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摘 要 将自制教学仪器应用在机器视觉课程教学中，利用自制软件促进学生对图像处理的理解，自制三维扫描仪让学生对摄像机标定和三维重建有现实的认识。自制教学仪器在课程中的应用对于培养学生科研创新兴趣，引导学生提早进入课题具有一定的促进作用。
关键词 机器视觉；自制教学仪器；研究生实验教学
中图分类号：G643.2 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）24-0048-02
1 前言
应用自制教学仪器设备可以突破研究生实验教学的重点和难点，促进实验教学的改革和方法的创新。为了加强天津工业大学“自动化与电气工程”天津市实验教学示范中心建设，提高实验教学水平，介绍自制教学仪器在机器视觉这门课程中的应用。
自制教学仪器是利用笔者前期主持完成的国家自然科学基金项目的经费，自主开发设计完成的（项目号：60808020和61078041），它紧密配合高等学校课程改革的新思路。清华大学利用自制单频激光干涉测量系统和正交信号的校正处理部分FPGA电路组合来增加高速相位检测，实验证明，该电路稳定，可以满足高速、可靠、精度高等需求[1]。华东理工大学利用自制教学设备，让学生对无水无氧条件下的高等有机合成操作有一定的认识，培养了学生的实践操作能力[2]。
相比于国内，自制教学仪器在国外更受重视。法国的Billard T和Fresnet F等[3]，利用自制的传感器提高信噪比的信号处理。欧洲机器视觉协会的Darmont A和Chahiba J等[4]自制了emva1288的标准工业图像传感器和照相机，测量重现性好。
2 机器视觉课程概况
机器视觉是一门涉及光学、图像处理、摄像机标定以及最新的三维重建等相关内容的多学科交叉课程。机器视觉这门课程表达抽象、内容宽泛、算法颇多，很难理解。通过自制教学仪器的使用，有助于学生直观看到所学理论能够达到的实际效果，激发学生的学习兴趣和创新意识，培养学生的开发探索能力。
3 自制软件促进学生对图像处理直观的理解
图像处理是机器视觉技术的基础，但它的算法的数学理论较多，比较抽象，难以理解。以边缘检测的Sobel算子为例，它是基于一阶导数的边缘检测算子，利用离散的微分算子，结合高斯平滑和微分求导，近似计算图像亮度函数梯度。由于该算子引入类似局部平均的相关运算，与Prewitt算子、Roberts算子相比，抗噪效果更好。Sobel算子含有水平和垂直两个方向的3×3的矩阵，分别与被作用图像做卷积，可计算出图像每一点处的近似梯度。
实际使用中，常用公式（1）中的两个模板来检测图像边缘。
Gx为水平方向模板，Gy为垂直方向模板，结合公式（1）求出梯度近似值，如公式（2）所示：
然后用公式（3）计算梯度方向：
为了促进学生对图像处理方法的理解，直观认识每种方法的处理效果，本课题组自制图像处理软件系统——天津工业大学图像处理教学软件系统，目前已经获得软件著作权（登记号为：2014SR016898）。利用自制的图像处理软件可实现位图操作、图像处理（包括灰度化、滤波、直方图均衡化、图像增强、边缘检测、形态学运算、图像锐化等）操作。自制软件系统除了可以进行课堂教学之外，对学生的硕士课题也有一定的帮助作用，节省学生进入课题的时间，减少编程的难度，让学生更加有精力进行核心算法的研究。
4 自制三维扫描仪让学生对机器视觉中的摄像机的标定和三维重建有现实的认识
摄像机的标定 摄像机的标定对机器视觉或者图像测量来讲都是十分重要的，它就像刻度对于标尺的重要性一样，因而随着机器视觉技术的不断发展，标定技术越来越受到人们的重视。它建立了相机二维平面中像点位置与空间点位置之间的关系，利用已知物体三维坐标和图像坐标，求取摄像机模型的内外参数。其标定算法的稳定性和精度，对相机后续工作的准确性有较大的影响。
自制的三维扫描仪的标定使用了一种带有圆心定位和方向定位的平板靶标，从不同角度拍摄平板靶标，并且平板靶标或者相机位置可以随意摆动，不需要运动参数，操作步骤非常简单。这种带有圆心定位和方向定位的平板靶标不仅可以用来进行边缘提取、阈值分割、圆心提取、滤波等操作，还实现了双目及多目摄像机的标定和匹配，学生通过移动和旋转靶标等各种方法，确定摄像机内参数[5]。
三维重建 随着计算机视觉在许多工程领域的广泛应用，快速、准确地自动获取和分析图像中包含的三维信息，已经成为视觉研究者十分关注的问题。三维重构的应用范围广泛，在医疗、逆向工程、工业检测等很多领域都有十分重要的作用，实现物体的三维重建是机器视觉的最终研究目标。
