職教師資類院校“機(jī)器視覺”課程教改探索

張子淼 何林杰

摘?要：機(jī)器視覺課程進(jìn)行圖像處理以及計算機(jī)視覺的相關(guān)知識教學(xué)，基于職教師資類院校學(xué)生培養(yǎng)原則和要求，本文針對這門課程存在問題，提出了教學(xué)方法以及教學(xué)內(nèi)容的相關(guān)改革。教學(xué)內(nèi)容的改革包括強(qiáng)化理論學(xué)習(xí)、強(qiáng)化操作平臺、強(qiáng)化軟件平臺和相關(guān)執(zhí)行庫。教學(xué)方法的改革包括引入工程案例、編程案例、啟發(fā)式教學(xué)、企業(yè)教學(xué)等。上述改革在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動性的同時，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；教學(xué)方法改革；教學(xué)內(nèi)容改革；智能制造

一、概述

職教師資院校主要為中職、高職提供師資，因此對畢業(yè)生要求在了解理論知識的基礎(chǔ)上還需要有一定的實際動手能力。隨著社會發(fā)展，中職、高職院校的機(jī)器人［12］、智能制造類專業(yè)［35］逐漸增多，對此類專業(yè)的師資需求也逐年增多。機(jī)器人在制造領(lǐng)域所占比重逐漸增大，通常將CCD或CMOS相機(jī)與機(jī)器人進(jìn)行集成，通過相機(jī)識別目標(biāo)，實現(xiàn)對機(jī)器人的引導(dǎo)。而“機(jī)器視覺”課程正是一門從理論和技術(shù)層面對相關(guān)知識進(jìn)行講解的重要專業(yè)課程。

機(jī)器視覺課程［610］進(jìn)行圖像處理以及計算機(jī)視覺的相關(guān)知識教學(xué)，并通過Visual?Studio等操作平臺，以O(shè)penCV、Halcon等機(jī)器視覺庫為基礎(chǔ)，實現(xiàn)目標(biāo)圖像處理、識別等功能，與制造設(shè)備智能化的目標(biāo)極為貼合。

然而隨著手機(jī)、平板等媒介的出現(xiàn)，導(dǎo)致學(xué)生上課的注意力不夠集中，對機(jī)器視覺等重要的專業(yè)課失去興趣，因此需要對機(jī)器人課程教學(xué)模式進(jìn)行相應(yīng)的改革，讓學(xué)生的興趣重新回歸課堂。同時當(dāng)前機(jī)器視覺的相關(guān)課程的內(nèi)容已經(jīng)不能滿足社會相關(guān)領(lǐng)域需要，例如光學(xué)、3D視覺系統(tǒng)、機(jī)器人手眼系統(tǒng)等相關(guān)知識的缺乏，因此針對課堂教學(xué)內(nèi)容同樣要進(jìn)行相關(guān)改革。

二、機(jī)器視覺課程性質(zhì)、教學(xué)現(xiàn)狀和待改進(jìn)方面

（一）機(jī)器視覺課程性質(zhì)、地位及課堂教學(xué)現(xiàn)狀

1.課程性質(zhì)、地位

機(jī)器視覺是機(jī)器人專業(yè)和智能制造專業(yè)的主干課程，是一門重要的專業(yè)課。課程主要研究圖像處理和計算機(jī)視覺的基本理論和基本方法，是學(xué)生進(jìn)行后續(xù)專業(yè)課程及工程設(shè)計的基礎(chǔ)與工具?；局R包括：圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；圖像載入、顯示及輸出；直方圖的計算與繪制；圖像二值化處理；邊緣檢測；輪廓提??；角點檢測；霍夫變換；圖像濾波；攝像機(jī)標(biāo)定等。本課程的理論性和實踐性較強(qiáng)，在專業(yè)課程體系中起著承前啟后的作用。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)對圖像處理技術(shù)和計算機(jī)視覺技術(shù)有較為深入的理解，并能熟練在Visual?Studio平臺上應(yīng)用OpenCV等計算機(jī)視覺庫，同時從理論的高度理解機(jī)器視覺相關(guān)技術(shù)發(fā)展過程中所遇到的問題，能夠了解機(jī)器視覺的發(fā)展方向。

