黎小琴

摘 要：針對高等院校機器視覺和數(shù)字圖像處理等課程的特點，探討了如何應(yīng)用Halcon軟件改進實驗教學(xué)方式和教學(xué)手段，并結(jié)合實例說明Halcon在機器視覺圖像處理等教學(xué)中的應(yīng)用。教學(xué)實踐表明，在機器視覺等課程的實驗教學(xué)階段引入Halcon軟件，更有利于加強學(xué)生對技術(shù)的深入理解，提高學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力，收到了良好的實驗教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：Halcon 軟件 機器視覺 數(shù)字圖像處理 實驗教學(xué)

中圖分類號：TP39 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0172-02

圖像處理、圖像分析、機器視覺和計算機視覺是彼此緊密關(guān)聯(lián)的學(xué)科，其特點均具有很強的理論性和實踐性。如果在教學(xué)中不重視實踐教學(xué)或?qū)嵺`教學(xué)手段不力，都不利于學(xué)生創(chuàng)新能力和動手能力的培養(yǎng)。高校教師應(yīng)重視理論教學(xué)的同時，更要重視實踐教學(xué)，關(guān)鍵是要找到強有力的教學(xué)方式和教學(xué)手段，找到恰當(dāng)?shù)膱D像處理軟件。Matlab科學(xué)計算軟件具有豐富的圖像處理工具箱[1-2]，目前被廣泛1應(yīng)用于圖像處理的教學(xué)中。但是，機器視覺課程具有很強的理論和實踐性，一些功能齊全的機器視覺軟件，如Halcon和Open CV等軟件的出現(xiàn)，為提高這些課程的實踐教學(xué)效果提供了新的手段。本文將探討如何應(yīng)用Halcon軟件改進實驗教學(xué)方式和手段，并結(jié)合實例說明Halcon在機器視覺等課程教學(xué)中的應(yīng)用。

1 機器視覺硬件系統(tǒng)概述

機器視覺系統(tǒng)[3]是基于機器視覺技術(shù)為機器或自動化生產(chǎn)線建立的一套視覺系統(tǒng)，圖1為實驗用機器視覺系統(tǒng)，包含攝像機、照明光源、鏡頭、圖像采集卡和計算機組成。

2 Halcon概述

Halcon 軟件是德國MVtec公司開發(fā)的一套完善的標(biāo)準(zhǔn)的機器視覺算法包[4]，是得到廣泛應(yīng)用的機器視覺集成開發(fā)環(huán)境，提供了1100多種具備突出性能控制器的庫，如圖像的運算、圖像的幾何與數(shù)學(xué)變換、濾波、色彩分析、Blob分析、形態(tài)學(xué)計算分析、3D校正等。Halcon軟件保障與硬件無關(guān)，支持大多數(shù)圖像采集卡及帶有Directshow和IEEE 1394驅(qū)動的采集設(shè)備。

Halcon軟件包含一個功能強大的交互式軟件接口HDevelop，提供一個通用的瀏覽界面，訪問不同的圖像采集設(shè)備，支持Windows、Linux和Solaris運行環(huán)境，為用戶搭建了快速有效的圖像處理程序開發(fā)平臺。它甚至可以從圖像采集設(shè)備中實時捕捉圖像。HDevelop擁有很多數(shù)據(jù)和圖像檢查的圖形工具。它的圖形用戶界面支持多種顯子語言。HDevelop具備語法檢查，語法凸現(xiàn)，函數(shù)參數(shù)的合適取值，后續(xù)操作和替代算子建議，程序調(diào)試，完整的在線幫助等功能。Halcon軟件還可以導(dǎo)出以C++、C#、C、Visual Basic或者VB.NET程序，以嵌入到其他程序中。

3 實驗教學(xué)應(yīng)用實例

在機器視覺等課程的理論教學(xué)中，我們的教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握相關(guān)的理論知識，在機器視覺等課程的實驗教學(xué)階段，我們更要培養(yǎng)學(xué)生的算法編程能力和實踐應(yīng)用能力。利用Halcon軟件的高度交互式編程環(huán)境HDevelop，能編譯和測試視覺處理算法，可以方便查看處理結(jié)果。再者，Halcon軟件自帶許多圖像處理與機器視覺的相關(guān)案例，涵蓋了圖像處理與機器視覺基礎(chǔ)知識的大部分內(nèi)容[4]。我們在教授學(xué)生理論知識的同時，結(jié)合案例的講解，使學(xué)生在掌握理論的同時熟悉實踐過程，進而培養(yǎng)學(xué)生的編程實現(xiàn)能力。因此選擇Halcon軟件作為教學(xué)軟件，成為培養(yǎng)學(xué)生圖像處理和視覺處理算法編程能力和實踐能力的又一重要手段。由于篇幅限制，這里僅以利用Blob分析算法實現(xiàn)車牌識別的實例來說明 Halcon軟件在機器視覺與數(shù)字圖像處理等課程教學(xué)中的應(yīng)用。

