周　越，　李　響

(上海交通大學 計算機視覺與模式識別研究所, 上海 200240)

0　引　言

現(xiàn)有的數(shù)字圖像處理課程實驗大多是在計算機上運行的程序示例[1-3]，雖然學生可以自由進行代碼編寫、調(diào)試，利用互聯(lián)網(wǎng)獲取豐富資源，但是實驗設(shè)計往往都以單純掌握一個算法為目的，而且只是注重算法結(jié)果，并不能培養(yǎng)學生應用算法解決問題的能力。在這種模式下，很難實現(xiàn)圖像處理課程對學生解決問題、獲取資源、合作溝通等多種能力培養(yǎng)的支撐[4]。因此有必要開發(fā)一款圖像處理的實驗平臺，配合以成果為導向的課程設(shè)計，將圖像處理算法應用到實際工程中，增加學生對圖像處理算法的直觀認識，培養(yǎng)學生使用算法解決復雜系統(tǒng)問題的能力，增強學生對圖像處理的興趣與好奇心[5-7]。

1　實驗平臺整體設(shè)計

隨著搭載觸摸屏的智能設(shè)備逐漸普及，運行的軟件、游戲也日漸豐富、廣為流傳。其中一些游戲不僅本身具有很強的趣味性，也非常適合應用圖像處理等技術(shù)，實現(xiàn)計算機自動攻略游戲。本平臺便以此目的設(shè)計，提供從圖像處理到觸屏操作的一整套實驗平臺，實驗平臺的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1　實驗平臺結(jié)構(gòu)框圖

在本實驗平臺中，使用一臺PC作為上位機，目的為攻略一臺觸屏設(shè)備(Android或iOS系統(tǒng))上的游戲。上位機通過局域網(wǎng)、USB等方式連接到觸屏設(shè)備，獲取設(shè)備顯示的實時影像，通過圖像處理等相關(guān)算法生成對設(shè)備的操作指令，發(fā)送到通過USB連接的實驗平臺執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)將按照指令點擊、拖動觸屏設(shè)備，完成一個周期的操作。

在該實驗平臺中，學生只需關(guān)注圖像處理算法，即可快速搭建可用的系統(tǒng)，非常適合作為圖像處理課程的課程設(shè)計開展。結(jié)合硬件，特別是自動攻略手機、平板電腦上的游戲，相對于傳統(tǒng)的圖像處理實驗，對學生有較大的吸引力。

2　觸屏交互部分硬件設(shè)計

為了模擬人與觸屏設(shè)備的交互，本平臺設(shè)計了如圖 2的執(zhí)行機構(gòu)。該機構(gòu)使用12 V直流電源(配置220 V電源轉(zhuǎn)換器)，通過通用串行總線(USB)與上位計算機通信，可以模擬人單指對觸屏的點擊、拖動等操作。

圖2　觸屏操作設(shè)備的設(shè)計渲染圖

機構(gòu)框架由2020與2040鋁合金型材組合而成，配合厚亞克力板組成可以在平面兩個方向的滑動的行走機構(gòu)。行走機構(gòu)由共計3臺42步進電機驅(qū)動，最高速達到80 mm/s，使用同步輪與同步帶定位，往復精度優(yōu)于0.2 mm。行走機構(gòu)最末端配置執(zhí)行器滑塊，承載觸摸器。觸摸器由直線往復式電磁鐵與觸摸筆組合而成，電磁鐵通電時帶動觸摸筆降下，實現(xiàn)對觸屏的點擊等操作。

機構(gòu)底層控制使用開源硬件Arduino CNC控制板[8]，該控制板配合搭載ATMega328芯片的ArduinoNano開發(fā)板，可以將通過USB傳輸?shù)纳衔粰C指令轉(zhuǎn)化為運動控制信號。通過A4983驅(qū)動芯片開發(fā)板輸出調(diào)制好的步進電機驅(qū)動信號，控制3臺步進電機與電磁鐵執(zhí)行相應操作。ArduinoNano開發(fā)板上搭載了開源嵌入式運動控制軟件Grbl，將USB傳輸?shù)姆螱-code標準的上位機指令解析為各個引腳上的PWM信號，再通過驅(qū)動電路解析為步進電機的脈沖信號。整個機構(gòu)的底層控制結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

圖3觸屏操作設(shè)備各部件連接圖

機構(gòu)運作時，將含觸屏的智能設(shè)備放在上層面板上，調(diào)整設(shè)備與觸筆之間的高度并對齊坐標系原點，將機構(gòu)打開接入上位機之后，即可通過上位機對機構(gòu)發(fā)出指令，實現(xiàn)對觸屏的點擊、拖動等操作。

整套機構(gòu)設(shè)計時使用開源硬件與軟件，使用的各零件絕大部分為符合行業(yè)標準的通用件，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于使用和維護，同時達到了可觀的性能，適合大量采購，滿足大規(guī)模課堂教學的需求，該執(zhí)行機構(gòu)已獲國家實用新型專利授權(quán)(專利號2016201772460)。

3　實驗平臺軟件設(shè)計

為了配合實驗平臺的執(zhí)行機構(gòu)運作，維持整個實驗平臺發(fā)揮作用，上位機運行實驗平臺軟件。該軟件按照C++11標準編寫，使用開源版QT組成圖形顯示界面及輔助功能。軟件主體包括三部分：串口通信模塊，圖像輸入模塊和圖像處理模塊。

