一種基于AI 圖像識別技術的動態科普裝備設計

黃洪明，劉衛莊，吉勝旺

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

科普活動是提高公眾科學素質的重要途徑，提高科普活動的互動性和參與性是科普活動面臨的重要問題。傳統的科普方式往往采用靜態展示和講解的方式，難以滿足現代觀眾的需求。隨著科技的進步，一些高科技設備被引入到科普活動中，例如VR（Virtual Reality，虛擬現實）、AR（Augmented Reality，增強現實）等。但是，這些設備往往需要專業的操作和維護，成本較高。因此，提出一種基于AI 圖像識別技術的動態科普裝備設計方案，該裝備利用AI 圖像識別技術自動識別觀眾的互動行為，并根據識別結果動態調整科普展品機構的動作狀態，提高了科普活動的互動性和參與性。同時，該裝備具有操作簡單、維護方便、成本低廉等優點，能夠滿足大多數科普活動的需求。

1 系統概述

基于AI 圖像識別技術的動態科普裝備是一種全新的科普展示系統（圖1）。主要由計算機、顯示屏、攝像頭、伺服電機、光電傳感器、PLC 控制系統等組成。系統采用先進的AI 圖像識別技術，實時捕捉彈射亞克力圓片的彈射軌跡，根據識別結果動態反饋所在區域信息，并實時傳輸給PLC 控制系統，PLC 控制系統驅動伺服電機擺動角度阻擋亞克力圓片入框。這種閉環控制系統的設計能夠讓觀眾互動操作10 次基本有9 次都不能將亞克力圓片彈射到目標框中，偶爾的一次機會也是程序有意為之，讓觀眾十打九不中，在展示AI 圖像識別技術精準性的同時，也為觀眾提供更加豐富、有趣的科普體驗。這種設計思路增強了科普展品互動的挑戰性，同時也激發了觀眾的好奇心和探索欲望。

圖1 科普裝備展示

2 AI 圖像識別技術原理

AI 是通過模擬人類智能的技術，使計算機系統能夠像人一樣具備某些能力。其中人工智能視覺技術的發展助力于識別圖像和物體，為人類提供更智能的解決方案。

AI 圖像識別技術的工作原理主要是對圖像的處理和分析，以識別其中的特定內容（圖2）。系統通過攝像頭捕捉獲取圖像數據，一旦識別到區域動態的物體或行為，AI 軟件就對圖像進行必要的預處理，如去噪、增強對比度、縮放等[2]。進而進行特征提取，從預處理后的圖像中提取關鍵特征，如顏色、形狀、紋理等。最后進行模型訓練，大量的標記采集圖形的數據進行分類和識別。

圖2 AI 圖像識別技術原理

3 動態科普裝備結構設計

動態科普裝備的結構設計主要由設備的硬件和軟件兩大部分組成。通過合理的硬件和軟件結構設計，動態科普裝備可以實現高效、穩定的運行，提供豐富、有趣的科普體驗。在設計過程中，要充分考慮實際應用場景和需求，注重結構的穩定性、安全性和可維護性。同時，結合AI 圖像識別技術的特點，確保結構設計的合理性和有效性。

3.1 機械結構設計

設計一個穩固的機械支撐結構（鈑金臺體），用于安裝和固定所有的硬件設備。這個結構要足夠堅固，能夠承受設備的重量和可能的振動。對于顯示器及攝像頭的功能位置，設計一個門框型支架，安裝在鈑金臺體上，攝像頭鏡頭向下，所采集圖像區域設置在臺體表面。阻擋圓形亞克力圓片的擺動機構設置在操作臺體的對面，設計伺服電機的支架及連接機構、對射傳感器支架及亞克力擋板等機構。形態設計如圖3 所示。

