OBE 理念下項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)改革與實(shí)踐

施瀅，王艷，曹芳

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇 南京 210023）

1 前言

機(jī)器視覺技術(shù)作為一種融合信息技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能等多方面的新技術(shù)，已在機(jī)器人導(dǎo)航、無人駕駛、智能檢測(cè)、信息壓縮與檢索等鄰域得到了越來越多的應(yīng)用。機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用課程，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)要求較高。但是，該課程的理論較多且較難，傳統(tǒng)的課程內(nèi)容過于深?yuàn)W，不太符合獨(dú)立學(xué)院應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，容易使學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的挫敗感，無法激起學(xué)生的研究欲望，學(xué)習(xí)效果較差。

對(duì)于培養(yǎng)應(yīng)用型人才，按照原有的以算法的數(shù)學(xué)推導(dǎo)為主，工科教學(xué)理科化模式容易使學(xué)生陷入復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式中而脫離實(shí)際應(yīng)用，滿堂灌輸枯燥的數(shù)學(xué)知識(shí)，使學(xué)生很快失去興趣，課程學(xué)到最后仍然不清楚“為什么”和“怎么用”，實(shí)踐教學(xué)與企業(yè)需求脫節(jié)，導(dǎo)致解決實(shí)際工程問題的能力有限。因此，如何將一個(gè)具體的實(shí)際項(xiàng)目分解為相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)模塊，與課程教學(xué)知識(shí)點(diǎn)相融合，在OBE 的理念下用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)，能有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，能更好地培養(yǎng)學(xué)生解決較復(fù)雜工程項(xiàng)目的能力。如何根據(jù)OBE 理念，將實(shí)際項(xiàng)目融入課程，完善課程教學(xué)內(nèi)容，具有重要的研究?jī)r(jià)值。

2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)內(nèi)容改革

2.1 選取基于機(jī)器視覺的手勢(shì)識(shí)別控制系統(tǒng)項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程項(xiàng)目中，基于機(jī)器視覺的手勢(shì)識(shí)別控制系統(tǒng)，主要由視頻/圖像輸入、預(yù)處理、特征提取、手勢(shì)識(shí)別和鼠標(biāo)控制等5 部分組成；機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用課程，主要由圖像與視覺系統(tǒng)、圖像分析基礎(chǔ)、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像識(shí)別和機(jī)器視覺的高級(jí)感知等7 部分組成，根據(jù)課程教學(xué)大綱，將實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行分解，融入教學(xué)，設(shè)計(jì)完成的教學(xué)內(nèi)容，兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1 所示。

圖1 課程教學(xué)內(nèi)容與項(xiàng)目的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 設(shè)計(jì)完成優(yōu)化的課程具體內(nèi)容

選取的實(shí)際項(xiàng)目基于機(jī)器視覺的手勢(shì)識(shí)別控制系統(tǒng)，根據(jù)課程大綱，可分為以下5 個(gè)模塊。

模塊一：視頻/圖像輸入，主要實(shí)現(xiàn)：（1）圖像文件讀入和顯示；（2）讀視頻文件和運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)。

模塊二：預(yù)處理，主要包括去噪、膚色檢測(cè)、二值化、形態(tài)學(xué)處理、輪廓提取，其中較為重要的是膚色檢測(cè)和輪廓提取。去噪即濾波，主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像噪聲的消除，增強(qiáng)圖像的效果，可以結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果選擇是否在獲取圖像后先進(jìn)行濾波，在膚色檢測(cè)后會(huì)有二次濾波。膚色檢測(cè)主要方法有：基于RGB 顏色空間、基于HSV 顏色空間和基于YCrCb 顏色空間。形態(tài)學(xué)處理，即便是比較好的膚色檢測(cè)算法，分割出來的手勢(shì)，也難免有黑點(diǎn)，或者背景有白點(diǎn)，需要對(duì)分割出來的手勢(shì)圖進(jìn)行進(jìn)一步處理，主要是腐蝕和膨脹兩個(gè)操作。腐蝕和膨脹是針對(duì)白色部分（高亮部分）。輪廓提取是對(duì)膚色檢測(cè)后的圖像提取手勢(shì)區(qū)域。

模塊三：特征提取，手勢(shì)特征多種多樣，可以多特征融合，提高手勢(shì)識(shí)別正確率。如對(duì)輪廓點(diǎn)坐標(biāo)的傅里葉描述子的提取。

模塊四：手勢(shì)識(shí)別，手勢(shì)識(shí)別主要包括建立特征庫、建模、訓(xùn)練、匹配等。建立特征庫，采集手勢(shì)1 ～10，同時(shí)利用旋轉(zhuǎn)平移等操作對(duì)得到的手勢(shì)庫進(jìn)行擴(kuò)充。對(duì)整個(gè)手勢(shì)庫中的每張照片中的手勢(shì)。

輪廓線計(jì)算傅里葉描述子并保存。

模塊五：鼠標(biāo)控制，需要在程序中模擬鼠標(biāo)的移動(dòng)、點(diǎn)擊等動(dòng)作。如何調(diào)用Windows API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)模擬操作的功能。通過手勢(shì)識(shí)別控制鼠標(biāo)動(dòng)作，可以在畫圖中畫畫、玩相關(guān)游戲等，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

