基于机器视觉的“三层四构”实验教学设计与成效分析

张 磊 周 胜 李劲松

（安徽大学 光电信息获取与控制教育部重点实验室，安徽 合肥 230601）

0 引言

依据2018年教育部最新发布的《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》中电子信息类教学质量国家标准的总体培养目标要求：“结合各自专业基础和学科特色，在对区域和行业特点以及学生未来发展需求进行充分调研与分析的基础上，适应社会和经济发展对多样化人才培养需要，制定相应专业培养目标”。同时，提出了人才培养多样化的建议：“各高校可根据学生发展需求和学校学科特色及研究优势，制定针对不同类型人才的培养方案，在学分分配、课程模块设置、实习实践环节、毕业设计(论文)等方面适当调整，体现学校专业特色，进行多样化培养。”教育部高等教育司司长吴岩表示，在《标准》应把握的三大原则中重点强调：突出学生中心，注重激发学生的学习兴趣和潜能，创新形式、改革教法、强化实践，推动本科教学从“教得好”向“学得好”转变[1-2]。

根据《标准》要求，落实到本科理工科专业的实践教育中（包括专业实验、课程设计、实习实训及毕业设计），应充分发挥学校专业特色，不仅实现教学实践模块多样化，针对某一门实验课程也应当实现实验模块多样化，一改以往实验教学中所有学生参与统一实验的状况。本研究针对光电信息科学与工程学科的本科教育，以目前新兴的结构光三维轮廓检测的机器视觉平台为载体，在对区域和行业特点以及学生兴趣调研与分析的基础上，进行了多层次多结构实验设计研究：学习设计型实验、研究验证型实验、探索创新型实验、工程创新型实验。针对不同学习程度、不同兴趣方向的学生实现针对性、任务驱动型的实验教育。引导学生从软件仿真着手，到实现整体集成结构设计的全方位实践学习，感知创造性学习的魅力。安徽大学物理与材料科学学院的三年实施效果表明该实验设计受到广大本科同学的欢迎，尤其高层次选做实验参与人均次数达到14次，部分同学做出了相关成果。

1 机器视觉实验架构设计

2017年，国务院下发的《新一代人工智能发展规划》中明确表示要在2030年之前抢占人工智能的高地，而机器视觉则是人工智能领域的重要组成部分。近年来，国内外手机生产商不约而同地将目光聚焦到该领域，利用结构光进行三维人脸识别，例如苹果公司iPhone X，小米8以及OPPO的Find X手机等，均搭载了结构光人脸识别系统，如图1（a）所示，其主要由微型投影器件和摄影器件组成。该技术迅速受到了大学生群体的关注，引起了相关讨论学习热潮。本文基于该技术热点，利用条纹投影技术重现了结构光人脸识别系统，其实质是三维轮廓的高精度重构技术。本文所采用的实验架构便是基于条纹投影的主动三维感知系统，其架构主要如图1（b）所示，投影系统投影正弦条纹图像（结构光）到待测物表面，光栅受待测物面形调制而扭曲，摄像系统采集变形条纹，通过相位处理技术解算出物体高度信息。其过程主要包括条纹生成与投影；调制条纹获取与解调、解包裹；相位与高度转化等技术流程。根据上述该架构，本教学设计依托于安徽大学光电信息获取与控制教育部重点实验室特色，打造了25套多样化机器视觉实验平台，针对不同类型人才制定了多层次多结构化的实验教学环节。实验类型的划分主要遵循循序渐进原则，分为“三层四构”。如图1(c)所示，“三层”依次为基础层次实验、加分层次实验和选做层次实验。“四构”分别为学习设计型实验、研究验证型实验、探索创新型实验、工程创新型实验。基础层次实验作为实验教学中的必选实验项目；以加分层次实验促进对成绩要求较高的同学参与；对学有余力的同学鼓励进行探索创新性实验与工程创新型实验。

图1 机器视觉感知系统：（a）手机搭载的结构光人脸识别系统；（b）自行构建的条纹投影主动机器视觉感知系统；（c）“三层四构”实验模式设计

1.1 学习验证型实验设计

学习验证型实验设计主要为学生在机器视觉理论学习的基础上进行算法程序化验证的过程，该过程主要对理想情况进行仿真验证，难度适中，整体设计思路如图2所示，主要包括如下几个方面的仿真实验设计[3-4]：

（1）观察实际实验中的投影条纹特征，思考如何进行条纹投影仿真与条纹采集仿真，其中包括参考面条纹和被物体调制的条纹。

（2）实现理想的仿真正弦条纹的四步移相解调仿真。即从仿真采集条纹中恢复出真实的相位信息。也就是从正弦条纹：I=a+bcos（φ）中解出φ，由于参数a，b未知，即利用四幅相差1/4个波长相位的正弦条纹图提取整幅图相位信息：

