王 葉

(上海大學理學院 物理系，上海 200444)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的發(fā)展，近年來的新冠疫情又將網(wǎng)絡教學置于非常重要的地位，要求我們改革和創(chuàng)新遠程教學理念和模式.就遠程實驗教學而言，核心課題是如何在網(wǎng)上講授實驗和開展實驗項目.本文以邁克耳孫干涉儀及相關實驗為例研究一種融合機器視覺的遠程教學技術，將本地實驗系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),并與遠端移動平臺和客戶端相連，建立基于網(wǎng)絡和跨平臺的在線教學環(huán)境，研究相應的遠程實驗教學模式、內容和方法，開發(fā)遠程實驗系統(tǒng).

1 融合機器視覺的遠程教學

1.1 教學模式

現(xiàn)代遠程或網(wǎng)絡教學是運用現(xiàn)代信息技術將教學內容和過程傳遞給遠方的學習者.目前，遠程教學的主要方式是基于各種網(wǎng)絡教學平臺的在線資源推送和直播[1,2].關于大學物理遠程實驗教學，很多學校給出的具體教學形式為“MOOC看實驗+仿真模擬實驗+居家實驗”的“套餐式”形式[3].如果采用整合技術及教學法知識理論(TPACK)來構筑這種大學物理遠程實驗教學,并將人工智能技術融入其中(AI-TPACK)[4,5]，即將人工智能技術與信息技術進一步整合(AI-TK)，開展將專業(yè)學科內容與人工智能和信息技術進行整合(AI-TCK)，以及將人工智能技術與遠程教學法進行整合(AI-TPK)，則現(xiàn)階段研究的融合機器視覺的遠程實驗教學具有如下知識表征：1) 機器視覺技術與網(wǎng)絡技術的結合；2) 機器視覺的專業(yè)知識以及應用；3) 機器視覺技術與學科教學法的融合；4) 將機器視覺技術用于學科遠程自主學習時的方法和技術.

本文以“邁克耳孫干涉實驗”為例，構建以“邁克耳孫干涉儀”為學科內容，結合機器視覺和信息技術的教學法(AI-PCK)，即在遠程教學時的直播過程中，在對實驗系統(tǒng)和實驗過程進行講解的基礎上，直播交由機器視覺系統(tǒng)控制，進行“機器直播”，運用機器視覺網(wǎng)絡擴展技術，系統(tǒng)自動進行遠程信息發(fā)布和實時傳送干涉條紋圖像；定量實驗時，由遠端平臺和客戶端用戶控制本地邁克耳孫干涉儀進行自動化測量；跨越實驗室空間和網(wǎng)絡空間，教學內容可進一步引入到探究式學習環(huán)境[6]，此系統(tǒng)和方法具有現(xiàn)實需求和遠景意義.

1.2 教學目標

人工智能的一大技術方向為構建類似人類感知和學習的人體行動與工作模式，機器視覺即以視覺感知機器代替人眼，研究發(fā)現(xiàn)其在AI-TK或AI-TCK整合中作用明顯.融合機器視覺的實驗系統(tǒng)在AI-TPK方面具有嵌入式(軟硬件)和網(wǎng)絡技術相整合的能力，因此可以設計一些具有個性化學習的信息推送和遠程控制功能.就遠程邁克耳孫干涉實驗而言，其教學目標為：1) 邁克爾孫干涉儀原理和功能的講解(直播或軟件仿真)；2) 融合機器視覺及網(wǎng)絡技術的實時干涉條紋圖像的獲取、處理和遠程傳送——“機器直播”；3) 實驗儀器的遠程控制和自動化測量——“機器人”遠程實驗；4) 相關數(shù)據(jù)、技術資料的推送和網(wǎng)上研討.

