以Fourier變換輪廓術3D測量為例的“機器視覺”課程改革探索

朱新軍+宋麗梅+王紅一+郭慶華+李金義

摘 要 機器視覺課程在教學過程中存在講解理論內容過多、抽象，學生理解困難以及所學知識很難進行實際應用問題。針對這些問題，以機器視覺中的Fourier變換輪廓術三維（3D）測量為教學案例，實現理論與實踐相結合的方式進行學習，促進學生對機器視覺相關理論知識的加深理解，并且提高相關方面實驗動手能力和編程能力，培養解決復雜工程項目的能力。

關鍵詞 機器視覺 Fourier變換輪廓術 3D測量 課程改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.11.052

Abstract In the teaching course of machine vision， there are problems of much abstract theory knowledge to be toughed， which causes the students have difficulty in understanding and it is difficult for them to apply what they have learned to the real practice. Aiming to these， we take the Fourier transform profilometry 3D measurement in the machine vision curriculum as an example， to give the way that can combine the theory and practice to study， promoting more deep understanding of the relative knowledge in machine vision， improving the ability of practical operation and programming skills， cultivating the ability of solving complex engineering projects.

Keyword machine vision； Fourier transform；3D measurement； curriculum renovation

0 引言

機器視覺內容涉及信號處理、數字圖像處理、模式識別、人工智能和光電子學等領域，具有很強的專業性，是一門軟硬件相互結合、理論性和實踐性都很強的交叉學科，得到了快速的發展和應用。比如，在工業中， 特別是在各種生產線上，各種產品的視覺檢測應用非常廣泛。企業對掌握機器視覺知識的人才需求越來越大。讓學生深入理解相關知識，掌握相關方面的動手實驗能力，經歷相關項目設計與實現，深切體會各種機器視覺算法和技術的功能及作用，才能為以后從事機器視覺領域打下更好的基礎。[1-4]因此，如何幫助學生加深機器視覺相關理論的理解和應用，培養學生在機器視覺相關方面的解決問題的能力和創新精神，對學生從事機器視覺領域具有重要的意義。傳統的機器視覺教學模式注重課堂上的理論知識傳授，相關知識的實踐教學內容較少，學生缺乏對相關感性的認識，所學知識僅停留在紙面，不利于對機器視覺相關理論知識的加深理解以及對學生動手能力和創新能力的培養。

我們在機器視覺教學過程中增加實踐環節，將傳統教學方式替換為以實踐教學為主的教學方式，借此提高學生對知識的理解、運用及在實踐中自主學習的能力。[5]本文以機器視覺中的Fourier變換輪廓術這一經典和重要的三維重建內容為教學為例，對機器視覺課程的實驗教學進行探索，力求把課本理論與實際應用相結合，實現課本理論傳授和學生實踐指導的一體化教學，在實踐中加深學生對知識的理解和創新能力的培養，提高學生的動手能力和編程能力，積累初步的項目經驗。

1 三維重建在機器視覺課程中的重要性

三維重建是機器視覺領域的重要內容之一。在科研與實際生產生活中，三維測量的需求日益增長。光柵投影三維測量具有較高的速度和精度獲取并以較低廉的光學和數字硬件設備為基礎，逐漸成為近年來十分受歡迎的一種非接觸、快速和高精度三維形貌測量方法。[6]

光柵投影（數字條紋投影）三維形貌測量的基本原理：首先將條紋圖投影到被測物體的表面，條紋圖由于物體表面的凹凸變化而發生變形，然后由攝像機獲取一系列的變形條紋圖，然后通過相位提取方法提取條紋圖中的相位信息，最終聯合系統標定參數計算出被測物表面形貌的三維點坐標。

以三維重建作為講解內容，我們提出一種將教學轉移到實驗室中進行、在教學過程中讓學生實際接觸并操作相關硬件的實驗教學方法。我們以機器視覺課程中的條紋投影三維測量為例，實現物體三維重建。其中，用到了Fourier變換在二維圖像處理方面的使用，Fourier變換的性質運用，以及光柵投影測量原理，Matlab圖像處理編程語言知識和工具。

2 Fourier變換輪廓術3D測量主要內容

Fourier變換輪廓術是3D測量中的一種高精度、快速方法。其根據光柵投影測量原理與Fourier變換圖像處理理論實現3D測量。其中，用到了Fourier變換在二維圖像處理方面的使用，二維Fourier變換的性質運用，以及光柵投影測量原理，Matlab圖像處理編程語言知識和工具。