2.課堂教學(xué)現(xiàn)狀

機(jī)器視覺是機(jī)器人專業(yè)和智能制造專業(yè)的主干課程，學(xué)校無論是從師資配備還是課程大綱的制訂、課程安排都給予了足夠的重視。但是，由于干擾因素太多，如何通過教學(xué)方法的改革將學(xué)生的興趣吸引回到課堂，是需要解決的問題。同時，豐富課程的相關(guān)內(nèi)容，跟上時代發(fā)展潮流，亦是需要解決的問題。

（二）待改進(jìn)方面

1.理論知識的強(qiáng)化

機(jī)器視覺雖然是一門應(yīng)用性課程，但是涉及光學(xué)、圖像處理、計算機(jī)視覺、機(jī)器人學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)理論，雖然相關(guān)內(nèi)容學(xué)生通過Visual?Studio平臺結(jié)合OpenCV、Halcon等計算機(jī)視覺庫可以對相關(guān)理論進(jìn)行實現(xiàn)，但是為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，需要對課程所涉及相關(guān)基礎(chǔ)理論進(jìn)行選擇性的講解，使學(xué)生做到“知其然知其所以然”。

2.工程案例引進(jìn)

當(dāng)前課程的案例大多來自實驗室環(huán)境下，課程應(yīng)該引入一些實際工程案例，雖然這些案例在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上會有一定的復(fù)雜性，但是通過這些案例的講解，學(xué)生會對課程有更深刻的認(rèn)識，了解如何應(yīng)用課程相關(guān)知識解決實際工程問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動力。

3.編程案例引進(jìn)

機(jī)器視覺相關(guān)理論的實現(xiàn)需要通過編程，面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)是一種集面向?qū)ο缶幊?、泛型編程和過程化編程于一體的編程技術(shù)。在課程中通過Visual?Studio平臺使用C++語言引入面向?qū)ο蟮某绦?，通過對學(xué)生進(jìn)行面向?qū)ο蟮木幊逃?xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生利用計算機(jī)處理問題的思維方式，讓學(xué)生在掌握課程相關(guān)理論的同時掌握面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計的基本概念和編程方法。

4.多元化教學(xué)

當(dāng)前課程以講授為主，為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，可以拓展課程的教學(xué)模式，例如針對課程中的某些問題，以小組的形式組織學(xué)生進(jìn)行討論，使學(xué)生更多地參與到課程中。

三、機(jī)器視覺課程課堂教學(xué)內(nèi)容與方法改革措施

（一）教學(xué)內(nèi)容改革

機(jī)器視覺是一門涉及光學(xué)、圖像處理、計算機(jī)視覺、機(jī)器人學(xué)的綜合性課程。當(dāng)前這門課程的教學(xué)以圖像處理、計算機(jī)視覺相關(guān)知識為主，其他類知識為輔，但是隨著社會發(fā)展，還需要從以下方面對課程內(nèi)容進(jìn)行改革強(qiáng)化。

1.光學(xué)知識的強(qiáng)化

機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心部分是圖像的采集和圖像的處理，所有信息均來源于圖像，圖像本身的質(zhì)量對整個系統(tǒng)極為關(guān)鍵。而光源則是影響圖像采集的重要因素，因為它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量，如圖像的對比度等。如圖1所示，課程可以加入光源種類的介紹。

課程中亦可以加入不同光源的照明原理，如圖2所示。

2.3D視覺系統(tǒng)知識的強(qiáng)化

3D視覺是制造設(shè)備智能化的關(guān)鍵，如圖3所示，常見的3D視覺模式有雙目立體視覺系統(tǒng)、線結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)、光柵投影視覺系統(tǒng)等。雙目立體視覺系統(tǒng)相關(guān)課程內(nèi)容應(yīng)加入雙目視覺系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定原理、結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定原理、雙目視覺系統(tǒng)參數(shù)在線標(biāo)定校準(zhǔn)方法等相關(guān)內(nèi)容。線結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)應(yīng)加入相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定原理、光平面標(biāo)定原理等相關(guān)內(nèi)容。光柵投影視覺系統(tǒng)又分為單目光柵和雙目光柵，應(yīng)分別加入相應(yīng)系統(tǒng)的標(biāo)定與測量原理的相關(guān)內(nèi)容。