1.3 實驗系統(tǒng)和網(wǎng)絡

融合機器視覺的遠程(網(wǎng)絡)邁克耳孫干涉實驗系統(tǒng)架構如圖1所示，本地實驗室由一臺傳統(tǒng)的激光邁克耳孫干涉儀和一套“網(wǎng)絡機器視覺系統(tǒng)+控制系統(tǒng)”構成.機器視覺系統(tǒng)采用開源的OpenMV，其二次開發(fā)類似于“Arduino”，通過配置WiFi模塊實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，稱為網(wǎng)絡機器視覺系統(tǒng)，具有將圖像和數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡的能力，同時，聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)從遠端平臺和客戶端獲得控制命令和咨詢等信息，與OpenMV網(wǎng)絡機器視覺系統(tǒng)進行通信，聯(lián)合完成對干涉儀測量過程的控制，組成一個遠程(網(wǎng)絡)實驗系統(tǒng)(平臺).其中實際使用的機器視覺系統(tǒng)硬件為OpenMV4(STM32H7)，主頻達480 MHz，板載的光學傳感器(CMOS Camera VGA)型號是OV7725，最高幀速為60 fps.

圖1 遠程(網(wǎng)絡)實驗系統(tǒng)

網(wǎng)絡設計上，校園網(wǎng)(內網(wǎng))是作為各級網(wǎng)關管理的局域網(wǎng)存在的，要和internet等廣域網(wǎng)(外網(wǎng)或公網(wǎng))進行連接需要設置和開放遠程(網(wǎng)絡)實驗系統(tǒng)的IP地址及端口.

2 實驗

2.1 本地實驗室

本地實驗室是一個綜合性概念，涉及技術和管理兩方面.對于圖1所示實驗系統(tǒng)，要求實驗室及其網(wǎng)絡滿足：保證干涉儀的正常運行，實驗系統(tǒng)具有保護和應急處理能力；保證數(shù)據(jù)的安全性，數(shù)據(jù)跨平臺傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r處理、傳送能力.實驗系統(tǒng)具有兩種運行模式，聯(lián)網(wǎng)前的運行為本地模式，聯(lián)網(wǎng)后的運行則為遠程模式.文獻[7]給出了基于機器視覺的干涉條紋檢測的算法和定量測量過程，在自動化的基礎上，系統(tǒng)無論處于何種模式，控制系統(tǒng)界面(LCD觸屏)如圖2所示，可以控制干涉儀小鼓輪轉動和顯示各種數(shù)據(jù).

圖2 控制系統(tǒng)界面

干涉儀小鼓輪每轉一圈對應位移為10 μm，定義控制系統(tǒng)單圈運行時間為T1(圖2中顯示為45 s)，當1.8o步進電機的細分數(shù)為16時，每圈具有3 200個脈沖，位移精度約為0.004 μm.設激光波長λ=0.632 8 μm，則干涉條紋移動速率為

(1)

理論計數(shù)規(guī)則(0.5個條紋)要求圖像幀速vf和條紋移動速率vfr大約滿足

(2)

得到不同單圈運行時間時的最小圖像幀速值,vfm由表1給出.

表1 最小圖像幀速vfm(單位為：幀/s)

最小圖像幀速vfm的意義在于：當進行網(wǎng)絡直播或遠程實驗時，網(wǎng)絡機器視覺系統(tǒng)保持實時性的必要條件為

vf>vfm

(3)

2.2 機器直播

本文以基于“局域網(wǎng)+內網(wǎng)穿透”方式設計、開發(fā)一種網(wǎng)絡直播及遠程實驗，內網(wǎng)穿透技術是將內網(wǎng)主機(聯(lián)網(wǎng)的機器視覺系統(tǒng))的IP地址和端口進行映射，轉換為一個外網(wǎng)IP地址和綁定的端口，系統(tǒng)就此獲得如基于http(超文本傳輸協(xié)議，或https)的外部網(wǎng)絡連接應用服務，實際上是打通一條由外部注冊的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通道，客戶端或網(wǎng)絡用戶可以通過普通瀏覽器觀看直播，本文將此項應用稱為“機器直播(machine broadcast)”，即將實時干涉條紋、處理數(shù)據(jù)等信息于采集的圖像畫面上進行描述和顯示，并以圖像流的形式向外網(wǎng)進行發(fā)送和直播.融合機器視覺的“機器直播”具有如下特點和作用：1) 是一種直播(live video broadcast)形式，具有一般網(wǎng)絡直播的作用；2) 數(shù)據(jù)處理能力和實時性高度依賴于機器視覺系統(tǒng)和傳輸網(wǎng)絡的軟、硬件性能，如與程序算法、網(wǎng)速等密切相關，決定了實驗過程“運行+直播”的可行性和體驗感──具有全景視場與浸潤式效果.干涉條紋的“機器直播”頁面如圖3所示.

