新工科背景下機器人視覺課程教學的實踐與探索

趙嵐

摘 ? 要：在我國新工科發展戰略的背景下，結合應用型本科院校的人才培養目標，對機器人工程專業的機器人視覺課程，從教學內容、教學方法和實踐環節進行教學改革和探索。理論和實踐相結合的教學方法，多學科知識融合的實踐環節能更好地激發學生的自主學習興趣，加強學生的工程實踐能力，培養學生分析和解決問題的能力，從而提高本課程的教學質量。

關鍵詞：機器人視覺 ?教學改革 ?實踐教學

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（b）-0193-02

Abstract： Combined with the teaching objectives of applied undergraduate colleges，reforms and exploration of robot vision course teaching have been carried out for the specialty of robotic engineering from teaching contents， teaching methods and practical teaching aspects under the background of the development strategy of new engineering in China. In the reform， theoretical and practical training are combined with multidisciplinary knowledge integration for the practical training， which can stimulate the students' interests in learning and improve their ability in analyzing and solving engineering problems.

Key Words： Robot vision; Teaching reform; Practical teaching

加快深化工程教育改革，建設新工科是我國戰略發展需求，培養符合時代需求具有創新能力的工程人才是應用型本科院校人才培養的重要使命[1]。為了適應未來產業和智能時代新經濟，新工科背景下的智能科學與技術的核心課程應成為理工科類本科學生的通識教育課程[2]。機器人視覺課程是面向機器人工程專業開設的一門專業選修課，也是一門涉及圖像處理、模式識別、人工智能等諸多領域的交叉學科。機器人通過視覺傳感器提取客觀事物的圖像信息，通過視覺處理器進行信息處理并加以理解，進而使機器人能夠辨識事物并且執行相應的工作。課程目的是使學生對機器人視覺的概念、圖像處理方法及視覺典型應用有基本了解，掌握基本的圖像視頻信號處理方法，初步掌握視覺坐標系與機械參考坐標系之間的轉換原理和實現方法，為進一步學習專業課以及從事相關專業的研究和技術工作打下必要的基礎。

1 ?教學內容

一打好著作比不上一本好教科書，選擇一本好的教材對提高機器人視覺課程教學至關重要。選擇教材既要保證教材內容的新穎、全面，還要考慮內容是否能與實際的機器人工程應用緊密結合，對實踐能否起到重要的指導作用。因此，課堂教學采用了由Carsten Steger等編著，由清華大學出版社翻譯的《機器視覺算法及應用》一書作為教材。3位作者在德國MVTec公司負責機器視覺算法軟件Halcon的研發工作，使得本教材有別于其他的圖像處理和機器視覺教材，兼具理論高度和實戰經驗，通過Halcon實例深入淺出地闡述算法和工程問題解決方法，不僅讓學生能迅速掌握算法原理，同時還學到解決實際問題的關鍵技術。與許多學科前沿課程類似，該教材用雙語編寫，學生通過雙語的方式學習專業課程，有利于今后對學科新興技術成果的進一步了解和掌握。

在教學內容設置上，將基于二維圖像處理的視覺算法、模式識別、攝像機標定、空間坐標轉換和三維視覺作為授課重點。雖然教材以機器視覺應用作為目標，但是相關算法完全可以延伸到機器人視覺應用當中。以基于視覺引導的工業機器人目標定位抓取任務為例，需要首先對目標進行圖像采集和圖像預處理、從圖像中提取目標物并通過對所獲取的目標區域進行幾何描述完成目標在圖像中的定位。最后通過建立攝像頭的成像模型和攝像頭標定，實現圖像目標到機器人三維空間目標的位姿轉換。

2 ?教學手段

機器人視覺是理論性與實踐性都很強的學科，學生必須在學習好理論的基礎上，經過嚴格的實驗和實踐才可能有深入的掌握。長期以來，教師在圖像處理相關課程教學中偏重理論教學，忽視實踐教學，其中一個很重要的原因是缺乏有力的實踐教學方式和教學手段。目前，機器視覺和圖像處理軟件的廣泛應用為實踐教學提供了新的手段。本課程采用Halcon作為實驗和實踐環節的教學軟件，同時也是本課程教材推薦使用的軟件。該軟件具有功能強大的算法庫，高度交互式編程環境，支持多種開發平臺，自帶多個圖像處理的實際案例，便于學生在較短時間內學會使用。

