公务员期刊网 精选范文 机器视觉基础知识范文

机器视觉基础知识精选(九篇)

前言:一篇好文章的诞生,需要你不断地搜集资料、整理思路,本站小编为你收集了丰富的机器视觉基础知识主题范文,仅供参考,欢迎阅读并收藏。

机器视觉基础知识

第1篇:机器视觉基础知识范文

一、什么是感觉

人的心理现象是人脑对客观现实的反映,客观现实是十分丰富多彩的,人的心理现象也是复杂多样的。感觉和知觉是比较简单但很重要的心理现象。

感觉是人脑对直接作用于感受器的客观事物的个别属性的反映。

客观事物具有着各不相同的颜色、声音、味道、气味、温度等各种属性。当客观事物直接作用于感受器,各种感受器能够区别出适宜的刺激,从而使大脑产生了对这些事物个别属性的反映,这种反映就是感觉。通过感觉使我们获得了关于事物的颜色、声音、味道、气味、冷热、粗糙、光滑等感觉信息。感觉除反映外界事物的个别属性外,还反映机体内部状况,例如,通过感觉我们可以反映有关自身的位置、运动、姿势以及机体内部器官的活动状态等种种感觉信息。

人的各种感受器是在漫长的进化过程中发展而成的,各种感受器分别反映事物的不同属性。如视感受器专门反映客体的光刺激;听感受器专门反映客体的声刺激。能够引起某种感受器反应的刺激,就是该种感受器的“适宜刺激”。但是客观事物必须直接作用于感受器,影响人脑,才能产生感觉,一旦客观事物停止作用于感受器,感觉便不再产生。

总之,感觉是客观事物直接作用于相应的感受器时,人脑对其个别属性的反映。根据引起感觉的适宜刺激物的性质和刺激物所作用的感受器,可把人类的感觉分成八种,见表7-1。

表7-1 人的八种感觉

感觉

种类

适宜刺激

感受器

反映属性

视觉

760~400毫微米的光波

视网膜的视锥细胞和视杆细胞

黑、白、彩色

听觉

16~20 000次/秒音波

耳蜗的毛细胞

声音

味觉

溶于水的有味的化学物质

舌、咽上的味蕾的味细胞

甜、酸、苦、咸等味道

嗅觉

有气味的挥发性物质

鼻腔黏膜的嗅细胞

气味

肤觉

物体机械的、温度的作用或伤害性刺激

皮肤和黏膜上的冷点、温点、痛点、触点

冷、温、痛、压、触

运动觉

肌肉收缩,身体各部分位置变化

肌肉、筋腱、韧带、关节中的神经末梢

身体运动状态、位置变化

平衡觉

身体位置、方向的变化

内耳、前庭和半规管的毛细胞

身体位置变化

机体觉

内脏器官活动变化时的物理化学刺激

内脏器官壁上的神经末梢

身体疲劳、饥、渴和内脏器官活动不正常

我们以视觉和机体觉为例,说明感觉的适宜刺激、感受器形成过程等。

视觉的适宜刺激是物体发出的或反射出的光波。波长760毫微米到400毫微米之间的光波称为可见光,在此范围以外的紫外线和红外线是感受不到的。视觉的感受器是眼睛视网膜上的视杆细胞与视锥细胞。视杆细胞主要功能是感受物体的形状、大小和明暗;而视锥细胞主要感受物体的色调。

机体觉反映的是机体的内部状态。适宜刺激是内脏器官活动变化时发出的物理或化学刺激等。感受器是内脏壁上的神经末梢。例如,胃内食物过多便感到胀饱,食物过少感到饥饿。

总之,感觉离不开直接作用于感受器的客体的个别属性,离不开接受刺激的感受器以及最终形成感觉的神经系统和脑的活动。感觉是一种比较简单的心理过程。

二、什么是知觉

知觉同感觉一样,也是人脑对直接作用于感受器的客观事物的反映,但不是对事物个别属性的反映,而是对事物整体的反映。

在实际生活中,客观事物直接作用于感受器时,人们头脑中反映的不仅是事物的个别属性,同时反映了事物整体,即在以感觉的形式反映事物个别属性的同时也反映了事物的整体。譬如,儿童面前有一朵花,他们并非孤立地反映它的红色、香味、多刺的枝干……而是通过脑的分析与综合活动,从整体上同时反映出它是一朵玫瑰花。

所以,在现实中我们对事物进行反映时,往往感觉到事物的个别属性,也就知觉到这一事物的整体。不可能离开事物整体去感觉它的个别属性,因而很少有纯粹的感觉。我们常常把感觉和知觉合称为感知觉。

不过,我们应当了解,在心理学的意义上,感觉和知觉毕竟是有严格区别的,它们是不同的心理过程。感觉是对事物个别属性的反映,知觉是对事物整体的反映,即对事物的各种不同属性、各个不同部分及其相互关系的综合反映。

感觉是构成知觉的基础,没有感觉就不可能有知觉。可是知觉比感觉复杂得多,不能把知觉归结为感觉的机械总和,各种感觉一经构成知觉,便有机地发生联系。知觉除反映事物个别属性外,还反映事物个别属性之间的联系和关系。例如,音乐曲调实际上是由许多单音组成的,一个曲调决不是许多单音的简单拼凑,听起来是完整的旋律。这是由于各个单音之间具有不同的关系,于是有机地成了完整的整体。由此可见,个别属性之间的关系和联系在知觉过程中具有重要意义。

还有一点,知觉还包含其他一些心理成分。例如,过去的经验以及人的倾向性常常参与在知觉过程中,因而当我们知觉一个对象时,可以用词说出知觉对象的名称。对同样一个对象可以作出不同的反映。例如,对一棵松树,画家知觉它为写生的对象,着重反映它的姿态、造型;而樵夫知觉为柴火,兴趣在于砍取枝叶烧火。

人的知觉也是多种多样的,可作不同的分类。

根据知觉过程中起主导作用的感觉器官活动,可以把知觉分为视知觉、听知觉、味知觉、嗅知觉和触知觉等。当然,在有些知觉过程中,几种感觉器官的活动同样起主导作用,例如看电影时,视觉和听觉同样起作用,形成为“视—听”知觉。

根据知觉的对象性质,知觉又分为物体知觉和社会知觉。

1.物体知觉:这是对事物的知觉。任何事物都在一定的空间和时间中运动着,都具有空间特性、时间特性及其运动变化。我们对各种事物可以从它的空间特性、时间特性和运动特性去感知,因此,可以把物体知觉分为空间知觉、时间知觉和运动知觉。

空间知觉是反映物体的形状、大小、距离、方位等空间特性的知觉。通过空间知觉,我们可以认识物体的形状、大小、远近以及物体的上下、左右、前后等方位。

时间知觉是反映客观现象的持续性、速度和顺序性的知觉。通过时间知觉,我们可以认识各种现象的时间距离、时间关系等。

运动知觉是反映物体的空间位移和位移快慢的知觉。通过运动知觉,我们可以分辨物体的静止或运动以及运动的速度。

2.社会知觉:这是对人的知觉。社会知觉主要包括对他人的知觉、人际关系的知觉和自我知觉。对他人的知觉是指通过社会性刺激,如外貌、语言、表情、姿态等,对别人心理面貌的知觉。人际关系知觉是对人与人之间关系的知觉。自我知觉是指通过自己的言行、思想体验等对自己的知觉。

三、感觉和知觉的功用

(一)感知觉是认识的开端

人对客观世界的认识过程是从感知觉开始的,从理论上说是从客观事物的个别属性的认识开始的。通过感知觉,人们获得了关于周围事物的特性以及自己身体方面的最初的感性知识。假如没有感知觉,人类不能获得任何知识,“任何知识的来源,在于人的肉体感官对客观外界的感觉”。

