工業機器視覺課程教學分析

張楠

摘要：本文針對近期眾多專業新開設的工業視覺相關課程教學工作進行分析與研究。該門課被爭相開設正是由于我國《中國制造2025》的提出，智能制造成為必然趨勢，而制造業關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人以至智能化管理替代等都離不開機器視覺系統的構建。首先，學習機器視覺知識的前提是掌握編程邏輯思維能力，所以本文結合編程課程討論了程序算法的教學方法。考慮到該課程獨有的特點，軟硬件皆涉及，對各部分所占學時合理分配。必要硬件的介紹，但重點會集中在程序編寫方面。只對經典算法進行適當的講解，重點放在各種常見類型應用解決方案相關的編程教學上。在此基礎上，細致分析工業生產場景中機器視覺教學的整個過程，從理論知識到動手實踐，考慮細節仔細研究，給出可行教學方法。相信按照本文研究的教學方法變通靈活教學，能夠使得學生在該門課程上受益匪淺。

關鍵詞：機器視覺;理論;實驗;實訓;教學研究

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）27-0101-02

2016年，《中國制造2025》由文件編制進入全面實施新階段。目標到2025年，制造業重點領域全面實現智能化。作為智能制造工程涉及的環節，關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人以至智能化管理替代等都離不開機器視覺。《中國制造2025》離不開智能制造，智能制造離不開機器視覺。

當今各學科不斷打破學科邊界，學科間相互滲透交叉。機器視覺就是學科融合的新興產物，甚至對于這個概念并沒有官方的定義。機器視覺可以說是涉及應用光學、機械設計、計算機網絡、計算機軟件、自動控制和傳感器等不同學科的融合。和計算機視覺相比，機器視覺更強調是工業自動化中的真實應用。于是工業視覺技術及應用課程紛紛被學校開設。由于工業視覺為多學科融合的一門課，所以在不同學院（系別）雖然都開設了該門課，側重點有所不同。我校高職本科部將編程語言定為C語言，雖然視覺軟件并不一定使用這種高級編程語言編寫程序，甚至不用編寫代碼，但不可或缺的是編程的邏輯思維能力，學習C語言就是鍛煉學生邏輯思維能力的較好方式之一。想要學生在后期為視覺系統編寫程序時，具有足夠的邏輯思維能力，在編程語言教學過程中，教師要加強基礎編程方法的傳輸和訓練，學生只有打好堅實的編程基礎，才能夠將其應用于工業視覺的學習中。

1硬件系統

機器視覺可以說還處于初級階段，可謂朝陽產業，更值得通過課堂將相關知識傳授給學生，啟發學生將來在工業視覺方面有創新性的成果。現在的工業視覺系統特點或者說最大軟肋就是對于不同的處理對象必須選用對應硬件和定制解決方案。

工業視覺方面的許多問題可以通過硬件或軟件兩種途徑解決。但由于生產過程對速度的要求極高，一般能夠使用適當的硬件解決的問題都不會選擇更復雜的算法。也就是說，硬件的選擇視覺系統的構建是非常重要的。

課程首先應介紹相機、鏡頭、光源、傳感器、圖像采集卡、PC平臺等視覺系統硬件。國內外相關硬件廠家及廠家旗下不同型號繁多，是不可能在有限的課程中介紹的。一般來說都是以較為常用的某品牌某型號為例，引導學生了解各類硬件。各類型的硬件都是什么作用，如何搭配形成一個完整的視覺系統。此處，安排學生動手組合各硬件搭建視覺系統，完成最簡單并有反饋的操作，必然激發他們學習的興趣，留下深刻的印象。這樣學生碰到不同廠家不同類型的硬件也能觸類旁通。這些硬件都有為數不少的參數，這些參數值都會是選擇硬件的依據。但是生硬的介紹這些參數是非常枯燥的，老師也無法使之生動。不妨結合具體產品舉例，例如要檢測生產線上大小，5mm的零件，裝配精度0.1mm，生產率：10個/秒，觀測距離為300mm，相機類型、像素個數、曝光方式、觸發類型和鏡頭焦距等參數如何選擇，根據某品牌產品手冊，繼而決定相機和鏡頭的型號。硬件選擇的不同采集到的圖像也會存在很多有趣的現象，很適合在教學中展示給學生觀察。這樣，學生在介紹、計算和查表過程中掌握了硬件的選擇。雖然現在國內做相關硬件的企業已經為數不少，但與國外產品相比能從價格上看出性能的差異。如果開設這門課程的專業偏硬件的話，可以在硬件性能上著重介紹。

