潘岱 熊才高

摘 要 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)自動(dòng)控制教學(xué)在教學(xué)方法上也不斷創(chuàng)新，將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)與自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合的教學(xué)方法應(yīng)運(yùn)而生。本文從機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在自動(dòng)控制教學(xué)中的應(yīng)用背景著手，給出了教學(xué)目的與教學(xué)實(shí)施方案。該教學(xué)方法在湖北商貿(mào)學(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué)院的項(xiàng)目式教學(xué)改革中取得了初步的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 機(jī)器視覺(jué) 模式識(shí)別 自動(dòng)控制 教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.06.031

Abstract With modern computer technology， digital image processing technology development，traditional automatic control teaching methods need continuous innovation. The machine vision technology combined with automatic control system teaching method arises at the historic moment. In this paper， we start with the background of the application of machine vision technology in automatic control teaching， give the teaching purpose and teaching implementation scheme. This teaching method in project teaching reform has obtained the preliminary effect of teaching in Hubei Business College of Mechanical and Electrical and Information Engineering College.

Key words machine vision； pattern recognition； automatic control； teaching method

視覺(jué)識(shí)別技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力對(duì)圖像進(jìn)行適當(dāng)處理，提取所需信息的一門(mén)技術(shù)，一個(gè)完整的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)中能夠自動(dòng)的采集圖片或者視頻信息并進(jìn)行預(yù)處理，包括復(fù)原、去噪、加強(qiáng)等手段，然后對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的信息進(jìn)行選擇或變換，提取最能反映分類本質(zhì)的特征，最后對(duì)特征進(jìn)行分類并根據(jù)判別規(guī)則對(duì)信息進(jìn)行處理。

在當(dāng)前的教育背景和時(shí)代背景要求下，高等院校的教學(xué)更加強(qiáng)調(diào)實(shí)踐和創(chuàng)新能力，智能控制技術(shù)已經(jīng)深入到了自動(dòng)控制教學(xué)的方方面面，在以往的教學(xué)過(guò)程中，傳統(tǒng)的智能機(jī)器人項(xiàng)目比如基于單片機(jī)智能循跡避障小車、機(jī)器人足球、四軸飛行器等，都能激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，動(dòng)手實(shí)踐參與度增高，能將控制理論與實(shí)踐結(jié)合，加深理論知識(shí)理解。

1 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在自動(dòng)控制教學(xué)中的應(yīng)用背景研究

視覺(jué)是人類的主要感官，是人腦理解環(huán)境的重要信息來(lái)源，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)作為一門(mén)利用計(jì)算機(jī)輔助來(lái)替代視覺(jué)工作的技術(shù)就是讓機(jī)器“長(zhǎng)出眼睛”，能夠?qū)χ車挛锂a(chǎn)生視覺(jué)，感知環(huán)境的變化。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人工智能在近年來(lái)引起了大家的廣泛興趣，自動(dòng)化控制系統(tǒng)與視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的融合能夠很好地改善系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，讓機(jī)器更智能，更好地為人類服務(wù)。

但是目前在單片機(jī)實(shí)踐課程中學(xué)生在進(jìn)行智能機(jī)器人的學(xué)習(xí)和制作時(shí)，并未應(yīng)用到圖像處理技術(shù)，而是通過(guò)傳感器來(lái)獲取外界信息。例如最常見(jiàn)的循跡避障小車，它的“視覺(jué)”是通過(guò)小車車身攜帶的紅外傳感器來(lái)檢測(cè)地面上的黑色軌跡，通過(guò)紅外接收裝置來(lái)判斷小車是否循跡或是偏離車道，從而對(duì)小車的行駛軌跡進(jìn)行控制，利用紅外傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的循跡避障功能原理簡(jiǎn)單易懂，方便實(shí)現(xiàn)且成本低廉，但是紅外傳感器對(duì)于外界環(huán)境要求極高，任何光線的變化都可能導(dǎo)致傳感器無(wú)法正常工作，后期的調(diào)試工作任務(wù)繁重，系統(tǒng)魯棒性差，無(wú)法滿足復(fù)雜多變的環(huán)境要求。

機(jī)器視覺(jué)與模式識(shí)別是信息工程類專業(yè)的一門(mén)重要課程，該課程涉及多門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，是一門(mén)多領(lǐng)域的綜合性學(xué)科，高校通常在計(jì)算機(jī)信息類專業(yè)開(kāi)設(shè)該課程，在自動(dòng)化控制類專業(yè)中開(kāi)設(shè)該門(mén)課程的高校較少。在長(zhǎng)期的自動(dòng)控制類教學(xué)過(guò)程中，偶爾的提及該技術(shù)，學(xué)生都表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)欲望，因此，筆者認(rèn)為在自動(dòng)化控制教學(xué)中有必要結(jié)合模式識(shí)別理論來(lái)加深學(xué)生的直觀感受，提高學(xué)生的實(shí)踐水平。

