黃洪明，劉衛(wèi)莊，吉?jiǎng)偻?/p>

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

科普活動(dòng)是提高公眾科學(xué)素質(zhì)的重要途徑，提高科普活動(dòng)的互動(dòng)性和參與性是科普活動(dòng)面臨的重要問(wèn)題。傳統(tǒng)的科普方式往往采用靜態(tài)展示和講解的方式，難以滿足現(xiàn)代觀眾的需求。隨著科技的進(jìn)步，一些高科技設(shè)備被引入到科普活動(dòng)中，例如VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)）、AR（Augmented Reality，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）等。但是，這些設(shè)備往往需要專業(yè)的操作和維護(hù)，成本較高。因此，提出一種基于AI 圖像識(shí)別技術(shù)的動(dòng)態(tài)科普裝備設(shè)計(jì)方案，該裝備利用AI 圖像識(shí)別技術(shù)自動(dòng)識(shí)別觀眾的互動(dòng)行為，并根據(jù)識(shí)別結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整科普展品機(jī)構(gòu)的動(dòng)作狀態(tài)，提高了科普活動(dòng)的互動(dòng)性和參與性。同時(shí)，該裝備具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足大多數(shù)科普活動(dòng)的需求。

1 系統(tǒng)概述

基于AI 圖像識(shí)別技術(shù)的動(dòng)態(tài)科普裝備是一種全新的科普展示系統(tǒng)（圖1）。主要由計(jì)算機(jī)、顯示屏、攝像頭、伺服電機(jī)、光電傳感器、PLC 控制系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)采用先進(jìn)的AI 圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)時(shí)捕捉彈射亞克力圓片的彈射軌跡，根據(jù)識(shí)別結(jié)果動(dòng)態(tài)反饋所在區(qū)域信息，并實(shí)時(shí)傳輸給PLC 控制系統(tǒng)，PLC 控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)擺動(dòng)角度阻擋亞克力圓片入框。這種閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠讓觀眾互動(dòng)操作10 次基本有9 次都不能將亞克力圓片彈射到目標(biāo)框中，偶爾的一次機(jī)會(huì)也是程序有意為之，讓觀眾十打九不中，在展示AI 圖像識(shí)別技術(shù)精準(zhǔn)性的同時(shí)，也為觀眾提供更加豐富、有趣的科普體驗(yàn)。這種設(shè)計(jì)思路增強(qiáng)了科普展品互動(dòng)的挑戰(zhàn)性，同時(shí)也激發(fā)了觀眾的好奇心和探索欲望。

圖1 科普裝備展示

2 AI 圖像識(shí)別技術(shù)原理

AI 是通過(guò)模擬人類智能的技術(shù)，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠像人一樣具備某些能力。其中人工智能視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展助力于識(shí)別圖像和物體，為人類提供更智能的解決方案。

AI 圖像識(shí)別技術(shù)的工作原理主要是對(duì)圖像的處理和分析，以識(shí)別其中的特定內(nèi)容（圖2）。系統(tǒng)通過(guò)攝像頭捕捉獲取圖像數(shù)據(jù)，一旦識(shí)別到區(qū)域動(dòng)態(tài)的物體或行為，AI 軟件就對(duì)圖像進(jìn)行必要的預(yù)處理，如去噪、增強(qiáng)對(duì)比度、縮放等[2]。進(jìn)而進(jìn)行特征提取，從預(yù)處理后的圖像中提取關(guān)鍵特征，如顏色、形狀、紋理等。最后進(jìn)行模型訓(xùn)練，大量的標(biāo)記采集圖形的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和識(shí)別。

圖2 AI 圖像識(shí)別技術(shù)原理

3 動(dòng)態(tài)科普裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)科普裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要由設(shè)備的硬件和軟件兩大部分組成。通過(guò)合理的硬件和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)科普裝備可以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的運(yùn)行，提供豐富、有趣的科普體驗(yàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分考慮實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和需求，注重結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性和可維護(hù)性。同時(shí)，結(jié)合AI 圖像識(shí)別技術(shù)的特點(diǎn)，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和有效性。

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)固的機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)（鈑金臺(tái)體），用于安裝和固定所有的硬件設(shè)備。這個(gè)結(jié)構(gòu)要足夠堅(jiān)固，能夠承受設(shè)備的重量和可能的振動(dòng)。對(duì)于顯示器及攝像頭的功能位置，設(shè)計(jì)一個(gè)門框型支架，安裝在鈑金臺(tái)體上，攝像頭鏡頭向下，所采集圖像區(qū)域設(shè)置在臺(tái)體表面。阻擋圓形亞克力圓片的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在操作臺(tái)體的對(duì)面，設(shè)計(jì)伺服電機(jī)的支架及連接機(jī)構(gòu)、對(duì)射傳感器支架及亞克力擋板等機(jī)構(gòu)。形態(tài)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

