劉力雙,夏潤秋,孟浩,耿蕊,呂勇,劉洋,郎曉萍
(北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京100192)
在工程教育專業(yè)認(rèn)證理念的指引下,為了加強(qiáng)學(xué)生的解決復(fù)雜工程能力的培養(yǎng),對(duì)數(shù)字圖像處理課程進(jìn)行教學(xué)改革,設(shè)計(jì)《數(shù)字圖像處理及應(yīng)用》的理論課和《視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合的教學(xué)體系。理論課環(huán)節(jié)設(shè)置多個(gè)視覺檢測系統(tǒng)相關(guān)的編程大作業(yè),在實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置基于MATLABGUI的視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì),要求對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行視覺檢測,并根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行評(píng)分競賽排名。調(diào)查表明,面向能力培養(yǎng)的教學(xué)改革激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,能主動(dòng)投入較多的時(shí)間精力進(jìn)行課程學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練,提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。
數(shù)字圖像處理;視覺檢測;解決復(fù)雜工程問題;工程實(shí)踐能力
工程教育認(rèn)證理念對(duì)于助推高校持續(xù)深化教育教學(xué)改革,不斷提升我國工科專業(yè)建設(shè)水平與人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要作用[1]。工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求以學(xué)生為中心,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力,也是培養(yǎng)高素質(zhì)工程人才的關(guān)鍵。
數(shù)字圖像處理類課程是信息類專業(yè)本科生重要的專業(yè)課,通過該課程的學(xué)習(xí),學(xué)生能夠理解數(shù)字圖像處理的概念和原理,能夠?qū)D像進(jìn)行各種處理,為模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、以及其他交叉學(xué)科等工程領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。隨著信息及電子技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)字圖像處理技術(shù)已應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化、通信、交通運(yùn)輸、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、材料、航空航天、軍事等各個(gè)領(lǐng)域[2-6]。
數(shù)字圖像處理課程具有理論與實(shí)踐、原理和應(yīng)用緊密結(jié)合的特點(diǎn),學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中,既對(duì)其實(shí)現(xiàn)功能和應(yīng)用前景充滿期待,又對(duì)其深?yuàn)W的理論和繁雜的公式推導(dǎo)喪失興趣。傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理課程教學(xué)方式以教師講授為主,學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受比較被動(dòng),在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)大都以算法效果對(duì)比為主。作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,卻與工程實(shí)踐相脫節(jié)。學(xué)生修完數(shù)字圖像處理課程,理解了數(shù)字圖像處理的基本原理,而對(duì)實(shí)際工程中常用的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)了解較少,不具備設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力,也不具備系統(tǒng)的數(shù)字圖像處理算法程序的編寫能力。
在工程教育的背景下,需要對(duì)數(shù)字圖像處理課程進(jìn)行教學(xué)改革,從實(shí)踐環(huán)節(jié)入手,培養(yǎng)學(xué)生的解決問題的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神,對(duì)加強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力非常必要[7-14]。
北京信息科技大學(xué)一直非常重視學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的《現(xiàn)代電子技術(shù)及應(yīng)用》課程,在前期的教學(xué)改革中,采用“做中學(xué)”的教學(xué)方法,取得了較好的效果。通過對(duì)完成課程學(xué)習(xí)的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查,學(xué)生對(duì)這種方式對(duì)實(shí)踐動(dòng)手能力的訓(xùn)練給予了高度認(rèn)可[15]。
