面向生產(chǎn)實(shí)踐的機(jī)器視覺(jué)課程教學(xué)探索與實(shí)踐

閔鋒　魯統(tǒng)偉

摘 要：分析教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，針對(duì)機(jī)器視覺(jué)課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)的教學(xué)方法，闡述如何選擇教材，恰當(dāng)組織教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，高效運(yùn)用多媒體教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；圖像處理；教學(xué)改革

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和攝像頭的大量普及，機(jī)器視覺(jué)在許多新的領(lǐng)域不斷得到應(yīng)用，目前機(jī)器視覺(jué)已成為機(jī)器人、生產(chǎn)線乃至社會(huì)生活的一部分。機(jī)器視覺(jué)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是用機(jī)器代替人眼做測(cè)量和判斷，一個(gè)完整的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)通常使用攝像頭等設(shè)備進(jìn)行圖像或視頻的獲取，然后使用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行理解，最后做出系統(tǒng)需要的判斷[1]。機(jī)器視覺(jué)已成為圖像和視頻處理從業(yè)人員的必備素質(zhì)之一，也是我院智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)重要的專業(yè)方向課。

1 課堂教學(xué)改革

機(jī)器視覺(jué)屬于交叉性學(xué)科，內(nèi)容涉及廣，且大多算法在學(xué)習(xí)時(shí)需要一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，若采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，學(xué)生難以理解，且容易陷入復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式中而脫離實(shí)際[2]。學(xué)生往往開(kāi)始學(xué)時(shí)興趣極大，學(xué)到中間一知半解，最后是一頭霧水，消極應(yīng)對(duì)。

1.1 選擇教材

機(jī)器視覺(jué)這門課一般是大三下學(xué)期開(kāi)設(shè)，選擇教材時(shí)需要兼顧本科畢業(yè)就業(yè)和考研兩部分學(xué)生的需求。對(duì)于本科畢業(yè)就要參加工作的同學(xué)而言，需要“廣度”，需要了解這門課在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，在實(shí)際中接觸到相關(guān)的項(xiàng)目或工作時(shí)，能夠知道去哪里找到自己需要的參考資料；而對(duì)于要進(jìn)一步深造的同學(xué)而言，則需要一定的“深度”，為研究生階段的研究打下基礎(chǔ)[3]。同時(shí)，機(jī)器視覺(jué)與圖像處理關(guān)系密切，需要圖像處理的知識(shí)作為理論基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用于實(shí)踐。

基于以上考慮，我們選擇了清華大學(xué)出版社2012年出版的《圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法及應(yīng)用》[4]作為教材，作者是帕科爾，譯者景麗。有讀者這樣評(píng)價(jià)：“這本書(shū)，通過(guò)圖示、數(shù)學(xué)公式、文字描述，并配有恰當(dāng)?shù)拇a內(nèi)容讓讀者了解圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法的原理。對(duì)著源碼學(xué)習(xí)是最有效的方式，對(duì)著本書(shū)，讀著源碼，相信讀者會(huì)進(jìn)步神速。這本書(shū)是圖像處理人員的必備書(shū)籍！”配有源碼是這本書(shū)的最大特色，源碼大部分是C語(yǔ)言編寫的，采用了OpenCV1.0的接口，有很強(qiáng)的實(shí)用性。

1.2 組織教學(xué)內(nèi)容

《圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法及應(yīng)用》一書(shū)共有11章，有些章節(jié)部分的內(nèi)容與數(shù)字圖像處理課程的內(nèi)容重合，考慮到僅有20個(gè)學(xué)時(shí)，只選取了這本書(shū)的第一章視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)踐、第四章灰階分割、第五章紋理和色彩、第八章分類、第九章符號(hào)識(shí)別和第十章基于內(nèi)容的搜索作為授課內(nèi)容。第一、四、五章的內(nèi)容與數(shù)字圖像處理密切相關(guān)，起到復(fù)習(xí)鞏固以前所學(xué)知識(shí)的作用，讓學(xué)生快速進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，只占總學(xué)時(shí)的1/3；第八、九、十章的內(nèi)容屬于機(jī)器視覺(jué)，是這門課的重點(diǎn)，占總學(xué)時(shí)的2/3。授課時(shí)，對(duì)一些機(jī)器視覺(jué)的基本概念如特征、模式、距離度量、訓(xùn)練和測(cè)試等要作詳細(xì)的解釋，對(duì)一些經(jīng)典算法如SVM和Boosting要作深入淺出的講解，并將這些算法應(yīng)用于實(shí)踐如光學(xué)字符識(shí)別（Optical Character Recognition， OCR）、人臉檢測(cè)等，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)的算法進(jìn)一步加深理解，理論聯(lián)系實(shí)踐。