其中和分別代表實部和虛部。得到相位之后進行標定處理得到深度圖像，實現最終的3D形狀。學生可以通過頻譜平移去掉。

3 基于Fourier變換輪廓術3D測量的教學設計

在此，我們提出一種理論與實際相結合的教學課程設計。主要環節如下：首先，給學生講解Fourier變換輪廓術的原理與基本實現步驟，以及實現步驟所需要用到的程序語言與主要函數。然后，讓學生動手搭建條紋投影三維測量系統采集實驗數據，要求學生調整投影儀、相機和被測物體三者之間的位置關系。圖2為實驗室搭建的實驗測量系統，主要包括相機、投影儀和計算機等。接下來，學生采用Matlab讀入采集的變形條紋圖，對條紋圖進行Fourier變換、低通濾波、頻譜平移和反變換，實現相位的提取。圖 3為相機采集得到條紋圖。編寫過程給出Matlab二維Fourier變換函數fft2 和ifft2的說明，方便學生理解和應用。圖4為學生最終應實現的最終結果圖。endprint

整個教學過程可分為課前預習、教師講解、學生自主學習、學生自主實驗以及總結五個部分。

在正式上課之前，要求學生對相關內容進行調研，了解3D測量在機器視覺中的重要性和其發展，以及當前常用的3D測量方法，并以報告形式進行提交。教師根絕學生掌握情況，有重點地講解相關內容節省從而在課堂上對基礎知識進行講解所花費的時間。

在試驗人數安排上，安排2至3人為一組，通過分工合作，記錄參數和數據，編寫程序調試，最后提交總結報告。最后，教師對學生在實驗中遇到的問題進行解答，鞏固和加深學生的進一步理解。

在評分標準方面，主要從搭建實驗系統的動手能力，編程實現Fourier變換能力以及實驗報告評價學生的成績，同時考察學生搭建實驗、調試程序和表達溝通能力。

4 結束語

機器視覺課程講解中，學生對Fourier變換輪廓術3D的理解比較淺顯，僅限于書本所述而缺少動手能力體驗，理解和掌握不夠深入，不能將所學知識運用到實踐中。而采用本設計的教學課使理論與實踐相結合，在理論的指導下，通過實驗系統搭建，自己采集實驗數據，采用Matlab語言設計程序處理實現三維重建的過程，學生具有直觀的認識和自己的理解，加深了所學內容的理解，同時鍛煉的機器視覺方面的動手實踐能力和編程能力。與只通過理論教學為主的方式相比較，學生學習效果得到提高。

總的來說，我們在機器視覺教學過程中增加實踐環節，將傳統教學方式替換為以理論與實踐相結合的教學方式。在學生實驗環節自行完成實驗，提高動手能力和發現問題、解決問題的能力。通過在解決實際問題中發現問題和思考反過來加深理論內容的理解，通過對實驗過程和結果的感性認識加深理論知識的理解，此外，還提高了學生的團隊協作能力和實踐能力。本次教學探索有助于加深對所學知識的理解，以及提高學生的動手能力、實踐能力。

基金項目：天津市應用基礎及前沿技術研究計劃《雙目 SFS 彩色三維織物疵點在線檢測原理研究》（編號：10JCYBJC07200）和天津工業大學研究生課程優秀教材建設項目（《機器視覺》優秀教材建設）

參考文獻

[1] 高英力，李友云.基于CDIO教育模式的工科研究生創新能力培養與實踐[J].創新與創業教育，2015.6：67-69.

[2] 孫涵，陳松燦，劉寧鐘，黃元元，朱旗.研究生模式分析與視覺處理課程群改革與實現[J].科教導刊（中旬刊），2016.3：30-32.

[3] 宋麗梅，高艷艷，王紅一，朱新軍.自制教學儀器在研究生教學中的應用——以在機器視覺課程教學中的應用為例[J].中國教育技術裝備，2015.24：48-49.

[4] 宋麗梅，高艷艷，楊凈慧，朱新軍.學科交叉教學在研究生培養中的作用——以“應用數學”在“機器視覺”課程中的應用為例[J].科教導刊（中旬刊），2015.12：34-35.

[5] 史金龍，白素琴，龐林斌，錢強.研究生機器視覺課程的CDIO教學改革實踐[J].計算機教育，2013.9：40-44.

[6] 張啟燦，蘇顯渝.動態三維面形測量的研究進展[J].激光與光電子學進展，2013.50（1）：010001.endprint