圖3 機械結構設計

3.2 電氣系統設計

AI 圖像識別技術動態科普裝備的電氣設計要確保裝備正常運行的穩定性和可靠性。選擇合適的驅動方式，以實現機械機構的精確控制。同時，需要設計相應的控制系統，用于接收和處理來自AI 圖像識別技術的指令，驅動伺服電機擺桿機構做出相應的動作。該系統主要由計算機、攝像頭、顯示屏、PLC 控制器、伺服電機及對射傳感器等組成。

3.2.1 電源系統設計

選擇合適的電源類型，這里選用輸入AC 220 V，輸出DC 24 V，功率為100 W 的直流電源。直流電源具有濾波、穩壓、過載保護、短路保護等功能，為裝備提供穩定可靠的電源供應，電源系統原理如圖4 所示。

圖4 電源系統原理

3.2.2 信號處理與傳輸

使用攝像頭捕捉亞克力圓片的位置信息，在捕捉到圖像后，需要進行預處理步驟、圖像大小調整、對比度和亮度調整，以改善圖像質量，使其更適合后續的圖像分割和特征提取步驟。這些信息以圖片的形式捕捉存儲，并轉換為數字信號，以便進行后續處理。系統通過特定的通信協議（串行通信）將信息位置傳輸給PLC控制器（圖5）。PLC 控制器將根據接收到的信息執行相應的動作或操作。

圖5 信號處理流向

3.2.3 控制電路設計

控制系統的電路設計需要綜合考慮多種因素，包括控制目標、控制精度、系統穩定性、可靠性、可擴展性等。根據控制目標，確定系統的主要參數，如輸入信號、輸出信號、系統動態性指標等。選擇合適的傳感器和執行器，滿足目標控制需求，根據系統參數和傳感器、執行器的特性，設計合適的控制電路，實現整個系統控制。系統電路原理如圖6 所示。

圖6 系統電路原理

3.3 軟件設計

AI 圖像識別系統是對圖像的智能分析、系統聯動和效果展示。圖像分析主要由圖像采集單元、智能分析檢測單元、信號傳遞和設備控制單元組成。AI 圖像識別系統與PLC 控制器進行交互，PLC 控制器接收到亞克力圓盤的位置信息后，根據預設的邏輯算法，控制伺服電機進行角度擺動。光電傳感器檢測到亞克力圓片通過界線時，PLC 會觸發一個信號，使機械臂移動到相應的位置進行操作，系統并觸發一段音效與觀眾交互。

這個過程可以分為6 個主要步驟：①攝像頭捕捉：使用攝像頭捕捉亞克力圓片的位置信息，并將其進行記錄存儲；②圖像處理：捕捉到的圖像，進行圖形預處理，包括圖像大小、圖像對比度、圖像亮度的調整，為后續的圖像分割做準備；③圖像分割：將圖像劃分為多個區域或對象，通過AI 算法識別分割出亞克力圓片的位置；④特征提取：在圖像被成功分割后，提取有關亞克力圓片的特征，包括圖片的形狀、大小、顏色和紋理。存儲這些特征用于后續的識別和匹配；⑤位置信息的傳輸：系統識別和匹配完成后，通過串行通信的方式將位置信息傳輸給PLC 控制器，PLC 控制器根據接收的相應信息執行動作；⑥與PLC 控制器的交互：PLC 控制器接收到AI 系統上位機的數據信息，控制伺服電機動作，使擋板機構進行角度位置的控制。

整個系統的軟件流程，涉及到計算機視覺、圖像處理、機器學習，需要相應的算法和PLC 控制器的邏輯控制。

4 結束語

隨著人工智能技術的快速發展，AI 圖像識別技術在各個領域的應用越來越廣泛。在科普裝備領域，基于AI 圖像識別技術的動態科普裝備設計為觀眾帶來了更加豐富、互動和沉浸式的科普體驗[3]。本文重點介紹基于AI 圖像識別技術的動態科普裝備設計方案，包括硬件和軟件兩個方面。通過AI 圖像識別技術的使用為科普裝備的發展注入了新的活力，利用先進技術，可以更加生動、直觀地向觀眾傳遞科學知識，提高公眾的科學素養。