機械專碩“機器視覺原理與應(yīng)用”教學案例庫建設(shè)

王中任　陳科鵬　肖光潤　趙榮麗

[摘 要] 案例庫建設(shè)與應(yīng)用對于機械工程專業(yè)學位研究生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有重要意義。在分析“機器視覺原理與應(yīng)用”課程特點及案例教學需求的基礎(chǔ)上，探討了“機器視覺原理與應(yīng)用”教學案例庫的建設(shè)思路及架構(gòu)，構(gòu)建了視覺測量、缺陷檢測、目標跟蹤、機器人視覺、3D視覺、深度學習等6個技術(shù)專題的智能制造教學案例庫，給出了典型案例的設(shè)計過程及主要內(nèi)容。教學實踐結(jié)果表明，機器視覺案例得到了學生的普遍認可，激發(fā)了學生學習的積極性，可以滿足專業(yè)學位研究生“機器視覺原理與應(yīng)用”課程的教學需求。

[關(guān)鍵詞] 專業(yè)學位研究生;機器視覺;案例庫;案例教學

[基金項目] 2020年度湖北文理學院研究生教育工程項目“‘機器視覺原理與應(yīng)用’優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)”（YZL202007）

[作者簡介] 王中任（1974—），男，湖北黃梅人，博士，湖北文理學院機械工程學院教授，副院長，主要從事智能制造與機器視覺研究;陳科鵬（1988—），男，湖北麻城人，博士，湖北文理學院機械工程學院講師，主要從事機器視覺技術(shù)研究;肖光潤（1987—），男，湖北宜城人，博士，湖北文理學院機械工程學院講師，主要從事機器視覺技術(shù)研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）11-0053-04 [收稿日期] 2021-08-23

引言

專業(yè)學位具有相對獨立的教育模式，以產(chǎn)教融合培養(yǎng)為鮮明特征。美國、德國、日本和瑞士等發(fā)達國家高度重視專業(yè)學位發(fā)展，有力支撐其社會發(fā)展[1]。專業(yè)學位研究生的培養(yǎng)目標以培養(yǎng)滿足特定行業(yè)需求為特色的應(yīng)用型和復合型人才。具體而言，機械工程專業(yè)學位研究生要面向特定行業(yè)和產(chǎn)業(yè)需求，培養(yǎng)具有堅定理想信念、高尚道德情操和健全人格，具備綜合運用所學專業(yè)理論知識和實踐技能，解決工程實際中有關(guān)技術(shù)問題能力的應(yīng)用型、復合型、高層次的工程技術(shù)人才。從專業(yè)技術(shù)層面看，專業(yè)學位研究生需要具備較強的創(chuàng)新意識和實踐動手能力，在本領(lǐng)域的某一方向具有獨立從事工程設(shè)計與運行、分析與集成、研究與開發(fā)、管理與決策等能力。因此，專業(yè)學位研究生培養(yǎng)的師資、課程設(shè)置、教學方式方法和實踐體系建設(shè)方面均有別于學位研究生，其中案例教學作為一種教學方式對提高教學質(zhì)量具有重要作用。

教育部發(fā)布的《關(guān)于加強專業(yè)學位研究生案例教學和聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)的意見》（教研〔2015〕1號）中指出：案例教學是以學生為中心，以案例為基礎(chǔ)，通過呈現(xiàn)案例情境，將理論與實踐緊密結(jié)合，引導學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，從而掌握理論、形成觀點、提高能力的一種教學方式。加強案例教學是強化專業(yè)學位研究生實踐能力培養(yǎng)、推進教學改革、促進教學與實踐有機融合的重要途徑，是推動專業(yè)學位研究生培養(yǎng)模式改革的重要手段。近年來，專業(yè)學位研究生案例教學已經(jīng)從人文社科和醫(yī)學專業(yè)向工科類專業(yè)發(fā)展，并且越來越受到重視。

