計算機(jī)視覺的主要任務(wù)精選(九篇)
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第1篇：計算機(jī)視覺的主要任務(wù)范文
關(guān)鍵詞：拉鉚釘；視覺檢測；實時在線；多參數(shù)
中圖分類號：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1007-9599 (2011) 16-0000-01
Pop Rivets Multi-parameter Online Real-time Visual Inspection System Study
Yu Qiong
(Southwestern University School of Computer Science and Technology,Mianyang621010,China)
Abstract:In this paper,the introduction of re-innovation model,integrated machine vision technology,automation technology and process technology cluster collaboration,research and development"pop rivets real-time online multi-parameter visual inspection system."
Keywords:Pop rivets;Visual inspection;Real-time online;Multi-parameter
一、引言
由于工業(yè)產(chǎn)品或者零部件的復(fù)雜性使得其需要測量的尺寸的參數(shù)很多，傳統(tǒng)的人工測量難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求和短時間內(nèi)測量多個尺寸參數(shù)的要求。本文結(jié)合拉鉚釘生產(chǎn)現(xiàn)狀及其外形輪廓特點，以工件外形邊緣的投影圖像作為被測邊緣，基于計算機(jī)視覺在線測量技術(shù)，采用多攝像機(jī)組合測量的方式，開發(fā)了拉鉚釘在線視覺測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)將計算機(jī)視覺和數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于拉鉚釘?shù)拇笈繖z測，對拉鉚釘?shù)母鱾€尺寸參數(shù)進(jìn)行自動在線測量，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的各參數(shù)檢驗合格標(biāo)準(zhǔn)，自動完成對拉鉚釘?shù)脑诰€篩選，并統(tǒng)計出檢測數(shù)量、不合格數(shù)、合格率等測量數(shù)據(jù)。該檢測技術(shù)不僅可實現(xiàn)拉鉚釘?shù)脑诰€檢測，而且測量速度快、精度高，代表了工業(yè)產(chǎn)品及其零部件在線檢測的發(fā)展方向，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間。
二、系統(tǒng)方案設(shè)計
按照拉鉚釘多參數(shù)實時在線視覺檢測系統(tǒng)的主要任務(wù)與技術(shù)指標(biāo)，可將整套系統(tǒng)分成圖像傳感器模塊、圖像處理模塊、無線傳輸模塊、自動化定位模塊及系統(tǒng)控制管理主機(jī)。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1：拉鉚釘多參數(shù)實時在線視覺檢測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
三、拉鉚釘多參數(shù)實時在線視覺檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
（一）圖像傳感器模塊。圖像傳感器模塊由高性能的ARM9處理器、高速總線和CMOS圖像傳感器構(gòu)成，使用多個視覺傳感器進(jìn)行同步采集和處理，直接將參數(shù)檢測結(jié)果傳送至圖像處理模塊。其所有參數(shù)采集、處理和檢測結(jié)果傳輸過程少于10ms。圖像傳感器提供了良好的人機(jī)界面和豐富的底層控制方式，可對CMOS的曝光時間、白平衡、亮度獲取等成像操作進(jìn)行控制，并內(nèi)置圖像處理和幾何檢測算法，可直接得出檢測所需如深度、角度等參數(shù)值。每個圖像傳感器還配備有自動化位置侍服機(jī)構(gòu)，可以進(jìn)行精度為20微米的上下微距調(diào)節(jié)。