在課堂授課過程中，充分運用音視頻及圖片和動畫等多媒體課件的現代化教學手段和方法，通過對典型案例的講解及編程過程的演示，可以讓學生進一步理解機器視覺的理論知識。除此以外，教師更強調實踐學習的重要性，提高實踐環節的比重，目的是激發學生的主觀能動性，培養學生自主學習和解決問題的能力。課堂上教師常采用探索式教學方法，針對課堂講授的知識點，要求學生在充分理解和掌握理論知識的基礎上運用Halcon算子編寫程序，學生可以一邊熟悉軟件，一邊實現相關算法。Halcon友好的開發環境和解釋型的編程語言，讓學生能迅速掌握軟件的使用方法。學生在程序運行過程中可以通過圖形窗口直觀地看到中間步驟的運行結果，還可以調整參數觀察參數改變對輸出結果的影響，從而加深學生對算法的理解。

課后教師則常采用項目化教學法。將實際工程問題引入到課后習題中，圍繞實際問題讓學生查閱資料，分析問題，提出方案。學生需要將所學的知識點有機結合，設計流程，編寫程序，調試程序，演示結果，最后進行課堂討論。與以往教師一言堂的授課模式相比，通過項目實踐學生學習專業課的目的更加明確，學習的積極性和主動性都得到提高。學生也通過充分實踐獲得一定的設計能力，較好地實現了課程的教學目標。

機器人視覺是一門考查課程，考核辦法和形式多樣化，能充分體現學生對所學知識的掌握程度和綜合運用能力。總評成績由平時成績、實驗成績和課程設計成績組成。平時成績根據課堂作業、提問、課后習題、學習主動性等方面進行評價。課程設計則根據總體方案、軟件流程圖等設計過程以及設計結果質量和設計報告規范性來評價。這樣的綜合考查方式能充分調動學生的學習主動性，培養學生探索和解決問題的能力。

3 ?實踐環節

根據新工科的培養目標，機器人工程人才培養應加強學生實踐環節的學習。設計實踐教學的整體環節，形成合理的實踐教學模塊，建立與理論互補的實踐教學體系，是新工科實踐教學的重要基礎和保證[3]。如何將創新能力的培養融入實踐教學，是新工科指導方針下的教師面臨的關鍵問題。在工業機器人的諸多智能中，視覺是非常重要的一種智能，相對其他的感知來說，視覺能夠獲取更加豐富的信息。為此，該課程在實踐環節搭建了一個以六自由度的工業機器人為核心，結合了照明系統、攝像機、通用計算機、圖像處理軟件、夾爪的機器人視覺檢測平臺。這個平臺能應用在工業環境中解決真實需求，目的是增強學生的就業創業能力。在解決方案的實施過程中，學生需要編寫程序控制攝像機進行圖像抓取，使用Halcon軟件對零件邊緣進行定位和測量，掌握攝像機和機器人聯合標定方法，將圖像中零件的坐標轉換為夾爪的坐標，通過網絡通信將指令傳達給機器人，編寫機器人指令執行抓取動作。通過解決復雜的工程問題，讓學生了解整個機器人視覺系統的構架，將機器人工程中多學科知識進行關聯和融合，將創新理念貫穿到實踐環節，提高自身的工程實踐能力和專業技術水平。

4 ?結語

新工科要求工程專業人才不僅具備扎實的理論功底，強大的專業學習能力，還要有良好的創新意識和社會人文素養。教學改革的實施和教學目標的實現，需要教師不斷提高加強自身專業素質，積極思考教學改革創新的途徑，改變教學理念，改革教學思路。本文根據機器人視覺的課程特點，從教學內容、教學形式上提出了一系列的實踐和探索思路，初步取得了一些積極的成效。未來將繼續努力探索，實施新工科理念，深化課程教學改革，完善課程體系，提高教學質量，培養出具有國際視野的創新型工程技術人才。

參考文獻

[1] 佚名.“新工科”建設復旦共識[J].高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[2] 張立偉，何炳蔚，陳劼.新工科背景下的機器人工程人才培養探索與實踐[J].教育現代化，2019，6（4）：4-6.

[3] 黃永程，楊斌，黎志勇，等.新工科背景下工業機器人應用技術教學改革探索[J].機電工程技術，2019，48（2）：40-41，66.