針對機械工程專業(yè)碩士研究生案例教學中出現(xiàn)的矛盾和問題，王家忠以“自動化智能化制造單元與系統(tǒng)實例”教學實踐為例，提出化解矛盾的做法[2]。李艷針對機電一體化原理及應(yīng)用課程教學的案例庫建設(shè)方法，基于機電一體化的共性關(guān)鍵技術(shù)建立其課程教學案例庫，提出集先進性、實用性和前沿性為一體的有關(guān)機電一體化課程規(guī)范化的教學案例庫建設(shè)方法，以及案例教學、實踐活動、實現(xiàn)應(yīng)用等相互融合的案例教學實踐思想[3]。

在智能制造和機器視覺相關(guān)課程的案例教學研究方面，王福斌以煤氣混合過程智能多變量解耦控制系統(tǒng)為研究對象，構(gòu)建了“智能控制”課程案例教學庫，并給出了案例教學效果的保障措施[4]。陳章寶開展了圖像處理課程中深度學習的案例教學研究，在圖像特征提取與模式識別環(huán)節(jié)引入深度學習的方法，通過結(jié)合理論介紹與代碼，實現(xiàn)從單層感知機模型、多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，給出了深度學習的漸進式教學案例設(shè)計[5]。

本文以機械工程專業(yè)學位研究生“機器視覺原理與應(yīng)用”課程教學案例庫構(gòu)建及應(yīng)用為例，在分析課程特點及案例教學需求的基礎(chǔ)上，探討“機器視覺原理與應(yīng)用”教學案例庫建設(shè)的思路和架構(gòu)，結(jié)合實踐基地建設(shè)，給出了典型案例的設(shè)計過程及其教學應(yīng)用效果。

一、課程特點及案例教學思路

近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和智能制造的快速發(fā)展，機器視覺技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，學習并掌握機器視覺技術(shù)已經(jīng)成為機械專業(yè)碩士研究生就業(yè)和創(chuàng)業(yè)的核心競爭力之一。因此，面向機械工程專業(yè)碩士研究生，開設(shè)“機器視覺原理與應(yīng)用”專業(yè)方向課程，具有重要意義。然而，該課程理論性強、多學科交叉特點鮮明、學生基礎(chǔ)參差不齊、研究生學習主動性不足，這些都是目前課程教學中的突出問題?！皺C器視覺原理與應(yīng)用”課程的主要目標有三個：（1）使專業(yè)學位碩士研究生了解國內(nèi)外機器視覺發(fā)展的最新研究成果，以及機器視覺在典型行業(yè)中的應(yīng)用;（2）使研究生掌握機器視覺基本概念、基本理論和主要算法;（3）使研究生具備運用理論和方法解決實際機器視覺問題的能力。

作為一門前沿理論與先進技術(shù)緊密結(jié)合的課程，為實現(xiàn)課程教學目標，必須在教學內(nèi)容的組織和授課形式上創(chuàng)新，既要講授前沿的理論知識，如圖像識別、注意力機制、深度學習等，又要針對視覺測量、機器人視覺定位、缺陷檢測、瑕疵檢測、目標跟蹤、三維視覺等先進技術(shù)的應(yīng)用進行講解和剖析。因此，不斷積累與完善的課程案例庫是開展案例教學的基本保證?！皺C器視覺原理與應(yīng)用”課程教學案例庫將以大量源于企業(yè)實際的工程案例引導研究生主動獲取專業(yè)知識，并鍛煉其多方面的能力，改變了傳統(tǒng)的依靠教師講授的單一模式，促進了教師與學生、學生與學生之間的交流與互動。然而，機器視覺作為不斷發(fā)展完善的新興技術(shù)，在理論與實踐結(jié)合方面還有很長的路要走，不同行業(yè)、不同企業(yè)在工程案例實施的路徑與著力點也各不相同。因此，在教學過程中只有結(jié)合實際，收集、整理、提煉工程案例，并有針對性地進行剖析和講解，才能實現(xiàn)課程的教學目標。以案例為基礎(chǔ)，通過呈現(xiàn)案例的真實工程情境，將理論與實踐緊密結(jié)合，引導研究生從案例中發(fā)現(xiàn)問題，并學會分析和解決問題，進而掌握理論、形成觀點、提高實踐能力。這種教學過程有利于研究生實踐能力的培養(yǎng)，同時有助于研究生形成討論交流、團隊合作的意識，了解新時期對實用型高級工程技術(shù)人才的實際需求。因此，將針對機械工程專業(yè)學位研究生的“機器視覺原理與應(yīng)用”課程引入案例教學法，逐步建立內(nèi)容豐富、體系完善的案例庫是非常有必要的，不僅有助于培養(yǎng)解決問題的能力，還契合了機械專業(yè)學位研究生的人才培養(yǎng)目標。