（二）圖像處理模塊。圖像處理模塊由大容量的數(shù)據(jù)存儲器SDRAM和程序存儲器NAND FLASH、DSP處理器組成。前者為圖像的快速處理提供硬件基礎(chǔ)，后者對采集的圖像進(jìn)行底層處理，如圖像濾波、圖像增強(qiáng)、邊緣檢測等，以便處理程序從圖像中抽取諸如角點、邊緣、線條、邊界以及色彩等關(guān)于場景的基本特征。同時，DSP通過編程對CMOS的曝光時間、白平衡、亮度獲取等成像操作進(jìn)行控制。
（三）無線傳輸模塊。為了便于檢測組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸、共享與協(xié)調(diào)控制，本文設(shè)計了與圖像處理單元搭配的以太網(wǎng)接口和基于ZIGBEE技術(shù)的無線傳輸模塊。
（四）自動化定位模塊。自動化精確定位機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)針對T12-T24型號的拉鉚釘?shù)木_定位。整個機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)拉鉚釘?shù)男吞栕赃m應(yīng)、自動進(jìn)料和位置校正。整個定位系統(tǒng)可靠性高，可保證在20ms內(nèi)完成所有的機(jī)械動作，使用壽命可達(dá)500萬次以上。
（五）系統(tǒng)控制管理主機(jī)。系統(tǒng)控制管理主機(jī)為以上各個模塊的正常運(yùn)行提供保障。工件由自動傳輸機(jī)構(gòu)傳送給定位機(jī)構(gòu)，由定位機(jī)構(gòu)固定在待測位置，在背向光源照明下，圖像采集裝置采集到圖像，由圖像處理器將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號保存在計算機(jī)內(nèi)，通過相關(guān)的軟件算法對圖像數(shù)字信號進(jìn)行處理，從而得到所需要的各種目標(biāo)圖像特征值，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)模式識別、圖像分析、參數(shù)計算等功能，最后用得到的結(jié)果來控制自動分選機(jī)構(gòu)做出判斷，對合格品和不合格品進(jìn)行分類。并且通過人機(jī)界面實現(xiàn)人機(jī)交互。同時，系統(tǒng)外接打印機(jī)，可對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行打印。
四、實驗
拉鉚釘多參數(shù)實時在線視覺檢測系統(tǒng)已研制成為生產(chǎn)檢測裝備在工廠試用，如圖2所示，運(yùn)用此設(shè)備后，檢測質(zhì)量和檢測效率得到明顯提高。其檢測速度高達(dá)1800件/小時，準(zhǔn)確率達(dá)98%以上，檢測精度達(dá)到10微米；整個檢測系統(tǒng)屬于全自動在線檢測系統(tǒng)，可實現(xiàn)T12-T24五個型號22個規(guī)格的拉鉚釘?shù)娜砍叽鐓?shù)用視覺傳感器集群進(jìn)行實時在線檢測，殘次品自動剔除。T16-20型號的拉鉚釘實際檢測數(shù)據(jù)如下圖，4#數(shù)據(jù)是一個不合格產(chǎn)品，能準(zhǔn)確識別和分檢。裝備的正確運(yùn)轉(zhuǎn)，證實工件多參數(shù)視覺傳感器集群測量技術(shù)與方法切實可行。
圖2：拉鉚釘在線檢測測試生產(chǎn)數(shù)據(jù)
五、總結(jié)
拉鉚釘多參數(shù)實時在線視覺檢測系統(tǒng)，解決了拉鉚釘生產(chǎn)過程中要求實時在線檢測工件的多種參數(shù)，自動質(zhì)量控制的行業(yè)性難題。系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場能夠?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)精準(zhǔn)、高速的實時在線測量，并自動完成對拉鉚釘?shù)脑诰€篩選，統(tǒng)計出檢測數(shù)量、不合格數(shù)、合格率等檢測數(shù)據(jù)。檢測精度為0.01mm，檢測速度為每分鐘1800件以上。提高了生產(chǎn)工人的工作效率，降低了勞動強(qiáng)度，也大大降低了生產(chǎn)成本。高速量化了拉鉚釘技術(shù)指標(biāo)，提升企業(yè)競爭力。
參考文獻(xiàn)：
