付貴忠 ,牛福洲 ,陳 浩 ,曹自洋 ,沈曄湖 ,謝 鷗
(蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215009)
德國提出的“工業(yè)4.0”概念強(qiáng)調(diào)將物理世界和數(shù)字世界融合,通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等技術(shù)實現(xiàn)智能制造。智能制造涉及人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù),在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。智能制造可以促使企業(yè)更加注重技術(shù)創(chuàng)新、品牌建設(shè)和高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)[1]。智能包含的能力包括感知能力、學(xué)習(xí)能力、推理能力、語言能力和協(xié)作能力等,而其中智能化的感知能力是非常重要的一環(huán),機(jī)器視覺因其非接觸、成本低、效率高和可重復(fù)性高等優(yōu)點作為智能化感知的重要實現(xiàn)方式,在眾多行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。為了更好地培養(yǎng)滿足新時代智能制造產(chǎn)業(yè)需求的人才,在人才教育和培養(yǎng)的過程中需要針對性地做好機(jī)器視覺專業(yè)素質(zhì)的相關(guān)培養(yǎng)[2]。
機(jī)器視覺專業(yè)人才培養(yǎng)方式如圖1所示,其中人才培養(yǎng)定位為以康耐視、基恩士和德創(chuàng)等機(jī)器視覺企業(yè)的典型崗位需求為目標(biāo),人才培養(yǎng)課程包括“數(shù)字圖像處理”“機(jī)器視覺”“機(jī)器/深度學(xué)習(xí)”和“編程語言”等,在人才培養(yǎng)的過程中引入應(yīng)用型項目實踐、團(tuán)隊參與領(lǐng)域競賽、行業(yè)專家講座和機(jī)器視覺企業(yè)參觀等重點項目。
圖1 機(jī)器視覺專業(yè)人才培養(yǎng)方式
機(jī)器視覺指機(jī)器代替人眼來做測量和判斷,是計算機(jī)科學(xué)和人工智能領(lǐng)域的一個重要分支,涉及使計算機(jī)能夠模仿人類視覺系統(tǒng)的能力,從圖像或視頻數(shù)據(jù)中提取信息、分析場景、識別對象等。“機(jī)器視覺”課程通常涵蓋機(jī)器視覺的基礎(chǔ)理論、圖像處理技術(shù)、模式識別和深度學(xué)習(xí)等。
目前,高校在機(jī)器視覺和數(shù)字圖像處理方面用的教材包括:1)《Digital Image Processing》,作者為Rafael C. Gonzalez和Richard E. Woods;2)《數(shù)字圖像處理》,即Digital Image Processing的中譯版,阮秋琦等譯;3)《數(shù)字圖像處理的MATLAB實現(xiàn)》,作者為Rafael C. Gonzalez,Richard E. Woods,Steven L. Eddins,阮秋琦譯;4)《計算機(jī)視覺教程》,作者為章毓晉;5)《數(shù)字圖像處理》,卡斯?fàn)柭?,朱志剛等譯。以上教材內(nèi)容十分豐富,但是在自動化、電氣和儀器等專業(yè)的培養(yǎng)方案中,“機(jī)器視覺”課程一般不是專業(yè)的核心課程,課程內(nèi)容的豐富性有時會受到學(xué)時的限制[3]。在授課教師講授課程時,主要講解的內(nèi)容會選擇圖像的基礎(chǔ)知識、基礎(chǔ)算法、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、邊緣檢測和圖像分割等應(yīng)用較廣的章節(jié),而對很多比較重要的內(nèi)容沒有詳細(xì)的講解,如圖像恢復(fù)/校正/修補(bǔ)、圖像去霧/雨、圖像重建、圖像編碼和目標(biāo)識別等內(nèi)容,這些內(nèi)容有些是和行業(yè)中的實際需求相關(guān)的。
岡薩雷斯的《數(shù)字圖像處理》教材及其譯本,教材較為經(jīng)典,受到廣泛使用。作為近年來快速發(fā)展的技術(shù)之一,機(jī)器視覺的理論內(nèi)容、新方法和新設(shè)備等都有了很大的發(fā)展。但在選擇經(jīng)典版本書籍作為教材時,存在滯后性,由于機(jī)器視覺教材的編寫時間較早,如《數(shù)字圖像處理》教材已經(jīng)編寫完成十余年,教材內(nèi)容可能無法涵蓋相關(guān)領(lǐng)域最新的研究進(jìn)展和技術(shù),尤其是在快速發(fā)展的機(jī)器視覺領(lǐng)域,導(dǎo)致學(xué)生無法了解機(jī)器視覺領(lǐng)域最新的發(fā)展趨勢和相關(guān)前沿知識,一些教材中的內(nèi)容變得過時或不再適用,這可能導(dǎo)致學(xué)生在實際應(yīng)用中面臨困難[4]。