(二)感知觉是一切心理现象的基础

感知觉是比较简单的心理过程,但是它却给高级的、复杂的心理过程提供了必要基础。记忆、想象、思维等高级心理过程无不建立在感知觉的基础之上。

(三)感知觉的信息维持着有机体与环境之间的平衡

人类为了适应环境,必须保持一种信息平衡。信息过载以及信息不足,甚至感觉隔绝都会造成严重的机能障碍。强光和噪音对人的心理的影响是人所共知的;而如果剥夺了一个人的感觉,完全不能感受外界刺激,也会损害他的心理机能。

有实验表明,把被试置于感觉隔绝的专门的房间里,采用几乎不透光的磨砂眼镜、剥夺手脚触觉感受性的圆筒套,并控制声音,只要几小时,被试就进入恐慌状态。两三天后,被试对时间与空间的观念发生混乱,对身体各部位之间的关系也出现错误的表象,譬如觉得头和身体的部位改变了。此外,还发生其他方面的幻觉。四天以后对被试进行的测验发现,他们的各种能力都受到损害,需要一天时间才能恢复正常状态。

可见,人在清醒时,需要不断地通过感知觉与外界保持直接的、经常的联系,不断获得适量的信息,使有机体和环境之间保持平衡,保证有机体能在环境中正确定向。

四、感知觉的生理机制

感知觉的发生和脑的接受、加工和保持信息的机能与结构直接联系。具体地说,感知觉的发生是分析器活动的结果。

感觉的生理基础即是刺激物作用于相应的分析器时产生的神经过程。分析器结构如图7-1。

图7-1 分析器结构模式图

分析器由三个主要部分构成。(1)外周部分(感受器):接受作用于它的刺激。(2)传导神经(包括传入神经与传出神经):它们是把外周部分和中枢部分联系起来的传导通路。(3)皮层和皮层下中枢:对来自外周部分的神经冲动进行分析、综合。

机体外部或内部的刺激作用于各种分析器的外周部分即感受器时,各种感受器分别接受各自的适宜刺激,如视细胞接受可见的光波刺激;皮肤上的感觉神经细胞接受触、压等刺激,然后,感受器把接受的刺激转换为神经冲动,通过传入神经到达大脑皮层下和皮层的相应区域,如视觉中枢、听觉中枢等等,通过中枢的分析与综合对这些冲动进行处理,从而产生感觉。感受器和脑之间不仅有感受器通往中枢的传入神经,而且有从中枢返回感受器的传出神经,传导中枢发出的神经冲动,调整感受器和传导部分的活动,这就是神经系统的反馈调节。

可以看出,感觉的产生是分析器的三个部分协同活动的结果。每种感觉依赖于一种相应的分析器的活动。

知觉的产生是在多种刺激物的直接作用下,同一分析器的不同部分或不同分析器协同活动的结果。由于同一分析器的不同部分或多种分析器的协同活动,就可以对事物的诸多属性产生综合的、整体的反映。例如,对彩色图片的知觉就是视分析器不同部分协同活动的结果;对玫瑰花的知觉,则是在形、色、味、多刺等多种属性的刺激作用下,视、嗅、触等不同分析器协同活动的结果。

在多种分析器的活动中,常常是一种分析器的活动起着主导作用。例如,在对玫瑰花的知觉中,视分析器起着主导作用。

第2篇:机器视觉基础知识范文

关键词:智能科学与技术;智能机器人平台;微控制器技术

0引言

机器人是一个典型的机电一体化系统,它综合了机械设计、电工电子、传感器、计算机、微控制器编程控制系统和人工智能等学科的内容,是智能科学与技术本科专业很多课程教学和实验的理想的平台。同时学生经常参加各种机器人相关的比赛,旨在通过大赛全面培养学生的动手能力、创造能力、合作能力和进取精神,同时也深化和应用智能科学与技术专业所学的知识。

与研究生相比,本科生对动手设计的兴趣要远远高于对理论知识的学习。针对本科生的这一特点,为本科二、三年级的学生设计一些创新性的机器人项目,引导学生自己组队,搭建相应的硬件电路,为他们在高年级深入理解和学习智能科学与技术的专业课程提供一个硬件平台,打下一定的专业基础,并通过这些项目的实施提高学生的综合应用和创新能力。

1微控制器技术在人工智能领域的应用现状

微控制器技术应用超大规模集成电路技术把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口、中断系统、定时器等功能(部分包括脉宽调制电路、模拟多路转换器、显示驱动电路以及A/D转换器等)集成到一个芯片上,组成一个体积小但功能强大的计算机系统。该芯片可外接多种传感器,实现对多种信息的采集处理,结合信息融合技术,可以实现机器各种预期的智能行为(如导航装备、汽车的各种智能控制系统、智能家电等)。

高效地融合微控制器技术与人工智能技术,将智能算法嵌入到机器人微控制器中,系统则会呈现出各种智能行为。可实现智能算法的机器人平台主要集中在以下几个方面:智能家庭清扫类机器人、多传感器融合的智能小车、视觉类机器人等。智能家庭清扫类机器人为机器人避障、路径规划等理论提供相应的平台,方便学生理解、学习根据某个或某些优化准则,在机器人工作空间中寻找一条从初始状态到目标状态避开障碍物的最优路径等相关知识;视觉类机器人为图像处理、模式识别等相关的理论提供相应的平台,方便学生理解、学习图像的获取和处理的智能算法;多传感器信息融合类机器人可以为多传感器融合技术提供一个硬件平台,方便学生理解、学习、综合应用控制理论、信号处理、人工智能、概率和统计等相关知识。

2可实现智能算法的机器人平台设计

各类机器人平台的总体架构大致相同,都需要包含系统输入(传感器)子系统、决策子系统、通讯子系统以及运动控制子系统。各个子系统的功能需要硬件设计和软件设计共同实现。文中结合微控制器技术重点阐述硬件设计部分,包括机器人的层次架构、硬件选型、电路设计等。结合本科教学的特点,硬件设计从学生的理解能力、可操作性、可实现性、后期智能算法的可应用性等多个方面综合考虑,应用微控制器技术,实现以下3种机器人平台。

2.1智能家庭清扫类机器人

家庭清扫类机器人的硬件平台相对比较成熟,市场上的国内外的产品也较多。此类机器人任务较为单一,传感器种类较少,硬件平台搭建较为容易,对学生而言是一个较为理想的智能机器人平台。

该平台的硬件设计采用单CPU架构,以轮式机器人为主。车体由车架、电池组、直流电机、车轮、微控制器、传感器等组成。外部传感器把环境信息输入到单片机开发板,单片机开发板对信息进行处理,处理后的决策信号通过扩展转接板传给电机,控制电动转动,从而实现机器人的运动,系统的硬件结构图如图l所示。

为保证机器人运动灵活且易于控制,我们采用圆形车体十三轮式移动机构。两主动轮差速驱动,第三个万向轮起辅助支撑的作用。传感器的布置有多种方案供选择,学生选择不同的位置安装传感器会影响到该机器人后期避障、路径规划等智能算法的设计及研究。微控制器采用TI公司的MSP430F149单片机,通过超声/红外传感器感知环境信息,使用L298电机驱动模块驱动左右两个直流电机,使用PWM技术对电机的速度进行调节和控制,通过MAX7219驱动6位LED数码管显示器显示系统运行过程中的各种信息。