直播中 直播中發(fā)送“指令”

此處直播中發(fā)送的“指令”即要求用戶發(fā)送遠程控制信息(命令或參數(shù))，用戶據(jù)此切換到遠程控制實驗階段.

2.3 遠程實驗

遠程實驗或實驗的遠程探究在技術上首先應是實驗儀器的遠程可控性，本文設計的遠程控制模式如圖4所示.

圖4 遠程控制模式

當系統(tǒng)運行于遠程模式時，網(wǎng)絡用戶通過移動平臺的瀏覽器打開網(wǎng)頁，觀看實時干涉條紋圖像，如需進行遠程實驗，則由網(wǎng)絡用戶端的應用軟件向實驗室站點發(fā)送控制參數(shù)(干涉條紋移動方向和總環(huán)數(shù))，圖5(a)和圖5(b)是以TCP/IP網(wǎng)絡調試工具為例的遠端應用軟件界面，分別為發(fā)送測量參數(shù)界面和測量結束后傳回數(shù)據(jù)界面，圖5(c)是測量結束后的“機器直播”頁面，顯示總環(huán)數(shù)為10，光程差為6.38 μm.

發(fā)送測量參數(shù)界面

遠程實驗過程為：實驗室站點接收到網(wǎng)絡用戶的控制參數(shù)后啟動實驗系統(tǒng)進行干涉條紋測量，將測量過程中采集、處理后的每幀圖像生成網(wǎng)頁而發(fā)布于網(wǎng)絡，網(wǎng)絡用戶將即時看到處于測量中的干涉條紋圖像和測量中的環(huán)數(shù)變化，測量完成后實驗室站點將反饋發(fā)回光程差數(shù)據(jù),供用戶進行計算.

圖6為總環(huán)數(shù)為50的遠程實驗中的網(wǎng)絡用戶看到的瀏覽器頁面(頁面截屏上顯示了部分外網(wǎng)域名并將此域名區(qū)域放大顯示)，圖7為實驗結束時的瀏覽器頁面，光程差數(shù)據(jù)31.918顯示于頁面上.

測量中網(wǎng)絡用戶的瀏覽器頁面(截屏)

圖7 遠程實驗結束時的圖像頁面(截圖)

下面分析遠程實驗過程、測量數(shù)據(jù)及其誤差.本文實驗過程的核心問題是運用機器視覺實現(xiàn)干涉條紋的遠程自動測量.和以往實驗室中的手動及觀察測量存在方法差異，如表2所示.

表2 測量方法比較

原則上，凡進行實際測量的參數(shù)，其誤差都應當予以考慮，但一般不考慮環(huán)數(shù)的人眼觀察測量的不確定度.當前在進行遠程自動測量時，環(huán)數(shù)是一個用機器視覺算法直接和自動測量的參數(shù)，存在且應當考慮其測量誤差.另一方面，位移也采用自動測量的方法，測得的步進累加值[如圖5(b)中傳回的數(shù)據(jù)]是細分后的控制脈沖數(shù)轉換的步進移動所累積的距離，這個轉換過程由控制及傳動系統(tǒng)完成，累積的距離(即位移)是系統(tǒng)軟硬件作用下的一種測量或“讀取”，讀取過程只不過由人換成了機器或系統(tǒng).問題在于，這種機器“讀取”的位移的準確性和可靠性如何？運用光柵尺直接測量步進位移系統(tǒng)單步位移的研究表明，隨著步進細分數(shù)的增加，所測單步位移的最大誤差率(單步位移與步進位移量的偏差的最大值/步進位移量)相應增加，即單步位移的誤差變大，但是單步位移的均值是接近于步進位移量的，因此，實際位移可以用步進累加值估測，雖然這個步進累加值是一個“脈沖轉換值”，轉換成功或可以進行估測的條件就是所用步進系統(tǒng)是優(yōu)良的(如不丟步，機械精度高和運行穩(wěn)定等).

