《機(jī)器視覺》教學(xué)大綱

《機(jī)器視覺》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：06151331課程性質(zhì)：專業(yè)選修課程學(xué)分：2學(xué)分學(xué)時：32學(xué)時先修課程：光電子技術(shù)基礎(chǔ)、激光原理與技術(shù)等后續(xù)課程：無適用專業(yè)：光電信息科學(xué)與工程開課單位：電子信息工程學(xué)院一、課程說明《機(jī)器視覺》是面向光電信息科學(xué)與工程本科專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)選修課，本課程的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握研究動態(tài)測試的基本理論和基本方法，了解機(jī)器視覺的前沿應(yīng)用。通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生能夠運用各種機(jī)器視覺配件，完成簡單的工業(yè)檢測工作，掌握機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計的基本思路，掌握使用機(jī)器視覺專業(yè)軟件進(jìn)行圖像處理方法和編程語言，掌握各種圖像處理算法，為今后從事測試工作打下堅實的基礎(chǔ)。二、課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：了解機(jī)器視覺的起源，機(jī)器視覺系統(tǒng)概念及組成、國內(nèi)機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀等。課程目標(biāo)2：了解機(jī)器視覺系統(tǒng)主要硬件功能及原理，并能夠按照實際應(yīng)用場合選擇搭建合適的機(jī)器視覺硬件系統(tǒng)。課程目標(biāo)3：了解圖像處理的基本算法、原理及主要處理軟件。課程目標(biāo)4：了解圖像預(yù)處理的原因，掌握各種濾波技術(shù)及圖像增強(qiáng)技術(shù)基本算法，根據(jù)圖片現(xiàn)狀選擇合適的預(yù)處理方法。課程目標(biāo)5：了解圖像分割的依據(jù)和定義，掌握圖像特征分割、提取、定位方法。課程目標(biāo)6：掌握立體視覺的成像原理，雙目立體視覺的標(biāo)定。課程目標(biāo)7：掌握利用機(jī)器視覺進(jìn)行序列號讀取的方法；學(xué)會如何利用機(jī)器視覺對鋸片、印刷品、封裝等產(chǎn)品進(jìn)行檢測。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《機(jī)器視覺》課程教學(xué)目標(biāo)對光電信息科學(xué)與工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。

表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)支撐強(qiáng)度1.工程知識1.4具有解決光電信息領(lǐng)域工程問題所需的專業(yè)知識，并能夠綜合應(yīng)用相關(guān)知識解決復(fù)雜光電信息工程問題。課程目標(biāo)1：了解機(jī)器視覺的起源，機(jī)器視覺系統(tǒng)概念及組成、國內(nèi)機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀等。M2.問題分析2.3能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，并通過文獻(xiàn)研究，證實問題分析的合理性。課程目標(biāo)2：了解機(jī)器視覺系統(tǒng)主要硬件功能及原理，并能夠按照實際應(yīng)用場合選擇搭建合適的機(jī)器視覺硬件系統(tǒng)。H3.設(shè)計/開發(fā)解決方案3.2能夠在設(shè)計環(huán)節(jié)考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素的約束條件下，對解決方案的可行性進(jìn)行研究和評價。課程目標(biāo)3：了解圖像處理的基本算法、原理及主要處理軟件。H4.研究4.2能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對光電信息類器件、電路、功能模塊、控制系統(tǒng)制定實驗方案并實施課程目標(biāo)4：了解圖像預(yù)處理的原因，掌握各種濾波技術(shù)及圖像增強(qiáng)技術(shù)基本算法，根據(jù)圖片現(xiàn)狀選擇合適的預(yù)處理方法。H5.使用現(xiàn)代工具5.2能夠開發(fā)和利用現(xiàn)代工程工具、信息技術(shù)工具對光電信息領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進(jìn)行輔助設(shè)計、預(yù)測和模擬課程目標(biāo)5：了解圖像分割的依據(jù)和定義，掌握圖像特征分割、提取、定位方法。M6.工程與社會：6.2能夠認(rèn)識和評價光電類產(chǎn)品、技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用及復(fù)雜光電信息工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響課程目標(biāo)6：掌握立體視覺的成像原理，雙目立體視覺的標(biāo)定。M7.