2軟件

2.1理論教學

視覺方面的理論知識主要是各類經典的圖像處理算子。對于高職本科的學生而言，主要掌握常用算子的作用，了解相關參數對圖像處理效果的影響，在教學上會適當講授算子的內在原理，為學生進一步創新研究打下堅實基礎，畢竟僅僅會用還是無法超越視覺系統的現狀。理論介紹結合實驗現象，避免紙上談兵，并且還規劃了兩種不同用途的軟件來展示實驗結果，一個是偏科研的軟件，例如MATLAB，另一個是偏工程應用的軟件，例如HALCON。作者相信工業視覺正處在起步階段，視覺系統主流還是按照圖像處理結合特征提取的方式去解決問題，但未來視覺系統在軟件上可能會顛覆這種模式，深度學習模型已被應用到數家知名視覺軟件中。而深度學習源自神經網絡，這種處理方式已經完全不同于傳統模式，而是模仿人類的思維模式。

2.2實驗教學

實驗教學與理論教學有著同等的教學地位，工業視覺實驗的前提就是熟練掌握編程邏輯思維能力了。實驗階段采用MATLAB軟件，學生已具有C語言等高級編程語言能力前提下，在實驗期間，教師帶領學生熟悉新的編程環境。提供圖像和要求，由學生充分利用網絡資源，自行搜索理論學習中提到的算子在該軟件中的函數名及參數。處理好細節加上編程基礎，通過例題練習迅速掌握MATLAB程序。在以前的教學過程中，發現不論是專科或本科學生都存在缺少自主學習能力的問題。尋找有特殊效果的圖像處理案例，誘導學生追尋該結果，積極討論，教師參與討論，適時提出疑問，讓學生考慮自己的解題思路是否存在問題，分析為何和預期的處理效果有出入。不斷修正思路過程中，培養學生積極思考和討論的習慣，營造好學求知的課堂氣氛，不因為一時受挫就放棄尋找正確的答案。手機一度被認為是課堂上的大忌，但只要教師能夠合理運用，手機是一個很好的教學工具。視覺相關課程就可以由學生拍攝圖像，上傳到機房電腦中，進行圖像處理的實驗。例如車牌識別，就可以拍攝車牌的圖像進行實驗，程序中的語句語法和算子使用都會影響到運行的結果，識別車牌號的正確率與設計的程序緊密相關。這樣一來，調動起學生的積極性，沒有工業相機等硬件，當學生課上未完成實驗或有設計實驗的需求時，也可以利用自己的手機和電腦進行各種圖像處理的實驗。視覺編程需要熟練的編程邏輯和一定的經驗累積，只有多思考和多動手才能得心應手。考核成績的時候，該課程應以隨堂測試為主，筆試為輔。而且隨堂測試不能只關注程序運行結果是否正確，視覺實驗結果有時是無法用肉眼判斷差異的，必須查看各參數的值，同時教師應隨機提出疑問，由學生解答，以此了解該學生的思路，對視覺系統根據不同對象進行圖像處理從而提取特征的真實掌握程度。

2.3實訓教學

進一步的實訓教學很有必要，相當于是更接近真實工業生產環境的教學。所以教學中會選用工業視覺軟件HALCON，該軟件除了各種經典算子甚至還囊括了深度學習的相關模型，并不斷在更新中。實訓搭配相關相機、鏡頭、光源、傳感器、圖像采集卡、PC平臺等視覺系統硬件。由教師設計多套項目方案，學生從硬件選型開始，只要通過前面的編程實驗教學，就能較快上手使用工業視覺軟件HALCON，搭建完整的視覺系統。從利用工業相機鏡頭采集圖像開始，編寫程序處理圖像，最后得到決策信息。整個軟硬件系統構建下來，必然能夠鍛煉學生的實際動手能力。由于工業視覺處于蓬勃發展的初級階段，視覺軟硬件的更新換代比較快，教學、實驗以及實訓的內容都需要不斷修改，例如視覺軟件的版本、實驗題目和實訓項目的選擇。設計的實訓內容盡量源自企業實際問題，使得學生在畢業后走入社會時，已經累積一定的經驗。

在我國市場上，工業視覺系統現階段還處于代理國外軟件，再進行二次開發的狀態。如果企業需求應用面較窄，就意味著開發代價較大，導致此類企業智能制造進程被迫過緩。因此，擁有自主創新的視覺軟件才能實現關鍵工序智能化，進一步支撐中國制造的實現。從另一個角度理解的話，學生今后從事該朝陽行業會有很大的發展空間。

3結論

工業機器視覺系統技術日新月異，作為教師一定要做到不停下學習的腳步。總之，在工業機器視覺的教學中，夯實機器視覺理論知識基礎，了解當下流行算法，輔以相關實驗，最后利用實訓項目鍛煉學生實現整個視覺系統的能力。為了培養學生的綜合素質，我們要不斷總結教學經驗，不斷探索，分析自身的優勢和劣勢，根據不同學生不同特質不斷改進，因材施教，從而激發學生的實踐能力和創新能力，培養高素質的應用型人才。