劉永 王生懷 王宸 陳誠(chéng) 袁海兵 李捷

(湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 湖北十堰 442002)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和光電技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)取得了較大的發(fā)展，并在汽車(chē)、機(jī)械、煤炭和冶金等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用。為了確保機(jī)械加工完成的零件質(zhì)量符合要求，需要對(duì)零件基本尺寸以及表面缺陷等特征進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)視覺(jué)設(shè)備對(duì)被測(cè)零件圖像進(jìn)行采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中的視覺(jué)工程應(yīng)用軟件中，設(shè)計(jì)相關(guān)算法完成零件尺寸測(cè)量或表面缺陷檢測(cè)。傳統(tǒng)的零件尺寸測(cè)量器具有游標(biāo)卡尺、卡規(guī)、螺旋測(cè)微儀和三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等，這些測(cè)量器具或多或少存在著效率和精度低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、不適合大批量測(cè)量等問(wèn)題。傳統(tǒng)的零件表面缺陷檢測(cè)方式主要通過(guò)人工完成，效率較低，容易受到測(cè)量人員主觀因素的影響?！稒C(jī)器視覺(jué)》是一門(mén)多學(xué)科交叉融合課程[1-2]，包含機(jī)械設(shè)計(jì)、軟件工程、光學(xué)和圖像處理等課程的核心內(nèi)容。對(duì)機(jī)械專(zhuān)業(yè)的碩士研究生來(lái)說(shuō)，本科階段并未學(xué)習(xí)過(guò)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)核心課程，且這些課程內(nèi)容較為抽象，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法難以讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)理解，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，容易使學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)心理。

目前，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在各行各業(yè)中有著廣泛應(yīng)用，人才需求量巨大，機(jī)器視覺(jué)人才有著廣闊的就業(yè)前景。如何培養(yǎng)出具備高水平、高素質(zhì)且滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的機(jī)器視覺(jué)人才是一個(gè)有研究?jī)r(jià)值的課題。該文以齒輪齒距偏差測(cè)量為例，闡述了理實(shí)一體化的教學(xué)方法實(shí)施過(guò)程，避免了傳統(tǒng)課堂教師講、學(xué)生聽(tīng)的教學(xué)模式，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使專(zhuān)業(yè)知識(shí)更加容易理解，取得了較好的教學(xué)效果。

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問(wèn)題

《機(jī)器視覺(jué)》課程是一門(mén)多學(xué)科交叉融合的課程，包括測(cè)量系統(tǒng)硬件部分的選型、相機(jī)成像原理、數(shù)字圖像處理技術(shù)和軟件編程等內(nèi)容。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)不僅可以對(duì)零件基本尺寸進(jìn)行測(cè)量，也可以對(duì)零件表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)[3]，應(yīng)用非常廣泛。對(duì)本科為計(jì)算機(jī)和通信專(zhuān)業(yè)的研究生來(lái)說(shuō)，本科階段學(xué)習(xí)了一些核心課程，有一定的基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)起來(lái)比較輕松。但對(duì)本科是機(jī)械專(zhuān)業(yè)的研究生來(lái)說(shuō)，本科階段并沒(méi)有接觸過(guò)機(jī)器視覺(jué)相關(guān)課程的核心內(nèi)容，基礎(chǔ)較為薄弱，學(xué)習(xí)起來(lái)存在一定困難。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中主要以教師講、學(xué)生聽(tīng)，教師講解的內(nèi)容主要有：測(cè)量系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，包括各個(gè)硬件的工作原理；采集零件圖像后圖像的預(yù)處理方法和原理；對(duì)零件尺寸進(jìn)行測(cè)量設(shè)計(jì)的相關(guān)算法；表面缺陷檢測(cè)的原理及相關(guān)算法等。教授過(guò)程中列舉教材中實(shí)例，如圓直徑測(cè)量、矩形邊長(zhǎng)測(cè)量、車(chē)道線(xiàn)檢測(cè)和人臉識(shí)別等。教學(xué)過(guò)程中學(xué)生以聽(tīng)為主，缺乏動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)。且由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)等原因，書(shū)中的實(shí)例很難在課堂上進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，學(xué)生參與感不強(qiáng)，無(wú)法真正理解各部分內(nèi)容和原理，學(xué)生學(xué)習(xí)的欲望較低，最后導(dǎo)致學(xué)生對(duì)這門(mén)課程喪失興趣。因此，授課教師需要自行開(kāi)發(fā)一套視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)[4-6]，首先在課堂上介紹測(cè)量系統(tǒng)硬件部分的原理及選型。其次介紹一些專(zhuān)業(yè)的視覺(jué)工程應(yīng)用軟件，如OpenCV和Halcon 等，這些軟件需要和硬件設(shè)備兼容，由于課堂條件限制，可以選擇使用MATLAB軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，并設(shè)計(jì)算法完成檢測(cè)。接著可以將采集到的零件圖像發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生在攜帶的筆記本電腦中安裝MATLAB軟件并導(dǎo)入圖像。最后讓學(xué)生自行完成檢測(cè)算法并得出檢測(cè)結(jié)果。這樣可以讓學(xué)生體驗(yàn)整個(gè)檢測(cè)過(guò)程，增強(qiáng)了參與感，能夠真正地理解機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的原理，做到了將理論和實(shí)踐相結(jié)合，從而激發(fā)出學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，有效提高了教學(xué)效果。該文以作者指導(dǎo)的碩士研究生設(shè)計(jì)的齒輪齒距偏差參數(shù)視覺(jué)測(cè)量方法為例，闡述了教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)施過(guò)程。