2.2视觉类机器人

传统的移动机器人视觉系统通常采用通用计算机进行视觉信息处理。随着微控制器技术的不断发展,高端的微控制器也具备了强大的数据处理能力。

由于视觉信息处理计算量很大,为了使设计的视觉类机器人平台能够应用已定的图像处理算法,视觉类机器人的层次架构采用二级CPU架构,主从式控制实现,如图2所示。一级CPU采用ARM微控制器,嵌入裁剪的Linux系统,负责图像信息的获取、处理、系统管理等操作;二级CPU采用单片机微控制器实现对机器人运动的控制。

整个系统的硬件选型为搭载900MHz Quad-core ARM Cortex-A7处理器的树莓派开发板、MSP430F149开发板、摄像头、稳压电源模块、直流电机、L298N电机驱动板、机器人机体、电源(12V蓄电池)和转接板。

控制机器人移动的底盘控制方案除了前面清扫类机器人用到的双轮差动驱动以外,还有一种全向驱动方式。全向驱动方式灵活性更强,其中三轮驱动的方式具有较强的稳定性。结合视觉类机器人需求,该平台采用全向驱动方式实现机器人的移动。

2.3多传感器信息融合类机器人

多传感器信息融合技术是近年来十分热门的研究课题,它结合了控制理论、信号处理、人工智能、概率和统计的发展,为机器人在各种复杂的、动态的、不确定或未知的环境中工作提供了一种技术解决途径。信息融合的研究内容极其丰富,涉及的基础理论较多,如有参数模板法、聚类分析、支持向量机、K均值聚类等分类方法;自适应共振理论(ART)、自适应共振理论映射和模糊自适应共振理论网络等自适应的方法进行传感器融合;专家系统、神经网络和模糊逻辑等人工智能方法对融合大量的传感器信息,用于非线性和不确定的场合。

单级、二级CPU架构只能满足简单的多传感器技术的需求(如清扫类、视觉类机器人等),复杂的多传感器融合类机器人的层次结构采用“多CPU架构+分布式控制”方式实现。在主控机上实现多传感器信息融合算法,下位机则可根据需求设计多个CPU,每个CPU选用单片机控制机器人的不同部位,承担固定任务,使得机器人系统高速、稳定运行。同时每个微控制器负责获取不同类型的传感器信息,通过无线通信模块将数据传给上位机。上位机通过智能分析算法得到决策,决策数据通过无线模块传到微控制器去执行,如图3所示。

整个系统的硬件选型为高性能PC机(上位机)、MSP430F149(下位机微控制器)、WIFI模块、各种传感器及执行机构(传感器和执行机构由学生根据机器人项目的环境信息、具体的功能等确定)。

3机器人平台在教学过程中的实践及效果

在智能科学与技术专业的本科实践环节中,组织大二、大三具备C语言基础、单片机基础的学生,3~5人自由组队,根据教师给出的项目任务书进行项目设计、项目实施以及项目答辩等各个环节。图4展示的是部分小组制作的机器人实物。其中图4(a)所示的是一个基于超声传感器的轮式机器人。显示屏可显示机身距离障碍物的距离,该机器人只包含一个微控制器MSP430开发板。基于超声传感器检测的数据实现对机器人的控制。图4(b)所示的是一个视觉机器人,该机器人包含两个微控制器,一个为树莓派开发板,另一个为MSP430开发板。树莓派开发板主要用于处理图像信息,MSP430开发板主要用于控制机器人的运动。图4(c)所示的是一个多传感器融合的机器人系统。压力传感器、MPU6050传感器等检测机器人自身状态的传感器数据通过MSP430开发板外接的WIFI模块传给上位机,上位机的决策也可通过WIFI模块传给单片机控制器。

这些机器人基本上都可通过软件设计实现相关的智能算法,比如图4(a)可实现路径规划的相关算法;图4(b)则可实现一些图像处理、图像识别算法;图4(c)则可以在上位机使用智能算法对传感器数据进行分析,实现机器人稳定行走的相关控制。部分学生在完成机器人制作的基础上,结合课堂上学习的智能算法,优化了软件设计及算法实现,取得了一定的成果。

第3篇:机器视觉基础知识范文

Abstract: Robot vision bionic technology is the new hot shot in robot vision control area. In this review, based on a detailed analysis of primate eye movement forms and characteristics, the domestic and international research status of building bionic vision with the biological eye movement control mechanism, the problems and future trends are reviewed comprehensively, and new ideas for the visual bionic research are proposed for the current technical problems of robot vision bionic.

关键词: 视觉仿生;仿生眼;机器人

Key words: bionic vision;bionic eye;robots

中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2013)26-0195-02

0 引言

智能机器人是指:具有感知、识别、推理和决策能力,并且能独立执行任务的机器人。感知和识别技术是智能机器人最为关键的技术。研究最多的是基于视觉传感器的感知技术。比如美国波士顿动力公司研制的Big-Dog、Alpha-Dog、Little-Dog等系列四足机器人,采用立体视觉作为对环境进行识别和感知。意大利IIT大学研制的HyQ[2]机器人能够在复杂地形条件下高速移动,都不同程度地利用视觉实现感知。尽管如此还是满足不了人们对智能“双眼”的追求,假如能给智能机器人配备一双智能双眼,使其能像人类一样感知和获取环境信息、快速准确地切换视眼和跟踪目标,是人类对智能机器人梦寐以求的愿望。为此,人们采用多种基于计算机视觉的方法和手段来构建初步具备“视觉”功能的视觉系统。但目前智能机器人“眼睛”的功能还是比较低级,特别是在双目协调、以及对突然变化或事先未知的运动目标的跟踪、大视野与精确跟踪之间的矛盾以及由于震动引起的视线偏离补偿等方面的问题到目前都没得到很好的解决。近年来,视觉仿生成为前沿交叉学科的研究热点。

由于生物视觉经过千百万年的进化已具有极其发达和完善的内外环境适应能力。根据模拟生物视觉不同的功能表现及不同的应用场合,视觉仿生的研究可归纳为两大方面:一是从视觉感知、认知的角度进行研究;二是从眼球运动、视线控制的角度进行研究。前者国内外都有大量的研究方向和成果,主要研究视觉感知机制模型、信息特征提取和处理机制以及在复杂场景中目标搜索等。而后者是根据人类和其它灵长类动物的眼球运动控制机理来构建智能机器人的“眼睛”,实现生物眼的多种优异功能。

1 人类眼球运动的形式及特点

1.1 扫射与平滑追踪运动

扫射是当双眼自由地看周围环境是,视线很快从一个注视点转向另一个注视点。其潜伏期一般为200~250m/s,速度约为400b/s。Young等最早建立了扫视采样模,输入输出分别为目标位置和眼球位置,Robinson修改了Young的模型,模拟大脑并行处理特性。当前眼位与目标位置之差经过脉冲发生器进入并行通路,经积分器后产生位置信号,与MLF直接通路共同作用于眼球运动装置,产生扫射运动。平滑运动与扫射不同,属于眼球运动速度的连续负反馈系统,两者发生的时间是独立的。当眼球追踪一个运动物体时所发生的运动,使视线平滑地跟踪目标。

1.2 反射性眼球运动

从驱动眼动的动力源来分的话,眼球运动有与注意有关的眼动(如saccades、smooth pursuit、vergence)和与头动相关的眼动(即反射性眼动如VOR 和 OKR)两类。2005 年,Merfeld和 Ramat 分析了利用仿生机器人 iCub robot 对两种常见的 VOR 模型进行了模拟实验,分析了小脑在自适应特性及图像稳定中的重要作用。2007年Ojima指出,生物眼球运动具有典型的自适应控制机制,能够根据环境变化立即做出相应的变化和适当的响应,受此启发,提出一种非线性耦合神经振荡器网络模型及空间-时间学习算法,获得了平滑追踪中指令信号与运动增益及相位滞后的关系,建立的平滑追踪VOR 复合模型,改善了目标跟踪特性。