Blob分析算法實現(xiàn)車牌定位識別程序如下：

read_image（Image，'lisence'）

fill_interlace（Image，ImageFilled，'odd'）

threshold（ImageFilled，Region，0，90）

connection（Region，ConnectedRegions）

select_shape（ConnectedRegions， SelectedRegions，'width'，'and'，30，70）

select_shape （SelectedRegions，Letters， 'height'，'and'，60，110）

sort_region（Letters，SortRegions，'upper_left'，'true'，'column'）

read_ocr_class_mlp（'Industrial_0-9A-Z.omc'，OCRHandle）

do_ocr_multi_class_mlp（SortRegions，ImageFilled，OCRHandle，Class，Confidence）

area_center（SortRegions，Area，Row， Column）

disp_message（3600，['The result is：']， 'window'，200，150，'yellow'，'false'）

for Index：=0 to 6 by 1

disp_message（3600，Class[Index]， 'window'，200，300+20*Index，'yellow'， 'false'）endfor

上面程序中，利用read_image算子讀入要識別的車牌圖像，命名為Image，如圖2所示；通過fill_interlace算子修改在采集圖像過程中造成的兩個半幅圖像拼接的問題。接著，用threshold算子對圖像進行閾值分割處理，分割出含有車牌的圖像區(qū)域，灰度閾值范圍為0～90；接著用connection算子將選擇出來的區(qū)域進行相聯(lián)，形成相連區(qū)域ConnectedRegions，如圖3所示。處理后的圖像除了車牌區(qū)域使我們的感興趣區(qū)域外，其他的都為干擾區(qū)域，于是用算子select_shape通過限定width和height將車牌區(qū)域選擇出來，如圖4所示。車牌區(qū)域共有7個，從左至右排序后，利用現(xiàn)有Industrial_0～9A～Z字符庫對車牌7個部分進行識別，用到算子do_ocr_multi_class_mlp。識別之后，利用for循環(huán)將結(jié)果用淺黃色字體顯示在窗口中，實驗結(jié)果如圖5所示。

從上面的車牌識別實例可以看出，HDevelop交互編程環(huán)境中的函數(shù)概念清楚，用法明了，應(yīng)用簡單。由于每一個HDevelop算子的各個參數(shù)都可以在編程過程中及時調(diào)整和編輯，這樣我們在實驗過程中對程序進行單步調(diào)試，講解重要算子的選擇、調(diào)試和參數(shù)編輯，讓同學(xué)們看到算法運行的每一個步驟，這樣同學(xué)們就能很快掌握相關(guān)知識點。Halcon具備可實時查看圖像屬性的交互對話框，來查看程序中的參數(shù)設(shè)置，灰度直方圖，特征值柱狀圖，放大鏡和特征檢測等。隨著學(xué)生對HDevelop編寫算法的掌握，后續(xù)的教學(xué)部分可以從HDevelop導(dǎo)出算法代碼并集成到應(yīng)用程序中，例如生成用戶界面等，這樣同學(xué)們就可以開發(fā)機器視覺程序，添加用戶界面，集成調(diào)試生成可執(zhí)行的應(yīng)用程序。

4 結(jié)語

結(jié)合機器視覺和圖像處理實驗教學(xué)的特點和難點，我們采用Halcon軟件進行機器視覺和圖像處理輔助教學(xué)，將Halcon引入到機器視覺教學(xué)中，通過對典型案例的講解和程序一步步的調(diào)試以及編程過程的演示，對學(xué)生進一步理解理論知識有很大的幫助，可以激發(fā)學(xué)生自己動手編寫有特定需求的圖像處理算法程序，提高學(xué)生的編程實踐能力，取得良好的教學(xué)效果。由于Halcon易學(xué)易用，能很好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，我們可以通過課程設(shè)計來鼓勵學(xué)生利用Halcon編寫自己的機器視覺算法程序，我們還可以通過畢業(yè)設(shè)計來讓學(xué)生編寫和開發(fā)自己的機器視覺應(yīng)用程序，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研熱情，提高解決實際問題的能力。

參考文獻

[1] 張鈺.MATLAB軟件在信號與系統(tǒng)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].高校實驗室工作研究，2011（1）：50-51.

[2] 張廣軍.機器視覺[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3] 金貝.基于Halcon的機器視覺教學(xué)實驗系統(tǒng)設(shè)計[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[4] 李樹濤，黎福海，林翚.Halcon軟件在機器視覺課程實驗中的應(yīng)用[J].高校實驗室工作研究，2012（3）：61-63.endprint