基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究

摘要：本文以計(jì)算機(jī)視覺(jué)的人工智能項(xiàng)目實(shí)踐為例，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)思考，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法與程序，并通過(guò)“疲勞駕駛AI預(yù)警1.0”項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)教學(xué)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：人工智能；計(jì)算機(jī)視覺(jué)；OpenCV

計(jì)算機(jī)視覺(jué)是人工智能領(lǐng)域的重要分支之一，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)探索性的課題，它致力于使計(jì)算機(jī)能夠理解和解釋圖像或視頻數(shù)據(jù)。在初中人工智能教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)視覺(jué)實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生更直觀地了解人工智能的應(yīng)用。筆者以計(jì)算機(jī)視覺(jué)的人工智能項(xiàng)目實(shí)踐為例，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)思考，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法與程序，如目標(biāo)檢測(cè)、人臉識(shí)別等，進(jìn)而提高學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。

初中人工智能教學(xué)狀況

人工智能是當(dāng)今世界科技與教育領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，因此，與人工智能相關(guān)的課程在各學(xué)段都有開(kāi)設(shè)。初中階段的人工智能課程注重基礎(chǔ)知識(shí)的掌握和綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)，如：一些學(xué)校將人工智能技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，包括一些簡(jiǎn)單的編程概念以及計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的介紹，納入到信息科技課程中作為選修課程或校園社團(tuán)中進(jìn)行教學(xué)，幫助學(xué)生了解計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的區(qū)別與基本原理，并提高他們對(duì)人工智能技術(shù)的濃厚興趣；一些學(xué)校嘗試開(kāi)設(shè)STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)）教育課程，其中會(huì)涉及一些與人工智能相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用和項(xiàng)目。這樣的課程旨在通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式，引導(dǎo)學(xué)生了解和應(yīng)用人工智能的基本概念和原理。盡管初中階段的人工智能教學(xué)相對(duì)有限，但隨著人工智能的迅速發(fā)展和教育改革的推動(dòng)，可預(yù)見(jiàn)未來(lái)會(huì)有更多的學(xué)校開(kāi)始關(guān)注人工智能教育，并逐步增加相關(guān)課程和培養(yǎng)計(jì)劃。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)與OpenCV

概述

計(jì)算機(jī)視覺(jué)是指使計(jì)算機(jī)對(duì)通過(guò)攝像頭或其他傳感器獲取的圖像或視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、理解和處理的技術(shù)。它涉及了模式識(shí)別、圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等多個(gè)領(lǐng)域的交叉應(yīng)用。而OpenCV是一個(gè)開(kāi)源的計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，廣泛應(yīng)用于圖像處理、模式識(shí)別等領(lǐng)域。它提供了豐富的函數(shù)和工具，可用于處理圖像和視頻流。計(jì)算機(jī)視覺(jué)的目標(biāo)是讓計(jì)算機(jī)能夠“看懂”圖像或視頻，并以類(lèi)似于人類(lèi)的方式對(duì)其進(jìn)行理解和處理，具體會(huì)涉及以下任務(wù)：

物體檢測(cè)與識(shí)別：計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)檢測(cè)圖像中的物體并確定其所屬類(lèi)別，如人臉識(shí)別、車(chē)輛識(shí)別和物品識(shí)別。

圖像分割：將圖像劃分為不同的區(qū)域或?qū)ο螅蕴崛∮杏眯畔⒒蜻M(jìn)行后續(xù)處理，如醫(yī)學(xué)影像中的病灶分割、背景去除等。

姿態(tài)估計(jì)與跟蹤：通過(guò)分析圖像或視頻，計(jì)算機(jī)可以估計(jì)物體或人體在三維空間中的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)情況，如人體骨骼識(shí)別和姿態(tài)識(shí)別。

目標(biāo)跟蹤：追蹤視頻序列中的特定目標(biāo)，保持其在連續(xù)幀之間的一致性，如視頻監(jiān)控中的目標(biāo)跟蹤或自動(dòng)駕駛中的車(chē)輛跟蹤。

