□ 耿 磊 肖志濤 張 芳 王 佳 李亞茹

機器視覺是通過光學裝置與傳感器自動獲取一個物體的圖像，借助于計算機強大的運算能力對圖像進行處理，來獲取所需信息或控制機器運動的一門技術(shù)。目前，機器視覺已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中，從零件尺寸測量、工件缺陷檢測到字符識別、追蹤定位，都有不同種類的視覺系統(tǒng)在工作。視覺系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展使得越來越多的高校開設(shè)該課程，但傳統(tǒng)的教學模式側(cè)重于理論，與企業(yè)實際需求脫軌，必須進行改革以適應工業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

隨著國家2025戰(zhàn)略的實施，我國的制造者面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)，“創(chuàng)新”被提到了一個前所未有的高度。在工業(yè)轉(zhuǎn)型的過程中，智能制造成為企業(yè)的著手點。其中，機器視覺被廣泛應用到新建立的生產(chǎn)線或提升改造的生產(chǎn)線中，機器視覺被賦予替代人工、提升生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的重任。目前，機器視覺相關(guān)的技術(shù)，比如單目測量、雙目測量、結(jié)構(gòu)光測量及相關(guān)的光源、相機、傳感器等被廣泛應用，可高效、低成本的解決復雜及枯燥重復的生產(chǎn)工藝。

在修改培養(yǎng)方案的過程中，根據(jù)企業(yè)反饋和就業(yè)導向，“機器視覺”課程被放入2016級的培養(yǎng)計劃中，因此就面臨該課程教學內(nèi)容、教學大綱及創(chuàng)新教學方法如何滿足企業(yè)需求等迫在眉睫的問題。根據(jù)前期的調(diào)研，各個學校對該課程的教學內(nèi)容不盡相同，但培養(yǎng)目標基本是面向企業(yè)實際應用。但普遍面臨的問題是：注重理論教學，實踐教學相對偏弱；教學內(nèi)容不能與案例結(jié)合，難以激發(fā)學生的學習興趣；課程編程語言選擇與企業(yè)要求有差異，影響學生就業(yè)選擇；實驗設(shè)備老舊，不能與最新技術(shù)的發(fā)展同步。

圍繞以上存在的問題，本課題將深入分析“機器視覺”課程體系，研究各大高校課程教學內(nèi)容，聯(lián)系行業(yè)內(nèi)企業(yè)具體需求，完善該課程的理論教學內(nèi)容、實踐教學內(nèi)容、教學大綱及教學方法，這對促進該課程教學的開展、培養(yǎng)符合企業(yè)需求的人才具有重要的意義。

一、改革目標

隨著機器視覺應用范圍的不斷擴大，將“機器視覺”課程引入高校教學中，可以使學生接觸到更加先進、更具有實用性的技術(shù)，同時也為以后其他學科的研究提供基礎(chǔ)。機器視覺屬于交叉學科，內(nèi)容涉及廣，在編寫算法時需要一定的數(shù)學基礎(chǔ)，若僅注重理論教學，則容易脫離實際。因此，在教學過程中采用以機器視覺理論為基礎(chǔ)，實際應用為核心的教學理念。在教學中應盡量避免煩瑣的公式推導，并結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)案例，以面向企業(yè)實際應用為培養(yǎng)目標。

學生通過該課程可以學習到圖像處理、機器視覺以及智能檢測方面的知識，同時通過綜合設(shè)計性實踐題目培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。在掌握了基本而又較全面的機器視覺、智能檢測方面的知識后，提升學生從事相關(guān)行業(yè)的競爭力。

二、具體實施方案

首先，優(yōu)化傳統(tǒng)教學內(nèi)容，調(diào)研企業(yè)應用，增加密切聯(lián)系實際的內(nèi)容，培養(yǎng)學生的學習興趣。然后，根據(jù)教學內(nèi)容設(shè)計教學大綱。最后，調(diào)研企業(yè)選定研發(fā)語言和平臺，設(shè)計實踐教學內(nèi)容。

1.教學內(nèi)容篩選。機器視覺是一門強調(diào)理論與實踐相結(jié)合的學科，具有較強的可操作性、工具性。在傳統(tǒng)的教學中，高校往往通過課堂理論講授和圖像算法分析的方法進行授課，并且考核內(nèi)容側(cè)重于理論知識的掌握。這就導致學生們無法將理論知識應用在實際問題中，遇到問題時常常不知所措。