2 教學(xué)改革實(shí)施過(guò)程

2.1 機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)硬件介紹

圖1是購(gòu)買(mǎi)的某公司視覺(jué)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理圖。

圖1 視覺(jué)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理圖

硬件部分講解在實(shí)驗(yàn)室完成，對(duì)著實(shí)驗(yàn)設(shè)備講解各個(gè)部分的工作原理。講解相機(jī)和鏡頭時(shí)，介紹CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)各自存在的優(yōu)缺點(diǎn)，鏡頭的成像原理，畸變產(chǎn)生的原因及焦距、成像尺寸、分辨率、光圈（通光量）、工作距離、視角等參數(shù)的含義和相互關(guān)系。相機(jī)通過(guò)螺栓安裝在支架上，位置和高度可通過(guò)滑軌和手輪進(jìn)行調(diào)節(jié)，支架可移動(dòng)。講解光源時(shí)介紹環(huán)形光源的優(yōu)點(diǎn)，分析視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)中常見(jiàn)的3種光照方式以及優(yōu)缺點(diǎn)。環(huán)形光源的高度和亮度也是可以調(diào)節(jié)的。讓學(xué)生動(dòng)手調(diào)節(jié)鏡頭的位置、焦距及光源的亮度，使其能清楚地感受到各個(gè)因素對(duì)齒輪圖像清晰度的影響，獲取清楚的齒輪圖像是后續(xù)準(zhǔn)確測(cè)量齒輪參數(shù)的前提條件。講解工作臺(tái)時(shí)，介紹工作臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的工作原理，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過(guò)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器可以細(xì)分步距角，步距角大小可以調(diào)節(jié)，讓學(xué)生多次調(diào)整工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度，參考相機(jī)視野水平線(xiàn)，保證齒輪中心與相機(jī)中心重合。講解圖像采集卡時(shí)可以打開(kāi)機(jī)箱讓學(xué)生近距離觀察其形狀和連接方式，選擇圖像采集卡時(shí)需要考慮與相機(jī)之間的匹配度。當(dāng)選擇連續(xù)采集模式時(shí)，需要圖像采集卡的存儲(chǔ)空間足夠大，也可以選擇能對(duì)圖像進(jìn)行壓縮的圖像采集卡。工作臺(tái)安裝有傳感器，當(dāng)零件轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，給出電信號(hào)觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行圖像采集，在生產(chǎn)線(xiàn)上可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集。使用OpenCV軟件給學(xué)生演示整個(gè)測(cè)量過(guò)程并讓學(xué)生自己操作測(cè)量軟件，讓其直觀地感受整個(gè)操作流程和測(cè)量方法。最后給學(xué)生介紹測(cè)量系統(tǒng)在生產(chǎn)線(xiàn)上的應(yīng)用，使用分揀機(jī)構(gòu)將不合格的齒輪進(jìn)行剔除，將合格的齒輪傳送到下一個(gè)工位，可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的理解。

2.2 齒輪齒距偏差參數(shù)視覺(jué)測(cè)量教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施