串口通信模塊負責上位機與前文介紹的執(zhí)行機構(gòu)的通訊，通過USB連接之后建立虛擬串口，通過不斷發(fā)送符合G-code的串口指令，即可實現(xiàn)對機構(gòu)的控制。該模塊包含串口驅(qū)動與G-code翻譯模塊，可以將使用者對機構(gòu)的運動意圖翻譯為設(shè)備可理解的協(xié)議代碼并發(fā)送。其他模塊也可以通過此模塊使得機構(gòu)作出相應運動。本模塊的配套界面如圖 4所示，左側(cè)為日志窗口，便于開發(fā)者了解程序運行狀態(tài)與執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)；右側(cè)除了基本的連接/斷開按鈕之外，還集成了簡單的運動控制界面，方便使用者對執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)進行調(diào)試。

圖4串口通信模塊界面

圖像輸入模塊負責將智能設(shè)備上的圖像輸入程序，便于圖像處理模塊進行判讀操作。軟件設(shè)計兼容Android與iOS雙平臺：在第三方軟件、服務的配合下，這兩個系統(tǒng)的設(shè)備屏幕上的視頻影像都可以輸入到本程序中。圖 5演示了圖像輸入模塊的軟件界面，在本界面使用者可以方便選擇輸入影像的設(shè)備，并對影像參數(shù)進行調(diào)整。同時軟件還支持將當前系統(tǒng)中的窗口作為視頻源輸入，提高了軟件使用的自由度。

在使用沼肥時，尤其要注意肥分損失的問題。據(jù)測定，沼液肥施于地表，不覆土，2 d后銨態(tài)氮損失達50%以上。沼渣肥在露天堆放曬干，全氮損失65%左右，氨態(tài)氮損失87%[3]。所以，在施用沼肥后，應作覆土處理或加入過磷酸鈣，以減少肥分的損失。取出的沼渣最好用草皮泥進行堆制，以減少肥分散失。

圖5圖像輸入模塊界面

圖像處理模塊是本平臺的核心模塊，也是參與課程的學生唯一需要重點關(guān)注的軟件模塊。該模塊承接圖像輸入模塊導入的圖像，通過學生自行設(shè)計的圖像處理算法，得到對當前圖像的判讀、處理結(jié)果，繼而向串口通信模塊發(fā)送指令，指揮執(zhí)行機構(gòu)進行期望的操作。

軟件使用C++開發(fā)，便于調(diào)用OpenCV等圖像處理類庫[9-11]，方便學生不失效率地進行圖像處理操作；使用如QT[12]、FFMPEG[13]等廣為人知的開源類庫，方便學生查找相關(guān)資源；同時各個模塊各自獨立，編碼風格統(tǒng)一，學生僅需關(guān)注圖像處理模塊即可實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能，適合學生快速實現(xiàn)自己的想法，開發(fā)可以達到課程設(shè)計要求的項目。

實驗平臺軟件依照GPL3.0協(xié)議開源，項目地址https://github.com/LostXine/qtCyberDIP。

4　應用成果

依托本文介紹的實驗平臺開展數(shù)字圖像處理課程設(shè)計，伴隨圖像處理課程教學改革并作為成果導向教育的中最為重要的環(huán)節(jié)，已經(jīng)投入了兩個學年的教學使用。在實際應用過程中，該平臺以優(yōu)秀的性能，豐富的拓展性和極高的自由度，獲得了絕大多數(shù)參與課程學生的認同與積極參與。學生基于該平臺，應用課堂上學到的甚至自學的圖像處理知識，開發(fā)出了豐富多彩的游戲攻略軟件，實現(xiàn)了一批如色彩數(shù)獨、拼圖、植物大戰(zhàn)僵尸等游戲的自動攻略項目。與此同時，學生切實感受到了圖像處理技術(shù)的神奇，加深了對課程的理解，培養(yǎng)了自己的動手能力與解決復雜系統(tǒng)問題的能力，在OBE理念[14-15]的指導下踐行了圖像處理課程對畢業(yè)能力的支撐。在平臺實際使用過程中，學生總結(jié)并分享了很多設(shè)備運用的小技巧，也提出了一些設(shè)備改進的意見與建議，這些不僅將作為實驗課程持續(xù)改進的重要來源，也從側(cè)面體現(xiàn)出學生對課程設(shè)計的積極參與，體現(xiàn)出本實驗平臺對課程建設(shè)的價值。

5　結(jié)　語

針對傳統(tǒng)圖像處理實驗形式單一、內(nèi)容抽象、不注重應用等問題，本文從軟硬件兩個方向共同開發(fā)了基于觸屏交互的圖像處理實驗平臺。通過該平臺學生可以實現(xiàn)對手機、平板電腦等觸屏設(shè)備的可控操作，整套平臺成本低廉，使用維護方便，可靠性高，依托該平臺開展的圖像處理游戲自動攻略課程設(shè)計，既提供了應用圖像處理技術(shù)的契機，使學生可以切實體會到圖像處理技術(shù)在實際工程中的應用；又不失趣味性，不斷引導、激勵學生自主學習、合作溝通，在實驗進行中達到培養(yǎng)能力的目的。本實驗平臺支撐圖像處理課程教學改革兩年時間，涌現(xiàn)出很多優(yōu)秀的學生作品，受到了學生廣泛認可，很好地服務了教學改革的課程設(shè)計環(huán)節(jié)，為今后課程教法的持續(xù)升級奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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