3 教學(xué)模式的改革

3.1 教學(xué)模塊、模式和形式的優(yōu)化

機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用課程需要有數(shù)字圖像處理和機(jī)器視覺的理論知識(shí)，本門課程共48 學(xué)時(shí)，分理論教學(xué)32 學(xué)時(shí)和實(shí)踐教學(xué)16 學(xué)時(shí)。在近年來的教學(xué)過程中，一直探索如何充分融合理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，能讓學(xué)生在課程學(xué)時(shí)內(nèi)完成理論知識(shí)學(xué)習(xí)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，總結(jié)如圖2。

圖2 教學(xué)模塊、教學(xué)模式和教學(xué)形式的優(yōu)化

教學(xué)模塊主要分3 大部分：理論知識(shí)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

理論知識(shí)模塊，主要采用翻轉(zhuǎn)課堂模式進(jìn)行教學(xué)。課前，教師將本節(jié)課即將學(xué)習(xí)的理論知識(shí)歸納總結(jié)成文字和視頻發(fā)布到班級(jí)群，學(xué)生利用課余時(shí)間進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和自主學(xué)習(xí)。課堂中，主要采用案例式教學(xué)模式，根據(jù)課前學(xué)生反饋，總結(jié)出本章節(jié)重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行引導(dǎo)式學(xué)習(xí)，解決學(xué)生疑難問題，提高課堂上課效率。采用翻轉(zhuǎn)課堂和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式研究討論理論難點(diǎn)和最新研究成果，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，解決問題，提升學(xué)生的獨(dú)立思考能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。課后，學(xué)生可以參加學(xué)術(shù)報(bào)告講座，開闊學(xué)生視野，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

實(shí)踐能力模塊，需要學(xué)生在學(xué)習(xí)完課程后完成基于機(jī)器視覺的人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)主要分五個(gè)小項(xiàng)目完成，分別在學(xué)習(xí)完該項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的理論知識(shí)后完成，并在最后系統(tǒng)性完成整體設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)五個(gè)小項(xiàng)目與課程對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1。理論知識(shí)學(xué)習(xí)完會(huì)將涉及該知識(shí)點(diǎn)的項(xiàng)目任務(wù)布置給學(xué)生，學(xué)生通過知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，結(jié)合論壇、文獻(xiàn)等網(wǎng)絡(luò)資源設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案；學(xué)生可以相互交流，教師引導(dǎo)學(xué)生逐步實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目任務(wù)。通過項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)課程興趣，更好地培養(yǎng)了學(xué)生課程設(shè)計(jì)的綜合能力。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊，主要目標(biāo)就是培養(yǎng)能解決實(shí)際工程問題的應(yīng)用型工程師，本文提到立足獨(dú)立學(xué)院的實(shí)際辦學(xué)情況，主要依托學(xué)科競(jìng)賽賽題，并結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，將較大較復(fù)雜的工程項(xiàng)目，進(jìn)行顆粒化分解，形成相應(yīng)的實(shí)際教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)不同難度梯度劃分的教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探索實(shí)踐，構(gòu)成本文的探索式教學(xué)方法。學(xué)生通過該模塊的培養(yǎng)，可以自主探索感興趣的工程項(xiàng)目問題和培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。通過自主組合團(tuán)隊(duì)的方式，獨(dú)立申請(qǐng)相應(yīng)的江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、學(xué)校學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃、參加全國性高水平學(xué)科競(jìng)賽來進(jìn)行相關(guān)的創(chuàng)新實(shí)踐。依托和國內(nèi)外知名企業(yè)合作的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地和聯(lián)合實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，結(jié)合企業(yè)實(shí)際需求，圍繞一系列產(chǎn)教融合課程開發(fā)，進(jìn)一步優(yōu)化了產(chǎn)教融合專業(yè)建設(shè)。

3.2 強(qiáng)化OBE 的項(xiàng)目解決能力的改進(jìn)課程考核方式

傳統(tǒng)的課程的考核主要是由平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)※兩部分組成，但是，該課程以實(shí)踐項(xiàng)目解決知識(shí)點(diǎn)融入課程內(nèi)容，同時(shí)根據(jù)OBE 理念，重點(diǎn)突出考核學(xué)生的實(shí)踐項(xiàng)目解決能力，突出學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。考核成績(jī)根據(jù)課程采用的基于機(jī)器視覺的手勢(shì)識(shí)別控制系統(tǒng)五個(gè)部分，采用筆試（50%）+項(xiàng)目完成度(50%)，其中項(xiàng)目完成度分?jǐn)?shù)由第一部分（5%）、第二部分（10%）、第三部分（10%）、第四部分（15%）和第五部分（10%）成績(jī)。在學(xué)生完成創(chuàng)新實(shí)踐設(shè)計(jì)后進(jìn)行分組答辯，答辯過程中重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生是分析問題、解決問題以及設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)，這種過程化考核方式可以更好評(píng)估學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

4 結(jié)語

隨著OBE 教學(xué)理念在《機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用》課程中的應(yīng)用，打開了一個(gè)全新的教學(xué)方法。通過理論知識(shí)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)和探索式教學(xué)等，有效地提升學(xué)生獨(dú)立思考能力、團(tuán)隊(duì)合作能力，提高學(xué)生參與度和積極性。利用過程化考核方式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與內(nèi)在動(dòng)力，提高教學(xué)質(zhì)量及效率。