1.3 注视转移中头眼协调运动

2009 年后,人们提出了头眼协调运动的最优控制方法,运用最优控制理论研究了头眼运动与注视转移的关系,提出头眼运动最小贡献力为准则的最优控制方法,并转化为求解两点边值问题的微分方程组,仿真结果印证了“头、眼分别受控制于不同的控制器”的结论。但该研究提出的模型不具备生物的自学习机能,在此基础上提出了一种自学习最优控制模型,在注视转移过程中自适应调整控制器参数,对于再现生物头眼协调特性更近了一步。通过分析视觉重定位中头、眼运动的实验数据,提出建立头眼协调运动模型还须考虑一些尚未解决的问题。进一步研究导致这些现象的神经机制,才能揭示各运动子系统之间相互协调的本质。

1.4 固视微动

人眼在注视静止目标时,眼球仍处于高频率无意识的振动之中,一旦振动停止,成像就会变得模糊,这种振动保证了图像的获取质量。人眼的微动机制启发人们去模拟眼球振动来改善图像质量。当人眼凝视静止物体时,眼球自身的震颤(固视微动)具有突出物体边缘的作用且包含深度信息。东京工业大学张晓琳先后建立了单眼和双眼的水平眼球微动控制系统的模型,使眼球微动模型可以用于机器人眼的设计制造和控制上,并在此基础上制作了一对具有与双眼微动控制系统模型相同的机器人眼实验模型。事实上,生物眼球运动在大多数情况下是包含上述多种运动成分的复合运动。此外,人们还研究了眼球运动系统中神经积分器的作用、眼球运动的脑干控制机理,眼球运动与感知,以及眼球-头颈的运动学和动力学特性等,仿生眼的研究在国外成为前沿研究热点。

2 仿生视觉面临的问题及对策

目前机器人眼的研究多是基于工学方法,利用左右摄像机获得目标图像分别进行处理,左右眼和头颈缺乏协调联动机制,在双目、头眼协调运动、视线偏离补偿、不确定目标追踪等方面存在诸多技术障碍,采用仿生技术是寻求解决这些问题的重要途径。

2.1 建立完善的仿生眼模型

基于国外生理学研究成果,采用工程仿生学和控制理论相结合的方法,将视觉控制生理模型转化为工程技术模型,实现生物视觉的优异性能,从根本上解决机器视觉面临的技术难题,是智能机器人研究的重要方向。目前文献中的仿生眼模型只模拟了人眼的一种或两种运动,且多为单眼或双眼一维水平运动。普遍采用扫视与平滑追踪分离的机制,难以同时实现多种眼球运动。进一步研究各种眼球运动之间的内部关联与神经机理,建立多自由度非线性仿生双眼运动模型,同时实现扫视、平滑追踪、异向运动和反射运动等多种眼球运动,尚需进行大量的研究。

2.2 引入生物神经控制机理

当进行大幅度视线转移时,机器人的关节冗余需要有效地协调头部和双目的运动。目前提出的头眼协调运动系统及学习算法多是基于水平方向的二维头眼系统,虽有学者提出3D头眼协调运动控制算法,但采用的是先双目聚焦,再转动头部,后做眼睛补偿的“分时”“分段”执行方法,并未真正实现头眼同时转向目标中的协调控制。目前3D头眼协调运动仍是一项有待突破的技术难关。从生物头眼协调运动中获取灵感,研究灵长类动物头、眼和身体协调组合完成视线转移的神经控制机理,设计双目头颈协调运动控制算法,解决机器人3D头眼协调控制问题不失为一条重要的研究途径。

2.3 研究人眼跟踪目标的机理

机器人“眼”的重要功能之一是视觉跟踪,目前常采用视觉伺服反馈控制的方法,但对于突然、快速变化以及行踪无常的目标,常出现目标丢失、跟踪失败的现象。人眼在跟踪变化无常的目标中表现出的非凡才能源于其视觉系统中眼球快速扫视和慢速平稳追随之间的协调配合和实时切换。深入研究人类眼球运动模式自动切换快速准确跟踪目标的神经生理机制,将视觉跟踪中扫视(saccade事件驱动)和平稳追随(smooth pursuit,速度连续驱动)模式的切换看作混杂系统的自适应最优控制问题加以研究,以期解决随意性运动目标跟踪的快速性和准确性问题。其中两种模式之间的最佳切换时机和预测算法是研究的关键技术。

2.4 模拟人类反射性眼球运动机理

机器人在颠簸路段行走或在复杂的非结构化环境中作业时,自身机体振动或姿态发生变化会引起较大的视线偏离。通常采用图像处理(特征提取、目标检测与匹配、空间位置计算等)的方法来调节伺服机械云台,但补偿范围小,图像稳定性差,尚无解决大视线偏离的办法。人眼具有很强的自适应和自调节功能,当头部和身体姿态发生变化或背景动态变化时,仍能清楚地注视和跟踪目标,缘于其前庭动眼反射(VOR)和视动反射(OKR)机能。研究人类反射性眼球运动机理,建立由基于视网膜滑动信息的反馈控制器和基于前庭输入的前馈控制器组成的自适应VOR-OKR模型,主动补偿由机器人姿态本体变化引起的视觉误差,解决机器人大范围视觉偏差补偿问题。

3 结论

机器人的视觉技术是机器人的共性技术,也是一项关键技术。仿生型机器人眼运动控制系统使机器人眼具备人眼的诸多特殊自然功能,将其投入机器人产业应用将开创仿生学在机器人技术领域崭新的应用前景。

参考文献:

[1]Erkelens CJ.A dual visual-local feedback model of the vergence eye movement system[J].Journal of Vision,2011,11(10):21:1-14.

第4篇:机器视觉基础知识范文

一、训练学生的听觉

舒蔓说过,在音乐教学中发展听觉是最重要的事情。凡是成功的音乐家(作曲家、演奏家、歌唱家)无不具备超群的听音能力。少年时期的聂耳,听过的曲子过耳不忘;瞎子阿炳是靠听力进行创作和演奏的。由此可见,在音乐教学中,抓住契机,有目的地进行听力训练是不可忽视的素质教育内容之一。第一,音乐课使学生对音乐的要素及其特点获得明确的认识,奠定了听觉发展的基础;第二,音乐课提供了视唱练耳等行之有效的经验与方法,使学生听觉的训练科学化、系统化、规律化;第三,音乐课通过音乐作品,使学生有多样化训练听觉的实践,大大提高了他们的听觉能力与分析能力,有利于学生积累丰富的听觉经验与音乐知识。

因此,在教学中,我非常重视训练学生的听觉,在训练中使学生逐步理解音高概念,明确音高是视唱技能的基础。具体操作是从唱好音阶、说好音名、唱好音符、唱准音程、培养调试感着手,训练学生的音高感,并借助固定音高乐器进行听音模唱和听辨,练习听音记谱。此外,还要训练学生的音乐感知能力和记忆能力。让学生经常听一听器乐曲,之后让其品味出是由哪种或哪些乐器发出的音响。准确地讲出乐曲的题目,以便更好地认识乐曲,丰富音乐知识。识谱教学进行到一定的程度,让学生试着记录曲谱,哼出主旋律,提高边听边记的能力。当然,不能操之过急,应由浅入深,由少到多,循序渐进。激发学生感知、记忆、再现曲谱的兴趣,强化听音能力的训练。