[1]劉華東,朱目成.數(shù)字圖像處理技術(shù)在螺紋檢測中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代機(jī)械,2007,2:23-26
第2篇：計算機(jī)視覺的主要任務(wù)范文
關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；教學(xué)改革；試驗教學(xué)
0 引言
《數(shù)字圖像處理》是一門匯聚光電探測、電子學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機(jī)等眾多領(lǐng)域技術(shù)的綜合叉學(xué)科，通過對原始圖像的加工，可以使圖像具備更好的視覺效果，同時滿足某些應(yīng)用的特定需要?！稊?shù)字圖像處理》是一門偏重于應(yīng)用的工程學(xué)科，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、醫(yī)療保健、航空航天、軍事等各個領(lǐng)域，其巨大成就表現(xiàn)在航空航天遙感和醫(yī)學(xué)圖像的處理方面。在航天領(lǐng)域，為太空探測成功處理了數(shù)萬張照片在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，為開辟了無損診斷的先河，體現(xiàn)出其遠(yuǎn)大的發(fā)展前景。數(shù)字圖像處理是模式識別、計算機(jī)視覺、圖像通信、多媒體技術(shù)等學(xué)科的基礎(chǔ)，已經(jīng)成為高等院校電子信息工程、通信工程、信號與信息處理、計算機(jī)應(yīng)用與軟件等學(xué)科的一門重要專業(yè)課程。
對于工科類應(yīng)用型高校，主要是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和競爭力、符合市場需求的實用型人才，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的應(yīng)用動手能力。在《數(shù)字圖像處理》課程的教學(xué)過程中，我們主要從授課內(nèi)容、授課方式、試驗課設(shè)計以及考核方式進(jìn)行了改革，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，掌握圖像處理最基本的流程和基礎(chǔ)知識，通過主動查閱文獻(xiàn)資料與團(tuán)隊協(xié)作培養(yǎng)學(xué)生分析問題與解決問題的能力。近幾年，我們對課程教學(xué)內(nèi)容體系、教學(xué)方法與手段以及教師隊伍等方面的進(jìn)一步建設(shè)，不斷進(jìn)行科技創(chuàng)新，將工程與項目的開發(fā)與設(shè)計理念引入課堂與試驗，取得了較明顯的效果，最為顯著的是學(xué)生在大四畢業(yè)設(shè)計中，具備扎實的圖像處理相關(guān)基礎(chǔ)知識，能很好地完成與圖像處理相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計課題。
1 授課內(nèi)容改革
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及信息時代的到來，圖像處理的新理論和新方法層出不窮，并逐步應(yīng)用于實踐?！稊?shù)字圖像處理》課程教學(xué)的側(cè)重點和教學(xué)內(nèi)容也必須發(fā)生相應(yīng)變化以適應(yīng)時代對應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求。
1.1優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容
在眾多的《數(shù)字圖像處理》類教材中，選擇了西安電子科技大學(xué)許錄平編寫的《數(shù)字圖像處理》教材為主。主要考慮到該教材內(nèi)容全面、知識新穎，在內(nèi)容闡述上重點突出，實踐性強(qiáng)，有較多的實例來幫助學(xué)生理解圖像處理的理論和算法。同時以清華大學(xué)章毓晉編寫的《圖像工程（上冊）圖像處理和分析》與岡薩雷斯的《數(shù)字圖像處理》作為我們的輔助教材。