（3）基于所得的四步移相后的主相位跳变特征，利用逐点扫描方法编写程序进行解包裹。实际就是求取每个像素对应的公式（1）中n的值。

（4）对系统参数进行相关测量，并进行相位高度换算。

图2 学习型实验设计步骤

其中f为投影条纹的频率。

该实验设计主要为了调动学生积极性，能快速从编制的算法中看到实验结果，增强学习信心。经过实践调研，参与实验的385名本科同学在老师指导下均可完成实验，完成该层次实验设计的学生中80%以上有信心完成实际机器视觉测量实验。

1.2 验证研究型实验设计

根据学生们进行的学习设计型实验会发现，在仿真理想情况下可以采用自制软件得到物体的真实三维轮廓。进而引导学生将仿真程序用于实际物体的三维轮廓测量，也就是进行循序渐进式的实验验证，引导学生自主发现问题并寻求解决方案。主要包括以下几个步骤的设计：

图3 表面连续变化的物体轮廓测量验证与问题引导

（1）对于表面连续变化的物体轮廓测量验证，实验中学生将自主发现重构的物体轮廓与原实物轮廓存在明显差别。如图3所示，因此引导学生发现实际测量与仿真的明显区别：噪声的影响。引导学生查阅相关文献，明确噪声影响的实质性步骤在解包裹算法中的影响，让学生自主编制抑制噪声的解包裹算法。值得注意的是，解包裹算法一般难以兼顾精度和速度[5]，可以鼓励具有编程特长的学生尝试快速解包裹算法的尝试。因此，该项任务设计主要针对软件特长学生设计。

（2）对于表面或边缘存在尖锐间断的物体轮廓测量验证，引导学生进行阴影区域进行处理。对于表面间断或边缘锐利的物体，在测量时阴影区域不可避免，而在数据处理过程中出现阴影区域数据误判，产生如图4中出现的强噪声。

基于该问题，鼓励学生利用图像处理的知识进行阴影识别和数据补充，训练学生对于普遍性光学问题的图像处理能力。不少于82%的同学愿意接受该项具体挑战。

图4 边缘存在尖锐间断的物体轮廓测量验证与阴影分析

（3）对于实验结果中轮廓存在规律性痕迹误差的分析实验。引导学生认识与矫正非线性误差[6]。图4实验结果可以看出，即使进行了阴影区域的判别，最终结果轮廓仍然存在规律性痕迹误差，因此，需要引导学生进行误差来源分析。一方面学生可以通过查文献分析相似误差来源；另一方面可以通过不同条件下的重复性实验摸索该误差来源，最终引导学生认识非线性误差（图5所示）。主要训练学生主动发现问题和解决问题的一般性思路。

图5 实验结果中轮廓存在规律性痕迹误差的分析实验设计

1.3 探索创新型实验设计

上述验证型实验设计可引导学生完成完整三维重建实验流程，而探索创新型实验则培养学生的外延拓展能力，即拓展实验设计的应用范围，将实验测量范围扩展到动态被测物体，因此，设计两项实验，并同时培养学生的算法构建和数学建模能力。

（1）单幅条纹图的物体轮廓测量：算法构建能力培养。从教学经验来看，学生对于四步移相的理解一般比较容易，即利用四副条纹图进行相位解调，几乎99%以上的同学均能很好地完成。但是该方法速度慢，不适合瞬时检测。因此鼓励学生探索利用单幅条纹图进行相位解调，可是适当提示采用傅里叶变换（FFT）的方法，如图6所示。在此过程中最重要的一步是取出傅里叶变换正一级谱，鼓励学生自主探索不同滤波窗口的作用。同时让学生自主学习由于傅里叶分析法本身的局限性造成边缘平滑原因[7]，培养学生主动进行科研尝试的积极性。

图6 探索1：傅里叶变换的方法相位解调实验设计

（2）基于双频条纹投影的物体轮廓测量：数学建模能力培养。对于解包裹算法的理解历来是学生学习难点，也是重点。因此应当设计探索性实验加强学生对于解包裹的多方位理解。由于实验平台嵌入的传统解包裹算法对于噪声的抑制性较差，容易造成拉线误差。因此，引导学生探索有效地解包裹方法，抑制传统算法中的误差累积效应，如双频解包裹算法[8]，如图7所示。该实验有助于提高学生对于具体问题的多方位思考能力，训练学生是否能将实际问题转化为数学模型，进而在数学框架下进行解决的能力。

图7 探索2：双频条纹投影的物体轮廓测量

1.4 工程创新型实验设计

工程创新型实验区别于探索创新型实验之处在于其工程化训练，学生需要依据所学原理进行实验系统设计与构建。

（1）纵向集成平台设计构建：从无到有的实践能力培养。对于学有余力的学生，拟设计集成平台构建实训，鉴于当前平台属于横向检测系统，其中被测物放置需专用平台。因此，可指导学生建立纵向检测机构，如图8(a)所示。纵向检测系统建立涉及硬件建模，系统规划乃至器件选型，是基于学生对于横向系统工作原理较为熟悉的状态下，通过该平台构建训练学生实体建模和“从无到有”的真实实验构建能力。

