在研究生教學中引入機器視覺理論與技術內容方法探析

榮譽 曲夢可

摘 要：闡述了在研究生教學中引入機器視覺理論與技術內容方法，細化了機器視覺理論與技術內容引入方法，通過概念引入和算法引入實現研究生培養入門，提出了任務和項目式能力提升方法，通過任務和項目逐步實現研究生的培養，通過研究生的指導實踐驗證了上述方法的有效性，為高端機器視覺領域工程技術人才教學提供了新的思路。

關鍵詞：機器視覺；研究生教學；指導方法

隨著制造業的轉型升級，基于無人感知、無人識別、無人執行、無人制造、無人數據采集、無人生產工藝和任務下達技術的全柔性生產線正逐漸成為制造業的主要發展方向。其中，無人感知和識別技術是關鍵環節之一，目前的生產線無人感知和識別技術主要通過機器視覺、標碼追溯、RFID視頻技術等方法實現，機器視覺是最主要的無人感知和識別實現方法，在整個智能制造生產線中占有重要地位。然后，目前我國的工科專業目錄和高等教育體系中，沒有專門針對應用類機器視覺的研究生專業，僅有一些高校設置了圖像處理類的專業方向，導致制造業機器視覺應用方面人才極為短缺。

依托我國已有的研究生教育體系，在相關專業的研究生教學中引入機器視覺理論與應用技術方面的教學和研究內容，并通過企業工程項目案例調動研究生從事開發的積極性，可以有效提高人才培養效率。

1 機器視覺理論與技術內容引入方法

1.1 機器視覺與工業應用概念引入

視覺及圖像處理技術的發展已經很久，但是，視覺機器真正大規模進入制造業應用是近10年開始的，尤其是針對具體行業、具體工藝、具體環節的應用是隨著代表性企業康耐視、基恩士等工程類視覺產品公司的大量推廣和應用展開的。要在研究生教學過程中引入機器視覺與工業應用的概念，最有效的方法就是讓學生通過康耐視、基恩士等成熟視覺產品的使用、實驗性開發、練習等，逐漸從應用方法、工程效果的角度理解機器視覺產品，從而更直觀有效地掌握機器視覺在工程領域的定位。

因此，可以通過集成式機器視覺系統，在開放的視覺算法軟件基礎上二次開發，通過工業相機、鏡頭、光源等的組合應用，使學生從應用入手，逐漸升級到理論層面，這樣可以取得較為理想的效果。

1.2 開源視覺算法軟件及方法引入

在學生通過產品和應用及的視覺系統對工程應用有了直觀理解后，可以在研究生教學過程中逐步升級理論深度。目前，較為普及的開源視覺算法軟件例如OPEN CV等可以為研究生提供良好的開源環境和廣闊的二次開發空間。此階段可以通過給學生引入大量的開源視覺算法，讓學生探索底層視覺算法的奧秘和應用，從而建立學生的興趣。

2 任務和項目式能力提升方法

2.1 通過任務實現能力提升方法

當研究生具有一定的機器視覺算法和工程應用基礎后，可以通過給學生布置模塊、功能式任務的方式，讓學生實驗性獨立開展視覺項目的開發。具體開發過程可以使先使用成熟產品的PCBASE系統進行功能開發，當完成任務和實現功能后，可以逐步升級為采用OPENCV等自編底層算法進行任務開發。在任務階段，可以按照識別、測量、定位引導、讀二維碼、讀條碼、讀OCR碼等不同視覺功能及領域，有針對性地進行任務布置和效果檢驗。

2.2 通過項目實現能力提升方法

當本科生已經進入畢業設計課題的核心領域的時候，可以通過開展同年級、通課題組學生競爭的方式進行培養。具體的競爭式培養方法為：首先確立各位學生的第一階段任務，然后，在進入第二階段任務時進行橫向比較，只為第一階段完成較好的學生提供優先進入第二階段任務的機會。這樣可以在激勵優秀學生的同時，有效鞭策懶散學生，從而實現學生畢業設計課題質量的全面提高。

2.3 通過項目驗收指標進行量化考核

當研究生已經完成并通過任務階段的能力培養與提升后，可以采用實際工程項目的方式對研究生的視覺工程應用能力進一步培養和提升。項目的來源可以是實際生產線的一個部分或者集成式單元，也可以是基于視覺的識別測量單機設備。通過給研究生確立項目實施目標、技術路線、方法規劃等步驟，讓研究生跟隨項目的思路并逐步完成項目的設計、實施全過程，從而以更直接的角度掌握機器視覺在工程應用的開發和實施過程。

3 機器視覺實際開發過程案例實踐

本文作者通過給2015級工程碩士研究生布置機器視覺領域的碩士研究生課題，并按照上述概念引入、視覺算法及開發方法引入、任務提升、項目提升、項目效果考核的過程，對研究生進行指導和培養。在研究生指導過程中，給研究生設定的碩士課題題目為：手眼伺服作業機器人平臺系統的研究，該課題是以機器視覺系統為傳感層，通過工業相機識別并定位工件位置，然后將工件位置坐標傳輸給工業機器人，由工業機器人根據視覺系統的引導對工件進行加工和作業。開發過程中，研究生首先采用康耐視的PCBASE系統完成了上述任務目標，以此為基礎，研究生又采用OPENCV自編視覺算法完成了同樣的任務目標，最終使學生在充分掌握機器視覺系統工程應用原理的基礎上，能夠獨立采用自編算法開發視覺系統。

4 結語

通過在研究生教學中引入機器視覺理論與技術內容的探索與實踐，逐步總結并建立一套適應制造業轉型升級趨勢的機器視覺高端工程人才培養體系，培養更多有應用能力的高端機器視覺領域人才。

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課題來源：河北科技師范學院教學研究項目：聯合國家級研究院培養智能系統創新團隊模式探索（編號：JYZL201706）

作者簡介：榮譽（1981），男，副教授，主要從事并聯機器人理論及應用研究。