該教材共分八章三大部分，第一部分是數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)，包括緒論、圖像處理基礎(chǔ)和圖象變換共三章。第二部分介紹圖像處理基本方法和技術(shù)，包括圖象增強(qiáng)、圖像恢復(fù)和重建、圖像壓縮編碼共三章。第三部分講述數(shù)字圖像分析的基本原理和技術(shù)，包括圖象分割和圖像描述共二章。對于應(yīng)用型本科教學(xué)，我們對教材內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)增刪、重組。并劃分成如下內(nèi)容模塊：圖像基礎(chǔ)知識（圖像采集、量化與人眼視覺系統(tǒng)）、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、壓縮編碼、圖像分割、圖像描述與圖像分類識別。課程教學(xué)的主要任務(wù)是系統(tǒng)地講授各個模塊的基本概念、基本原理與典型方法。目的是讓學(xué)生掌握圖像處理的基本理論和技術(shù)，建立一個比較完整的圖像處理和分析的理論體系，并了解和掌握常用的圖像處理和分析技術(shù)。
根據(jù)幾年的教學(xué)實踐經(jīng)驗，圖像描述與圖像分類識別應(yīng)該屬于圖像理解的范疇，作為圖像工程的高一級別的內(nèi)容，可以在本科階段略講：而圖像基本概念、各種圖像變換、灰度圖像增強(qiáng)、圖像平滑、圖像銳化和彩色圖像處理的應(yīng)用性比較強(qiáng)，且在生活中經(jīng)常會遇到此類的應(yīng)用需求，應(yīng)盡量詳講；頻域增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像編碼和圖像分割的地位比較特殊，這些部分的數(shù)學(xué)知識比較多，現(xiàn)實中具有很大應(yīng)用價值，應(yīng)該予以講授。
1.2補(bǔ)充學(xué)課前沿知識
在每個模塊的內(nèi)容講授安排上，在注重基礎(chǔ)知識與經(jīng)典算法講授的前提下，按照由淺入深、由易到難的順序逐漸展開，并適當(dāng)補(bǔ)充本領(lǐng)域中的一些新技術(shù)、新方法、新成果。例如：在講授圖像變換模塊時，其中的Fourier變換與離散余弦變換（DCT），學(xué)生在其他前期課程中有所接觸，相對來說學(xué)生容易接受與理解。在這個模塊我們要補(bǔ)充的前沿知識就是“小波變換”。小波分析是當(dāng)前應(yīng)用數(shù)學(xué)與工程學(xué)科中一個迅速發(fā)展的新領(lǐng)域，經(jīng)過近十年的探索研究，重要的數(shù)學(xué)形式化體系已經(jīng)建立。理論基礎(chǔ)更加扎實。與Fourier變換、DCT變換相比，小波變換是時間（空間）頻率的局部細(xì)化分析，它通過伸縮平移運(yùn)算對信號（函數(shù)）逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時間細(xì)化，低頻處頻率細(xì)化，能自動適應(yīng)時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細(xì)節(jié)，解決了Fourier變通的困難問題，成為繼Fouri-er變換以來在科學(xué)方法上的重大突破，有人把小波變換稱為“數(shù)學(xué)顯微鏡”。小波變換聯(lián)系了應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、信號與信息處理、圖像處理、地震勘探等多個學(xué)科。它在信號分析、語音合成、圖像識別、計算機(jī)視覺、數(shù)據(jù)壓縮等方面的研究都取得了許多具有重大科學(xué)意義和應(yīng)用價值的成果。再例如：在講授圖像平滑去噪模塊時，除了講解教材的均值濾波、中值濾波算法之外，還補(bǔ)充基于偏微分方程（PDE）的圖像去噪方法。在圖像處理與計算機(jī)視覺中采用PDE方法，是近些年以來圖像處理領(lǐng)域中的一個重要分支，因為它在圖像處理中具有更強(qiáng)的局部適應(yīng)性（Local Adaptability）與高度的靈活性（Flexibility），并且日益成為相關(guān)領(lǐng)域研究者關(guān)注的一個熱點，在圖像去噪、邊緣檢測與圖像分割方面積累了豐富成果。
通過在課堂上適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充學(xué)科前沿知識，不但可以開闊學(xué)生的視野，豐富學(xué)生的知識面，讓學(xué)生明白更多、更新的方法在教材之外，要學(xué)會查閱相關(guān)文獻(xiàn)，而不要局限于書本，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。同時，在各個模塊內(nèi)容的設(shè)計中要注重知識點之間、模塊之間以及本課程與其他課程之間的內(nèi)在聯(lián)系，既體現(xiàn)知識的內(nèi)涵，又關(guān)注知識產(chǎn)生的過程。既引導(dǎo)學(xué)生對當(dāng)前所學(xué)內(nèi)容舉一反三，又能將新舊知識融會貫通。