三维重建融合了多项技术，是由图像去噪、摄像机标定、立体匹配、三维坐标点的计算来实现的。图像去噪可由本课题组自制的图像处理软件系统——天津工业大学图像处理教学软件系统实现，摄像机标定可由自制的三维扫描仪实现。立体匹配是双目立体视觉中非常重要的一步，采用SIFT算子进行初始匹配，再利用RANSAC算法达到精匹配的效果，来满足三维重建的需要。三维坐标点的计算依据双目视觉理论，由自制扫描仪的两个数码相机在两个不同位置进行拍摄获取立体像对，然后根据二维图像平面上的像点与实际空间点之间的对应关系和SFM原理推算出。如此利用自制教学仪器进行物体的三维重建，能够很好地反映出物体的三维特征。
5 结束语
自制教学仪器是科研和教学相结合的成果，将自制教学仪器应用在机器视觉课程实验教学中，让学生对这门课程有形象的认识，激发学生的学习兴趣和创新思维。自制教学仪器开创了一个新的实验教学局面，促进实验教学改革，培训了一大批优秀的技术人才，有利于及时维修仪器，避免了购买的仪器设备出现问题，使实验设备更具有经济性，提高研究生教学质量。■
参考文献
[1]闫冠屹，谌雅琴，孙利群，等.基于FPGA的单频激光干涉仪高速相机检测器设计与实现[J].光电子技术，2012，
32（1）：11-14.
[2]孙学芹，杨晓霞.自制无水无氧操作系统装置在化学专业实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2013（3）：68-69.
[3]Billard T， Fresnet F， Makarov M. Partial discharges monitoring in twisted pair fed with PWM inverter using non-intrusive sensors[R].Bologna， Italy： IEEE International Conference on Solid Dielectrics，2013：314-317.
[4]Darmont A， Chahiba J， Lemaitre J， et al. Implementing and using the EMVA1288 standard[R].Burlingame， CA： Conference on Sensors， Cameras， and Systems for Industrial and Scientific Applications XIII，2012.
[5]宋丽梅，董虓霄，张春波.一种新型机器视觉教学系统的应用[J].现代教育技术，2011，21（6），126-128.
关键词 机器视觉；自制教学仪器；研究生实验教学
中图分类号：G643.2 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）24-0048-02
1 前言
应用自制教学仪器设备可以突破研究生实验教学的重点和难点，促进实验教学的改革和方法的创新。为了加强天津工业大学“自动化与电气工程”天津市实验教学示范中心建设，提高实验教学水平，介绍自制教学仪器在机器视觉这门课程中的应用。
自制教学仪器是利用笔者前期主持完成的国家自然科学基金项目的经费，自主开发设计完成的（项目号：60808020和61078041），它紧密配合高等学校课程改革的新思路。清华大学利用自制单频激光干涉测量系统和正交信号的校正处理部分FPGA电路组合来增加高速相位检测，实验证明，该电路稳定，可以满足高速、可靠、精度高等需求[1]。华东理工大学利用自制教学设备，让学生对无水无氧条件下的高等有机合成操作有一定的认识，培养了学生的实践操作能力[2]。
相比于国内，自制教学仪器在国外更受重视。法国的Billard T和Fresnet F等[3]，利用自制的传感器提高信噪比的信号处理。欧洲机器视觉协会的Darmont A和Chahiba J等[4]自制了emva1288的标准工业图像传感器和照相机，测量重现性好。
2 机器视觉课程概况
机器视觉是一门涉及光学、图像处理、摄像机标定以及最新的三维重建等相关内容的多学科交叉课程。机器视觉这门课程表达抽象、内容宽泛、算法颇多，很难理解。通过自制教学仪器的使用，有助于学生直观看到所学理论能够达到的实际效果，激发学生的学习兴趣和创新意识，培养学生的开发探索能力。
3 自制软件促进学生对图像处理直观的理解
图像处理是机器视觉技术的基础，但它的算法的数学理论较多，比较抽象，难以理解。以边缘检测的Sobel算子为例，它是基于一阶导数的边缘检测算子，利用离散的微分算子，结合高斯平滑和微分求导，近似计算图像亮度函数梯度。由于该算子引入类似局部平均的相关运算，与Prewitt算子、Roberts算子相比，抗噪效果更好。Sobel算子含有水平和垂直两个方向的3×3的矩阵，分别与被作用图像做卷积，可计算出图像每一点处的近似梯度。