相關(guān)教師在授課時主要集中在基礎(chǔ)理論上,少量的例題也是對理論進(jìn)一步闡述,缺少和實際任務(wù)需求相關(guān)的例題。這導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中常常會出現(xiàn)理論與實踐脫節(jié)的情況[5],學(xué)生在掌握理論知識時會局限在書本講述的內(nèi)容,而無法和實際情況聯(lián)系起來。例如講解圖像去噪的時候,教材中主要講解利用各種模板進(jìn)行圖像的去噪,關(guān)于噪聲的產(chǎn)生作了一定的介紹,但是在給出需要處理的含噪圖片時,并沒有給出實際情況下的自然含噪圖片,而是通過人工合成方式生成含噪圖片,這不利于學(xué)生形成對實際有噪聲圖像的直觀印象和培養(yǎng)學(xué)生對圖像處理的能力。因此,當(dāng)學(xué)生畢業(yè)工作后面臨實際工程問題時,他們會局限于書本中的圖像去噪方案,而不能因地制宜地根據(jù)被研究對象的物體特性、光學(xué)特性、數(shù)據(jù)生成形式和環(huán)境影響等因素設(shè)計圖像去噪算法。
機(jī)器視覺在多個行業(yè)中都有很廣泛的應(yīng)用,包括制造業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)和交通等,多學(xué)科的交叉和融合現(xiàn)象較強(qiáng),因此需要具備多學(xué)科專業(yè)知識來解決實際的工程問題。在傳統(tǒng)的板書和PPT教學(xué)模式中,更加側(cè)重于理論知識的展示,對實際應(yīng)用問題的背景闡述、問題剖析和研究方案的設(shè)計內(nèi)容較少。一些經(jīng)典教材可能沿用傳統(tǒng)的教學(xué)方法和教學(xué)風(fēng)格,可能不夠貼近現(xiàn)代學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和方式。這可能影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和理解深度。在部分院校中有一定的上機(jī)實驗課,但是上機(jī)實驗課的課時較少,實驗的內(nèi)容也僅是書本中的例題,實驗部分的成績對最終評定影響較小,因而學(xué)生對這一部分的重視度不夠。
學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中,學(xué)習(xí)興趣和積極性不高,認(rèn)真聽課率不高。復(fù)習(xí)準(zhǔn)備考試的過程中,學(xué)生只能面對理論的內(nèi)容反復(fù)記憶背誦以通過考試。最后雖然學(xué)生通過了考試,但是從本課程中獲取的專業(yè)知識并不能夠滿足實際的工作需要,這樣的教學(xué)方式自然不能達(dá)成專業(yè)的教學(xué)目標(biāo)和畢業(yè)目標(biāo)。參加工作后需要在工作中摸索完成工作所需要的內(nèi)容。
針對機(jī)器視覺教材選用存在的不足,教師應(yīng)該充分意識到這些缺點,并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣韽浹a(bǔ)。首先,選擇國內(nèi)外最新的機(jī)器視覺和圖像處理方面的教材作為主要參考資料,再提供一些經(jīng)典的書籍給學(xué)生作為輔助參考資料,學(xué)生可以通過主要參考教材了解最新且成熟的技術(shù),課后通過輔助參考教材補(bǔ)充了解上課老師沒講或者自己沒理解的內(nèi)容。雖然在教學(xué)中可以選擇較新的教材,但是教材從編寫到出版一般也是需要最少一兩年,其中的相關(guān)技術(shù)不會一直保持最新的狀態(tài)。因此,在講解到相應(yīng)的內(nèi)容時,教師可以通過引用最新的研究文獻(xiàn)、技術(shù)博客、行業(yè)報告等資料,將教材內(nèi)容與機(jī)器視覺最新的研究進(jìn)展聯(lián)系起來,以幫助學(xué)生了解機(jī)器視覺領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢和前沿知識。
