趙嵐

摘 ? 要：在我國新工科發(fā)展戰(zhàn)略的背景下，結(jié)合應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)目標(biāo)，對機(jī)器人工程專業(yè)的機(jī)器人視覺課程，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)改革和探索。理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，多學(xué)科知識融合的實(shí)踐環(huán)節(jié)能更好地激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，從而提高本課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人視覺 ?教學(xué)改革 ?實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（b）-0193-02

Abstract： Combined with the teaching objectives of applied undergraduate colleges，reforms and exploration of robot vision course teaching have been carried out for the specialty of robotic engineering from teaching contents， teaching methods and practical teaching aspects under the background of the development strategy of new engineering in China. In the reform， theoretical and practical training are combined with multidisciplinary knowledge integration for the practical training， which can stimulate the students' interests in learning and improve their ability in analyzing and solving engineering problems.

Key Words： Robot vision; Teaching reform; Practical teaching

加快深化工程教育改革，建設(shè)新工科是我國戰(zhàn)略發(fā)展需求，培養(yǎng)符合時代需求具有創(chuàng)新能力的工程人才是應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)的重要使命[1]。為了適應(yīng)未來產(chǎn)業(yè)和智能時代新經(jīng)濟(jì)，新工科背景下的智能科學(xué)與技術(shù)的核心課程應(yīng)成為理工科類本科學(xué)生的通識教育課程[2]。機(jī)器人視覺課程是面向機(jī)器人工程專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)選修課，也是一門涉及圖像處理、模式識別、人工智能等諸多領(lǐng)域的交叉學(xué)科。機(jī)器人通過視覺傳感器提取客觀事物的圖像信息，通過視覺處理器進(jìn)行信息處理并加以理解，進(jìn)而使機(jī)器人能夠辨識事物并且執(zhí)行相應(yīng)的工作。課程目的是使學(xué)生對機(jī)器人視覺的概念、圖像處理方法及視覺典型應(yīng)用有基本了解，掌握基本的圖像視頻信號處理方法，初步掌握視覺坐標(biāo)系與機(jī)械參考坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換原理和實(shí)現(xiàn)方法，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)專業(yè)課以及從事相關(guān)專業(yè)的研究和技術(shù)工作打下必要的基礎(chǔ)。

1 ?教學(xué)內(nèi)容

一打好著作比不上一本好教科書，選擇一本好的教材對提高機(jī)器人視覺課程教學(xué)至關(guān)重要。選擇教材既要保證教材內(nèi)容的新穎、全面，還要考慮內(nèi)容是否能與實(shí)際的機(jī)器人工程應(yīng)用緊密結(jié)合，對實(shí)踐能否起到重要的指導(dǎo)作用。因此，課堂教學(xué)采用了由Carsten Steger等編著，由清華大學(xué)出版社翻譯的《機(jī)器視覺算法及應(yīng)用》一書作為教材。3位作者在德國MVTec公司負(fù)責(zé)機(jī)器視覺算法軟件Halcon的研發(fā)工作，使得本教材有別于其他的圖像處理和機(jī)器視覺教材，兼具理論高度和實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，通過Halcon實(shí)例深入淺出地闡述算法和工程問題解決方法，不僅讓學(xué)生能迅速掌握算法原理，同時還學(xué)到解決實(shí)際問題的關(guān)鍵技術(shù)。與許多學(xué)科前沿課程類似，該教材用雙語編寫，學(xué)生通過雙語的方式學(xué)習(xí)專業(yè)課程，有利于今后對學(xué)科新興技術(shù)成果的進(jìn)一步了解和掌握。

在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上，將基于二維圖像處理的視覺算法、模式識別、攝像機(jī)標(biāo)定、空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和三維視覺作為授課重點(diǎn)。雖然教材以機(jī)器視覺應(yīng)用作為目標(biāo)，但是相關(guān)算法完全可以延伸到機(jī)器人視覺應(yīng)用當(dāng)中。以基于視覺引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人目標(biāo)定位抓取任務(wù)為例，需要首先對目標(biāo)進(jìn)行圖像采集和圖像預(yù)處理、從圖像中提取目標(biāo)物并通過對所獲取的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行幾何描述完成目標(biāo)在圖像中的定位。最后通過建立攝像頭的成像模型和攝像頭標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)圖像目標(biāo)到機(jī)器人三維空間目標(biāo)的位姿轉(zhuǎn)換。

2 ?教學(xué)手段

機(jī)器人視覺是理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)生必須在學(xué)習(xí)好理論的基礎(chǔ)上，經(jīng)過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐才可能有深入的掌握。長期以來，教師在圖像處理相關(guān)課程教學(xué)中偏重理論教學(xué)，忽視實(shí)踐教學(xué)，其中一個很重要的原因是缺乏有力的實(shí)踐教學(xué)方式和教學(xué)手段。目前，機(jī)器視覺和圖像處理軟件的廣泛應(yīng)用為實(shí)踐教學(xué)提供了新的手段。本課程采用Halcon作為實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)軟件，同時也是本課程教材推薦使用的軟件。該軟件具有功能強(qiáng)大的算法庫，高度交互式編程環(huán)境，支持多種開發(fā)平臺，自帶多個圖像處理的實(shí)際案例，便于學(xué)生在較短時間內(nèi)學(xué)會使用。