实际使用中，常用公式（1）中的两个模板来检测图像边缘。
Gx为水平方向模板，Gy为垂直方向模板，结合公式（1）求出梯度近似值，如公式（2）所示：
然后用公式（3）计算梯度方向：
为了促进学生对图像处理方法的理解，直观认识每种方法的处理效果，本课题组自制图像处理软件系统——天津工业大学图像处理教学软件系统，目前已经获得软件著作权（登记号为：2014SR016898）。利用自制的图像处理软件可实现位图操作、图像处理（包括灰度化、滤波、直方图均衡化、图像增强、边缘检测、形态学运算、图像锐化等）操作。自制软件系统除了可以进行课堂教学之外，对学生的硕士课题也有一定的帮助作用，节省学生进入课题的时间，减少编程的难度，让学生更加有精力进行核心算法的研究。
4 自制三维扫描仪让学生对机器视觉中的摄像机的标定和三维重建有现实的认识
摄像机的标定 摄像机的标定对机器视觉或者图像测量来讲都是十分重要的，它就像刻度对于标尺的重要性一样，因而随着机器视觉技术的不断发展，标定技术越来越受到人们的重视。它建立了相机二维平面中像点位置与空间点位置之间的关系，利用已知物体三维坐标和图像坐标，求取摄像机模型的内外参数。其标定算法的稳定性和精度，对相机后续工作的准确性有较大的影响。
自制的三维扫描仪的标定使用了一种带有圆心定位和方向定位的平板靶标，从不同角度拍摄平板靶标，并且平板靶标或者相机位置可以随意摆动，不需要运动参数，操作步骤非常简单。这种带有圆心定位和方向定位的平板靶标不仅可以用来进行边缘提取、阈值分割、圆心提取、滤波等操作，还实现了双目及多目摄像机的标定和匹配，学生通过移动和旋转靶标等各种方法，确定摄像机内参数[5]。
三维重建 随着计算机视觉在许多工程领域的广泛应用，快速、准确地自动获取和分析图像中包含的三维信息，已经成为视觉研究者十分关注的问题。三维重构的应用范围广泛，在医疗、逆向工程、工业检测等很多领域都有十分重要的作用，实现物体的三维重建是机器视觉的最终研究目标。
三维重建融合了多项技术，是由图像去噪、摄像机标定、立体匹配、三维坐标点的计算来实现的。图像去噪可由本课题组自制的图像处理软件系统——天津工业大学图像处理教学软件系统实现，摄像机标定可由自制的三维扫描仪实现。立体匹配是双目立体视觉中非常重要的一步，采用SIFT算子进行初始匹配，再利用RANSAC算法达到精匹配的效果，来满足三维重建的需要。三维坐标点的计算依据双目视觉理论，由自制扫描仪的两个数码相机在两个不同位置进行拍摄获取立体像对，然后根据二维图像平面上的像点与实际空间点之间的对应关系和SFM原理推算出。如此利用自制教学仪器进行物体的三维重建，能够很好地反映出物体的三维特征。
5 结束语
自制教学仪器是科研和教学相结合的成果，将自制教学仪器应用在机器视觉课程实验教学中，让学生对这门课程有形象的认识，激发学生的学习兴趣和创新思维。自制教学仪器开创了一个新的实验教学局面，促进实验教学改革，培训了一大批优秀的技术人才，有利于及时维修仪器，避免了购买的仪器设备出现问题，使实验设备更具有经济性，提高研究生教学质量。■
参考文献
[1]闫冠屹，谌雅琴，孙利群，等.基于FPGA的单频激光干涉仪高速相机检测器设计与实现[J].光电子技术，2012，
32（1）：11-14.
[2]孙学芹，杨晓霞.自制无水无氧操作系统装置在化学专业实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2013（3）：68-69.
[3]Billard T， Fresnet F， Makarov M. Partial discharges monitoring in twisted pair fed with PWM inverter using non-intrusive sensors[R].Bologna， Italy： IEEE International Conference on Solid Dielectrics，2013：314-317.
[4]Darmont A， Chahiba J， Lemaitre J， et al. Implementing and using the EMVA1288 standard[R].Burlingame， CA： Conference on Sensors， Cameras， and Systems for Industrial and Scientific Applications XIII，2012.
[5]宋丽梅，董虓霄，张春波.一种新型机器视觉教学系统的应用[J].现代教育技术，2011，21（6），126-128.