環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展7.2能夠合理評價光電信息類復(fù)雜工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響課程目標(biāo)7：掌握利用機(jī)器視覺進(jìn)行序列號讀取的方法；學(xué)會如何利用機(jī)器視覺對鋸片、印刷品、封裝等產(chǎn)品進(jìn)行檢測。M注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配1.理論部分見表2表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點難點理論學(xué)時實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1．機(jī)器視覺引論1.1機(jī)器視覺系統(tǒng)的定義、體系結(jié)構(gòu)1.2機(jī)器視覺系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢1.3機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域教學(xué)要求：（1）掌握機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本概念及體系結(jié)構(gòu)；（2）了解機(jī)器視覺系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及應(yīng)用領(lǐng)域。重點：機(jī)器視覺系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。難點：機(jī)器視覺系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。212.機(jī)器視覺硬件系統(tǒng)-光源2.1照明技術(shù)及原理2.2常見的光源及光波的指向性2.3光源的選擇教學(xué)要求：了解照明技術(shù)原理，及照明對成像的影響，掌握明、暗視野原理、各類照明技術(shù)的應(yīng)用。了解色光的組成，色與補色原理。能夠根據(jù)實際應(yīng)用場合選擇合適的光源及照明方案。重點：根據(jù)實際應(yīng)用場合選擇合適的光源及照明方案。難點：各種照明技術(shù)原理及應(yīng)用。723.機(jī)器視覺硬件系統(tǒng)-鏡頭3.1光學(xué)系統(tǒng)基本原理3.2鏡頭的基本參數(shù)與相關(guān)知識3.3常見的鏡頭類型3.4鏡頭的選擇教學(xué)要求：掌握鏡頭相關(guān)的光學(xué)基本原理，了解光學(xué)鏡頭的基本參數(shù)及相關(guān)知識，掌握景深、光圈、焦距和拍攝距離的相互關(guān)系。掌握鏡頭的選擇方法及依據(jù)。重點：光學(xué)鏡頭的基本參數(shù)及相關(guān)知識。難點：鏡頭的選擇方法及依據(jù)。724.機(jī)器視覺硬件系統(tǒng)-工業(yè)相機(jī)4.1工業(yè)相機(jī)的分類4.2成像芯片的類型和原理4.3相機(jī)的常見術(shù)語與參數(shù)4.4數(shù)據(jù)傳輸方式教學(xué)要求：掌握工業(yè)相機(jī)的分類及應(yīng)用，掌握CCD和CMOS相機(jī)的工作原理及優(yōu)缺點，了解工業(yè)相機(jī)的常見術(shù)語與基本參數(shù)，了解相機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。重點：CCD和CMOS芯片的工作原理及應(yīng)用。難點：CCD和CMOS芯片的工作原理。625.圖像處理基本算法概述5.1圖像中的數(shù)據(jù)類型5.2圖像采集原理5.3各類圖像處理軟件簡介5.4圖像預(yù)處理及形態(tài)學(xué)概述教學(xué)要求：了解數(shù)字圖像的分類，掌握灰度圖像、二值圖像的存儲原理和相關(guān)應(yīng)用，了解圖像采集的基本原理，了解不同圖像處理軟件的優(yōu)缺點。重點：灰度圖像和二值圖像的數(shù)據(jù)類型。難點：圖像采集的基本原理。23、46.圖像預(yù)處理6.1圖像預(yù)處理的原因和方法6.2線性濾波和非線性濾波 6.3圖像增強(qiáng)6.4直方圖均衡化教學(xué)要求：了解圖像預(yù)處理的原因和基本方法。掌握中值濾波、均值濾波和高斯濾波算法原理。了解圖像增強(qiáng)算法，掌握直方圖均衡化算法原理。重點：中值濾波、均值濾波和高斯濾波算法原理。難點：直方圖均衡化算法原理。24、57.圖像分割及特征提取7.1圖像分割的目的及依據(jù)7.2圖像特征提取的定義及方法；7.3圖像特征的基本概念；7.4圖像特征的描述.教學(xué)要求：了解圖像分割的目的及依據(jù)，掌握圖像分割的基本方法，及圖像特征的表述；熟練掌握圖像的各種描述子。重點：圖像特征的表述方法。難點：圖像特征的各種描述。258.三維視覺系統(tǒng)8.1雙目立體視覺原理、精度分析；8.23D掃描相機(jī)原理8.3三維視覺系統(tǒng)標(biāo)定8.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、立體成像、立體匹配、系統(tǒng)標(biāo)定教學(xué)要求：掌握立體視覺的成像原理，雙目立體視覺的標(biāo)定；掌握立體視覺中的對極幾何、物體三維形狀的計算。重點:雙目立體視覺及3D掃描相機(jī)原理、精度分析、系統(tǒng)標(biāo)定。難點:雙目立體視覺精度分析、系統(tǒng)標(biāo)定。269.