二、培养音准感和节奏感

在音乐教学中,要通过视唱练习,培养学生的音准感和节奏感,正确应用各种拍子的强弱规律。如让学生认识“=”拍子时,可以让他们听威武雄壮、整齐有力的《进行曲》;认识四拍子时,就让他们听一些如《谁不说俺家乡好》这样的舒缓曲子;认识三拍子时,就放一些圆舞曲。从而培养学生的重音感、均匀感和流动感。在视唱选曲选材上,除选用学过的一些歌曲,笔者还从课外选择一些曲调优美、风格独特的民歌、名曲作为视唱练习曲。在整个视唱练习中,着重在音高、节拍、节奏、速度等方面进行训练。训练时要求学生做到“三到”,即眼到(看谱)、手到(划拍)、口到(轻唱),三者密切配合。

节奏是组成音乐的要素之一,是最富于表现力的音乐旋律,所以让学生准确掌握节奏是十分必要的。

为了激发学生进行节奏训练的积极性和趣味性,我让学生用打击乐器练习,并进行即兴节奏创作,把力度和速度的变化融入其中,从而使学生的力度感、节奏感和速度感得到不断的提高。

三、乐理教学

笔者以为乐理知识应在唱歌、视唱及器乐欣赏教学中穿行,不应将乐理课作为一般知识课处理。在乐理课上要注意力度和音色的训练。在力度训练上,应让学生了解乐曲的强弱规律及其作用,从渐强渐弱概念开始,引导学生认识强弱记号和强弱规律。

在音色训练中,教师让学生从敲击一些生活用具做起,初步认识不同的音色,直到介绍一些常见的乐器,如小提琴、单簧管、小号、长号、圆号等。播放乐器演奏的曲子,让学生细心欣赏,使他们对这些乐器的音色有较深的印象,并说出不同的音色适合表现怎样的音乐情绪。在训练学生的音高和力度时通过听辨模拟小鸟和老黄牛叫的声音,使他们感受声音“高低”和“强弱”的区别。在视唱和歌曲教学上,让学生正确运用各种拍子的强弱规律和临时强弱记号,培养学生的重音感、均匀感和流动感。

四、扩大视野,增长知识

音乐教学中要让学生演唱、演奏、欣赏很多的音乐作品,要学习作家的生平、时代背景,要接触到许多地区民族的文化,要了解各种音乐题材、体裁、风格和形式,要学习演唱演奏知识及乐理、视唱练耳等基础知识和基本技巧。所有这一切,除了学习音乐本身的知识、技能、技巧,还涉及政治、经济、历史、地理、自然常识、风土人情等方面的知识,可以说是包罗万象的“小百科全书”。通过音乐课学习,可以开阔视野,增长见识,全面提高音乐素质。

第5篇:机器视觉基础知识范文

(1.南开大学计算机与控制工程学院,天津300071;2.天津市智能机器人技术重点实验室,天津300071)

摘要:智能专业作为具有工科特色的新兴专业,实验教学是必不可少的环节。文章阐述如何依托科研项目带动教学实验,建设仿真实验平台。举例介绍实验平台中的几个具体实验项目,说明通过科研与实验教学的互动,可以丰富智能专业的教学资源,提升教学方法,使科研成果和科研难题有新的“用武之地”。

关键词 :智能科学与技术;实验教学;仿真实验平台

基金项目:南开大学2014年本科重点教学改革项目;中国科协高校科普创作与传播试点项目( 2012KPZP183);国家自然科学基金项目( 61375087);2015年南开大学研究生创新计划项目。

第一作者简介:周璐,女,中级实验师,研究方向为智能机器人技术、虚拟仿真技术、机器人科普教育,zhoulu@nankai.edu.cn。

0 引 言

南开大学智能专业建设依托机器人与信息自动化研究所,至今已走过十个年头,坚持科研带动教学是我们专业建设的特色思路。通过几年的认真研究和发掘,一批面向智能专业教学的仿真实验平台应运而生。

1 仿真实验平台建设背景

众所周知,智能科学技术是一个融合计算机、人工智能、模式识别等研究领域的交叉性学科,这些前沿技术也是当前智能科学发展的动力和源泉。我们尝试将科研成果与智能专业教学相结合,用高水平的学术研究反哺课程教学,使科研项目作为优秀的教学资源,传承到课程改革实践中。

很多高校智能专业的教师团队大部分需要从事教学、科研双重工作。教师将自己或团队中的科研成果开发成适合学生的教学实例,既能让科研资源发挥作用,又能将自己的研究理念传授给学生,使课程的开展更加得心应手。

绝大部分智能专业学生毕业后继续从事相关领域的深造和技术工作,因此教师的工作更加贴近前沿的科研技术、贴近实际的实验教学,能使学生的科研素养和实践能力得到更大的提高。

2 在智能专业教学实践中的作用

首先,仿真平台应用于教学实验具有很多好处:该平台相对于枯燥的公式推导和计算,起到丰富教学内容、优化演示效果、提升教学能力等作用;相对于实体机器操作,有节约成本、拓展实验领域、降低安全风险等作用。

其次,我们建设的仿真实验平台由多个仿真系统组成,这些仿真系统均来自机器人所承担的重大课题和实际科研项目。以智能科学与技术专业的教学内容为大纲,我们在充分发掘这些仿真系统功能的基础上,设置了对应的实验项目。这些实验项目相对于传统实验,更关注技术的前瞻性,更有利于培养学生的综合设计和创新能力。

最后,这种教学方法除了传授给学生前沿的知识以外,还能逐渐提高学生对研究性学习的兴趣,更有利于培养具有实践本领和创新精神的高素质人才。

3 平台建设情况

3.1 将实验项目分类设计

南开大学组织学位委员会专家和一线教师,根据智能科学与技术专业的培养方案,制定了实验教学大纲。根据实验教学大纲,教师们经过多次研讨,选定恰当的实验项目,并将实验项目分为基础型、综合型、创新型3类。

(1)基础型:主要培养学生的基本实验技能,使之了解知识原理,巩固和加深基本理论,在此基础上重点培养学生掌握基本实验工具、基本实验方法、计算机辅助工具、科学仿真与计算软件的使用方法,培养学生的实验技能,为以后学生进行更综合的实验打下基础。

(2)综合型:以提高学生的设计能力和综合能力为主,实验内容侧重于综合应用本课程的知识及相关课程知识,设计并完成有一定难度的实验。学生要分析实验中的现象,最后通过数据整理实验结果,完成全过程实践。

(3)创新型:安排学生参与兼具研究性和探索性的大型实验。该类实验题目往往是从科学研究、实际科研项目、大型工程实践等项目中提炼出来的子课题或子系统。教师应该指导学生通过分析实际问题,提出创新解决方案,并进行优化比选。

在安排实验项目内容时,要求任课教师注重增加综合型和创新型实验项目,并及时更新实验项目的内容,使实验项目既能反映本学科理论的最新发展,又能将教师的科研成果引入实验教学。

目前,在仿真实验平台建设方面,我们将科研成果应用于本科教学中,初步建立了两个创新型仿真平台和两个综合型仿真平台。

3.2 具体实验项目举例

1)虚拟机器人仿真开发实验(创新型)。

学生可以在图形化界面下进行机器人设计、搭建,并通过系统的MATLAB接口实现虚拟运行,从而驱动自己搭建的机器人。

机械设计对于智能专业学生的培训并非重点,应该更多地关注在建立三维模型后,对机器人和工作任务的控制环节。本套仿真系统的三维建模功能可以让学生轻松上手,简单快速地搭建机器人,类似拼搭乐高积木。同时,虚拟机器人可以与轨迹规划相结合,在虚拟场景中让机器人运动起来。图1为学生搭建的虚拟移动机器人以及它在Simulink环境中的轨迹规划和运动仿真。离线编程模块可以让学生用简单的编程语言控制机器人运动。本实验可以应用于机器人学/机器人学导论等课程的实验教学,训练学生的设计能力和建模能力。