如何判斷步進位移系統(tǒng)是否優(yōu)良？在步進位移系統(tǒng)誤差未知的情況下可用某個應用系統(tǒng)進行適當?shù)尿炞C和鑒別，如本文的干涉測量系統(tǒng).當步進累加值的線性度及最后波長測量的準確性很高時，可將步進累加值作為對實際位移的估測，否則應對步進位移系統(tǒng)做單獨測量和誤差評價.比如當前10個條紋的步進累加值是6.38 μm，計算波長為0.638 μm，誤差為0.9%，50個條紋對應的步進累加值是31.918 μm，計算波長為0.638 μm，誤差亦為0.9%，等等.故可將本步進位移系統(tǒng)的步進累加值用來估測實際位移，并且暫不考慮位移的A類不確定度.在16細分下，0.003 125 μm是單步位移量，是步進累加值的最小距離單位，視為步進累加值的精度，即是實際位移的估測的精度，實際位移的B類不確定度也以此精度的誤差限0.004 μm估算.由于步進累加值的線性度很好[如圖5(b)所給數(shù)據(jù)]，在計算任何時候的位移時，只需根據(jù)環(huán)數(shù)差的標稱值來計算對應的位移量，即將總位移量作線性等分處理.

綜上所述，現(xiàn)假設位移如同人眼觀察環(huán)數(shù)那樣為一種確定值，而環(huán)數(shù)是另一個被測的物理量，并且是由機器視覺“看出”的，但是這個“看出”可能存在偏差，需要做誤差評價，在此即用逐差法處理環(huán)數(shù)數(shù)據(jù)[7]，下面為總環(huán)數(shù)為50個條紋的遠程實驗的結果及其誤差分析(圖6和圖7).

表3為遠程實驗測得的冒出50個條紋的數(shù)據(jù)，每隔5個條紋給出一次數(shù)據(jù)(從錄制的視頻回放確定環(huán)數(shù)差標稱值)，從表3數(shù)據(jù)看出，條紋冒出過程中的環(huán)數(shù)檢測非常準確，環(huán)數(shù)測量的A類不確定度為0.表4為環(huán)數(shù)的數(shù)據(jù)處理.

表3 干涉條紋環(huán)數(shù)的測量數(shù)據(jù)

表4 環(huán)數(shù)的數(shù)據(jù)處理

xi=Oi+5-Oi,i=1,…,5

(4)

環(huán)數(shù)的計算結果為

x=25.0±0.5(個)

(5)

(6)

由假設，位移Δd的A類不確定度為0，B類不確定度取其誤差限0.004 μm，則波長的不確定度公式為

(7)

最后波長計算的結果為

λ=0.64±0.02 μm

(8)

表3同時給出了單幀圖像時間，其中包括圖像上載到網(wǎng)絡的時間，其倒數(shù)就是圖像幀速vf，測量過程中T1=80 s，則vf始終大于vfm=1.58幀/s，即滿足實時性條件.測量結果顯示，對于當前的干涉測量系統(tǒng)，環(huán)數(shù)的B類不確定度是測量誤差的主要來源.

3 結束語

本文給出的融合機器視覺的遠程(網(wǎng)絡)邁克耳孫干涉實驗系統(tǒng)原理上,內嵌了全部實驗過程要素和部分可操作功能，是一種綜合多項技術的直播授課系統(tǒng)，原則上可以自行完成指定教學任務和過程，但本文未對“干涉儀的調整”這部分教學內容做網(wǎng)絡用戶的可操作實現(xiàn)，此部分內容的教學尚基于仿真和直播方式講解.另外，針對研究型或個性化教學，比如設計某種使用邁克耳孫干涉儀測量透明介質折射率的實驗，在在線交流和探究中由本地實驗室搭建樣品裝置及光路，系統(tǒng)適時推送搭建過程視頻和原理講解等，繼而完成一些遠程控制操作和實驗，上述過程具有在線“硬件+實驗”定制和訂閱的含義，或者某種OMO(Online Merge Offline)線上線下融合形式，值得進一步探索和研究.