圖像生成：利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)生成逼真的圖像或視頻，如虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的場(chǎng)景渲染和人物合成。

基于“疲勞駕駛AI預(yù)警1.0”項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)探討

1.項(xiàng)目分析

項(xiàng)目的引入是通過(guò)讓學(xué)生觀看疲勞駕駛視頻，了解疲勞駕駛的危害，從而引導(dǎo)學(xué)生思考如何借用人工智能技術(shù)幫助駕駛員防止悲劇發(fā)生。經(jīng)過(guò)教師引導(dǎo)，學(xué)生上網(wǎng)查閱相關(guān)數(shù)據(jù)與學(xué)習(xí)，了解此項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)價(jià)值和制訂項(xiàng)目的目標(biāo)。然后，學(xué)生基于項(xiàng)目目標(biāo)將任務(wù)分解，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或查看書(shū)籍尋找可能的技術(shù)，最終總結(jié)出每個(gè)子任務(wù)的解決方案，如上表所示。

2.實(shí)現(xiàn)思路

（1）利用OpenCV調(diào)用計(jì)算機(jī)攝像頭識(shí)別駕駛員圖像信息

判斷駕駛員是否疲勞駕駛，可以捕捉駕駛員眼睛圖像信息進(jìn)行識(shí)別判斷。利用OpenCV可以調(diào)用計(jì)算機(jī)攝像頭，把焦點(diǎn)定位到人臉和眼睛上，數(shù)據(jù)就是攝像頭捕捉到的視頻流，并將視頻流分割成幀，然后對(duì)每一幀進(jìn)行眼睛關(guān)鍵點(diǎn)識(shí)別，最后合成視頻輸出。

（2）利用OpenCV+Dlib模塊獲取人臉重要特征信息

在通過(guò)OpenCV獲取到計(jì)算機(jī)攝像頭人臉信息后，對(duì)眼睛特征動(dòng)作進(jìn)行分解，利用Dlib模塊提供的68個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)模型對(duì)應(yīng)人臉關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行定位（如上圖）。通過(guò)對(duì)圖片仔細(xì)觀察，確定左眼坐標(biāo)是（42～47）、右眼坐標(biāo)是（36～41）。當(dāng)?shù)玫疥P(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)后，教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)眼睛坐標(biāo)特征來(lái)計(jì)算是否打瞌睡，并通過(guò)學(xué)習(xí)，查閱資料以嘗試開(kāi)始編寫(xiě)OpenCV+Dlib的調(diào)用語(yǔ)句。

（3）引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)眼睛特征判斷是否疲勞駕駛

首先，學(xué)生思考打瞌睡時(shí)眼睛的動(dòng)作變化——閉眼。“是否所有閉眼動(dòng)作都屬于打瞌睡呢？”教師拋出新的問(wèn)題。學(xué)生思考后得出答案：不是所有閉眼動(dòng)作都在打瞌睡，眨眼的瞬間也會(huì)閉眼，但眨眼不是打瞌睡。“那么打瞌睡時(shí)眼睛具有什么特征呢？”教師繼續(xù)發(fā)問(wèn)。學(xué)生經(jīng)研討后確定：如果閉眼且閉眼時(shí)間超2秒，可判斷為打瞌睡，就可能在疲勞駕駛。

