薛暉 北京市育英學校信息技術教師，北京市青少年機器人競賽技術委員會成員，北京市機器人骨干教師，海淀區(qū)信息技術骨干教師，海淀區(qū)優(yōu)秀科技輔導教師。曾任全國智能控制大賽裁判長，北京青少年機器人競賽裁判，北京市海淀區(qū)創(chuàng)客秀項目負責人。指導學生獲得中國青少年機器人競賽創(chuàng)意項目一等獎，北京市青少年創(chuàng)新大賽一等獎，北京市青少年科技后備人才早期培養(yǎng)計劃展評活動最佳學生獎，等等。

教學背景

本節(jié)課的主題是“視覺識別——感興趣區(qū)域ROI”，利用Python語言實現(xiàn)圖像及視頻中興趣點的單獨選取，能夠節(jié)省網(wǎng)絡監(jiān)控攝像機帶寬占用和視頻存儲空間。復習課前知識為本節(jié)課的項目做好充足的準備，過程中教師注重提示學生攝像頭的視頻顯示就是一幀幀已經(jīng)存儲好的單張圖像顯像，圖像按照一定的時間間隔不斷地刷新，就形成了視頻的播放。

感興趣區(qū)域（Region of Interest，ROI）的行與列是對圖像的裁剪范圍，教師通過范例講解，幫助學生理清進行區(qū)域選擇的方法，為項目中的興趣點選取做準備。在項目實施過程中為學生提供已學程序的資料，減輕學生的代碼輸入量;在項目臨近成功時增加改變項目需求的環(huán)節(jié)，讓學生體驗解決突發(fā)問題的過程，鍛煉學生的信息意識。

教學目標

1.了解什么是ROI，學會如何在數(shù)字化圖像處理中實現(xiàn)興趣點的裁剪。

2.通過需求分析來解決問題，經(jīng)過自主探究，結合實際效果，實現(xiàn)視頻中單獨顯示興趣點的程序設計。

3.對發(fā)現(xiàn)的問題能夠進行自主探究和修正，提升信息意識。在反復嘗試的過程中進行深入思考，通過思考、編程，實現(xiàn)理想的效果，從而獲得成功的喜悅。

教學重點與難點

教學重點 理解什么是ROI，學會裁剪圖像中的興趣點。

教學難點 設計出單獨顯示興趣點的視頻。

教學準備

廣播軟件、Python軟件、Anaconda 3軟件、Spyder開發(fā)環(huán)境、計算機、攝像頭等。

教學過程

一、了解計算機視覺中的圖像原理

在計算機視覺中，如果我們對視野中的某一個位置感興趣，就要對該位置進行單獨的提取和圖像處理。首先，我們要了解的就是圖像的數(shù)字化存儲，也就是RGB彩色圖像的制作方法。

彩色圖像由一個三維數(shù)組組成，在Python中用[行像素范圍，列像素范圍，顏色通道號]來表示，例如：

img[10：20，0：100，0]=0

img[10：20，0：100，1]=255

img[10：20，0：100，2]=255

其中img變量中10：20表示10至20行的像素范圍，0：100表示0至100列的像素范圍，0表示藍色通道，1表示綠色通道，2表示紅色通道。藍色通道0，綠色、紅色通道255，混合出來的顏色就是黃色。

二、實驗探究

實驗1：攝像頭的視頻顯示

師：視頻顯示多張靜態(tài)圖片，按照一定的時間間隔不斷地刷新，也就是一幀一幀地播放圖片形成了視頻的效果。在Python中使用cv2.VideoCapture（0）函數(shù)可以讀取實時的視頻圖像并存儲到變量中，再把讀取到的變量通過cv2.imshow（）函數(shù)顯示出來，如此彈屏循環(huán)就實現(xiàn)了攝像頭拍攝的實時視頻圖像。在程序中，“ret， frame = capture.read（）”表示一幀一幀讀取視頻圖像并存儲到frame變量中。“frame = cv2.flip（frame， 1）”表示將圖像鏡像翻轉。

教師下發(fā)程序代碼，學生進行程序實驗，具體程序如下：

import cv2

capture = cv2.VideoCapture（0）

while True：

ret， frame = capture.read（）

frame = cv2.flip（frame， 1）

cv2.imshow（'video'， frame）

c = cv2.waitKey（10）

if c == ord（'q'）：

print（"press q"）

break

capture.release（）

cv2.destroyAllWindows（）

實驗2：感興趣區(qū)域（ROI）

師：在圖像處理過程中，我們可能對某一特定區(qū)域感興趣，該區(qū)域稱為感興趣區(qū)域（ROI）。例如，如果我們對圖1中的五角星感興趣，就可以用“img[70：170，460：590]”來表示，其中70：170指的是行的像素范圍，460：590指的是列的像素范圍，如圖2。