考慮到現(xiàn)有的“機(jī)器視覺”課程教學(xué)更加側(cè)重于理論知識的學(xué)習(xí),實踐性的內(nèi)容偏少,因此可以針對現(xiàn)有的教學(xué)大綱進(jìn)行一定的調(diào)整[6]。首先,在常規(guī)教學(xué)中引入實際的案例和問題,讓學(xué)生在課堂上分析和解決真實世界中的機(jī)器視覺問題。這可以幫助他們將理論知識應(yīng)用到實際情境中。項目組曾經(jīng)以停車場車牌號識別、答題卡分?jǐn)?shù)判別和農(nóng)作物成熟度檢測作為案例進(jìn)行分析與講解,停車場車牌號識別和答題卡分?jǐn)?shù)判別均為學(xué)生學(xué)校日常生活中能夠接觸到的場景。因此學(xué)生在學(xué)習(xí)時不會感到陌生,反而相當(dāng)一部分同學(xué)會感興趣這些案例背后的原理。在講解農(nóng)作物成熟度檢測的時候,需要展示實際的機(jī)器視覺應(yīng)用示范視頻,一步一步地解釋其原理和實現(xiàn)過程,形成直觀的過程。機(jī)器視覺在農(nóng)業(yè)項目應(yīng)用中番茄成熟度檢測的結(jié)果展示如圖2所示,可以看到學(xué)生通過番茄成熟度項目研究,對三種成熟度的番茄都獲得了較準(zhǔn)確的檢測結(jié)果,學(xué)生的動手和實踐能力得到驗證。因此,可以鼓勵學(xué)生使用開源的圖像處理庫,如OpenCV以及深度學(xué)習(xí)框架,讓他們能夠快速構(gòu)建和測試機(jī)器視覺模型。利用實驗平臺或在線工具,讓學(xué)生在模擬環(huán)境中進(jìn)行圖像處理和機(jī)器視覺實驗,幫助他們熟悉實際操作步驟。此外,學(xué)科競賽成為當(dāng)前大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要載體[7],目前機(jī)器視覺在各個領(lǐng)域的項目和競賽都很多,我國的一些機(jī)器視覺領(lǐng)域的比賽如表1所示,可以引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位參加項目和競賽。以阿里云天池大賽為例,大賽一般提供公開的圖像數(shù)據(jù)集,讓學(xué)生嘗試不同的機(jī)器視覺任務(wù),如圖像分類、目標(biāo)檢測等,參賽者可以利用提供的數(shù)據(jù)集,應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)來解決實際問題,展示自己的技能和創(chuàng)新能力。比賽結(jié)束后,對于獲得比賽名次的團(tuán)隊,主辦方還會頒發(fā)證書,這對于參賽團(tuán)隊中的學(xué)生進(jìn)一步深造或者在機(jī)器視覺行業(yè)中工作非常有幫助。
表1 機(jī)器視覺領(lǐng)域競賽
圖2 番茄成熟度檢測項目結(jié)果展示
除了選擇更合適的教材,改進(jìn)教學(xué)方式也很重要。教學(xué)方法的改革不僅需要教師自身針對教學(xué)的成效進(jìn)行分析,還需要教師了解學(xué)生對教學(xué)的評價,鼓勵學(xué)生提供反饋,發(fā)表對教材和教師教學(xué)的看法。根據(jù)學(xué)生的反饋,在下一次上課的時候及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法。除了傳統(tǒng)的教學(xué)方式,還可以實施以下幾種課堂教學(xué)方式。
1)學(xué)生討論。利用機(jī)器視覺技術(shù)解決問題時,往往一個問題可以有多個解決方案,每個解決方案在實施時有很多參數(shù)需要調(diào)整和調(diào)試,在課堂上引導(dǎo)學(xué)生對這些方案和參數(shù)選擇進(jìn)行討論和思考,探討知識在實際情境中的應(yīng)用,分析各自的優(yōu)劣。課堂上鼓勵學(xué)生提出問題、分享觀點,從而促進(jìn)學(xué)生深入思考。
2)專家演講。和行業(yè)中的專家建立聯(lián)系,邀請機(jī)器視覺行業(yè)專家或從業(yè)者進(jìn)行演講,分享一些實際的項目經(jīng)驗??梢宰寣W(xué)生更好地了解實際問題和需求,學(xué)生針對演講的內(nèi)容更容易提出問題。課后還可以組織學(xué)生去機(jī)器視覺行業(yè)相關(guān)公司走訪參觀。
3)應(yīng)用相關(guān)軟件。在教學(xué)中將機(jī)器視覺的相關(guān)軟件作為教學(xué)工具,如MATLAB。MATLAB軟件具有強(qiáng)大的圖形可視化能力、豐富的內(nèi)置函數(shù)和友好的編程環(huán)境。項目組在教學(xué)準(zhǔn)備過程中編寫相應(yīng)代碼程序作為課本教學(xué)的補(bǔ)充,發(fā)現(xiàn)講解MATLAB軟件代碼及操作時學(xué)生的專注度比講解理論部分更好,證實這種教學(xué)方式的教學(xué)效果更佳。
毋庸置疑,提高人才培養(yǎng)效果關(guān)系到國家智能化、數(shù)字化發(fā)展質(zhì)量和發(fā)展速度[8-10]。為更好地培養(yǎng)滿足新時代智能制造產(chǎn)業(yè)需求的人才,在人才教育和培養(yǎng)的過程中需要針對性地做好“機(jī)器視覺”課程的教學(xué)改革。項目組分析了現(xiàn)有的“機(jī)器視覺”教學(xué)過程中出現(xiàn)的教材偏陳舊、課程內(nèi)容工程實踐性不強(qiáng)和教學(xué)方式單一等問題,并提出了相應(yīng)的教學(xué)改革方案,以更好地滿足新時代人才教育和培養(yǎng)方面的需求。