2 教學(xué)過程的改革
2.1教學(xué)方式的選擇
《數(shù)字圖像處理》課程是一門既具有較強(qiáng)理論性又具有較強(qiáng)實踐性的學(xué)科，其中不但有基本概念與理論。還有許多具體的算法與應(yīng)用舉例。所以，在教學(xué)過程中采用以“多媒體”為主，“粉筆+黑板”為輔的教學(xué)方式。多媒體教學(xué)手段的采用能使教學(xué)內(nèi)容由平面到立體，由抽象到具體，由文字到聲音圖像，這一教學(xué)手段的運(yùn)用極大地增強(qiáng)了課堂教學(xué)的直觀性、互動性，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。而“粉筆+黑板”的板書可以用來進(jìn)行公式的推導(dǎo)與演算，加強(qiáng)學(xué)生對公式的理解與記憶。
2.2項目式教學(xué)
為了有效地培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，把基于項目式的教學(xué)策略引人課堂之中，以促進(jìn)學(xué)生高級認(rèn)知技能和問題解決策略的形成，將理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生分析問題與解決問題的能力。這一策略的主要方法就是：在講授教材的知識點或具體算法時，先引入一個具體工程項目，通過對此項目的需求進(jìn)行分析，讓學(xué)生知道我們將要學(xué)習(xí)的知識在項目的哪個環(huán)節(jié)可以得到應(yīng)用。這樣既可以激發(fā)學(xué)生的求知欲，又能增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)習(xí)的主動性。例如：在講授“圖像增強(qiáng)”這個模塊時，我們就以“視頻監(jiān)控”項目為背景，因為受光照條件、天氣變化（雨雪、大霧）等因素影響，采集的視頻圖像往往不清晰，視覺效果很差，但是，通過我們將要學(xué)習(xí)的圖像增強(qiáng)方法，可以大幅度地改善圖像的視覺效果，提高圖像的質(zhì)量，如圖1所示。
由于這一真實項目引領(lǐng)整個“圖像增強(qiáng)”模塊的學(xué)習(xí)過程，能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也有利于學(xué)生掌握該知識點的具體應(yīng)用價值，提高學(xué)生對理論知識的綜合運(yùn)用能力，從而提高學(xué)生分析與解決實際問題的能力。
3 試驗教學(xué)的改革
在以住《數(shù)字圖像處理》的試驗課中，通常都是在MatLab環(huán)境中，對課本中的一些算法進(jìn)行重復(fù)性驗證，試驗內(nèi)容簡單枯燥，無法引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，更加不能使學(xué)生將所學(xué)的知識與實際生活中的應(yīng)用需求相聯(lián)系。
針對上述問題，我們進(jìn)行了如下改革：
（1）設(shè)置具有應(yīng)用性的“學(xué)期項目”讓學(xué)生開發(fā)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。俗話說“興趣是最好的老師”，只要能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，就能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與積極性。為了調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，我們選擇兼具應(yīng)用性與興趣性的試驗題目——例如“基于膚色特征的人臉分割”、“基于視覺相似性的圖像快速檢索”、“監(jiān)控圖像的增強(qiáng)與銳化”與“運(yùn)動模糊圖像的恢復(fù)”等，學(xué)生根據(jù)這些“學(xué)期項目”，分成多個小組，每個成員在組內(nèi)具有明確的分工與任務(wù)，各負(fù)其責(zé)，共同完成“學(xué)期項目”軟件開發(fā)。