二、案例庫總體設(shè)計和典型案例

（一）“機器視覺原理與應(yīng)用”案例庫總體設(shè)計

機器視覺是一種利用機器和攝像頭模仿人眼對目標物進行測量與識別的技術(shù)。具體來說，機器視覺主要利用計算機模擬人的視覺功能，從獲取的圖像中提取特征信息，并對特征信息加以分析，最終顯示分析結(jié)果或根據(jù)分析結(jié)果執(zhí)行相關(guān)動作。綜上分析，機器視覺分為三個組成部分：圖像采集部分、算法處理部分、動作執(zhí)行部分。盡管機器視覺應(yīng)用場景各異，但都包括圖像采集、圖像處理、特性提取、判決和控制等四個過程。首先通過圖像采集系統(tǒng)捕獲目標圖像，再利用圖像處理算法提取圖像中的關(guān)鍵信息，從而實現(xiàn)尺寸測量、缺陷檢測或分類識別等。機器視覺系統(tǒng)的主要特征包括：重復性、精確性、客觀性、成本低等。因此，機器視覺系統(tǒng)的內(nèi)涵包括：機器人與非標機械技術(shù)、機器視覺硬件技術(shù)、機器視覺軟件技術(shù)。

從工程應(yīng)用來看，機器視覺既適用于大批量生產(chǎn)過程中的測量、檢測和識別，也適合多品種小批量生產(chǎn)中的測量、檢測與識別。除了工業(yè)生產(chǎn)過程檢測之外，還有農(nóng)業(yè)、安防、交通等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，機器視覺技術(shù)的應(yīng)用場景包羅萬象、五花八門，要搜集所有的工程應(yīng)用案例是不可能的，需要從技術(shù)層面對機器視覺技術(shù)進行歸納和分類，以便按典型專題和關(guān)鍵技術(shù)整理案例庫。通過課程學習，較好地掌握了綜合技術(shù)，這是課程的教學目標和任務(wù)。

根據(jù)課程內(nèi)涵、教學目標和任務(wù)，可以將課程劃分為機器視覺基礎(chǔ)理論和專題技術(shù)兩個方面。其中基礎(chǔ)理論包括：機器視覺硬件原理與應(yīng)用、機器視覺中的圖像預處理算法、機器視覺中的特征提取算法、機器視覺中的圖像匹配算法、機器視覺中的攝像機標定算法;專題技術(shù)包括視覺模式識別原理與應(yīng)用、視覺測量原理與應(yīng)用、視覺跟蹤原理與應(yīng)用等。

