《机器视觉》课程理实一体化教学改革的探索_刘永.pdf

2023 NO.2 科 教 资 讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION机器视觉 课程理实一体化教学改革的探索刘永*王生怀 王宸 陈诚 袁海兵 李捷(湖北汽车工业学院机械工程学院 湖北十堰 442002)摘要：机器视觉 作为一门多学科交叉融合课程，对机械专业的研究生来说学习起来会存在一定困难。传统的教学方法采用“教师讲、学生听”的方式，教学效果欠佳。针对该问题，采用理实一体化的教学方式，理论和实践相结合，提高了学生的学习兴趣，使得专业知识更加容易理解，取得了较好的教学效果。该文以齿轮齿距偏差参数视觉测量为例，论述了教学方法改革的实施过程。关键词：机器视觉 理实一体化 教学改革 齿距偏差测量中图分类号：G642.0文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)02-0148-04Exploration of Teaching Reform of the Integration of Theory and Practice in the Machine Vision CourseLIU Yong*WANG Shenghuai WANG Chen CHEN Cheng YUAN Haibin LI Jie(School of Mechanical Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan,Hubei Province,442002 China)Abstract:As a multi-disciplinary cross integration course,Machine Vision will be difficult for graduate students majoring in Machinery to learn.The teacher talking and students listening is a traditional teaching way,but the effect is not so good.In view of this problem,the teaching method of integrating theory with practice is adopted.The combination of theory and practice improves students interest in learning,makes professional knowledge easier to understand,and achieves good teaching results.Taking the visual measurement of pitch deviation parameters as an example,this paper discussed the implementation process of teaching method reform.Key Words:Machine vision;Integration of theory and practice;Teaching reform;Pitch deviation measurement随着计算机技术和光电技术的进步，机器视觉技术取得了较大的发展，并在汽车、机械、煤炭和冶金等行业有着广泛应用。为了确保机械加工完成的零件质量符合要求，需要对零件基本尺寸以及表面缺陷等特征进行检测。通过视觉设备对被测零件图像进行采集并传输到计算机中的视觉工程应用软件中，设计相关算法完成零件尺寸测量或表面缺陷检测。传统的零件尺寸测量器具有游标卡尺、卡规、螺旋测微仪和三坐标DOI：10.16661/ki.1672-3791.2205-5042-4405基金项目：教育部产学合作协同育人项目“机器视觉 课程建设”（项目编号：202002108003）、“智能制造技术师资培训”（项目编号：202101124026）；湖北高校省级教学改革研究项目“工程类硕士专业学位研究生培养模式改革研究与实践项目”（项目编号：2021383）；中国学位与研究生教育学会2020年面上课题“工程类专业硕士学位培养改革模式研究”（项目编号：2020MSA256）。通信作者：刘永（1976），男，博士，副教授，研究方向为智能制造技术、视觉检测及高等教育教学改革，E-mail：。148科 教 资 讯 2023 NO.2 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯测量仪等，这些测量器具或多或少存在着效率和精度低、工人劳动强度高、不适合大批量测量等问题。传统的零件表面缺陷检测方式主要通过人工完成，效率较低，容易受到测量人员主观因素的影响。机器视觉 是一门多学科交叉融合课程1-2，包含机械设计、软件工程、光学和图像处理等课程的核心内容。对机械专业的硕士研究生来说，本科阶段并未学习过相关的专业核心课程，且这些课程内容较为抽象，采用传统的教学方法难以让学生在短时间内理解，学生学习兴趣不高，容易使学生产生厌学心理。目前，机器视觉技术在各行各业中有着广泛应用，人才需求量巨大，机器视觉人才有着广阔的就业前景。如何培养出具备高水平、高素质且满足市场需求的机器视觉人才是一个有研究价值的课题。该文以齿轮齿距偏差测量为例，阐述了理实一体化的教学方法实施过程，避免了传统课堂教师讲、学生听的教学模式，提高了学生的学习兴趣，使专业知识更加容易理解，取得了较好的教学效果。1 传统教学模式存在的问题机器视觉 课程是一门多学科交叉融合的课程，包括测量系统硬件部分的选型、相机成像原理、数字图像处理技术和软件编程等内容。机器视觉技术不仅可以对零件基本尺寸进行测量，也可以对零件表面缺陷进行检测3，应用非常广泛。