教師總結(jié)，通過(guò)眼睛兩個(gè)關(guān)鍵的條件可判斷是否疲勞駕駛：一是眼睛要閉合；二是眼睛閉合時(shí)間超2秒。

3.思考和設(shè)計(jì)算法

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)條件設(shè)計(jì)算法：計(jì)算上眼皮和下眼皮的距離，當(dāng)上眼皮和下眼皮的距離和眼睛縱橫比值（定義為Ear）小于設(shè)定的最小閾值（最小閾值接近0）時(shí)，則判斷眼睛狀態(tài)是閉合。因?yàn)橛?jì)算讀取視頻其實(shí)就是將視頻分為一幀一幀地播放，這里可以理解為PPT放映，把連續(xù)閉眼的最小連續(xù)幀定義為Ratio，當(dāng)連續(xù)閉眼連續(xù)幀值Ratio大于最小連續(xù)幀（30幀，時(shí)間約2秒）時(shí)，則判斷為瞌睡，不是眨眼，當(dāng)兩個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足，則觸發(fā)警報(bào)，此時(shí)計(jì)算機(jī)會(huì)執(zhí)行播放鈴聲指令，達(dá)到提醒駕駛員效果。

通過(guò)計(jì)算EAR和Ratio兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)來(lái)辨別眼睛正常張開(kāi)、眨眼還是打瞌睡，是整個(gè)項(xiàng)目的核心算法。當(dāng)然，算法不是唯一的，還有更多更好的算法，教師可鼓勵(lì)學(xué)生去研究思考。

4.項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)與效果展示

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分析、任務(wù)分解，并理清思路、制訂算法，然后開(kāi)始編寫(xiě)語(yǔ)言程序。在編寫(xiě)程序過(guò)程中如果遇到問(wèn)題，學(xué)生可以主動(dòng)尋求同學(xué)、老師、互聯(lián)網(wǎng)或相關(guān)書(shū)籍的幫助，最終完成項(xiàng)目代碼，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)達(dá)到預(yù)期效果。

反思及建議

通過(guò)本項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生了解和掌握了人工智能計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)和原理，提高了學(xué)生的邏輯分析能力、思維能力和創(chuàng)新能力。項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過(guò)程所遇到的困難、所花的時(shí)間和精力、所學(xué)到的知識(shí)都將成為學(xué)生成長(zhǎng)的基石。

初中階段的人工智能教學(xué)，教師可從以下方面開(kāi)展。

引入課程：學(xué)校可以將人工智能課程納入現(xiàn)有的科學(xué)或計(jì)算機(jī)課程中。這些課程應(yīng)包括介紹人工智能的基本概念、應(yīng)用領(lǐng)域、原理、算法和模型，并給予學(xué)生編寫(xiě)簡(jiǎn)單程序和解決問(wèn)題的機(jī)會(huì)，使學(xué)生了解人工智能的基本原理和技術(shù)。

實(shí)踐項(xiàng)目：組織學(xué)生參與人工智能實(shí)踐項(xiàng)目，讓其親歷人工智能的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用或者使用人工智能技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)，如圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等，通過(guò)實(shí)際操作和解決問(wèn)題來(lái)加深理解。

社會(huì)實(shí)踐：組織學(xué)生參觀相關(guān)企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)，讓他們近距離接觸人工智能的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)成果。同時(shí)，邀請(qǐng)專(zhuān)業(yè)人士來(lái)學(xué)校舉辦講座，分享他們?cè)谌斯ぶ悄茴I(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。這將幫助學(xué)生了解人工智能領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài)，并激發(fā)他們的創(chuàng)新思維。

參加競(jìng)賽科技活動(dòng)：鼓勵(lì)學(xué)生參加人工智能方面的競(jìng)賽活動(dòng)、學(xué)校或社區(qū)科技節(jié)活動(dòng)，這樣可以激發(fā)學(xué)生的興趣，提高他們的專(zhuān)業(yè)水平和團(tuán)隊(duì)合作能力。

結(jié)語(yǔ)

人工智能綜合實(shí)踐項(xiàng)目教學(xué)有助于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)人工智能理論知識(shí)的理解和掌握，提高學(xué)生的邏輯分析能力、思維能力和解決問(wèn)題的能力。當(dāng)然，中小學(xué)人工智能教育還面臨著許多未知的問(wèn)題、困難和挑戰(zhàn)，需要不斷地探索和實(shí)踐，逐步完善中小學(xué)人工智能教育的方式方法和途徑。

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