（二）“機器視覺原理與應(yīng)用”典型案例

以視覺測量為例，介紹案例的設(shè)計過程和主要內(nèi)容。

1.簡介。簡介中給出案例的基本信息，用于明確案例所針對的教學目標、課程知識點及分析該案例所需的相關(guān)理論知識，包括案例所涉及的基本概念、關(guān)鍵技術(shù)及知識點、案例主要內(nèi)容及其解決方案等。摘要不僅能夠為教師開展案例教學提供必要的背景性信息，還方便學生根據(jù)課程內(nèi)容從案例庫中選擇合適的案例進行自學。視覺測量技術(shù)專題案例簡介的主要內(nèi)容為：視覺測量是把圖像作為檢測和傳遞信息的手段或載體加以利用，從圖像中提取有用的信號，通過處理圖像而獲得所需的各種參數(shù)。視覺測量系統(tǒng)是以機器視覺為基礎(chǔ)，融光電子學、計算機技術(shù)、激光技術(shù)、圖像處理技術(shù)等現(xiàn)代科學技術(shù)為一體，由光、機、電和軟件等組成的綜合測量系統(tǒng)，具有非接觸、全視場測量、高精度和自動化程度高等特點。視覺測量案例介紹了二維視覺測量和三維視覺測量的原理及技術(shù)進展，介紹了多窗口工件視覺測量、雙遠心視覺測量和數(shù)控銑刀磨損結(jié)構(gòu)光三維測量三個典型應(yīng)用。本案例作為視覺測量技術(shù)的典型應(yīng)用，可為研究生提供必要的理論及工程技術(shù)知識，也可為研究生從事相關(guān)項目和產(chǎn)品開發(fā)提供思路借鑒，提升研究生的應(yīng)用創(chuàng)新能力。

2.技術(shù)背景。傳統(tǒng)的視覺測量是二維測量。二維視覺測量儀器由來已久，在很多企業(yè)里又稱為二維影像測量儀或二次元影像測量儀，個別企業(yè)推出了一鍵式瞬測儀，二維測量技術(shù)已經(jīng)成熟并向智能化方向發(fā)展。相比而言，三維視覺測量是計算機視覺與精密測量原理交叉融合的前沿高新技術(shù)，是工業(yè)4.0的基礎(chǔ)支撐，是以網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造為變革特征的先進制造業(yè)的核心關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，三維視覺測量技術(shù)在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究上均獲得了快速深入的發(fā)展，形成了理論方法、技術(shù)工藝、系統(tǒng)研發(fā)和產(chǎn)品應(yīng)用四位一體的較為完備的方向體系，呈現(xiàn)出理論系統(tǒng)化、方法多維化、精度精準化和速度敏捷化的發(fā)展趨勢，成為智能制造過程控制、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗保證和裝備整機服役測試不可或缺的技術(shù)。三維測量包括單相機、雙相機、多相機和結(jié)構(gòu)光等方法，尤其是激光視覺測量方法，在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。因此，在視覺測量部分，不僅要讓學生掌握二維測量技術(shù)，更要與時俱進，通過案例教學讓學生多了解三維測量，尤其是結(jié)構(gòu)光視覺測量技術(shù)。

3.技術(shù)知識點。按照教學大綱，視覺測量的主要技術(shù)知識點有：視覺測量的基本概念、二維視覺測量算法和應(yīng)用、雙目三維測量的算法與應(yīng)用、多目三維測量的算法與應(yīng)用、結(jié)構(gòu)光三維測量的算法與應(yīng)用、光度立體法三維測量原理與應(yīng)用、三維視覺測量的發(fā)展現(xiàn)狀及最新進展。

4.案例分析。根據(jù)給出的案例，從功能性、經(jīng)濟性和使用性三個方面出發(fā)，首先給出項目的總體方案，然后分析項目案例所涉及的硬件和軟件。讓學生參與總體方案和算法流程的設(shè)計與討論，加深對項目案例的理解。

5.圖片、動畫及視頻資料。通過圖片、動畫和視頻資料，能夠直觀地對視覺測量的原理、方法和工程應(yīng)用進行直觀的展示，特別是視頻案例方面，不僅錄制整理了6個實驗室承擔過的企業(yè)項目視覺測量產(chǎn)品視頻，還搜集了9個國內(nèi)外企業(yè)和實驗室的視覺測量項目案例視頻，共15個視頻。