2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的教學(xué)目標(biāo)

基于以上的背景，對(duì)于高校的自動(dòng)控制類課程，有必要將機(jī)器視覺(jué)加入到實(shí)踐教學(xué)中，讓學(xué)生接觸前沿科學(xué)技術(shù)，了解和學(xué)習(xí)相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)，通過(guò)該技術(shù)更好地進(jìn)行智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)運(yùn)用到自動(dòng)控制類課程的教學(xué)過(guò)程，實(shí)質(zhì)就是將機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用到控制類的嵌入式開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，通過(guò)選取合適的教學(xué)案例，編寫(xiě)圖像或視頻處理算法來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器的視覺(jué)功能，根據(jù)圖像理解結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，是一種軟硬件相結(jié)合的教學(xué)模式。因?yàn)闄C(jī)器視覺(jué)屬于交叉性學(xué)科，內(nèi)容涉及廣，在編寫(xiě)圖像處理算法時(shí)有一定的復(fù)雜性，因此，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中采用以機(jī)器視覺(jué)與模式識(shí)別理論為導(dǎo)向，實(shí)際應(yīng)用為主的教學(xué)理念。盡量避免算法中繁瑣復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，讓學(xué)生在掌握視覺(jué)概念的基礎(chǔ)上能培養(yǎng)出學(xué)習(xí)興趣，發(fā)散思維，主動(dòng)結(jié)合所學(xué)的控制理論知識(shí)來(lái)進(jìn)行更深入的智能機(jī)器人設(shè)計(jì)。

3 機(jī)器視覺(jué)在自動(dòng)控制教學(xué)中的實(shí)施方案介紹

在實(shí)際自動(dòng)控制教學(xué)中，采用以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向的教學(xué)方法，通過(guò)基礎(chǔ)的圖像處理案例分析讓學(xué)生掌握基本的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)中的算法，并且能夠舉一反三，選擇合適的研究方向進(jìn)行深入學(xué)習(xí)研究。

教學(xué)實(shí)施過(guò)程分為三個(gè)階段，第一階段以實(shí)驗(yàn)演示為主，第二階段設(shè)置基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)分析，第三階段為提高性實(shí)驗(yàn)拓展。

3.1 演示實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)演示階段主要給學(xué)生演示機(jī)器視覺(jué)中的圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)，包括圖像的基本概念，像素的基本概念以及常見(jiàn)的圖像處理手段和算法，在教學(xué)過(guò)程中選擇MATLAB作為圖像處理的軟件平臺(tái)，因?yàn)镸ATLAB為使用者提供了大量的圖像處理基本函數(shù)，學(xué)生在使用過(guò)程中只需按照函數(shù)格式調(diào)用即可，為初學(xué)者節(jié)約了大量的時(shí)間?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)由淺入深，其內(nèi)容設(shè)置如下：

實(shí)驗(yàn)1：MATLAB軟件介紹： MATLAB是集矩陣運(yùn)算、圖形處理、程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)等功能于一體的軟件，利用MATLAB提供的圖像處理工具箱和可視化的圖形用戶界面能實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的處理。

實(shí)驗(yàn)2：MATLAB圖像處理工具箱基本操作介紹：教師在MATLAB平臺(tái)上演示簡(jiǎn)單的圖像處理操作，學(xué)生進(jìn)行觀察。

實(shí)驗(yàn)3：視頻演示車牌識(shí)別應(yīng)用：車牌識(shí)別是模式識(shí)別的經(jīng)典案例，車牌形狀、文理、內(nèi)容字體都十分規(guī)則，從圖像中識(shí)別車牌簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，該技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)。

3.2 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

通過(guò)給學(xué)生演示機(jī)器視覺(jué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已有一定的概念，此時(shí)，教師可根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況設(shè)置一些基礎(chǔ)的圖像處理實(shí)驗(yàn)。

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置原則上要包含一定的圖像處理技術(shù)，但是不宜采用過(guò)于復(fù)雜的圖像算法，學(xué)生在這一階段剛剛對(duì)圖像技術(shù)有了一定的感性認(rèn)識(shí)，復(fù)雜的算法會(huì)讓學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)偏離基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)康模趯W(xué)生接受程度較好的情況下可讓學(xué)生自行鉆研復(fù)雜算法。一般情況下設(shè)置的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

