針對圖像識別技術(shù)的仿真教學(xué)平臺建設(shè)

劉國光等??

摘要：

通過指導(dǎo)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目，開發(fā)了基于圖像處理技術(shù)的道面損傷識別軟件，結(jié)合室外模型實驗開發(fā)了道面數(shù)字圖像畸變糾偏程序，建立了基于圖像識別技術(shù)的仿真教學(xué)平臺。教學(xué)平臺包括室外實驗、圖像處理和結(jié)果處理三部分，為學(xué)生提供了獨立實踐機會，在促進學(xué)生更扎實地掌握理論知識的同時，還鍛煉了實際工作中所需技能。仿真教學(xué)平臺技術(shù)先進，功能完備，是科研成果向教學(xué)工具轉(zhuǎn)化的典型實例，體現(xiàn)了卓越工程師培養(yǎng)的要求。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；圖像識別；道面損傷；教學(xué)平臺

中圖分類號：G6424文獻標(biāo)志碼：A文章編號：

10052909（2015）02015204

在機場工程領(lǐng)域，場道管理的水平影響著機場運行的安全，因此，識別影響場道安全的道面損傷是場道工程和機場運行管理等課程教學(xué)的重要內(nèi)容，同時也是學(xué)生畢業(yè)后從事機場管理工作的重要工作任務(wù)。

教學(xué)實踐為了同工程應(yīng)用相結(jié)合，先后提出了數(shù)字化管理系統(tǒng)[1]和基于云技術(shù)的新型實驗教學(xué)平臺[2]，并已進行了相關(guān)研究探索。以提高道面損傷狀況識別效率為目的，進一步探索了圖像識別技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用。

目前，在圖像識別研究方面，交通行業(yè)利用Radon變換進行傾斜車牌圖像校正，實現(xiàn)了在傾斜、有污點、光照不均和車牌邊框不清晰等現(xiàn)象下的車牌校正[3]，利用擴展兩步法降低了交通事故視頻噪音，達到了交通事故快速處理的目的[4]。印刷行業(yè)針對PCB電路板的圖像校正，提升了PCB彩色掃描機視覺系統(tǒng)的圖像質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性[5]。焊接行業(yè)利用圖像傅里葉變換實現(xiàn)了對熔池圖像的特征加強，并利用傅里葉逆變換實現(xiàn)了熔池圖像的分割和邊緣檢測[6]。土木工程行業(yè)利用混凝土CT圖像的幾何校正，實現(xiàn)了對混凝土內(nèi)細觀裂縫的提取[7]。相關(guān)研究成果為進行圖像識別的教學(xué)和實踐應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

筆者

結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目的指導(dǎo)實踐，通過室內(nèi)試驗和軟件開發(fā)，建立了圖像識別技術(shù)仿真教學(xué)平臺，將圖像識別技術(shù)應(yīng)用于機場道面管理的教學(xué)研究。

一、道面圖像提取的實驗設(shè)計

（一）測試用道面板制作

圖像識別在很多情況下易受光線噪音等因素的影響，在圖像校正過程中，主要是對圖像進行識別校正分析，以提取理想的圖像特征、圖像紋理等信息。因此，為獲得典型的、用于計算機分析的道面損傷標(biāo)準(zhǔn)圖像，可利用白板紙人工繪制典型損傷。首先在白板紙邊緣繪制黑色線條用以模擬道面板的接縫，然后將繪有不同損傷的白板紙拼接，最后在白板紙上繪制道面典型損傷，見圖1和圖2。

（二）利用數(shù)碼相機獲得道面數(shù)字圖像

為便于后期順利還原與真實情況相一致的圖像，在用數(shù)碼相機進行數(shù)據(jù)采集時，要注意數(shù)碼相機的曝光時間、光圈大小、感光速率等因素。同時，還要注意數(shù)碼相機采集照片的角度、相機高度、數(shù)碼相機垂直中心到道面板邊緣的距離，從而得出數(shù)碼相機拍攝后采集圖像與真實圖像的遠近比例，并分析真實道面板的長寬和采集圖像中道面板長寬之間的關(guān)系。

因此，在相機傾角和高度固定的前提下，移動相機，改變同拍攝目標(biāo)的距離，獲得不同視域的圖像（為節(jié)約篇幅，僅列部分），見圖3—圖6。

二、圖像處理分析實驗設(shè)計

（一）道面圖像的計算機識別及特征加強

在圖像處理過程中，先對采集到的圖像進行位圖文件轉(zhuǎn)換，在處理變換域圖像時對圖像長寬像素都有要求，必須為2的冪次方。因此，在圖像處理之前要將其轉(zhuǎn)變?yōu)? 024×1 024的位圖文件。

在實驗中，圖像處理方式主要有圖像灰度化處理、灰度圖像負值變換、灰度圖像二值化處理、傅里葉變換、哈爾小波變換、哈爾小波反變換、高頻系數(shù)置零、硬閾值去噪處理、軟閾值去噪處理、離散余弦變換、離散余弦反變換、大津閾值分割、交換式閾值分割、形態(tài)學(xué)二值腐蝕、形態(tài)學(xué)二值膨脹、形態(tài)學(xué)灰度腐蝕、形態(tài)學(xué)灰度膨脹等幾種圖像處理方式，其他的處理方式在這里暫不考慮，之后通過調(diào)整對比度、曝光度等，與現(xiàn)有圖像處理方式進行對比，見圖7、圖8。讓參與實驗的學(xué)生從不同的圖像處理方式中尋找能明顯判斷道面損傷類型的特征破壞圖像。