6.案例總結(jié)與討論。每一個機器視覺工程案例都有其工程背景和特點，無論是二維還是三維視覺測量項目案例，都要回歸工程本質(zhì)，不是為了掌握視覺理論算法，而是要創(chuàng)造商品價值。因此，要站在專業(yè)學位研究生的工程創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的高度來總結(jié)，提出一些問題讓學生參與討論。比如：小型零件和大型零件二維測量有什么不同;雙目視覺測量和雙目結(jié)構(gòu)光視覺測量在應(yīng)用效果方面有什么區(qū)別;等等。

三、案例教學的實施和效果分析

本文所述的教學案例庫已在我校機械專業(yè)學位碩士研究生課程“機器視覺原理與應(yīng)用”教學中使用了兩年，并且根據(jù)機器視覺技術(shù)的快速發(fā)展，持續(xù)增加和完善項目案例庫。從教學實施情況看，案例教學對研究生理解機器視覺理論算法起到了重要作用，提高了學習興趣和積極性。在課程考核中，課堂討論和匯報占有一定的比例，讓學生參與項目案例的討論，可以有效提升案例教學的實施效果。在課程論文的布置中，給每組學生布置專題論文，要求學生查閱大量中外文獻，不但要對國內(nèi)外現(xiàn)狀和進展進行綜述，歸納總結(jié)其中的關(guān)鍵技術(shù)，還要求學生查閱工程項目案例，參與到項目案例庫的建設(shè)中，在強化學生學習主體地位的同時提高機器視覺綜合能力。

結(jié)語

“機器視覺原理與應(yīng)用”是一門多學科交叉的、理論性和實踐性都很強的機械工程專業(yè)學位研究生課程。為了實現(xiàn)課程教學目標，必須在教學內(nèi)容的組織和授課形式上創(chuàng)新，既要講授前沿的理論知識，又要講解和剖析先進成像、圖像處理、攝像機標定、機器人視覺等技術(shù)的實踐應(yīng)用。為此，開展了以工程案例為素材、以實踐能力提升為目標的案例教學改革嘗試，構(gòu)建了包括視覺測量、缺陷檢測、目標跟蹤、機器人視覺、3D視覺、深度學習等6個技術(shù)專題的“機器視覺原理與應(yīng)用”教學案例庫，通過視頻、圖片、動畫及項目方案等形式呈現(xiàn)案例的真實工程情境，培養(yǎng)學生工程師的產(chǎn)品設(shè)計素質(zhì)，引導學生自主發(fā)現(xiàn)問題，并學會分析和解決問題，進而鉆研前沿機器視覺理論并提高實踐能力。教學實踐及調(diào)查問卷表明，“機器視覺原理與應(yīng)用”案例教學得到了研究生的普遍認可，激發(fā)了學生的學習興趣。案例有效彌補了課內(nèi)學習的不足，具有覆蓋面廣和可拓展性強的優(yōu)勢，提高了機械工程專業(yè)學位研究生學習“機器視覺原理與應(yīng)用”課程的興趣，提高了研究生的就業(yè)競爭力。

參考文獻

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[5]陳章寶，楊艷，侯勇.數(shù)字圖像處理課程中深度學習的案例教學研究[J].蚌埠學院學報，2019，8（6）：76-80.

Construction of Teaching Case Database of Principle and Application of Machine Vision for Master of Mechanical Engineering

WANG Zhong-ren， CHEN Ke-peng， XIAO Guang-run， ZHAO Rong-li

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Arts and Science， Xiangyang，

Hubei 441053， China）

Abstract： The construction and application of case base is of great significance to the cultivation of practical innovation ability of mechanical engineering professional degree postgraduate students. Based on the analysis of the characteristics of the course of Principles and Applications of Machine Vision and the needs of case teaching， the construction of the teaching case database of this course is discussed. The content includes ideas and architecture， such as intelligent manufacturing teaching case bases of technical topics of visual measurement， defect detection， target tracking， robot vision， 3D vision and deep learning. The results of teaching practice show that the case of machine vision has been widely recognized by students， and students’ learning enthusiasm is stimulated， which can meet the teaching needs of Principles and Applications of Machine Vision for professional degree postgraduates.

Key words： professional degree postgraduate students; machine vision; case database; case teaching