被測(cè)齒輪實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 被測(cè)齒輪實(shí)物圖

講解測(cè)量系統(tǒng)的常用的標(biāo)定元件：量塊、圓形標(biāo)定板及棋盤(pán)格標(biāo)定板，讓學(xué)生了解各種標(biāo)定元件的材質(zhì)、精度和使用方法。選擇長(zhǎng)度尺寸和齒輪大小接近的標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定，在測(cè)量之前讓學(xué)生拍攝20張棋盤(pán)格標(biāo)定板圖像，將其導(dǎo)入MATLAB 圖像處理工具箱中對(duì)相機(jī)參數(shù)屬性進(jìn)行標(biāo)定，并調(diào)用相關(guān)函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行矯正，消除畸變的影響，讓學(xué)生直觀地感受鏡頭畸變對(duì)圖像產(chǎn)生影響。矯正完圖像后向?qū)W生展示像素當(dāng)量的標(biāo)定過(guò)程，選擇圓形標(biāo)定板對(duì)像素當(dāng)量進(jìn)行標(biāo)定，選擇圓形標(biāo)定板4個(gè)頂點(diǎn)和中心點(diǎn)共5個(gè)圓點(diǎn)，提取5個(gè)圓點(diǎn)的亞像素邊緣，利用最小二乘法擬合得到5 個(gè)圓直徑值，計(jì)算得到5個(gè)像素當(dāng)量，最后求其均值得到最終的像素當(dāng)量，讓學(xué)生了解實(shí)際尺寸和像素尺寸的比例關(guān)系。在測(cè)量之前驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性精度，使用標(biāo)定像素當(dāng)量的5個(gè)圓點(diǎn)的圓心坐標(biāo)，進(jìn)行10次測(cè)量，采用貝塞爾公式得到其標(biāo)準(zhǔn)差和不確定度，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差和不確定度讓學(xué)生直觀地了解測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖像的預(yù)處理和參數(shù)測(cè)量算法使用MATLAB 軟件完成。在課堂上先給學(xué)生講解各種預(yù)處理方法的原理，講解完成后讓學(xué)生在課堂上練習(xí)，理論和實(shí)操相結(jié)合，使學(xué)生對(duì)整個(gè)課程產(chǎn)生濃厚的興趣，提高其學(xué)習(xí)積極性。圖像的預(yù)處理包括灰度化、濾波去噪、二值化、形態(tài)學(xué)處理和邊緣檢測(cè)等。首先選擇灰度轉(zhuǎn)換函數(shù)將采集到的RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖，其次讓學(xué)生選擇中值濾波、高斯濾波和均值濾波對(duì)圖像濾除噪聲，對(duì)比各種濾波方式的效果。接著采用Otsu算法對(duì)閾值進(jìn)行選取，將圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像。然后讓學(xué)生選擇Canny算子、Robert 算子、Log 算子和Prewitt 算子等像素級(jí)邊緣檢測(cè)算子和Zernike 矩亞像素級(jí)邊緣檢測(cè)算子提取齒輪輪廓邊緣，比較像素級(jí)和亞像素級(jí)邊緣檢測(cè)算子檢測(cè)效果的不同，讓學(xué)生直觀地感受像素和亞像素之間的區(qū)別。最后調(diào)用邊界跟蹤函數(shù)獲取齒輪輪廓邊緣點(diǎn)坐標(biāo)，為后續(xù)設(shè)計(jì)算法測(cè)量相關(guān)參數(shù)做好了準(zhǔn)備。邊界跟蹤圖像見(jiàn)圖3。

圖3 邊界跟蹤圖像

講解測(cè)量算法之前將學(xué)生分為若干組，提示編程思路后讓每組學(xué)生在下次上課時(shí)展示自己的測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行討論。齒輪中心點(diǎn)是測(cè)量其他參數(shù)的基準(zhǔn)，選擇Hough變換和最小二乘法對(duì)齒輪中心點(diǎn)坐標(biāo)和中心孔半徑進(jìn)行測(cè)量，讓學(xué)生對(duì)比兩種方法的準(zhǔn)確性。計(jì)算所有齒廓邊緣點(diǎn)到安裝孔中心點(diǎn)的距離值，分別提取其中最大、最小各50個(gè)值，計(jì)算其平均值得到齒頂、齒根圓半徑。測(cè)量齒數(shù)時(shí)繪制齒廓邊緣點(diǎn)到安裝孔中心點(diǎn)距離值的曲線(xiàn)分布圖，選取齒頂圓與齒根圓半徑值之和的均值，在曲線(xiàn)圖中對(duì)應(yīng)高度繪制一條直線(xiàn)，由于一個(gè)齒廓與直線(xiàn)存在兩個(gè)交點(diǎn)，所以統(tǒng)計(jì)交點(diǎn)的個(gè)數(shù)即可得到齒數(shù)。根據(jù)模數(shù)、齒數(shù)和齒頂圓半徑之間的關(guān)系計(jì)算出模數(shù)和分度圓直徑。在上述齒廓邊緣點(diǎn)到安裝孔中心點(diǎn)距離值的曲線(xiàn)分布圖以分度圓半徑為高度繪制一條直線(xiàn)，利用交點(diǎn)信息可以得到分度圓與齒廓邊緣點(diǎn)曲線(xiàn)的交點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)交點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)公式計(jì)算出單個(gè)齒距偏差、k個(gè)齒距累計(jì)偏差、齒距累計(jì)總偏差。上述編程過(guò)程對(duì)部分學(xué)生來(lái)說(shuō)可能較為困難，可以通過(guò)小組合作以及教師指導(dǎo)等方式完成程序編程，最終實(shí)現(xiàn)齒輪齒距偏差參數(shù)的測(cè)量。齒距偏差測(cè)量示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 齒距偏差測(cè)量示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

采用理實(shí)一體化的教學(xué)方式教授《機(jī)器視覺(jué)》這門(mén)課程，讓機(jī)械專(zhuān)業(yè)研究生能夠更好地理解課程內(nèi)涵，提高了學(xué)習(xí)研究的興趣，鍛煉了實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。從近幾屆研究生教學(xué)評(píng)價(jià)來(lái)看效果較好，后續(xù)會(huì)增加缺陷檢測(cè)等案例，讓學(xué)生深層次地掌握機(jī)器視覺(jué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)并初步具備開(kāi)發(fā)工程應(yīng)用案例的能力。