AI 圖像識(shí)別技術(shù)動(dòng)態(tài)科普裝備的電氣設(shè)計(jì)要確保裝備正常運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械機(jī)構(gòu)的精確控制。同時(shí)，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)，用于接收和處理來(lái)自AI 圖像識(shí)別技術(shù)的指令，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)擺桿機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的動(dòng)作。該系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、攝像頭、顯示屏、PLC 控制器、伺服電機(jī)及對(duì)射傳感器等組成。

3.2.1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選擇合適的電源類型，這里選用輸入AC 220 V，輸出DC 24 V，功率為100 W 的直流電源。直流電源具有濾波、穩(wěn)壓、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)等功能，為裝備提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)，電源系統(tǒng)原理如圖4 所示。

圖4 電源系統(tǒng)原理

3.2.2 信號(hào)處理與傳輸

使用攝像頭捕捉亞克力圓片的位置信息，在捕捉到圖像后，需要進(jìn)行預(yù)處理步驟、圖像大小調(diào)整、對(duì)比度和亮度調(diào)整，以改善圖像質(zhì)量，使其更適合后續(xù)的圖像分割和特征提取步驟。這些信息以圖片的形式捕捉存儲(chǔ)，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便進(jìn)行后續(xù)處理。系統(tǒng)通過(guò)特定的通信協(xié)議（串行通信）將信息位置傳輸給PLC控制器（圖5）。PLC 控制器將根據(jù)接收到的信息執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作或操作。

圖5 信號(hào)處理流向

3.2.3 控制電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)需要綜合考慮多種因素，包括控制目標(biāo)、控制精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、可擴(kuò)展性等。根據(jù)控制目標(biāo)，確定系統(tǒng)的主要參數(shù)，如輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性指標(biāo)等。選擇合適的傳感器和執(zhí)行器，滿足目標(biāo)控制需求，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和傳感器、執(zhí)行器的特性，設(shè)計(jì)合適的控制電路，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)控制。系統(tǒng)電路原理如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)電路原理

3.3 軟件設(shè)計(jì)

AI 圖像識(shí)別系統(tǒng)是對(duì)圖像的智能分析、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)和效果展示。圖像分析主要由圖像采集單元、智能分析檢測(cè)單元、信號(hào)傳遞和設(shè)備控制單元組成。AI 圖像識(shí)別系統(tǒng)與PLC 控制器進(jìn)行交互，PLC 控制器接收到亞克力圓盤的位置信息后，根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯算法，控制伺服電機(jī)進(jìn)行角度擺動(dòng)。光電傳感器檢測(cè)到亞克力圓片通過(guò)界線時(shí)，PLC 會(huì)觸發(fā)一個(gè)信號(hào)，使機(jī)械臂移動(dòng)到相應(yīng)的位置進(jìn)行操作，系統(tǒng)并觸發(fā)一段音效與觀眾交互。

這個(gè)過(guò)程可以分為6 個(gè)主要步驟：①攝像頭捕捉：使用攝像頭捕捉亞克力圓片的位置信息，并將其進(jìn)行記錄存儲(chǔ)；②圖像處理：捕捉到的圖像，進(jìn)行圖形預(yù)處理，包括圖像大小、圖像對(duì)比度、圖像亮度的調(diào)整，為后續(xù)的圖像分割做準(zhǔn)備；③圖像分割：將圖像劃分為多個(gè)區(qū)域或?qū)ο螅ㄟ^(guò)AI 算法識(shí)別分割出亞克力圓片的位置；④特征提取：在圖像被成功分割后，提取有關(guān)亞克力圓片的特征，包括圖片的形狀、大小、顏色和紋理。存儲(chǔ)這些特征用于后續(xù)的識(shí)別和匹配；⑤位置信息的傳輸：系統(tǒng)識(shí)別和匹配完成后，通過(guò)串行通信的方式將位置信息傳輸給PLC 控制器，PLC 控制器根據(jù)接收的相應(yīng)信息執(zhí)行動(dòng)作；⑥與PLC 控制器的交互：PLC 控制器接收到AI 系統(tǒng)上位機(jī)的數(shù)據(jù)信息，控制伺服電機(jī)動(dòng)作，使擋板機(jī)構(gòu)進(jìn)行角度位置的控制。

整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程，涉及到計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)，需要相應(yīng)的算法和PLC 控制器的邏輯控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，AI 圖像識(shí)別技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在科普裝備領(lǐng)域，基于AI 圖像識(shí)別技術(shù)的動(dòng)態(tài)科普裝備設(shè)計(jì)為觀眾帶來(lái)了更加豐富、互動(dòng)和沉浸式的科普體驗(yàn)[3]。本文重點(diǎn)介紹基于AI 圖像識(shí)別技術(shù)的動(dòng)態(tài)科普裝備設(shè)計(jì)方案，包括硬件和軟件兩個(gè)方面。通過(guò)AI 圖像識(shí)別技術(shù)的使用為科普裝備的發(fā)展注入了新的活力，利用先進(jìn)技術(shù)，可以更加生動(dòng)、直觀地向觀眾傳遞科學(xué)知識(shí)，提高公眾的科學(xué)素養(yǎng)。