项目来源:中国科协高校科普创作与传播试点项目( 2012KPZP183)。

2)可配置多机器人仿真开发实验平台(综合型)。

图2为可配置多机器人仿真开发实验平台,通过双工业机器人仿真平台,学生可以在图形化界面下学习机器人的相关知识,巩固机器人学中正逆运动学、雅克比矩阵、轨迹规划等重要概念,也可以通过算法设计,完成关节限位、避碰检测、路径跟踪等任务级作业,从而更好地理解工业级机器人的各项控制方法。该实验可以应用于机器人学/机器人学导论、机器智能基础等课程。

机器人工作空间和奇异点问题需要较为复杂的计算和推导,理解起来有些抽象,但通过仿真系统进行演示非常直观。学生可以将自己规划的算法或关节空间下控制序列输入系统,验证自己的实验效果。

项目来源:竞争型机器人遥操作机理的研究( 60575048),国家自然科学基金;双臂机器人协调集成技术及其复杂作业的研究,国家863项目。

3)多机器人视觉仿真系统(综合型)。

图3为多机器人视觉仿真系统,使用了MATLAB编程环境将机器人的各个关节参数实时地显示出来,学生可以在熟悉的MATLAB界面下,在系统中实现视觉伺服相关理论、核心算法。该仿真平台可以让学生综合锻炼视觉伺服参数标定、算法验证、误差分析等能力,能够应用于机器智能基础等课程。

机器视觉作为智能专业的主干课程,在本科教学中非常重要,然而学生通过操作摄像机进行视觉标定实验需要的硬件设备较多,对环境光线、空间等要求较高。为了让学生更快地理解各种算法和标定方法,可以让学生借助这套仿真系统进行锻炼,同时引入噪声等变量模仿环境干扰,进行误差分析、视觉伺服补偿、算法优化等作业。

项目来源:基于远程网开放的机器人实验平台( 2001AA422290),十五863计划。

4)航天工程机械臂仿真实验(创新型)。

图4为航天工程机械臂仿真实验系统,学生可以在逼真的三维空间环境下,学习虚拟仿真技术、虚拟现实技术。在课程中,教师可以让学生尝试将多维力、声、触、视等反馈设备加入系统,锻炼数据分析、系统集成能力。该实验可以应用于机器视觉基础、智能专业实践等课程。

项目来源:基于网络遥观测机器人的野外生态观测技术研究( 61375087),国家自然科学基金。

4 结语

南开大学智能科学与技术专业根据本学科的积累和建设特色,将“科研项目带动教学”作为一种全新思路进行尝试,取得了一定效果。通过挖掘和延伸设计实际科研项目中的仿真系统,目前已经初步建设完成了一些较好的实验项目。智能专业的机器人学课程对实验平台的应用最为深入,通过实验项目提高了学生对机器人动力学、运动学、轨迹规划等知识的学习效果。我们将在今后的教学过程中,继续丰富和优化实验项目,使实验平台越来越完善。

参考文献:

[1]方勇纯,刘景秦.南开大学“智能科学与技术”专业教学体系与实验环境建设[J]计算机教育,2009(11): 21-25.

[2]卢桂章,无处不在的智能技术[J].计算机教育,2009(11): 68-72.

[3]方勇纯.智能科学与技术专业毕业生情况分析与专业建设[J].计算机教育,2010(19): 51-54.

[4]许林.智能科学与技术专业本科实践课程的建设[J]计算机教育,2011(15): 120-123.

第6篇:机器视觉基础知识范文

打不好枪的射手,一般是对武器的熟悉还只限于大部机件名称、分解结合以及射击时武器的弹道高上。虽然这些是射手认识武器所必需的,但就此而止,只能说明他了解了武器,还谈不上熟悉。作为一名优秀射手,重要的是熟悉武器的工作原理和工作方式,各部件在发射过程中的运作行程方式以及后坐的产生、大小、方向及对命中的影响等理性知识,以彻底消除对武器的顾虑。很多在学校射击成绩并不很好的学员。毕业一两年后,射击水平明显提高。他们的说法是:在给战士多次讲解武器知识和射击学理后,自己觉得对枪的理性认识提高了,枪不陌生了,射击时就不会那么心慌了。也就是这个道理。

在感性认识方面,通过对枪的形状、重心、重量以及后坐的感受,培养对枪细腻的感觉。这些,可以采用一些有效的方法来实现。如射击时我们可以不考虑成绩,在正确据枪的基础上,专心去感觉枪响瞬间枪对身体的撞击,枪口摆动方向以及双手变化等。再如手枪训练,可以在空枪与装满子弹的枪之间,感觉由于重量变化而带来的据枪变化之间的差异。

采用盲训,提高自身感觉

盲训是一种排除视力参与,喧宾夺主,突出身体感受的一种特殊训练方法。它是射手在正确瞄准下并完成正确据枪的定型和正确击发基础上进行的。目的是通过运用身体感受进行练习,提高身体感受性和动作协调性。可分为“半盲训练”和“全盲训练”。

第7篇:机器视觉基础知识范文

【关键词】机器视觉技术 虹膜识别 创新应用

在信息时代,身份识别困难的问题变得更加突出。仅仅利用身份证进行身份识别,容易出现身份信息被伪造和丢失的问题,所以无法满足社会的发展需要。而虹膜具有唯一性和防伪性,运用机器视觉技术实现虹膜识别,则能够根据人体生物特征完成个人身份认证,继而更好的促进相关技术的发展。

1 机器视觉技术概述

所谓的机器视觉技术,其实就是利用计算机实现人的视觉功能,是可以利用计算机代替人眼认识客观三维世界的一种技术。从特点上来讲,机器视觉技术具有较高的测量精度和灵敏度,并且具有抗电磁干扰能力强、噪声低等有点,能够在恶劣环境条件下得到使用。将该技术引入到图像采集处理系统中,则能够利用机器代替人眼进行判断和测量,可以利用图像摄取装置完成目标检测,然后将检测得到的信号转换为数字信号,并利用图像处理系统完成信号的判断和处理。

2 机器视觉技术在虹膜识别中的创新应用

利用机器视觉技术,无需与被观测对象接触就能够完成被检测对象的特征的准确提取,所以不会对被观测者造成损伤。因此,可以在虹膜识别中进行机器视觉技术的创新应用,从而增强虹膜识别的安全可靠性。

2.1 虹膜图像的采集

利用机器视觉技术进行虹膜识别时,首先需要完成虹膜图像的采集。具体来讲,就是需要完成虹膜图像的清晰、准确采集,并且将图像信息以数字化形式存储,从而为后续图像识别打下良好的基础。而机器视觉系统中包含光源、光学系统和图像捕捉系统,能够从15-46mm距离完成虹膜图像的采集。在图像捕捉的过程中,用户需要在摄像头前进行眼睛位置的移动,以便获得虹膜最佳的对焦位置。此时,摄像头将连续完成虹膜图像的采集,而系统也会提示用户进行眼镜位置的移动。直至成像有足够锐度时,系统将会完成虹膜图像样本的自动采集。在图像存储上,机器视觉系统中包含有图像采集卡,其具有接收图像信号和实现A/D转换的功能,能够完成图像信号的放大和数字化输出。而该功能模块还能够实现摄像机的同步或异步拍摄控制,能够通过PC机内部总线完成数字数据的高速传输,传输速率能够达到130MBPS。