在制定2016版培養(yǎng)方案時(shí),課程教學(xué)小組按照工程教育的理念,加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng),基于“OBE”的教學(xué)理念,以學(xué)生為中心,“引入工程項(xiàng)目,采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)模式來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。將上一版培養(yǎng)方案的《數(shù)字圖像處理》課程改為《數(shù)字圖像處理及應(yīng)用》(32學(xué)時(shí))的理論課程和《視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》(16學(xué)時(shí)+1周)實(shí)踐環(huán)節(jié)。兩個(gè)環(huán)節(jié)在同一學(xué)期開設(shè),相互配合開展。這種教學(xué)體系,以學(xué)生能夠設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)視覺檢測系統(tǒng)為教學(xué)目標(biāo),希望學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)能夠獲得數(shù)字圖像處理理論知識(shí)的同時(shí),能通過自主學(xué)習(xí)動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理算法,達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的目的。
課程體系的教學(xué)目標(biāo)除掌握數(shù)字圖像處理相關(guān)知識(shí)外,還對(duì)學(xué)生的以下能力進(jìn)行訓(xùn)練:①數(shù)字圖像處理相關(guān)工程實(shí)踐的能力,包括設(shè)計(jì)圖像處理算法的能力,將算法轉(zhuǎn)換為程序的能力,調(diào)試程序的能力。②團(tuán)隊(duì)能力。實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)以小組形式進(jìn)行,每組2人,在總結(jié)報(bào)告中給出任務(wù)分工和工作量分配。③撰寫總結(jié)報(bào)告的能力。使學(xué)生具備完成內(nèi)容充實(shí)、格式規(guī)范的總結(jié)報(bào)告的能力。④自主學(xué)習(xí)、查找資料的能力。很多設(shè)計(jì)所需的資料、MATLAB圖像處理的函數(shù)等都需要學(xué)生自行查資料學(xué)習(xí)掌握。
課程教學(xué)內(nèi)容方面增加了視覺檢測系統(tǒng)的選型與設(shè)計(jì)等工程應(yīng)用方面的內(nèi)容,增加了圖像識(shí)別、人工智能方面的較新的熱點(diǎn)內(nèi)容,課程內(nèi)容更側(cè)重于數(shù)字圖像處理的工程應(yīng)用。
課程刪掉了以前效果不夠理想課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),設(shè)置了多個(gè)編程大作業(yè)。大作業(yè)是從專業(yè)特色突出的工程項(xiàng)目中提煉出來的任務(wù),需要學(xué)生投入較多的時(shí)間,并通過自主學(xué)習(xí)來完成作業(yè)要求的圖像處理算法設(shè)計(jì),并對(duì)算法處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
大作業(yè)使學(xué)生由“被動(dòng)聽課”變?yōu)椤爸鲃?dòng)學(xué)習(xí)”和“動(dòng)手編程”,提高了學(xué)生的興趣,提高了講授教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)效果。培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。首次開課設(shè)置的編程大作業(yè)有以下9個(gè)題目。
(1)圖像的點(diǎn)操作和灰度變換。要求自拍一張照片,完成以下數(shù)字圖像處理算法:①顯示圖像的灰度直方圖;②利用MATLAB對(duì)圖像進(jìn)行點(diǎn)操作,選擇合適的閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化;③對(duì)照片臉部提升亮度的操作,給出變化前后的灰度直方圖對(duì)比;④對(duì)照片臉部打馬賽克;⑤對(duì)圖像進(jìn)行直方圖均衡化,給出變化前后的灰度直方圖對(duì)比;⑥灰度變換:分別對(duì)圖像的低灰度值和中間灰度值進(jìn)行擴(kuò)展,壓縮其他區(qū)域,給出變化前后的灰度直方圖對(duì)比。
(2)圖像濾波。要求自拍一張照片,完成以下數(shù)字圖像處理算法:①給圖像分別添加隨機(jī)噪聲和椒鹽噪聲;②采用不同的平滑濾波模板進(jìn)行濾波對(duì)比(不同模板、不同尺寸);③采用中值濾波對(duì)圖像進(jìn)行濾波對(duì)比;④對(duì)添加隨機(jī)噪聲的多幅圖片取平均。要求對(duì)比分析:①不同空間域卷積器模板的濾波效果有何不同?②空間域卷積器模板的大小的濾波效果有何影響?
