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(xiàng)目，開發(fā)了基于圖像處理技術(shù)的道面損傷識(shí)別軟件，結(jié)合室外模型實(shí)驗(yàn)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(shí)別技術(shù)的仿真教學(xué)平臺(tái)。教學(xué)平臺(tái)包括室外實(shí)驗(yàn)、圖像處理和結(jié)果處理三部分，為學(xué)生提供了獨(dú)立實(shí)踐機(jī)會(huì)，在促進(jìn)學(xué)生更扎實(shí)地掌握理論知識(shí)的同時(shí)，還鍛煉了實(shí)際工作中所需技能。仿真教學(xué)平臺(tái)技術(shù)先進(jìn)，功能完備，是科研成果向教學(xué)工具轉(zhuǎn)化的典型實(shí)例，體現(xiàn)了卓越工程師培養(yǎng)的要求。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；圖像識(shí)別；道面損傷；教學(xué)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G6424文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

10052909（2015）02015204

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

教學(xué)實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[2]，并已進(jìn)行了相關(guān)研究探索。以提高道面損傷狀況識(shí)別效率為目的，進(jìn)一步探索了圖像識(shí)別技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用。

目前，在圖像識(shí)別研究方面，交通行業(yè)利用Radon變換進(jìn)行傾斜車牌圖像校正，實(shí)現(xiàn)了在傾斜、有污點(diǎn)、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(kuò)展兩步法降低了交通事故視頻噪音，達(dá)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(jī)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(shí)現(xiàn)了對熔池圖像的特征加強(qiáng)，并利用傅里葉逆變換實(shí)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(shí)現(xiàn)了對混凝土內(nèi)細(xì)觀裂縫的提取[7]。相關(guān)研究成果為進(jìn)行圖像識(shí)別的教學(xué)和實(shí)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(xiàng)目的指導(dǎo)實(shí)踐，通過室內(nèi)試驗(yàn)和軟件開發(fā)，建立了圖像識(shí)別技術(shù)仿真教學(xué)平臺(tái)，將圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場道面管理的教學(xué)研究。

一、道面圖像提取的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）測試用道面板制作

圖像識(shí)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(jìn)行識(shí)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(jì)算機(jī)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(jī)獲得道面數(shù)字圖像

為便于后期順利還原與真實(shí)情況相一致的圖像，在用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，要注意數(shù)碼相機(jī)的曝光時(shí)間、光圈大小、感光速率等因素。同時(shí)，還要注意數(shù)碼相機(jī)采集照片的角度、相機(jī)高度、數(shù)碼相機(jī)垂直中心到道面板邊緣的距離，從而得出數(shù)碼相機(jī)拍攝后采集圖像與真實(shí)圖像的遠(yuǎn)近比例，并分析真實(shí)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(jī)傾角和高度固定的前提下，移動(dòng)相機(jī)，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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）道面圖像的計(jì)算機(jī)識(shí)別及特征加強(qiáng)

在圖像處理過程中，先對采集到的圖像進(jìn)行位圖文件轉(zhuǎn)換，在處理變換域圖像時(shí)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(shí)驗(yàn)中，圖像處理方式主要有圖像灰度化處理、灰度圖像負(fù)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(jìn)行對比，見圖7、圖8。讓參與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中采用的數(shù)碼相機(jī)，其視角是一個(gè)變化區(qū)間。因此，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，從采集的圖像本身出發(fā)，先確定采集圖像的遠(yuǎn)近比例關(guān)系，再根據(jù)比例確定道面板邊緣長度，從而計(jì)算兩個(gè)道面板側(cè)邊相交的焦點(diǎn)、還原角的大小。根據(jù)還原角大小直接進(jìn)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(dá)到真實(shí)道面板的情況，得出真實(shí)的道面板損傷狀況，對比圖像見圖9和圖10。

三、圖像識(shí)別技術(shù)的仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

在上述實(shí)踐基礎(chǔ)上，提出了圖像識(shí)別技術(shù)的仿真教學(xué)平臺(tái)，其實(shí)驗(yàn)流程見圖11。

實(shí)驗(yàn)包括室外實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果處理三部分。

第一部分室外實(shí)驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)道面的制作，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)機(jī)場道面的損傷類型，掌握損傷評價(jià)的方法。通過數(shù)碼相機(jī)對標(biāo)準(zhǔn)道面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)損傷采集，然后對真實(shí)道面進(jìn)行圖像采集。最后運(yùn)用課堂所學(xué)知識(shí)，對觀察到的損傷進(jìn)行數(shù)字采集。

第二部分室內(nèi)實(shí)驗(yàn)是在上述室外實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用開發(fā)的圖像識(shí)別和處理軟件，對比所采集的真實(shí)道面損傷特征值和標(biāo)準(zhǔn)道面損傷特征值，進(jìn)而確定道面損傷類型和程度，糾正理論學(xué)習(xí)中的錯(cuò)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(jìn)一步分析道面損傷類型和程度，制定相應(yīng)的道面維護(hù)方案，進(jìn)行相應(yīng)處理后，模擬處理效果，再次進(jìn)行道面損傷圖像采集。

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

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

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

（3）仿真教學(xué)平臺(tái)建立了“三接軌”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路，即實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程接軌，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與行業(yè)接軌，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研成果接軌。采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與工程現(xiàn)場相結(jié)合的手段，遵循理論結(jié)合工程實(shí)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(jī)場工程專業(yè)特色教育體系的同時(shí)，將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，滿足了學(xué)生對實(shí)踐應(yīng)用知識(shí)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(xiàng)目開發(fā)了道面損傷識(shí)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(shí)別技術(shù)的仿真教學(xué)平臺(tái)。讓學(xué)生直接參與道面損傷數(shù)字化管理的工程實(shí)踐中，掌握最新的機(jī)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(dòng)手能力和實(shí)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(xiàn)：

[1] 易瑩，張毅，張?jiān)妷?，? 數(shù)字化管理系統(tǒng)現(xiàn)狀及其在民航機(jī)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開發(fā)[J]. 高等建筑教育， 2014， 23（1）： 127-129.

[3] 貢麗霞，白艷萍.Radon變換在傾斜車牌圖像校正中的應(yīng)用[J]. 測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，23（5）：452-456.

[4] 唐陽山，李江，等.交通事故攝影測量中相機(jī)標(biāo)定的擴(kuò)展兩步法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2007，7（1）：81-84.

[5] 陳鎮(zhèn)龍，葉玉堂，等.應(yīng)用于彩色線掃描機(jī)器視覺系統(tǒng)的圖像校正方法[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（7）：1-7.

[6] 高向東，趙傳敏，等.傅立葉變換在熔池圖像特征提取中的應(yīng)用[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2008，29（8）：13-18.

[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）