1.3 多媒體教學(xué)

機(jī)器視覺(jué)算法理論性強(qiáng)，抽象，不易理解，單純采用文字?jǐn)⑹龊凸酵茖?dǎo)的教學(xué)手段，學(xué)生看不見(jiàn)，摸不著，教學(xué)效果并不好。多媒體教學(xué)可以制作算法的動(dòng)畫仿真演示，分解算法步驟，用圖片展示算法效果，使抽象難懂的原理公式變成具體生動(dòng)的畫面，相比老師的語(yǔ)言陳述，能更加吸引學(xué)生的注意，加深理解。如講解Boosting算法應(yīng)用時(shí)，可以以人臉檢測(cè)為例，先播放一段講授人臉檢測(cè)原理與應(yīng)用的視頻，然后現(xiàn)場(chǎng)演示程序，讓學(xué)生上講臺(tái)，對(duì)著攝像頭運(yùn)動(dòng)，展示人臉檢測(cè)的效果。這樣的演示很受歡迎，能極大地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和提升對(duì)獲取知識(shí)的渴求度。

1.4 引導(dǎo)問(wèn)答式教學(xué)

隨著智能手機(jī)的普及，學(xué)生基本是人手一臺(tái)，授課時(shí)如不能吸引注意力，學(xué)生很容易開(kāi)小差。傳統(tǒng)授課滿堂灌方式，會(huì)導(dǎo)致課堂效果猶如一潭死水，毫無(wú)生氣，老師在講臺(tái)上講得累死，學(xué)生在底下玩手機(jī)，自?shī)首詷?lè)。所以要提倡引導(dǎo)問(wèn)答式教學(xué)，增加老師與學(xué)生之間的互動(dòng)，通過(guò)提問(wèn)引導(dǎo)學(xué)生去思考，激發(fā)其求知欲，形成探究性學(xué)習(xí)風(fēng)氣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動(dòng)性。

2 實(shí)踐教學(xué)改革

實(shí)踐教學(xué)是課堂教學(xué)的深化和補(bǔ)充，學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)將課堂教學(xué)學(xué)到的知識(shí)加以運(yùn)用，有助于知識(shí)的理解和掌握。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容大多為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際應(yīng)用差距較大，對(duì)于基礎(chǔ)差的學(xué)生來(lái)說(shuō)，有點(diǎn)難又沒(méi)有興趣，不愿意做；對(duì)于基礎(chǔ)好的學(xué)生來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單又沒(méi)有挑戰(zhàn)性，敷衍了事；缺乏綜合性實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)不夠。

2.1 組織實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要與課堂教學(xué)內(nèi)容緊密聯(lián)系在一起，難度要適中，并且要有一定的實(shí)際應(yīng)用，能夠引起學(xué)生的興趣?；谝陨峡紤]，我們組織了表1所列的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.2 考核實(shí)驗(yàn)效果

為了保證實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的管理，每一次實(shí)驗(yàn)前都要求學(xué)生寫出實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)中檢查學(xué)生完成情況，有問(wèn)題及時(shí)解答；實(shí)驗(yàn)后完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，將核心代碼和實(shí)驗(yàn)結(jié)果貼在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上。老師根據(jù)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的情況給出評(píng)分和評(píng)語(yǔ)，并計(jì)入平時(shí)成績(jī)中。由于老師重視，準(zhǔn)備充分，大部分學(xué)生都能獨(dú)自完成實(shí)驗(yàn)，并且感覺(jué)收獲很大，動(dòng)手能力得到了提高。課后的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)涉及很多工業(yè)視覺(jué)中的實(shí)際問(wèn)題，比如電路板的焊點(diǎn)問(wèn)題、光源問(wèn)題、攝像機(jī)的選型等，對(duì)同學(xué)們的觸動(dòng)很大，開(kāi)拓了視野，為以后的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語(yǔ)

機(jī)器視覺(jué)是一門不斷發(fā)展的交叉學(xué)科，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣，要求機(jī)器視覺(jué)課程的內(nèi)容不斷更新，教學(xué)方法和教學(xué)模式也要不斷改進(jìn)。經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)摸索，我們認(rèn)為，選擇合適的教材，恰當(dāng)組織教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使用多媒體教學(xué)手段，提倡引導(dǎo)問(wèn)答式教學(xué)，增加老師與學(xué)生之間的互動(dòng)，對(duì)講好機(jī)器視覺(jué)這門課，非常有益。

參考文獻(xiàn)：

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[4] Parke J R. 圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法及應(yīng)用[M]. 景麗， 譯. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2012.

（編輯：郭田珍）endprint