面向新工科的機器視覺技術課程建設研究

王中任　劉海生　肖光潤　劉德政　晏濤

摘要：分析了新工科的特點及其對機器視覺技術人才的要求，提出了要以“新工科”為指導，整合課程教學內容，進行立體化教材建設。介紹了以案例教學為重點的課堂教學方法改革。提出了以實驗室建設為依托，構建機器視覺實踐平臺。最后，以湖北文理學院VISION團隊為例，介紹了通過校企合作培養機器視覺行業創新創業人才的方法與途徑。

關鍵詞：新工科；機器視覺；課程建設

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）50-0246-02

當前我國擁有全球最大的工科教育規模，但我國工科人才培養的目標定位不清晰，工科教學理科化，工程教育與行業企業實際脫節較大，工科學生存在綜合素質與知識結構方面的缺陷。因此，2017年2月，在復旦大學舉行的綜合性高校工程教育發展戰略研討會達成了“‘新工科建設復旦共識”，隨后，教育部發布《關于開展新工科研究與實踐的通知》，啟動“新工科研究與實踐”項目，面向新工科的人才培養研究成為了熱點。但從根本上來說，大學新工科的目標就是培養偉大的工程師。

隨著工業4.0和中國制造2025的提出，機器視覺技術已經成為智能制造的“風口”技術，機器視覺技術人才就業質量高，在沿海地區更是供不應求。機器視覺技術涵蓋面廣，需要機械、電子、圖像處理、模式識別以及面向對象的編程技術，對人才培養提出了很大的挑戰。目前，在國內開設《機器視覺技術》相關課程，各專業側重點不同。但從根本上來說，機器視覺是以視覺技術為核心的智能機器技術，在日本也稱為“視覺機器”，因此，這門課程更適合機械設計制造及自動化專業開設。本文作者從2012年開始在機械設計制造及其自動化專業開設《機器視覺技術》課程，從立體化教材建設、課堂教學方法、實驗室建設和校企合作四個方面，進行了全方位的課程建設。

一、以“新工科”為指導，進行立體化教材建設

按照“新工科”的時代要求和根本目標，機械類本科專業開設《機器視覺技術》課程，其課程總體教學目標為：①了解機器視覺系統的基本組成、原理和圖像處理的基礎知識；②掌握機器視覺系統的硬件技術；③掌握圖像處理的核心技術；④掌握機器視覺應用最普遍的尺寸測量技術與缺陷檢測技術；⑤了解基于機器視覺的運動目標跟蹤技術和三維重建技術。通過課程實驗培養學生的使用機器視覺軟硬件能力和創新思維。初步掌握機器視覺系統的設計方法和工程技能，為成為一名具有光機電一體化集成和開發能力的工程師奠定堅實的理論和工程實際基礎。基于此，我們進行了課程教學大綱的設計，總學時36學時，理論學時30學時，課內實驗學時6學時，另外安排了多個選做實驗項目。我們正在與華中科技大學出版社合作出版《機器視覺技術》教材，并將于2018年出版。

二、以案例教學為重點，改革課程教學方法

《機器視覺技術》課程是一門多學科交叉的課程，內容繁雜，實踐性強。要在30學時的有限時間內把基本理論體系構建起來，并讓學生有一定的實踐動手能力，對教師的教學方法提出了很高的要求。以“圖像處理技術”這一章為例，雖然安排了課程近1/3的學時，但想把博大精深的圖像處理技術講清楚，非常困難。為此，我們采用了基于案例的教學方法進行教學，通過一系列的機械零件圖像處理的小程序演示和項目案例，減少學生學習的難度，再通過布置課外閱讀材料和輔導書，讓學生能夠由淺入深地去學習理論知識。比如，在“尺寸測量技術”這一章中，我們通過外螺紋視覺通用測量系統的研發案例來對“圖像處理技術”一章中難懂的概念和算法進行了綜合運用。基于機器視覺的外螺紋測量是根據工業CCD相機采集到的螺紋圖像，應用圖像處理的方法或算法，測量出外螺紋的大徑、中徑、小徑、螺距等參數。我們采用HALCON機器視覺函數庫來進行教學，在教會學生圖像處理算法的同時，也教會了一種主流的工具軟件，通過這個案例，用20分鐘時間，讓學生領悟到視覺測量算法的精華，具有系統性和實用性。在講授三維重建技術中，我們結合團隊的大型工件雙目結構光掃描系統的開發和刀具在位磨損系統研發兩個項目，進行了案例教學，學生真切地感受到三維重建和測量在未來智能工廠中有光明的應用前景，是實現工業4.0的關鍵技術，不但掌握了三維重建的理論方法，更提升了工程師素養和實現制造強國的責任感。