2.2 虹膜图像的提取

实际上,利用视觉识别系统初步采集的图像是人眼图像,想要实现虹膜识别还有完成图像的预处理,以便从人眼图像中完成虹膜区域图像的提取。具体来讲,就是需要先进行虹膜定位,然后对图像进行归一化处理。所谓的虹膜定位,实际上就是从人眼图像中完成虹膜区域图像的分割。从原理上来看,由于瞳孔和虹膜在交界处会形成内边界和外边界,所以只要完成虹膜内外边界的查找,就能够实现虹膜区域的提取。使用微积分算法,可以使用圆形边缘检测器完成虹膜内外边缘的反复查找,从而获得最佳匹配的两个圆。通过将曲线积分路径转换为弧形,并且完成相应信息参数的调整,就可以完成上下眼睑的边缘检测。在图像归一化处理方面,需要从虹膜内边界中心右侧水平半径开始沿着逆时针方向将环形虹膜展开,从而得到矩形虹膜。在此基础上,通过对虹膜大小进行标准化处理,则能够完成虹膜不同心和虹膜与瞳孔不同心的问题的处理。经过处理,得到的图像的虹膜边界与瞳孔边界线应该为水平线。

2.3 虹膜图像的识别

完成虹膜图像的归一化处理后,系统还要进行虹膜图像特征的提取,从而实现虹膜识别。具体来讲,就是需要使用2DGabor滤波器完成虹膜纹理的局部量化和编码,从而实现纹理二维信息的处理。除了使用该种方法,使用机器视觉技术也可以在不同分辨率下完成虹膜图像的分解,然后将分解后的图像与对应图像进行比较。值得注意的是,在进行虹膜图像特征提取时,需要确保图像缩放、位移和旋转的不变形。如果获得的特征无法实现虹膜复杂纹理的全面反映,还要从频率域和空间分别展开分析,以便进行纹理信息的完整表达。所以,虹膜特征提取过程就是一个数据分析和处理的过程,能够将大量原始图像数据转换为若干特征,并且从中进行具有代表性的特征的提取,继而为图像的分类处理打下基础。在虹膜分类中,系统将使用神经网络方法和CASIA(中科院自动化所提供的公开免费虹膜数据库)完成虹膜分类机制的构建。利用反复训练和调整得到的决策函数,则能够完成识别模式和已知库中模式的比较,继而实现虹膜图像的识别。

3 结论

总之,机器视觉技术在农业、工业等多个领域都得到了应用。而在虹膜识别上实现该技术的创新应用,则能够促使该技术进一步向着高精度、实时在线和智能化检测的方向发展,并且也能够使生物识别技术得到进一步发展。

参考文献

[1]田启川,刘正光.虹膜识别综述[J].计算机应用研究,2014,25(05):1295-1300.

[2]田捷,杨鑫.生物特征识别技术理论与应用[M].电子工业出版社,2014.

[3]张曼.形变虹膜图像的鲁棒特征表达与匹配[D].中国科学院大学,2013.

[4]孙哲南.虹膜图像特征表达方法研究[D].中国科学院研究生院,2014.

[5]张慧.基于纹理分析和颜色特征的虹膜图像分类[D].中国科学院研究生院,2013.

[6]李星光.虹膜图像质量评价研究[D].中国科学技术大学,2013.

[7]刘京,孙哲南,谭铁牛.一种基于非局部正则化和可靠区域检测的虹膜图像去模糊算法[J].计算机科学,2014,41(01):54-58.

第8篇:机器视觉基础知识范文

关键词:Halcon 软件 机器视觉 数字图像处理 实验教学

中图分类号:TP39 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)10(c)-0172-02

图像处理、图像分析、机器视觉和计算机视觉是彼此紧密关联的学科,其特点均具有很强的理论性和实践性。如果在教学中不重视实践教学或实践教学手段不力,都不利于学生创新能力和动手能力的培养。高校教师应重视理论教学的同时,更要重视实践教学,关键是要找到强有力的教学方式和教学手段,找到恰当的图像处理软件。Matlab科学计算软件具有丰富的图像处理工具箱[1-2],目前被广泛1应用于图像处理的教学中。但是,机器视觉课程具有很强的理论和实践性,一些功能齐全的机器视觉软件,如Halcon和Open CV等软件的出现,为提高这些课程的实践教学效果提供了新的手段。本文将探讨如何应用Halcon软件改进实验教学方式和手段,并结合实例说明Halcon在机器视觉等课程教学中的应用。

1 机器视觉硬件系统概述

机器视觉系统[3]是基于机器视觉技术为机器或自动化生产线建立的一套视觉系统,图1为实验用机器视觉系统,包含摄像机、照明光源、镜头、图像采集卡和计算机组成。

2 Halcon概述

Halcon 软件是德国MVtec公司开发的一套完善的标准的机器视觉算法包[4],是得到广泛应用的机器视觉集成开发环境,提供了1100多种具备突出性能控制器的库,如图像的运算、图像的几何与数学变换、滤波、色彩分析、Blob分析、形态学计算分析、3D校正等。Halcon软件保障与硬件无关,支持大多数图像采集卡及带有Directshow和IEEE 1394驱动的采集设备。

Halcon软件包含一个功能强大的交互式软件接口HDevelop,提供一个通用的浏览界面,访问不同的图像采集设备,支持Windows、Linux和Solaris运行环境,为用户搭建了快速有效的图像处理程序开发平台。它甚至可以从图像采集设备中实时捕捉图像。HDevelop拥有很多数据和图像检查的图形工具。它的图形用户界面支持多种显子语言。HDevelop具备语法检查,语法凸现,函数参数的合适取值,后续操作和替代算子建议,程序调试,完整的在线帮助等功能。Halcon软件还可以导出以C++、C#、C、Visual Basic或者程序,以嵌入到其他程序中。

3 实验教学应用实例

在机器视觉等课程的理论教学中,我们的教学目的是让学生掌握相关的理论知识,在机器视觉等课程的实验教学阶段,我们更要培养学生的算法编程能力和实践应用能力。利用Halcon软件的高度交互式编程环境HDevelop,能编译和测试视觉处理算法,可以方便查看处理结果。再者,Halcon软件自带许多图像处理与机器视觉的相关案例,涵盖了图像处理与机器视觉基础知识的大部分内容[4]。我们在教授学生理论知识的同时,结合案例的讲解,使学生在掌握理论的同时熟悉实践过程,进而培养学生的编程实现能力。因此选择Halcon软件作为教学软件,成为培养学生图像处理和视觉处理算法编程能力和实践能力的又一重要手段。由于篇幅限制,这里仅以利用Blob分析算法实现车牌识别的实例来说明 Halcon软件在机器视觉与数字图像处理等课程教学中的应用。

Blob分析算法实现车牌定位识别程序如下:

read_image(Image,'lisence')

fill_interlace(Image,ImageFilled,'odd')

threshold(ImageFilled,Region,0,90)

connection(Region,ConnectedRegions)

select_shape(ConnectedRegions, SelectedRegions,'width','and',30,70)

select_shape (SelectedRegions,Letters, 'height','and',60,110)

sort_region(Letters,SortRegions,'upper_left','true','column')

read_ocr_class_mlp('Industrial_0-9A-Z.omc',OCRHandle)

do_ocr_multi_class_mlp(SortRegions,ImageFilled,OCRHandle,Class,Confidence)

area_center(SortRegions,Area,Row, Column)

disp_message(3600,['The result is:'], 'window',200,150,'yellow','false')

for Index:=0 to 6 by 1

disp_message(3600,Class[Index], 'window',200,300+20*Index,'yellow', 'false')endfor