(3)圖像的邊緣檢測。對(duì)給定圖像完成以下數(shù)字圖像處理算法:①采用Sobel算子、Roberts算子、LOG算子、Canny算子等多種方法處理得到圖像中的邊緣,并進(jìn)行算法的對(duì)比分析(重點(diǎn)對(duì)比Canny算子與其他算子的區(qū)別,分別從算法原理和實(shí)際處理結(jié)果分析);②采用輪廓提取算法處理得到圖像中的邊緣(先閾值分割,將圖像與腐蝕后的圖像相減);③選做:將圖像中的邊緣點(diǎn)輸出到一個(gè)文件中;④選做:實(shí)現(xiàn)邊緣點(diǎn)的亞像素定位算法(從函數(shù)擬合法、灰度矩法等任選一種算法)。
圖1 圖像的邊緣檢測
(4)圖像的頻域處理。對(duì)給定圖像實(shí)現(xiàn)以下數(shù)字圖像處理算法:①顯示圖像頻譜圖;②對(duì)圖像進(jìn)行低通濾波處理,對(duì)比不同參數(shù)時(shí)的處理結(jié)果并分析;③對(duì)圖像進(jìn)行高通濾波處理,對(duì)比不同參數(shù)時(shí)的處理結(jié)果并分析;④對(duì)比不同濾波器的處理結(jié)果并分析;⑤通過對(duì)圖像的頻譜矩陣操作,實(shí)現(xiàn)在圖像中添加某方向的正弦波條紋。
圖2 圖像的頻域處理
(5)彩色圖像處理。①實(shí)現(xiàn)圖像中某區(qū)域的顏色識(shí)別程序,首先實(shí)現(xiàn)讀入計(jì)算機(jī)生成圖片進(jìn)行識(shí)別,然后對(duì)手機(jī)拍攝的色卡照片進(jìn)行識(shí)別,并分析二者的差別;②選擇一幅灰度圖像,添加偽彩色;③選擇一幅彩色圖像,對(duì)圖像進(jìn)行分色處理,再組合為彩色圖像。
(6)視覺檢測圖像處理。①實(shí)現(xiàn)圖3所示圖像的邊緣檢測,并根據(jù)邊緣點(diǎn)擬合直線參數(shù);②實(shí)現(xiàn)圖4所示圖像的邊緣檢測,并根據(jù)邊緣點(diǎn)擬合圓參數(shù);③采用邊緣點(diǎn)擬合的方法對(duì)圖5所示圖像中4條邊的邊長和夾角的計(jì)算(注意邊緣點(diǎn)的直線歸屬判斷);④采用hough變換,實(shí)現(xiàn)圖5所示圖像中4條邊的邊長和夾角的計(jì)算。
圖3 求出圖中直線的參數(shù)
圖4 求出圖中圓的 圓心位置和半徑
圖5 求4條邊的 邊長和相互夾角
(7)視覺檢測圖像處理。①求圖6中光斑的中心坐標(biāo)。采用邊緣擬合法和灰度重心法兩種方法實(shí)現(xiàn),并進(jìn)行對(duì)比分析;②求圖7中光條的中心的位置;③實(shí)現(xiàn)圖像的某一區(qū)域的清晰度評(píng)價(jià),并用實(shí)例測試效果(建議采用梯度向量平方法)。
圖6 求出圖中光斑的 中心位置
圖7 求光條的 中心的位置
(8)圖像清晰度評(píng)價(jià)。①在視覺檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,調(diào)節(jié)相機(jī),拍攝一組從模糊到清晰再到模糊的圖片,選擇一種圖像調(diào)焦評(píng)價(jià)算法,對(duì)該組調(diào)焦過程圖片進(jìn)行調(diào)焦評(píng)價(jià),給出評(píng)價(jià)值,并畫出調(diào)焦評(píng)價(jià)值變化曲線。②選做:理論分析并實(shí)驗(yàn)測試調(diào)焦圖像中邊緣點(diǎn)數(shù)量(高頻信息)和照明亮度對(duì)調(diào)焦靈敏度的影響。
(9)二維視覺檢測系統(tǒng)標(biāo)定。如圖8所示為二維視覺檢測系統(tǒng)采集的掩膜版制作的標(biāo)定板(圓心間距10mm,左下圓心為(0,0)點(diǎn)):①標(biāo)定出圖像中像素與實(shí)際空間的比例變換關(guān)系;②標(biāo)定出兩個(gè)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度;③標(biāo)定出兩個(gè)坐標(biāo)系的變換關(guān)系;④選做:標(biāo)定出圖像的畸變情況。
圖8 二維視覺檢測系統(tǒng)標(biāo)定圖像
《視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》實(shí)踐環(huán)節(jié)與《數(shù)字圖像處理與應(yīng)用》理論課同步開展,在學(xué)期中設(shè)置了16學(xué)時(shí),前期主要任務(wù)是學(xué)習(xí)MATLABGUI界面的編寫,后期是將一些算法在GUI界面上實(shí)現(xiàn),最后1周集中主要是程序調(diào)試、測試、完善、答辯和撰寫報(bào)告。
為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性,實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)除要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)要求的數(shù)字圖像處理程序功能外,還參考2017年中國機(jī)器人大賽先進(jìn)視覺比賽項(xiàng)目的比賽規(guī)則,引入了競賽機(jī)制,制定了詳細(xì)的評(píng)分規(guī)則。定做了不同尺寸參數(shù)的掩膜板作為被測工件,要求學(xué)生給出被測值,將被測值與真值進(jìn)行比較,根據(jù)誤差大小進(jìn)行評(píng)分。根據(jù)最終分?jǐn)?shù)進(jìn)行排序并給出該部分得分。
實(shí)踐環(huán)節(jié)的具體任務(wù)要求為:
(1)采用MATLAB編寫GUI界面,實(shí)現(xiàn)可讀入計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的圖片顯示,以及USB相機(jī)的圖像采集、實(shí)時(shí)顯示和圖像存儲(chǔ)。(功能項(xiàng))
(2)完成視覺檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組建。(功能項(xiàng))
