機器視覺在自動控制教學中的應用方法

楊俊東

摘 要：近些年現代計算機技術與數字圖像處理技術不斷完善與發展，自動控制傳統教學模式逐漸顯露不足，造成教學質量效果不理想。自動控制教學中引入機器視覺技術，有助于提高教學效果與質量。本文中機器視覺為切入點，詳細探討機器視覺技術教學目標，并給出其在自動控制教學的應用，以供同行借鑒。

關鍵詞：機器視覺 自動控制 教學應用

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0208-02

視覺識別技術利用計算機強大運算能力處理圖像并提取相關信息的技術，完整視覺識別系統可以自動對圖片進行采集，或是預處理視頻信息，接著選擇與變換預處理的信息，最終反映分類本質的特征，分類特征并判別規則處理信息。當前教學背景下，高等院校教學強調實踐與創新，自動控制中引入智能控制技術，有助于提高教學效果。

1 機器視覺應用背景分析

作為人類的主要感官，視覺在日常生活與工作中發揮著重要作用，也是人腦理解環境所需信息的主要來源渠道。機器視覺就是輔助計算機替代視覺工作，讓機器設備長出“眼睛”的技術，對周圍事物產生視覺感知到環境變化。特別是近些年人們對人工智能興趣不斷提高，有效融合自動化控制系統與視覺識別系統可以顯著提高系統自動化水平，實現人工智能，給人們提供更加優秀的服務。這里以單片機實踐課程為例進行分析。如單片機實踐課程學習過程中，學習制作智能機器人時并未使用圖像處理技術，而是直接通過傳感器對外界信息進行獲取。循跡避障小車實驗中，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成的，依靠紅外接收裝置判斷小車運動線路是否正確，進而控制小車行駛軌跡，其原理相對簡單且成本低廉，但實際中可以發現紅外傳感器有著較高的外界環境要求，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試任務，不能有效滿足復雜多變的環境。所以筆者認為自動控制教學中引入機器視覺應用具有重要意義。

2 機器視覺技術教學目標

通過上文分析來說，自動控制類課程實踐教學過程中有必要加入機器視覺，讓學生充分了解前沿科學技術，了解與學習相關知識與技術，這樣在智能機器人設計過程中可以充分利用該技術，培養學生創新意識與創新能力。

自動控制類教學過程中引入機器視覺技術，可以在控制類嵌入式開放項目中利用機器詩句技術，可以選擇合適的教學案例，通過圖像編寫或視頻處理算法實現視覺功能，控制時通過圖像理解結果進行，這是一種有效結合軟硬件的教學模式。但機器視覺屬于典型交叉性學科，涉及到較多的內容，圖像處理算法編寫過程中難度較大，實際教學中堅持機器視覺與模式識別理論與應用為主的理念，最大程度避免算法中出現繁瑣復雜的數學公式，促使學生掌握視覺概念，有效培養學生學習興趣，創新與發散思維，促進實踐教學效果提升。

3 機器視覺在自動控制教學中的應用方法

自動控制實踐教學過程中，堅持以實際應用為導向，結合案例分析讓學生掌握基本機器視覺技術中的算法，通過反復推算選擇合適研究方向開展學習研究。可以將教學實施過程根據不同情況劃分成三個階段：第一階段主要為教師實驗演示；第二階段主要設置基礎性實驗；第三階段主要為拓展性實驗。

3.1 教師實驗演示階段

第一階段主要將機器視覺中圖像處理與模式識別技術演示給學生觀看，幫助其形成基本認識，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。通常教學中需要運用圖像處理軟件平臺，這里從MATLAB平臺為例，主要因為其在院校中有著廣泛應用，同時可以提供大量圖像處理基本函數，學生僅僅需要根據函數格式進行調試即可，操作簡單，可以節省大量時間。基礎性實驗逐漸深入，主要設置內容如表1所示。

3.2 設置基礎性實驗

通過第一階段的演示實驗，學生對機器視覺已經有初步了解，教師可以在此基礎上設置一些基礎性圖像處理實驗。基礎性實驗設置原則主要包括一定圖像處理技術，但注意不要采用太過復雜的圖像算法。這是因為該階段學生只是對相關知識點有個初步了解，復雜的算法會偏離基礎性實驗目的，可以讓接受程度較好的學生自行研究復雜算法。

3.3 拓展性實驗內容

為強化基礎知識，提升應于能力，因此專門設置一些綜合性實驗讓學生獨立完成，進而將模式識別更好更全面的應用到自動控制系統中，實現人工智能。試驗主要以小組形式進行，學生根據自己感興趣的題目，主動查閱、整理資料，自主搭建電路，軟件編程和調試，進而完整的完成項目試驗。在整個項目試驗過程中教師只起到一個指導作用，不能之間參與到制作過程，小組成員之間應積極配合，共同協作，一起完成項目試驗。綜合性實驗的設置如下例所示。

實驗1：車牌號碼識別系統。學生可以利用數碼相機在戶外進行車牌號碼和汽車圖片采集，然后編寫對應算法實現車牌號碼識別。學生可以在C#或Java平臺上搭建應用軟件，將相機采集到的相片進行自動處理，然后就可以根據相片輸出對應的車牌號。

實驗2：機器視覺下的自動循跡小車。這個實驗主要是模擬汽車的車道線檢測裝置，小車以更高級的圖片處理技術代替傳統的紅外傳感器達到循跡功能，使小車沿著指定軌跡運行，一旦軌跡運行出現偏移就會立即報警，并及時對便宜軌跡驚醒調整。

以上這兩個實踐教師提供的參考性試驗，學生在自己的能力范圍內，充分發揮自身想象力和創造力，達到機器視覺技術和自動控制系統相結合，真正實現智能化。

4 結語

總的來說，機器視覺在各行各業中有著廣泛應用，這對自動化專業學生提出新的要求。自動化專業學生要想順應時代要求，提高就業質量，需要掌握基本的機器視覺技術。大學作為培養應用型人才的主要基地，在自動控制教學中引入機器視覺，充分調動學生求職欲望與學習模式識別，發揮學生主體作用，培養學生動手能力與實踐能力，為社會輸送大量具有實踐能力的高素質人才。

參考文獻

[1] 夏永勝.計算機控制液壓試驗臺設計方法[J].制造技術與機床，2006（11）：23.

[2] 曹程杰，莫岳平.基于神經網絡逆控制方法的水輪發電機組非線性控制器仿真研究[J].中國農村水利水電，2009（7）：23-24.

[3] 姜淑忠，李小海.電機驅動器中的電流傳感器[J].電機與控制應用，2007（6）：78.

[4] 宋鴻陟，肖磊，朱同林，等.面向對象程序設計課程中的訪問控制和方法覆蓋的剖析[J].中山大學學報論叢，2007（8）：123-125.endprint