在課堂授課過程中，充分運(yùn)用音視頻及圖片和動畫等多媒體課件的現(xiàn)代化教學(xué)手段和方法，通過對典型案例的講解及編程過程的演示，可以讓學(xué)生進(jìn)一步理解機(jī)器視覺的理論知識。除此以外，教師更強(qiáng)調(diào)實(shí)踐學(xué)習(xí)的重要性，提高實(shí)踐環(huán)節(jié)的比重，目的是激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決問題的能力。課堂上教師常采用探索式教學(xué)方法，針對課堂講授的知識點(diǎn)，要求學(xué)生在充分理解和掌握理論知識的基礎(chǔ)上運(yùn)用Halcon算子編寫程序，學(xué)生可以一邊熟悉軟件，一邊實(shí)現(xiàn)相關(guān)算法。Halcon友好的開發(fā)環(huán)境和解釋型的編程語言，讓學(xué)生能迅速掌握軟件的使用方法。學(xué)生在程序運(yùn)行過程中可以通過圖形窗口直觀地看到中間步驟的運(yùn)行結(jié)果，還可以調(diào)整參數(shù)觀察參數(shù)改變對輸出結(jié)果的影響，從而加深學(xué)生對算法的理解。

課后教師則常采用項目化教學(xué)法。將實(shí)際工程問題引入到課后習(xí)題中，圍繞實(shí)際問題讓學(xué)生查閱資料，分析問題，提出方案。學(xué)生需要將所學(xué)的知識點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，設(shè)計流程，編寫程序，調(diào)試程序，演示結(jié)果，最后進(jìn)行課堂討論。與以往教師一言堂的授課模式相比，通過項目實(shí)踐學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課的目的更加明確，學(xué)習(xí)的積極性和主動性都得到提高。學(xué)生也通過充分實(shí)踐獲得一定的設(shè)計能力，較好地實(shí)現(xiàn)了課程的教學(xué)目標(biāo)。

機(jī)器人視覺是一門考查課程，考核辦法和形式多樣化，能充分體現(xiàn)學(xué)生對所學(xué)知識的掌握程度和綜合運(yùn)用能力?？傇u成績由平時成績、實(shí)驗(yàn)成績和課程設(shè)計成績組成。平時成績根據(jù)課堂作業(yè)、提問、課后習(xí)題、學(xué)習(xí)主動性等方面進(jìn)行評價。課程設(shè)計則根據(jù)總體方案、軟件流程圖等設(shè)計過程以及設(shè)計結(jié)果質(zhì)量和設(shè)計報告規(guī)范性來評價。這樣的綜合考查方式能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)學(xué)生探索和解決問題的能力。

3 ?實(shí)踐環(huán)節(jié)

根據(jù)新工科的培養(yǎng)目標(biāo)，機(jī)器人工程人才培養(yǎng)應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)。設(shè)計實(shí)踐教學(xué)的整體環(huán)節(jié)，形成合理的實(shí)踐教學(xué)模塊，建立與理論互補(bǔ)的實(shí)踐教學(xué)體系，是新工科實(shí)踐教學(xué)的重要基礎(chǔ)和保證[3]。如何將創(chuàng)新能力的培養(yǎng)融入實(shí)踐教學(xué)，是新工科指導(dǎo)方針下的教師面臨的關(guān)鍵問題。在工業(yè)機(jī)器人的諸多智能中，視覺是非常重要的一種智能，相對其他的感知來說，視覺能夠獲取更加豐富的信息。為此，該課程在實(shí)踐環(huán)節(jié)搭建了一個以六自由度的工業(yè)機(jī)器人為核心，結(jié)合了照明系統(tǒng)、攝像機(jī)、通用計算機(jī)、圖像處理軟件、夾爪的機(jī)器人視覺檢測平臺。這個平臺能應(yīng)用在工業(yè)環(huán)境中解決真實(shí)需求，目的是增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力。在解決方案的實(shí)施過程中，學(xué)生需要編寫程序控制攝像機(jī)進(jìn)行圖像抓取，使用Halcon軟件對零件邊緣進(jìn)行定位和測量，掌握攝像機(jī)和機(jī)器人聯(lián)合標(biāo)定方法，將圖像中零件的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為夾爪的坐標(biāo)，通過網(wǎng)絡(luò)通信將指令傳達(dá)給機(jī)器人，編寫機(jī)器人指令執(zhí)行抓取動作。通過解決復(fù)雜的工程問題，讓學(xué)生了解整個機(jī)器人視覺系統(tǒng)的構(gòu)架，將機(jī)器人工程中多學(xué)科知識進(jìn)行關(guān)聯(lián)和融合，將創(chuàng)新理念貫穿到實(shí)踐環(huán)節(jié)，提高自身的工程實(shí)踐能力和專業(yè)技術(shù)水平。

4 ?結(jié)語

新工科要求工程專業(yè)人才不僅具備扎實(shí)的理論功底，強(qiáng)大的專業(yè)學(xué)習(xí)能力，還要有良好的創(chuàng)新意識和社會人文素養(yǎng)。教學(xué)改革的實(shí)施和教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要教師不斷提高加強(qiáng)自身專業(yè)素質(zhì)，積極思考教學(xué)改革創(chuàng)新的途徑，改變教學(xué)理念，改革教學(xué)思路。本文根據(jù)機(jī)器人視覺的課程特點(diǎn)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式上提出了一系列的實(shí)踐和探索思路，初步取得了一些積極的成效。未來將繼續(xù)努力探索，實(shí)施新工科理念，深化課程教學(xué)改革，完善課程體系，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出具有國際視野的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才。

參考文獻(xiàn)

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