通過對現(xiàn)有教學內(nèi)容“重理論，輕實踐”的反思，探索出機器視覺課程應采取 “精講多練，注重實踐”的原理，堅持教學內(nèi)容少而精的原則，形成“從典型到一般，從理論到應用”的教學思路。因此，教學內(nèi)容應該覆蓋視覺系統(tǒng)基礎(chǔ)理論、應用案例、動手實踐等幾個方面。學生通過理論講解掌握機器視覺的基本知識，借助于工業(yè)應用案例了解其使用方法，最后在綜合性實踐項目中培養(yǎng)解決實際應用問題的能力。

2.教學編程語言選擇。OpenCV，HALCON與Matlab都有機器視覺相關(guān)的功能，HALCON與OpenCV都是函數(shù)庫，提供了多種編程語言訪問的接口。不同在于：HALCON可以用C，C++，C#，Visual basic和Delphi等語言訪問，OpenCV提供了Python、Ruby、MATLAB等語言的接口。OpenCV側(cè)重計算機視覺領(lǐng)域，HALCON側(cè)重機器視覺領(lǐng)域。HALCON是商業(yè)軟件，而OpenCV可以在商業(yè)和研究領(lǐng)域中免費使用。

HALCON是德國MVtec公司開發(fā)的一套圖像處理庫，由一千多個獨立的函數(shù)以及底層的數(shù)據(jù)管理核心構(gòu)成，其靈活的架構(gòu)便于機器視覺、醫(yī)學圖像和圖像分析應用的快速開發(fā)。

HALCON的函數(shù)庫包含了各類濾波、幾何校正、數(shù)學轉(zhuǎn)換、形態(tài)學計算、測量、形狀匹配等基本的幾何與影像計算功能，應用范圍涵蓋了醫(yī)學、遙感探測、安保監(jiān)控以及工業(yè)上的各類自動化檢測，企業(yè)在實際生產(chǎn)中廣泛選擇HALCON作為機器視覺的編程軟件。因此，在高?！皺C器視覺”課程中選擇HALCON作為編程語言，可以使學生在以后的學習和就業(yè)中做得更好。

3.實踐教學的探索。“機器視覺”是一門實踐性很強的課程，該課程強調(diào)理論與實踐相結(jié)合，在教學過程中不僅要求學生掌握機器視覺方面的基本概念、基本原理和方法，更注重對各種工業(yè)領(lǐng)域的應用，培養(yǎng)學生獨立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的實際動手能力。因此，應該避免傳統(tǒng)教學方法中課題理論講授和算法分析相結(jié)合的教學方法，并克服考核內(nèi)容以對理論知識的掌握為側(cè)重點的考核方法。突出本課程作為一種工程應用為主導的實踐性、應用型特點，將實踐教學提到了更加重要的位置。擬采取以下的措施：明確任務，教師實現(xiàn)向?qū)W生說明將要完成的任務的內(nèi)容、要求和注意事項；學生嘗試完成任務，在完成過程中記錄出現(xiàn)的問題，并向教師提出問題；教師對相關(guān)基礎(chǔ)知識進行講解；學生重新認識問題，解決問題，記錄未解決的問題，并修改解決方案；教師與學生共同討論完成任務的過程中遇到的問題、今后遇到類似的問題要如何處理、如何把學到的知識運用到實踐中去。

4.教學實踐。為了突出“機器視覺”課程應用型的特點，課程實驗采用小組的形式進行：4～8名學生根據(jù)興趣任意組成小組，并從教師給定的幾種實驗項目中選擇一種作為研究方向，通過收集資料、數(shù)據(jù)采集、編程實踐、系統(tǒng)調(diào)試等過程最終完成該項目。綜合性實驗項目可以采用以下所示：

實驗一：字符識別實驗。學生通過相機拍攝工件上印刷字符的圖片，編寫算法對字符進行識別，并將識別結(jié)果自動顯示在字符區(qū)域的上方。

實驗二：距離測量實驗。該實驗需要學生測量某件物體的二維尺寸，涉及圖像獲取、標定、邊緣提取、測量等步驟，可以很好地幫助學生掌握機器視覺技術(shù)。

實驗三：形狀分類實驗。學生需要將一幅圖片中不同形狀的物體區(qū)分開，并在每個物體下方標注出其所屬的類別和判斷的概率。

面向企業(yè)的“機器視覺”課程改革，立足于企業(yè)的實際用人需求，側(cè)重于加強學生的創(chuàng)新實踐能力，使學生通過這門課程的學習掌握多學科、多領(lǐng)域的知識，并在此過程中不斷提高解決問題的能力、知識創(chuàng)新的能力以及團隊協(xié)作的能力。本文的創(chuàng)新之處在于在教學過程中不僅要求學生掌握機器視覺方面的基本概念、基本原理和方法，更注重其在各種工業(yè)領(lǐng)域的應用，培養(yǎng)學生獨立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的實際動手能力。

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