機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用9.1機(jī)器視覺在實際檢測過程中應(yīng)用9.2針對不同場合搭建合適的機(jī)器視覺系統(tǒng)教學(xué)要求：（1）學(xué)會如何利用機(jī)器視覺對鋸片、印刷品、封裝等產(chǎn)品進(jìn)行檢測；（2）掌握利用雙目視覺進(jìn)行三維平面重構(gòu)的方法；（3）掌握利用視覺進(jìn)行電阻姿態(tài)檢驗的方法。重點:鋸片、印刷品、封裝等產(chǎn)品的檢測；序列號的讀取。難點:使用雙目視覺系統(tǒng)進(jìn)行三維平面重構(gòu)的方法。27合計320五、教學(xué)方法及手段課程教學(xué)以課堂講授為主，結(jié)合實驗、作業(yè)、慕課、雨課堂資源，配合多媒體課件等共同課完成堂授課內(nèi)容。采用E-mail、QQ、微信等交流工具，加強(qiáng)和學(xué)生之間的交流和溝通。六、課程資源庫1.推薦教材：E.R.戴維斯（E.，R.，Davies）著，袁春，劉婧譯計算機(jī)視覺：原理、算法、應(yīng)用及學(xué)習(xí)（原書第5版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020．2.參考書：(1)高山編著計算機(jī)視覺技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，化學(xué)工業(yè)出版社(2)[德]卡斯特恩·斯蒂格，馬克烏斯·烏爾里克，克里斯琴·威德曼著.機(jī)器視覺算法與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2019(3)陳仲銘，彭凌西,深度學(xué)習(xí)原理與實踐[M],北京：人民郵電出版社，20183.期刊：(1)光學(xué)學(xué)報，中科院上海光機(jī)所(2)電子信息學(xué)報，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所.(3)中國圖象圖形學(xué)報，中國圖象圖形學(xué)會，北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所。(4)IEEETranscationsonImageProcessing，IEEE(5)ComputerVisionandImageUnderstanding，Elsevier(6)InternationalJournalofComputerVision，Springer4.網(wǎng)絡(luò)資源：(1)http：//www.maths.lth.se/matematiklth/personal/andersp/瑞典隆德大學(xué)數(shù)學(xué)系視覺組(2)http：///~daf/加州大學(xué)伯克利分校DavidA.Forsyth(3)http：///~cil/vision.htmlCMU的視覺組七、課程考核對課程目標(biāo)的支撐課程成績由過程性考核成績和期末大作業(yè)成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價細(xì)則及對課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細(xì)則課程目標(biāo)1234567過程性考核課堂表現(xiàn)12（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進(jìn)行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭獭獭獭獭?412112作業(yè)16（1）主要考核學(xué)生對各章節(jié)知識點的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭獭獭獭獭?512223隨堂測試12（1）每次測試單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績；（2）以本環(huán)節(jié)成績乘以其在過程性考核成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭獭獭獭獭?412112期末考核60（1）論文或大作業(yè)成績100分，以論文/大作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考查計算機(jī)視覺技術(shù)的相關(guān)知識：視覺系統(tǒng)的構(gòu)成（相機(jī)、鏡頭、光源），數(shù)字圖像得獲取與預(yù)處理,圖像處理的各種算法與應(yīng)用等基本知識?！獭獭獭獭獭獭?1869669合計：100分931915101016八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、作業(yè)、隨堂測驗、期末考核等方式對學(xué)生進(jìn)行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┐笞鳂I(yè)成績和過程性考核成績組成。其中：期末大作業(yè)成績?yōu)?00分（權(quán)重60%）；課堂表現(xiàn)、作業(yè)、實驗報告等過程性考核成績?yōu)?00分（權(quán)重40%）；過程性考核和期末大作業(yè)分值分配應(yīng)與教學(xué)大綱各章節(jié)的學(xué)時基本成比例。2.過程性考核成績的標(biāo)準(zhǔn)過程性考核方式重點考核內(nèi)容、評價標(biāo)準(zhǔn)、所占比重見表5。表5過程性考核方式評價標(biāo)準(zhǔn)考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)30筆記完整，積極參與教學(xué)活動，踴躍回答問題，準(zhǔn)確率大于90%。筆記完整，認(rèn)真參與教學(xué)活動，回答問題準(zhǔn)確率大于80%。