三、以實驗室建設為依托，構建機器視覺實踐平臺

鞏固課堂理論知識，培養學生實踐動手能力，實驗教學是關鍵。而搭建一個功能齊全，具有基礎性兼顧先進性的機器視覺實驗室，尤其重要。從2012年起，利用學校實驗室建設經費，先后投入450多萬元，打造了集教學和科研為一體的智能制造與機器視覺實驗室。主要的設備有：機器視覺綜合試驗臺5套，線陣掃描平臺1套。大型綜合實訓和科研設備有：Faro激光跟蹤儀，視覺引導激光打標機，Yamaha四軸視覺機器人，Fanuc六軸視覺機器人，激光/白光三維形貌儀，FLIR紅外熱像儀，藥品塞視覺檢測機，視覺引導AGV，雷尼紹激光干涉儀、UR人機協作機器人、Fanuc視覺并聯機器人，航拍無人機等。機器視覺器件包括：智能相機、工業相機、Gocator激光位移傳感器、工業鏡頭、運動平臺、LED光源，激光器，型號規格齊全，方便學生在靜態臺架和運動平臺上開展各種課外創新實驗。實驗室機器視覺仿真用計算機安裝有halcon、visionpro、hexsight、opencv等商業或開源機器視覺軟件。利用機器視覺綜合實驗臺和線陣掃描平臺，本科生不僅可以做課程指定的六個必做實驗，還可以在第二課堂進行20項選做項目。我們開設的課內實驗有：圖像獲取與光源實驗、尺寸測量實驗、印刷體缺陷檢測實驗、車牌識別實驗等，另外選做的實驗有：相機標定實驗、瓶蓋定位實驗、條碼和二維碼識別實驗、機器人手眼標定實驗等。由于我們構建了先進而齊備的機器視覺實驗室，也為我們校企合作打下了很好的基礎。

四、以校企合作為抓手，培養機器視覺創新創業能力

面向“新工科”的機器視覺技術人才，是在機器視覺領域方面有良好理論基礎、工程實踐能力強、創新能力好的高素質復合型人才。本科第四學年的企業項目實踐至關重要，是打通從學生到企業技術人才最后一步的關鍵環節。然而企業進行畢業生項目訓練的代價很高，讓企業單方面投入大量人力和財力，去義務奉獻，是不現實的。校企合作，關鍵是教師科研團隊的領軍人物，要有海納百川的胸懷和持續踏實的合作精神。高校團隊必須用掌握的核心技術為企業做事，拿技術成果與企業交換。高校科研的最大優勢是擁有一大批掌握前沿科學理論的博士和教授，但并不是所有博士都掌握核心技術。如果要實現，必須掌握企業所不具備的差異化核心技術，而機器視覺正是在大多數企業里缺乏的智能制造新技術。以湖北文理學院VISION團隊為例，在2014—2017年，與襄陽博亞精工裝備股份有限公司（以下簡稱“博亞公司”），開展了校企深度合作，共有50多名研究生和本科生先后參與到校企合作項目中。VISION團隊與博亞公司的研發團隊，合作承擔了10多項以機器視覺技術為核心的研發課題，包括：柔性加工單元的視覺定位與檢測系統、視覺導航AGV、管道全位置智能焊接機器人、變速箱智能裝配線、刀具磨損在位測量系統等。參與其中的教師和學生的專業有機械設計、自動化、機器視覺、計算機軟件等。通過與博亞公司的深度合作，VISION團隊培養了一大批具有創新和實踐能力、有良好團隊合作能力和敬業精神的畢業生，一部分留在博亞公司，更多的學生實現高質量就業，少部分學生已經成功合伙創業。本科生參與項目后撰寫發表科研論文30多篇，專利10多項。博亞公司在與VISION團隊的合作中，提升了自身的產品科研理論水平，多個合作項目結出了產品碩果，為企業創造了實實在在的經濟效益，實現了校企合作的雙贏。

五、結論

作為契合“新工科”人才培養的機器視覺技術課程，在機械類專業開設具有重要意義。需要構建科學教學體系和校內外實踐基地，牢固學生理論基礎，培養學生實踐創新能力。建設好這樣一門新技術課程，是學校長期的投入和科研團隊建設的結果，將來必然會回報社會一批批的優秀“新工科”人才。

參考文獻：

[1]王中任，劉海生，秦濤.基于校企協同的應用型人才培養與VISION團隊模式[J].文教資料，2016，（2）：106-107.

[2]王中任，劉海生，周岳斌，等.地方本科院校實現品牌溢價的方法與途徑[J].教育教學論壇，2017，（42）：205-206.