（二）道面圖像畸變糾偏

實驗中采用的數(shù)碼相機，其視角是一個變化區(qū)間。因此，在進行實驗設(shè)計時，從采集的圖像本身出發(fā)，先確定采集圖像的遠近比例關(guān)系，再根據(jù)比例確定道面板邊緣長度，從而計算兩個道面板側(cè)邊相交的焦點、還原角的大小。根據(jù)還原角大小直接進行圖像還原，再根據(jù)被采集道面板的長寬比，使還原圖像達到真實道面板的情況，得出真實的道面板損傷狀況，對比圖像見圖9和圖10。

三、圖像識別技術(shù)的仿真教學(xué)平臺建設(shè)

在上述實踐基礎(chǔ)上，提出了圖像識別技術(shù)的仿真教學(xué)平臺，其實驗流程見圖11。

實驗包括室外實驗、室內(nèi)實驗和結(jié)果處理三部分。

第一部分室外實驗通過標(biāo)準(zhǔn)道面的制作，讓學(xué)生認(rèn)識機場道面的損傷類型，掌握損傷評價的方法。通過數(shù)碼相機對標(biāo)準(zhǔn)道面進行標(biāo)準(zhǔn)損傷采集，然后對真實道面進行圖像采集。最后運用課堂所學(xué)知識，對觀察到的損傷進行數(shù)字采集。

第二部分室內(nèi)實驗是在上述室外實驗基礎(chǔ)上，利用開發(fā)的圖像識別和處理軟件，對比所采集的真實道面損傷特征值和標(biāo)準(zhǔn)道面損傷特征值，進而確定道面損傷類型和程度，糾正理論學(xué)習(xí)中的錯誤，加深對理論學(xué)習(xí)的理解。

第三部分結(jié)果處理綜合了理論分析和圖像處理階段的成果，進一步分析道面損傷類型和程度，制定相應(yīng)的道面維護方案，進行相應(yīng)處理后，模擬處理效果，再次進行道面損傷圖像采集。

仿真教學(xué)平臺以工程素質(zhì)和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)為核心，從民航應(yīng)用型人才的實際出發(fā)，促進知識運用和實踐能力協(xié)調(diào)發(fā)展，具有如下特色。

（1）構(gòu)建了平臺加模塊、理論加應(yīng)用、必修加選修、實驗加實踐、專業(yè)加特長、課內(nèi)與課外相結(jié)合的實驗實踐教學(xué)模式。從能力培養(yǎng)上分為基本實驗技能、綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力三個層次，從功能上分為室外實驗、室內(nèi)實驗和結(jié)果處理三個模塊。

（2）通過仿真教學(xué)平臺，提高了學(xué)生在“看、算、設(shè)、做、測、處”等方面的綜合能力，教會了學(xué)生在場道工程管理過程中要“能看懂、會計算、會設(shè)計”，對道面損傷模型要“會制作、會測試、會處理”，從而把所學(xué)的基本理論與工程實踐相結(jié)合。仿真教學(xué)平臺促進了學(xué)生對理論知識的理解，同時強化了學(xué)生的應(yīng)用能力，縮短了與工程實踐應(yīng)用的距離。

（3）仿真教學(xué)平臺建立了“三接軌”的實驗教學(xué)改革思路，即實驗教學(xué)與工程接軌，實驗教學(xué)與行業(yè)接軌，實驗教學(xué)與科研成果接軌。采用室內(nèi)實驗與工程現(xiàn)場相結(jié)合的手段，遵循理論結(jié)合工程實際的思路，體現(xiàn)現(xiàn)代工程師教育綜合發(fā)展的教育理念，立足建設(shè)民航機場工程專業(yè)特色教育體系的同時，將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)手段，滿足了學(xué)生對實踐應(yīng)用知識與能力的需求。

四、結(jié)語

基于圖像處理技術(shù)并結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目開發(fā)了道面損傷識別軟件和道面數(shù)字圖像畸變糾偏程序，并建立了基于圖像識別技術(shù)的仿真教學(xué)平臺。讓學(xué)生直接參與道面損傷數(shù)字化管理的工程實踐中，掌握最新的機場道面管理方法，在加深理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，提高了動手能力和實踐能力，為提高學(xué)生畢業(yè)后的工作能力提供了支持。參考文獻：

[1] 易瑩，張毅，張詩夢，等. 數(shù)字化管理系統(tǒng)現(xiàn)狀及其在民航機場場道檢測中的應(yīng)用[J]. 黑龍江科技信息，2012（32）： 32.

[2] 劉國光，武志瑋，易瑩，等. 基于云技術(shù)的新型實驗教學(xué)平臺開發(fā)[J]. 高等建筑教育， 2014， 23（1）： 127-129.

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[7] 丁衛(wèi)華，雷曼，等.混凝土CT圖像的幾何校正[J]. CT理論與應(yīng)用研究，2012，21（2）：255-261.

Abstract：

By directing the training programs of innovation and entrepreneurship for undergraduates， a pavement surface damage recognition software based on image processing technology was developed. Field experiments were carried out and pavement digital image distortion correction procedures were established. A simulating education platform based on image recognition technology was developed. The simulation education platform included three parts， which were the field experiments， the image processing， and the result processing. It can provide opportunities to undergraduates to practice independently， which can help them to master the theoretical knowledge better and learn necessary practical skills of work. The simulation education platform had advanced technology and multiple functions， which was an excellent example of transforming the scientific research achievements to the educational tool. It also reflected the requirements of excellent engineer education.

Keywords： experimental teaching； image recognition； pavement damage；education platform

（編輯周沫）