对本科为计算机和通信专业的研究生来说，本科阶段学习了一些核心课程，有一定的基础，学习起来比较轻松。但对本科是机械专业的研究生来说，本科阶段并没有接触过机器视觉相关课程的核心内容，基础较为薄弱，学习起来存在一定困难。在传统的教学模式中主要以教师讲、学生听，教师讲解的内容主要有：测量系统的硬件构成，包括各个硬件的工作原理；采集零件图像后图像的预处理方法和原理；对零件尺寸进行测量设计的相关算法；表面缺陷检测的原理及相关算法等。教授过程中列举教材中实例，如圆直径测量、矩形边长测量、车道线检测和人脸识别等。教学过程中学生以听为主，缺乏动手实践的机会。且由于知识产权等原因，书中的实例很难在课堂上进行复现，学生参与感不强，无法真正理解各部分内容和原理，学生学习的欲望较低，最后导致学生对这门课程丧失兴趣。因此，授课教师需要自行开发一套视觉检测系统4-6，首先在课堂上介绍测量系统硬件部分的原理及选型。其次介绍一些专业的视觉工程应用软件，如OpenCV和Halcon等，这些软件需要和硬件设备兼容，由于课堂条件限制，可以选择使用MATLAB软件对图像进行处理，并设计算法完成检测。接着可以将采集到的零件图像发给学生，让学生在携带的笔记本电脑中安装MATLAB软件并导入图像。最后让学生自行完成检测算法并得出检测结果。这样可以让学生体验整个检测过程，增强了参与感，能够真正地理解机器视觉检测的原理，做到了将理论和实践相结合，从而激发出学生浓厚的学习兴趣，有效提高了教学效果。该文以作者指导的硕士研究生设计的齿轮齿距偏差参数视觉测量方法为例，阐述了教学设计的实施过程。图1 视觉检测实验设备原理图149 2023 NO.2科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 科 教 资 讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯2 教学改革实施过程2.1 机器视觉测量系统硬件介绍图1是购买的某公司视觉检测实验设备原理图。硬件部分讲解在实验室完成，对着实验设备讲解各个部分的工作原理。讲解相机和镜头时，介绍CCD相机和CMOS相机各自存在的优缺点，镜头的成像原理，畸变产生的原因及焦距、成像尺寸、分辨率、光圈（通光量）、工作距离、视角等参数的含义和相互关系。相机通过螺栓安装在支架上，位置和高度可通过滑轨和手轮进行调节，支架可移动。讲解光源时介绍环形光源的优点，分析视觉测量系统中常见的3种光照方式以及优缺点。环形光源的高度和亮度也是可以调节的。让学生动手调节镜头的位置、焦距及光源的亮度，使其能清楚地感受到各个因素对齿轮图像清晰度的影响，获取清楚的齿轮图像是后续准确测量齿轮参数的前提条件。讲解工作台时，介绍工作台由步进电机带动旋转的工作原理，步进电机经过细分驱动器可以细分步距角，步距角大小可以调节，让学生多次调整工作台旋转角度，参考相机视野水平线，保证齿轮中心与相机中心重合。讲解图像采集卡时可以打开机箱让学生近距离观察其形状和连接方式，选择图像采集卡时需要考虑与相机之间的匹配度。当选择连续采集模式时，需要图像采集卡的存储空间足够大，也可以选择能对图像进行压缩的图像采集卡。工作台安装有传感器，当零件转动经过传感器时，给出电信号触发相机进行图像采集，在生产线上可以实现自动采集。使用OpenCV软件给学生演示整个测量过程并让学生自己操作测量软件，让其直观地感受整个操作流程和测量方法。最后给学生介绍测量系统在生产线上的应用，使用分拣机构将不合格的齿轮进行剔除，将合格的齿轮传送到下一个工位，可以加强学生对测量系统实际应用的理解。2.2 齿轮齿距偏差参数视觉测量教学设计实施被测齿轮实物图如图2所示。讲解测量系统的常用的标定元件：量块、圆形标定板及棋盘格标定板，让学生了解各种标定元件的材质、图2 被测齿轮实物图图3 边界跟踪图像 图4 齿距偏差测量示意图150科 教 资 讯 2023 NO.2 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯精度和使用方法。选择长度尺寸和齿轮大小接近的标定板进行标定，在测量之前让学生拍摄20张棋盘格标定板图像，将其导入MATLAB图像处理工具箱中对相机参数属性进行标定，并调用相关函数对图像进行矫正，消除畸变的影响，让学生直观地感受镜头畸变对图像产生影响。矫正完图像后向学生展示像素当量的标定过程，选择圆形标定板对像素当量进行标定，选择圆形标定板4个顶点和中心点共5个圆点，提取5个圆点的亚像素边缘，利用最小二乘法拟合得到5个圆直径值，计算得到5个像素当量，最后求其均值得到最终的像素当量，让学生了解实际尺寸和像素尺寸的比例关系。在测量之前验证测量系统的重复性精度，使用标定像素当量的5个圆点的圆心坐标，进行10次测量，采用贝塞尔公式得到其标准差和不确定度，通过标准差和不确定度让学生直观地了解测量系统的稳定性。图像的预处理和参数测量算法使用MATLAB软件完成。在课堂上先给学生讲解各种预处理方法的原理，讲解完成后让学生在课堂上练习，理论和实操相结合，使学生对整个课程产生浓厚的兴趣，提高其学习积极性。图像的预处理包括灰度化、滤波去噪、二值化、形态学处理和边缘检测等。首先选择灰度转换函数将采集到的RGB图像转换为灰度图，其次让学生选择中值滤波、高斯滤波和均值滤波对图像滤除噪声，对比各种滤波方式的效果。接着采用Otsu算法对阈值进行选取，将图像转换为二值图像。然后让学生选择Canny算子、Robert算子、Log算子和Prewitt算子等像素级边缘检测算子和Zernike矩亚像素级边缘检测算子提取齿轮轮廓边缘，比较像素级和亚像素级边缘检测算子检测效果的不同，让学生直观地感受像素和亚像素之间的区别。最后调用边界跟踪函数获取齿轮轮廓边缘点坐标，为后续设计算法测量相关参数做好了准备。边界跟踪图像见图3。讲解测量算法之前将学生分为若干组，提示编程思路后让每组学生在下次上课时展示自己的测量结果并进行讨论。齿轮中心点是测量