图8 工程创新型实验设计样板：（a）纵向集成平台构建；（b）条纹反射式实验平台设计与构建

（2）条纹反射式实验平台设计与构建：学习迁移能力培养。基于条纹投影实验装置对于漫反射物体的测量[9]，引导学生查阅文献，实现高反镜面物体的面形测量。利用LCD显示屏替代投影设备，基于光学平台自主搭建条纹反射轮廓检测系统，如图8(b)所示。主要考验学生在有限空间对于光路设计的应变能力，训练学生对于离轴光路和共轴光路相互转换的理解和实际操作。开发学生的科研联想能力和学习迁移能力。

2 教学设计成效分析

2.1 激发学生的学习兴趣

上述实践教学设计自2016年9月在安徽大学物理学院实施，基础实验平台25套，每次配备实验教师3名，一次性可容纳50人（25组）同时参与实验，根据学习进度，不同组可进行不同层次实验。目前参与学生人数达385人，其中各层次实验参与人数如表1所示，该数据由实验平台打卡记录数据提供。其中学习验证型实验为必须参加的教学过程，385人全数参与。验证研究型实验为加分实验项目，其他层次实验为选做实验，由学生自主选择参加，参加条件为完成上一层次实验。

表1 安徽大学3年内各层次实验参与人数

从表1可以看出三年内总的实验次数达到2203，平均实验人次达5.7，远超原实践教学的参与量：平均约1人次。可见，该分层次实验设计能极大地提高学生的学习兴趣，一反过去平时不听课，考试前围着老师转的现象。

2.2 促进学生明确学习目标

各个分层的实验设计以问题为导向，激发了学生进行深度学习的兴趣；培养了学生查阅文献、分析问题实质、借鉴前人方法及提出改进措施等一系列科研思维与能力，使学生由畏惧科研到具备一定的科研思维。大多数同学意识到学习的目的是使用所学知识解决实际问题，而不是应付考试。从表1可以看出，主动参与探索创新型实验的学生达165人，占比达42.8%。参与人次达667，人均次数超过4次，远高于前两项基础性实验，表明学有余力且主动参与探索创新型实验的学生愿意付出更多努力，具有更强烈的解决实际问题的意愿。在全部385名同学中，12名同学以该实验相关内容申请并获得了国家级大学生创新创业项目资助。18名同学以实验相关课题作为研究对象，完成了毕业设计。

2.3 培养学术科研思维，提高自主学习和学习迁移能力

经过学生座谈调查发现，约30%同学能够熟练查阅文献、发现问题并解决问题。可见，该实验设计有助于培养学生的科研思维。有相当一部分学生能够自行发掘新问题并加以解决，例如部分学生利用手机和投影仪测量钥匙轮廓时发现金属钥匙的不同部位对结构光的反光程度不同，容易导致局部曝光过度进而引起区域数据缺失，因此该部分学生自行组成多人兴趣小组，结合工程光学课程中相关偏振知识，实现了学习迁移，配合自编算法实现了不同曝光程度的自适应测量，实现了钥匙三维测量与配制，并能实现精准开锁（图9）。

图9 探索创新型实验中学生完成的自适应投影，并用于钥匙三维测量配制

2.4 培养工程创新能力，实现教学相长

参与工程创新型实验的人数达52人，参与人次722，人均次数达14次，相对与探索创新型实验人均参与次数（4次）有了极大的提高。可见，该部分学生已经进一步进入科研状态，愿意投入更多的学习精力。其中17届6名学生发现在四个实验层次中的程序操作较为复杂，自发为25套实验平台开发了用户导向的软件界面（图10（a）），极大地方便了同学们进行模块化程序学习和实验操作，也促进了教师的教学热情，成为教学相长的重要实例。18届4名同学利用实验原理，设计制作了微型便携式口腔扫描系统（图10（b）），已经进行了专利申请，真正实现了学习迁移。

图10 （a）工程创新型实验参与学生完成的用户导向的软件界面，（b）工程创新型实验参与学生设计的口腔三维扫描仪与牙齿模型测量结果

可见，上述“三层四构”实验模式设计不仅可以满足不同学习能力学生的学习要求，更能满足部分学有余力的本科同学积极参与科研的要求，并能充分培养学生的学习科研能力与工程创新能力。

3 结语

本研究讨论了在教育部最新发布的《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》的背景下，在新形势下结合科技热点，对理工科实践教学进行多层次多结构设计。同时，以光电信息科学与工程的本科实践教学为例，针对条纹投影机器视觉架构设计了“三层四构”的实验模型：基础层次实验、加分层次实验和选做层次实验，具体结构为学习验证型实验、研究验证型实验、探索创新型实验、工程创新型实验。采用实验分层，任务导向的方式，通过理论与实践相结合，从理论仿真到自主进行整机结构设计再到学习迁移，体验完整的工程过程。教学过程内容丰富，知识涵盖面广，充分培养了学生的科研思维，自主创新意识和工程能力。