上面程序中,利用read_image算子读入要识别的车牌图像,命名为Image,如图2所示;通过fill_interlace算子修改在采集图像过程中造成的两个半幅图像拼接的问题。接着,用threshold算子对图像进行阈值分割处理,分割出含有车牌的图像区域,灰度阈值范围为0~90;接着用connection算子将选择出来的区域进行相联,形成相连区域ConnectedRegions,如图3所示。处理后的图像除了车牌区域使我们的感兴趣区域外,其他的都为干扰区域,于是用算子select_shape通过限定width和height将车牌区域选择出来,如图4所示。车牌区域共有7个,从左至右排序后,利用现有Industrial_0~9A~Z字符库对车牌7个部分进行识别,用到算子do_ocr_multi_class_mlp。识别之后,利用for循环将结果用浅黄色字体显示在窗口中,实验结果如图5所示。

从上面的车牌识别实例可以看出,HDevelop交互编程环境中的函数概念清楚,用法明了,应用简单。由于每一个HDevelop算子的各个参数都可以在编程过程中及时调整和编辑,这样我们在实验过程中对程序进行单步调试,讲解重要算子的选择、调试和参数编辑,让同学们看到算法运行的每一个步骤,这样同学们就能很快掌握相关知识点。Halcon具备可实时查看图像属性的交互对话框,来查看程序中的参数设置,灰度直方图,特征值柱状图,放大镜和特征检测等。随着学生对HDevelop编写算法的掌握,后续的教学部分可以从HDevelop导出算法代码并集成到应用程序中,例如生成用户界面等,这样同学们就可以开发机器视觉程序,添加用户界面,集成调试生成可执行的应用程序。

4 结语

结合机器视觉和图像处理实验教学的特点和难点,我们采用Halcon软件进行机器视觉和图像处理辅助教学,将Halcon引入到机器视觉教学中,通过对典型案例的讲解和程序一步步的调试以及编程过程的演示,对学生进一步理解理论知识有很大的帮助,可以激发学生自己动手编写有特定需求的图像处理算法程序,提高学生的编程实践能力,取得良好的教学效果。由于Halcon易学易用,能很好的激发学生的学习兴趣,我们可以通过课程设计来鼓励学生利用Halcon编写自己的机器视觉算法程序,我们还可以通过毕业设计来让学生编写和开发自己的机器视觉应用程序,从而激发学生的学习和科研热情,提高解决实际问题的能力。

参考文献

[1] 张钰.MATLAB软件在信号与系统实验教学中的应用[J].高校实验室工作研究,2011(1):50-51.

[2] 张广军.机器视觉[M].北京:科学出版社,2005.

第9篇:机器视觉基础知识范文

一、强化专业基础课学习和实训

在讲授《电工技术与技能》、《电子技术与技能》时,我针对学生的基础实际,补充初中电学的相关知识,做好初、高中知识的衔接,便于学生接受新知识;技能实训时,选取在日常生活中最常见、应用最广泛的日光灯、万用表、智能稳压充电器、收音机等项目,使学生掌握元器件的识别、检测和判别,理解放大、整流、滤波、稳压等电路的工作原理,培养学生装配和焊接工艺,学会使用常用的电子仪器(如万用表、示波器等),从而激发学生的学习兴趣,熟悉基本电路的检修方法,为彩电的学习奠定基础。

二、重视彩电原理学习和技能培训

彩电原理抽象复杂,学生基础参差不齐,我采用了多媒体技术、实物投影技术、虚拟实验室技术等现代化的教学手段,分析透彻课本上的各种机型电路组成与信号流程,让彩电原理变得深入浅出,直观形象,通俗易懂。这样不仅激发了学生的学习兴趣,提高了教学效率,还优化了教学过程,拓宽了知识面,激活了创新思维。

为深化原理学习,提高技能水平,我重点做了两方面工作:

1、进行关键点测试和故障模拟,为检修铺路。

为进一步熟悉彩色电视机的基本结构、原理,掌握专用元器件的检测及维修方法,我们利用现有实训设备,每学完一章理论就进行相应电路的测试与故障模拟。这样不仅让学生加深了彩电原理及故障现象认识,还能培养他们熟练使用维修工具的能力,做好维修数据的积累,为检修实训奠定基础。

2、检修实训,提高排除彩电故障点的精确率。

在电视机的排故障实习过程中,我采用了项目教学法,即先让学生熟悉电视机中某一模块的工作原理,再进行故障排除的分析与指导,然后进行排故障练习,最后根据检修过程写出实习报告。

(1)筹备有序,提高实训设备利用率。

农村职业学校教育资金短缺,设备落后,现有的实习条件很难保证每人一台实训彩电。为此,实训前我都要统筹安排:即给每台彩电编号,设不同故障点,小组合作人人动手,采用排故障练习与写实习报告相结合的方法,即在规定的时间里每找到一个故障点,必须马上写出实习报告,经实习教师检查验收并打分后,再安排下一个故障机的检修。另外为保证故障机的利用率,检修过程中要求只查不排,凡是思路不清的不允许上机实习。

有竞争就有动力,极大地调动了学生学习的自觉性和积极性,上机实习积极踊跃。

(2)检修指导,确保实训的高效性。

电视机维修是通过分析、判断、检测等方法确认电视机故障产生的原因。我设置故障遵循从简单到复杂、先单元后整机、从明显到隐蔽的原则,循序渐进,引导学生学会观察,学会检测,学会思考,学会判断,力求通过学生自己的努力,理出检修思路,找出故障原因,做好检修记录。每当学生修好一台故障机后,学生都会情不自禁地表现出一种成就感,我与学生共享这胜利果实的时候,都要求学生及时反思,总结检修过程,找出检修规律性,撰写有价值的检修报告和小论文。这样学生就会进一步理清了检修思路,强化了检修印象,提高了学生的维修技能。

(3)及时总结,巩固实训效果。

在实习过程中,教师要及时批改实训报告,做到因材施教,重视课堂小结:对正确、有创造性的检修思路,教师要给予肯定和表扬;对错误和不完善的检修思路,教师要引导学生找出思维的障碍和所学知识的缺陷,并提出今后努力的方向。这样,通过实习报告的反馈使教师更加明确教学改进的方向,加深学生彼此了解。同时我还对个别学生存在的问题进行及时引导。这种集中与个别相结合的指导方式,可以全面提高学生分析故障、排除故障的能力,激发学生探索维修技术的兴趣。

(4)引导学生多途径学习和查找资料。

现在科技日新月异,电视机的性能和高新技术含量不断提高,品牌多,机型多,更新换代日趋频繁,利用相关的工具书和互联网查找资料进行学习检修已成趋势。为此,我常常布置一些课外作业,引导学生多途径学习和查找资料,培养学生排除疑难故障的能力和自学能力。

三、培训比赛,强化教师专业技能

职业学校的教师不仅要有较强的理论知识,还要有很强的动手能力,能不断地跟踪新技术、新知识。这就要求我们教师要主动学习,勤维修多实践,不断积累经验,积极参加上级组织的培训和比赛。为了丰富课堂教学,我将平时维修更换下来的组件贴上标签并归类,标明故障现象和检修过程,然后结合所学内容,把我的维修经验传授给学生,这样学生在听课时有亲临其境的感觉,有利于知识的掌握和技能的提高。

四、课外辅导,锻炼学生独立维修能力