實(shí)驗(yàn)1：熟悉MATLAB平臺(tái)。打開(kāi)MATLAB平臺(tái)，建立一個(gè)完整的工程，并在工程下新建m文件，在m文件中編程實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）打開(kāi)圖像和顯示圖像（2）旋轉(zhuǎn)并保存圖像（3）對(duì)RGB格式的三通道彩圖進(jìn)行灰度和二值化處理要求學(xué)生能夠熟練掌握imread、rgb2gray、rgb2bw、rotate、plot等函數(shù)的調(diào)用格式，觀察處理后的圖像效果，明白圖像處理的意義。

實(shí)驗(yàn)2：圖像邊緣檢測(cè)。使用MATLAB自帶庫(kù)函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，包括Sobel算子、canny算子、Laplace算子，設(shè)置不同的閾值觀察檢測(cè)效果，加深對(duì)邊緣檢測(cè)算法的理解。

實(shí)驗(yàn)3： RGB三通道彩圖的灰度處理。要求學(xué)生在采用灰度公式Gray=0.2989*R+0.5870*G+0.1140*B在MATLAB中通過(guò)編程的方法對(duì)RGB彩圖實(shí)現(xiàn)灰度化。

3.3 機(jī)器視覺(jué)與自動(dòng)控制綜合性實(shí)驗(yàn)

設(shè)置綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟趶?qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)，提升應(yīng)用能力。在學(xué)生完成了基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，就可以獨(dú)立完成一些綜合性的實(shí)驗(yàn)，將模式識(shí)別應(yīng)用到自動(dòng)控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)人工智能。

實(shí)驗(yàn)以小組形式進(jìn)行，學(xué)生根據(jù)自身興趣，自選項(xiàng)目，通過(guò)查閱資料、整理資料、搭建硬件電路、進(jìn)行軟件編程、調(diào)試等一系列項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程來(lái)完整的實(shí)現(xiàn)某一項(xiàng)目，教師在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中只進(jìn)行協(xié)助指導(dǎo)而不直接參與項(xiàng)目的制作，小組成員間相互協(xié)作共同實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目。綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置可以如下例所示：

實(shí)驗(yàn)1：車牌號(hào)碼自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。學(xué)生通過(guò)數(shù)碼相機(jī)采集車牌號(hào)碼圖片，編寫(xiě)算法實(shí)現(xiàn)車牌號(hào)碼的識(shí)別?？稍贘ava或C#平臺(tái)上搭建應(yīng)用軟件，相機(jī)采集到的圖片自動(dòng)處理，最終輸出該照片對(duì)應(yīng)的車牌號(hào)。

實(shí)驗(yàn)2：基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)循跡小車。該實(shí)驗(yàn)主要模擬汽車上的車道線檢測(cè)裝置，小車不再用傳統(tǒng)的紅外傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)循跡功能，而使用更高級(jí)的圖像處理方法，使小車能夠沿著指定的軌跡行進(jìn)，在出現(xiàn)偏移時(shí)能夠報(bào)警并對(duì)行進(jìn)軌跡做出相應(yīng)的調(diào)整。

以上為教師提供的參考性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力，在能力范圍內(nèi)，讓機(jī)器視覺(jué)技術(shù)與自動(dòng)控制系統(tǒng)合二為一，實(shí)現(xiàn)智能化。

4 總結(jié)

近年來(lái)，機(jī)器視覺(jué)已經(jīng)被越來(lái)越多的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生而言，要想順應(yīng)時(shí)代要求，在自動(dòng)化領(lǐng)域有所突破，掌握基本的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。大學(xué)作為培養(yǎng)應(yīng)用型人才的搖籃，將機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用在自動(dòng)控制教學(xué)中，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的求知欲望和學(xué)習(xí)模式識(shí)別技術(shù)的興趣，在試驗(yàn)中充分發(fā)揮出學(xué)生的主體作用，減少算法等抽象理論知識(shí)的講授，著重培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，加深學(xué)生的理解，增強(qiáng)學(xué)生的記憶。當(dāng)然，在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用到自動(dòng)控制教學(xué)的過(guò)程中，如何做到更好還要不斷地探索與實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳妍冰.機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用方法研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2014.10（27）：6487-6489.

[2] 朱明珠.車載機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用概述[J].機(jī)電技術(shù)，2014（1）：50-52.

[3] 滿江月.人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)公共安全（綜合版），2014（10）：124-127.

[4] 趙俊紅.機(jī)器視覺(jué)與智能檢測(cè)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式的探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012.31（5）：144-146.

[5] 張芳.基于MATLAB的“模式識(shí)別”交互式教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)[J].教育教學(xué)論壇，2015.3（12）：149-150.