程序語句“interest=img[70：170，460：590]”的作用是裁剪范圍內(nèi)的圖像，其中70：170是行的范圍，460：590是列的范圍?！癱v2.imshow（'Interest'，interest）”的作用是顯示裁剪后的interest存儲的圖像，窗口名稱為“Interest”。

教師下發(fā)程序代碼，學生進行實驗，具體程序如下：

import cv2

img=cv2.imread（"YX2.jpg"）

interest=img[70：170，460：590]

cv2.imshow（'Interest'，interest）

cv2.waitKey（）

cv2.destroyAllWindows（）

實驗3：探究在視頻中如何進行ROI的裁剪方法

教師引導學生進行思考，通過實驗1和實驗2分析如何進行視頻ROI的方法：把cv2.VideoCapture（0）函數(shù)讀取到的圖像進行裁剪，然后新建一個窗口顯示出來，窗口名稱為“video interest”。具體程序設計如下：

import cv2

cap = cv2.VideoCapture（0）

while True：

flag， frame = cap.read（）

frame = cv2.flip（frame， 1）

interest=frame[70：170，460：560]

cv2.imshow（'video interest'， interest）

if ord（'q'） == cv2.waitKey（40）

break

cap.release（）

cv2.destroyAllWindows（）

三、情景化項目研究

教師提出項目需求：學校門前安裝了固定機位的安保攝像機，且攝像機不能移動。現(xiàn)在想對畫面中部分內(nèi)容進行識別，但畫面中有很多無用的部分，影響了識別的效果，需要對識別的部分進行單獨提取使用。

使用電腦攝像頭設備來模擬固定機位的安保攝像機，請學生根據(jù)本節(jié)課的三個實驗開展自主研究，探究如何只顯示原始視頻指定位置的單獨畫面。教師要明確攝像頭畫面大小為480行×640列，需要單獨顯示整體的視頻畫面，窗口名稱為“video all”。需要單獨顯示指定部分的畫面，窗口名稱“video interest”。教師指定視頻畫面中，右上角區(qū)域范圍100×100的位置是本節(jié)課需研究的項目。

程序設計中右上角的100×100區(qū)域，并不能直接寫進程序，因為視頻畫面大小為480行×640列，左上角為（0，0），所以右上角的范圍為[0：100，540：640]。其中0：100是行的范圍，540：640是列的范圍。再使用實驗2方法對采集的圖像進行裁剪，完整程序如下：

import cv2

cap = cv2.VideoCapture（0）

while True：

flag， frame = cap.read（）

frame = cv2.flip（frame， 1）

interest=frame[0：100，540：640]

cv2.imshow（'video all'， frame）

cv2.imshow（'video interest'， interest）

if ord（'q'） == cv2.waitKey（40）：

break

cap.release（）

cv2.destroyAllWindows（）

在學生進行項目研究的過程中，教師巡視并進行單獨指導。若部分學生已完成右上角興趣區(qū)域的單獨顯示，教師可增加項目任務——單獨顯示視頻左下角200行×50列的區(qū)域，推算區(qū)域范圍。教師應鼓勵學生挑戰(zhàn)更高的任務難度，分層遞進教學，促進不同層次學生發(fā)展，鍛煉學生的應變能力。

四、教學評價

使用項目驗收單對學生的項目完成情況進行驗收，并給予相應的分數(shù)。評價標準共10分，分為是否實現(xiàn)單獨窗口顯示全部畫面（5分）、是否實現(xiàn)單獨窗口顯示右上角興趣點（2分）、窗口大小是否為100×100（1分）、是否實現(xiàn)單獨窗口顯示左下角興趣點（1分）、窗口大小是否為200×50（1分）等評價指標。

教學反思

在本節(jié)課中的教學過程中，筆者努力落實新課程改革要求，讓學生自主發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。本節(jié)課采用了情景化項目研究的形式開展探究學習，以圖像中的興趣點為主線展開自主探究。視覺識別作為我校特色校本課程，充分利用現(xiàn)有的教學資源，結合當前人工智能國家戰(zhàn)略，培養(yǎng)學生的信息技術學科素養(yǎng)。利用知識的遷移引導學生發(fā)散思維，用已學知識解決更多的生活實際問題，為國家培養(yǎng)科技人才做出自己的貢獻。

在課程實施的過程中，發(fā)現(xiàn)學生自主研究的能力偏弱，遇到未知問題時對自己的能力不夠自信，不知道自行探究解決方法，存在坐等教師講解灌輸?shù)默F(xiàn)象，這也導致學生進入研究狀態(tài)慢，課堂時間不夠用。本節(jié)課是學生情景化項目研究的第一次嘗試，后續(xù)的課程也會采用類似的方法進行自主研究，相信在學生適應這種學習方式后，能夠提高課堂時間效率。