(3)編程實(shí)現(xiàn)圖像調(diào)焦實(shí)時(shí)評(píng)價(jià),并將結(jié)果顯示到界面上。(功能項(xiàng))
(4)實(shí)現(xiàn)采集圖像的濾波算法,包括多圖像平均濾波算法、均值濾波、中值濾波、高斯濾波等,界面可選。(功能項(xiàng))
(5)實(shí)現(xiàn)圖像的直方圖顯示、直方圖均衡化算法。(功能項(xiàng))
(6)實(shí)現(xiàn)圖像的頻譜顯示、高通濾波和低通濾波。(功能項(xiàng))
(7)實(shí)現(xiàn)圖像的顏色識(shí)別,識(shí)別教師指定的10種顏色色卡,并在界面上顯示結(jié)果。(競賽評(píng)分項(xiàng))
(8)實(shí)現(xiàn)邊緣檢測,并在軟件界面上顯示結(jié)果。(功能項(xiàng))
(9)實(shí)現(xiàn)待測工件的標(biāo)定,工件舉例如圖9所示。實(shí)現(xiàn)標(biāo)定程序,并完成系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系的標(biāo)定。(黑框內(nèi)側(cè)邊緣的尺寸已知,橫向邊緣作為X軸方向)(評(píng)分項(xiàng))
圖9 待測工件舉例
(10)實(shí)現(xiàn)圖9所示工件中圖形參數(shù)的計(jì)算,對(duì)測量結(jié)果按照精度進(jìn)行評(píng)分和排名。(注意:測試評(píng)分時(shí),圖形的位置和方位都會(huì)發(fā)生變化)(評(píng)分項(xiàng))
(11)撰寫設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告,對(duì)程序設(shè)計(jì)原理、程序設(shè)計(jì)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。(要求:格式規(guī)范,清晰、有條理地表達(dá)設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)結(jié)果)(報(bào)告評(píng)分)
課程采用了超星公司的學(xué)習(xí)通軟件作為課程在線管理軟件,獲得了較好的效果,“在線簽到”避免了上課考勤浪費(fèi)時(shí)間,在線布置作業(yè)和提交作業(yè)、批改作業(yè)減少了以往交作業(yè)的中間環(huán)節(jié),師生能夠在軟件上直接溝通,特別是對(duì)作業(yè)的及時(shí)反饋,提高了工作效率。
理論課的編程大作業(yè)要求學(xué)生獨(dú)立自主完成,課程組進(jìn)行了嚴(yán)格考核,對(duì)作業(yè)存在的問題進(jìn)行反饋,同時(shí)避免抄襲情況。布置大作業(yè)時(shí),強(qiáng)調(diào)數(shù)字圖像處理的要求,并不指定實(shí)現(xiàn)方法,學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)了各種解決方案,培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。鍛煉了學(xué)生動(dòng)手編程能力和自學(xué)能力。
實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)小組編寫了詳盡的課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書,對(duì)設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)所需的技術(shù)資料、報(bào)告要求等進(jìn)行了說明?;谠u(píng)分排名的設(shè)計(jì),充分地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的興趣和積極性,學(xué)生能夠主動(dòng)在程序編寫上投入時(shí)間和精力,很多同學(xué)通宵調(diào)試程序。
課程結(jié)束后對(duì)學(xué)生進(jìn)行課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)調(diào)查問卷,結(jié)果表明,雖然課程需要學(xué)生付出很多時(shí)間和精力,但絕大多數(shù)學(xué)生都對(duì)這種教學(xué)改革進(jìn)行了認(rèn)可。表示通過課程對(duì)數(shù)字圖像處理有了深入了解和濃厚興趣,部分同學(xué)表示做畢業(yè)設(shè)計(jì)和碩士研究生還要繼續(xù)做相關(guān)領(lǐng)域的研究。教學(xué)改革的第一年,學(xué)生根據(jù)課程的設(shè)計(jì)內(nèi)容整理發(fā)表了2篇論文。擔(dān)任助教的研究生一年級(jí)學(xué)生也表示自己在助教過程中收獲很大,大大提高了自己數(shù)字圖像處理的算法設(shè)計(jì)和程序編寫能力。
課程的下一步發(fā)展計(jì)劃是逐漸完善課程實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái),爭取引入更多的工程案例,讓學(xué)生搭建更多類型的視覺檢測系統(tǒng)[16-17];同時(shí)引入相關(guān)企業(yè)的工程師進(jìn)入課堂,帶來更多更生動(dòng)的工程案例和前沿動(dòng)態(tài),將能力鍛煉與企業(yè)需求接軌。
通過將工程實(shí)踐引入課程教學(xué),提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決工程項(xiàng)目的能力。按照工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念,提高學(xué)生解決工程問題的能力,同時(shí)對(duì)團(tuán)隊(duì)能力、自學(xué)能力和撰寫報(bào)告的能力進(jìn)行了鍛煉,提升了課程的教學(xué)效果。