面向機器人工程專業的機器視覺課程建設

殷 悅 楊 斌 王臨茹 萬 浩 陳曉康

（泰州學院船舶與機電工程學院，江蘇 泰州225300）

在“中國制造2025”“工業4.0”戰略指導下，工廠里面用機器人替代人工勞動力的現象越來越多，我國工業機器人的發展也越來越得到重視。機器視覺技術也成為人工智能的一個重要的分支，它將圖像處理、機械、光學、傳感器、虛擬、計算機軟硬件等多個專業技術融合到一起發展成為一項綜合的技術[1]。機器視覺技術已經應用于零售業、制造業、醫療行業、自動駕駛、農業、安防和保險業等，可以完成圖像分類、定位、目標識別、目標分割等任務。機器視覺主要用計算機來模擬人的視覺功能，但并不僅僅是人眼的簡單延伸，更重要的是具有人腦的一部分功能一一從客觀事物的圖像中提取信息，進行處理并加以理解，最終用于實際檢測、測量和控制。

1 機器視覺課程建設中的問題

因為機器人工程專業是個新設學科，目前高校里開設面向機器人工程專業的機器視覺的課程較少，且側重點不同，應用到實際中必須掌握的知識有：（1）機器視覺系統的基本組成；（2）基本成像與光學知識；（3）基本的數字圖像處理知識；（4）通用的視覺庫，如Matlab圖像處理庫和OpenCV視覺庫，或者專業的工業機器視覺軟件halcon，只有掌握這些初步基本的技能才能夠為成為一名機器視覺工程師打下堅實的基礎[2]。

泰州學院的辦學定位是建設有特色高水平應用型地方本科院校，著力培養高素質應用型人才。機器人工程專業開設于2018年，機器視覺課程于第六學期開設，前期已開設程序設計基礎、機器人工程導論、機器人操作系統等專業課程，學生已經有了一定的理論基礎，也對機器人技術有一定的了解。同期開設機器人傳感器技術及應用、深度學習和機器人控制與應用編程等課程，讓學生能夠掌握最新一代機器人傳感器技術，并利用人工智能技術，實現機器人系統的智能控制、決策、規劃、學習等，從而解決復雜工程問題。

根據目前的研究，機器視覺課程普遍存在的問題有：（1）注重理論教學，不能很好地跟實踐教學聯系起來；（2）機器視覺是一門交叉學科，學生片面地學習機器視覺理論知識，不能跟其他課程融會貫通，進行整個系統的設計；（3）機器視覺知識更新較快，是一門不斷發展的課程，需要所學的知識能夠與時俱進，學生學習的知識較為基礎，僅教材上的知識很難滿足社會的需求。

2 機器視覺課程建設改進方式

2．1 教學內容的選擇

因為傳統的教學模式多屬于“一言堂”模式，以教師為中心，學生被迫接受知識點，很難找到興趣點，學習效果就會有一定的影響。教師在進行知識導入時，可從日常生活中的例子切入，如智能手機的人臉解鎖引入“人臉識別”的知識內容；老照片修復技術引入“圖像增強”知識點內容；電影摳圖技術引入“圖像分割”知識點內容。選擇學生感興趣的內容，激發學生的好奇心和學習動力。

2.2 引入仿真軟件

機器視覺課程中圖像處理技術占據較重要的地位，講解相關知識時引入Matlab圖像處理軟件，Matlab具有數值分析、工程與科學繪圖、控制系統的設計與仿真、數字圖像處理等強大功能，將Matlab引入實踐教學，更有利于加強學生對技術的深入理解，提高學生的創新和實踐能力。

2.3 實驗教學的加強

為避免授課過程過于注重理論，本課程會進行兩次分組實驗，分別是雙目相機標定和圖像分割實驗。以相機標定為例，雙目相機標定的本質就是通過建立世界坐標系跟圖像坐標系之間的位置關系，從而主要得到相機的內參數矩陣以及相機2相對于相機1的旋轉矩陣和平移向量。在講解完原理之后，6~8名學生組成一組，選取標準黑白方格作為標定板，用雙目相機進行拍照，自主搭建雙目圖像采集系統，采集圖集，利用Matlab標定工具導入和標定，最終獲得標定參數以及相機和標定板的位置模擬圖，如圖1和圖2所示，圖1模擬出實驗過程中雙目相機靜止，標定板相對相機擺放的多個位置，同時還可以觀察到兩個相機的相對位置的擺放。圖2模擬出實驗過程中標定板保持靜止，而雙目相機相對標定板擺放多個位置的變化情況，可以讓學生直觀地了解相機標定系統中多個坐標系之間的位置關系，以及標定結果中各參數的意義。

圖1 標定板運動圖

圖2 相機運動圖

小組實驗會在一定程度上調動學生的自主學習積極性，過程中，教師不做主導，學生自主選擇實驗途徑，自行探索和修正，在理解理論知識的前提下，自主搭建實驗平臺和設計實驗過程。通過實驗過程中出現的問題，不僅讓學生深入理解相機標定的原理和應用，還可以鍛煉學生發現問題、解決問題的能力，讓學生通過自己的努力思考和實踐不斷地突破和獲得實踐成果，培養了學生協同合作、溝通交流、自主學習的能力。

2.4 加強校企合作

該校作為一所應用型本科院校，應用型主要體現在突出服務地方和注重學生的實踐能力。服務地方不僅是教師深入企業實踐，也是為本地企業培養新一批人才，本科第四年的企業實踐是鍛煉學生實踐能力的重要舉措，也是搭建學生和企業之間的橋梁。學生進入企業可以促進他們快速成長，可以看到機器視覺在實際應用中的體現，讓學生不僅僅局限于書本上的知識，看到機器視覺與時俱進的發展，激發學生的學習激情和創新能力。

2.5 積極參加競賽

目前，面對機器視覺技術在國內廣闊的發展空間，為了進一步推動自主技術的研究進展，增強學生的創新意識和思維能力，國家以及省級舉辦多種比賽，這些比賽實際上是學生發揮想象，發現問題，解決問題的過程。由于學生上課的局限性，學生在學習的過程中較無目的性，且沒有深入研究相應的知識點，通過比賽的具體任務，可以激發學生深入學習知識，不斷地將理論知識應用到實際操作上來，這個過程是一種轉化過程，激發了學生的創新和創造能力，培養了對機器視覺的興趣，意義非常重大。并且比賽都不會局限于機器視覺，還會運用到機械設計、電路和控制系統等知識，促進了學生的各科知識的融會貫通，讓學生主動地去運用知識，汲取知識，擴大學生的知識面。

3 結論

通過對機器人專業的機器視覺課程的建設研究，探索了機器視覺課程中的問題，提出了課程建設中的一些方式，激發了學生的學習興趣，鍛煉了學生的實踐能力和創新創造能力，培養了學生的團結協作，發現問題解決問題的能力。為機器人專業的學生在今后的學習深造和從事相關工作都奠定了良好的基礎。同時通過教學方式的改進，活躍了課堂氣氛，拉近了學生和教師的距離，對于課堂的質量和效率都有一定的提高。