制作智能機(jī)器人時(shí)并未使用圖像處理技術(shù)，而是直接通過傳感器對(duì)外界信息進(jìn)行獲取。循跡避障小車實(shí)驗(yàn)中，其感知地面上的黑色軌跡就是通過小車攜帶的紅外傳感器達(dá)成的，依靠紅外接收裝置判斷小車運(yùn)動(dòng)線路是否正確，進(jìn)而控制小車行駛軌跡，其原理相對(duì)簡(jiǎn)單且成本低廉，但實(shí)際中可以發(fā)現(xiàn)紅外傳感器有著較高的外界環(huán)境要求，傳感器工作中容易受到光線變化的影響，投入使用后面臨著眾多調(diào)試任務(wù)，不能有效滿足復(fù)雜多變的環(huán)境。所以筆者認(rèn)為自動(dòng)控制教學(xué)中引入機(jī)器視覺應(yīng)用具有重要意義。

2 機(jī)器視覺技術(shù)教學(xué)目標(biāo)

通過上文分析來說，自動(dòng)控制類課程實(shí)踐教學(xué)過程中有必要加入機(jī)器視覺，讓學(xué)生充分了解前沿科學(xué)技術(shù)，了解與學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)與技術(shù)，這樣在智能機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中可以充分利用該技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力。

自動(dòng)控制類教學(xué)過程中引入機(jī)器視覺技術(shù)，可以在控制類嵌入式開放項(xiàng)目中利用機(jī)器詩(shī)句技術(shù)，可以選擇合適的教學(xué)案例，通過圖像編寫或視頻處理算法實(shí)現(xiàn)視覺功能，控制時(shí)通過圖像理解結(jié)果進(jìn)行，這是一種有效結(jié)合軟硬件的教學(xué)模式。但機(jī)器視覺屬于典型交叉性學(xué)科，涉及到較多的內(nèi)容，圖像處理算法編寫過程中難度較大，實(shí)際教學(xué)中堅(jiān)持機(jī)器視覺與模式識(shí)別理論與應(yīng)用為主的理念，最大程度避免算法中出現(xiàn)繁瑣復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，促使學(xué)生掌握視覺概念，有效培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，創(chuàng)新與發(fā)散思維，促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)效果提升。

3 機(jī)器視覺在自動(dòng)控制教學(xué)中的應(yīng)用方法

自動(dòng)控制實(shí)踐教學(xué)過程中，堅(jiān)持以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，結(jié)合案例分析讓學(xué)生掌握基本機(jī)器視覺技術(shù)中的算法，通過反復(fù)推算選擇合適研究方向開展學(xué)習(xí)研究。可以將教學(xué)實(shí)施過程根據(jù)不同情況劃分成三個(gè)階段：第一階段主要為教師實(shí)驗(yàn)演示；第二階段主要設(shè)置基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)；第三階段主要為拓展性實(shí)驗(yàn)。

3.1 教師實(shí)驗(yàn)演示階段

第一階段主要將機(jī)器視覺中圖像處理與模式識(shí)別技術(shù)演示給學(xué)生觀看，幫助其形成基本認(rèn)識(shí)，主要有圖像概念、像素概念、基本圖像處理方法及圖像處理算法等。通常教學(xué)中需要運(yùn)用圖像處理軟件平臺(tái)，這里從MATLAB平臺(tái)為例，主要因?yàn)槠湓谠盒Ｖ杏兄鴱V泛應(yīng)用，同時(shí)可以提供大量圖像處理基本函數(shù)，學(xué)生僅僅需要根據(jù)函數(shù)格式進(jìn)行調(diào)試即可，操作簡(jiǎn)單，可以節(jié)省大量時(shí)間。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)逐漸深入，主要設(shè)置內(nèi)容如表1所示。

3.2 設(shè)置基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

通過第一階段的演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)機(jī)器視覺已經(jīng)有初步了解，教師可以在此基礎(chǔ)上設(shè)置一些基礎(chǔ)性圖像處理實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)設(shè)置原則主要包括一定圖像處理技術(shù)，但注意不要采用太過復(fù)雜的圖像算法。這是因?yàn)樵撾A段學(xué)生只是對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有個(gè)初步了解，復(fù)雜的算法會(huì)偏離基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)康模梢宰尳邮艹潭容^好的學(xué)生自行研究復(fù)雜算法。

3.3 拓展性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)，提升應(yīng)于能力，因此專門設(shè)置一些綜合性實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生獨(dú)立完成，進(jìn)而將模式識(shí)別更好更全面的應(yīng)用到自動(dòng)控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)人工智能。試驗(yàn)主要以小組形式進(jìn)行，學(xué)生根據(jù)自己感興趣的題目，主動(dòng)查閱、整理資料，自主搭建電路，軟件編程和調(diào)試，進(jìn)而完整的完成項(xiàng)目試驗(yàn)。在整個(gè)項(xiàng)目試驗(yàn)過程中教師只起到一個(gè)指導(dǎo)作用，不能之間參與到制作過程，小組成員之間應(yīng)積極配合，共同協(xié)作，一起完成項(xiàng)目試驗(yàn)。綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置如下例所示。

實(shí)驗(yàn)1：車牌號(hào)碼識(shí)別系統(tǒng)。學(xué)生可以利用數(shù)碼相機(jī)在戶外進(jìn)行車牌號(hào)碼和汽車圖片采集，然后編寫對(duì)應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)車牌號(hào)碼識(shí)別。學(xué)生可以在C#或Java平臺(tái)上搭建應(yīng)用軟件，將相機(jī)采集到的相片進(jìn)行自動(dòng)處理，然后就可以根據(jù)相片輸出對(duì)應(yīng)的車牌號(hào)。

實(shí)驗(yàn)2：機(jī)器視覺下的自動(dòng)循跡小車。這個(gè)實(shí)驗(yàn)主要是模擬汽車的車道線檢測(cè)裝置，小車以更高級(jí)的圖片處理技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的紅外傳感器達(dá)到循跡功能，使小車沿著指定軌跡運(yùn)行，一旦軌跡運(yùn)行出現(xiàn)偏移就會(huì)立即報(bào)警，并及時(shí)對(duì)便宜軌跡驚醒調(diào)整。

以上這兩個(gè)實(shí)踐教師提供的參考性試驗(yàn)，學(xué)生在自己的能力范圍內(nèi)，充分發(fā)揮自身想象力和創(chuàng)造力，達(dá)到機(jī)器視覺技術(shù)和自動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)智能化。

4 結(jié)語(yǔ)

總的來說，機(jī)器視覺在各行各業(yè)中有著廣泛應(yīng)用，這對(duì)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生提出新的要求。自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生要想順應(yīng)時(shí)代要求，提高就業(yè)質(zhì)量，需要掌握基本的機(jī)器視覺技術(shù)。大學(xué)作為培養(yǎng)應(yīng)用型人才的主要基地，在自動(dòng)控制教學(xué)中引入機(jī)器視覺，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生求職欲望與學(xué)習(xí)模式識(shí)別，發(fā)揮學(xué)生主體作用，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力與實(shí)踐能力，為社會(huì)輸送大量具有實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才。

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