3.機(jī)器人手眼系統(tǒng)知識的強(qiáng)化

如圖4所示，機(jī)器人手眼系統(tǒng)根據(jù)相機(jī)的擺放位置不同可以分為Eye?in?hand和Eye?to?hand。Eye?in?hand表示眼在手上，也就是相機(jī)與機(jī)械臂的末端固定相連，標(biāo)定板與機(jī)器人的基坐標(biāo)系相對位置關(guān)系不變，標(biāo)定的是相機(jī)坐標(biāo)系在機(jī)器人末端坐標(biāo)系下位姿。Eye?to?hand表示眼在手外，也就是相機(jī)固定不動，標(biāo)定板與機(jī)器人的末端坐標(biāo)系固連，我們需要標(biāo)定的是相機(jī)坐標(biāo)系在基坐標(biāo)系下的位姿。應(yīng)在課程中加入機(jī)器人手眼標(biāo)定的相關(guān)內(nèi)容。

4.軟件與相關(guān)執(zhí)行庫的強(qiáng)化

Visual?Studio是理想的程序運行平臺，在通常進(jìn)行C++語言教學(xué)的前提下，軟件平臺要實時更新，相關(guān)計算機(jī)視覺庫也要注意更新至最新版本，例如OpenCV。

5.操作平臺的強(qiáng)化

除了理論知識的講解，還需要搭建相應(yīng)的實驗平臺，讓學(xué)生有機(jī)會親自進(jìn)行標(biāo)定、測量等實驗。如圖5所示，雙目視覺系統(tǒng)標(biāo)定過程中，靶標(biāo)在相機(jī)的視場不同的擺放位置，可以拍攝多組圖像，如何科學(xué)地選擇靶標(biāo)的位置，采集圖像，得到理想的標(biāo)定結(jié)果，需要學(xué)生動手探索其中的規(guī)律。

（二）教學(xué)方法改革

1.啟發(fā)式教學(xué)

課堂講授采用啟發(fā)式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、分析問題和解決問題的能力，引導(dǎo)學(xué)生主動通過工程實例進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。采用多媒體教學(xué)模式與傳統(tǒng)板書相結(jié)合的方式，通過圖像、視頻、動畫或教具演示課程中所涉及內(nèi)容，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性。課堂教學(xué)過程中，針對課程內(nèi)容，結(jié)合專業(yè)背景，選擇典型案例進(jìn)行教學(xué)，建立學(xué)生的工程意識，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備。推薦學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)資源、校園網(wǎng)資源（校園網(wǎng)數(shù)據(jù)庫）、圖書館資源（期刊、專業(yè)文獻(xiàn)）等多種手段獲取信息，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解，同時拓展專業(yè)視野，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

課程設(shè)計盡可能再現(xiàn)實際工業(yè)現(xiàn)場，組織學(xué)生以小組形式進(jìn)行，每個人在小組內(nèi)負(fù)責(zé)不同的任務(wù)模塊，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，積極學(xué)習(xí)，鍛煉學(xué)生的組織、溝通、協(xié)作能力，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力，最后答辯時每個人詳細(xì)講述自己負(fù)責(zé)模塊，組長負(fù)責(zé)歸納總結(jié)。

2.工程案例教學(xué)

結(jié)合現(xiàn)有實驗平臺，引入工程案例中所涉及技術(shù)問題，引導(dǎo)學(xué)生提出解決方案，提高學(xué)生解決實際工程的能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動性。例如模擬某工業(yè)現(xiàn)場，如何通過設(shè)計標(biāo)定靶標(biāo)，保證標(biāo)定精度的同時提高標(biāo)定效率。

3.編程案例教學(xué)

借助引入的工程案例，引導(dǎo)學(xué)生通過Visual?Studio平臺進(jìn)行實際操作，使用面向?qū)ο缶幊痰乃季S解決一般工程應(yīng)用問題，掌握面向?qū)ο缶幊痰奶攸c、編程思想和編譯環(huán)境。

4.企業(yè)教學(xué)

帶領(lǐng)學(xué)生深入相關(guān)企業(yè)一線，將學(xué)生企業(yè)實踐/實習(xí)過程中遇到的實際工程問題，凝練歸納為工程案例，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識進(jìn)行解決，歸納總結(jié)出相關(guān)結(jié)論規(guī)律，編寫具體程序，并進(jìn)行調(diào)試運行。提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動性，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用，形成解決實際工程問題的能力。

結(jié)語

機(jī)器視覺是機(jī)器人專業(yè)和智能制造專業(yè)的主干課程，通過本課程的理論和實驗上機(jī)學(xué)習(xí)，為相關(guān)專業(yè)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。但是針對課堂教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，需要進(jìn)行相應(yīng)改革，通過這些改革可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動性，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力。

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作者簡介：張子淼（1985—?），男，漢族，天津人，博士，副教授，研究方向：精密測量。