（2）在“學(xué)期項目”軟件開發(fā)時，鼓勵學(xué)生多采用教材之外的新理論與新方法，培養(yǎng)開拓創(chuàng)新能力。要求學(xué)生在了解試驗?zāi)康那疤嵯?，自己進(jìn)行方案設(shè)計，選擇適當(dāng)?shù)乃惴ā＝┠暌詠?，各種類型的圖像處理新理論與新方法層出不窮，在不同的應(yīng)用場合，各自的優(yōu)點與缺點互不相同。鼓勵學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)與學(xué)校的圖書館，查閱最新文獻(xiàn)，形成自己的特點，培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。在試驗成功后，不但要進(jìn)行試驗結(jié)果與算法性能分析，還要書寫軟件設(shè)計方案等文檔。
（3）組建圖像處理興趣小組。因為受課程學(xué)時限制，僅僅只利用課內(nèi)時間，則非常有限。我們就組建了圖像處理興趣小組，讓他們參加到教師的科研與項目中來，使學(xué)生在真實的項目研發(fā)中鍛煉自己的綜合能力。
最后，在期末之前安排兩周的時間對學(xué)生的“學(xué)期項目”進(jìn)行集中檢查，檢查的內(nèi)容主要包括：①系統(tǒng)演示；②功能方面是否正確完整；③算法的適應(yīng)能力是否魯棒；④算法的效率是否高效；⑤程序代碼是否規(guī)范；⑥試驗分析報告與PPT匯報。然后，根據(jù)這些方面的檢查情況，對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況與動手能力進(jìn)行評分。這是基于項目試驗教學(xué)改革的重要環(huán)節(jié)，不但可以督促“學(xué)期項目”完成的質(zhì)量，還能提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力。
4 評價機(jī)制的改革
對于公選課的《數(shù)字圖像處理》課程，我們采用了“筆試+課堂表現(xiàn)+試驗考核”的一種綜合考核方式。其中筆試環(huán)節(jié)重點考察學(xué)生教材上的基本概念、基本算法等知識點記憶與掌握程度：課堂表現(xiàn)主要考察學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，主要包括出勤率與讀書心得等內(nèi)容：試驗考核主要是考察學(xué)生綜合應(yīng)用能力，其中包括所選“學(xué)期項目”的完成質(zhì)量與試驗分析報告與軟件設(shè)計文檔。
《數(shù)字圖像處理》作為一門實踐性、應(yīng)用性都很強(qiáng)的課程，在考核時，要加大平時考查在最終成績認(rèn)定中的比重，要重點突出“學(xué)期項目”完成質(zhì)量在學(xué)習(xí)中的重要性，從而激發(fā)學(xué)生實踐學(xué)習(xí)的主動性，提高學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力，最終達(dá)不到理想的教學(xué)效果。
此外，由于選修本門課程學(xué)生基礎(chǔ)各異，專業(yè)背景相差較大，采取“分層評價”也是一種應(yīng)該提倡的方法?！胺謱釉u價”也是教學(xué)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，它是根據(jù)學(xué)生的知識水平和學(xué)習(xí)能力的差異，對不同專業(yè)的學(xué)生采取不同的評價標(biāo)準(zhǔn)以及對他們的期望值。
5 結(jié)語
第3篇：計算機(jī)視覺的主要任務(wù)范文
【關(guān)鍵詞】數(shù)字圖像處理 家庭安防系統(tǒng) 目標(biāo)跟蹤
隨著計算機(jī)技術(shù)和集成電路的快速發(fā)展，智能家庭安全系統(tǒng)的技術(shù)門檻和生產(chǎn)成本越來越低，我們將計算機(jī)視覺技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)與傳統(tǒng)安防技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計出同時具有目標(biāo)理解、目標(biāo)分類、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)檢測等功能的高智能化家庭安防系統(tǒng)。
1 家庭安防系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)
1.1 數(shù)字圖像獲取系統(tǒng)
智能家庭安防系統(tǒng)包含監(jiān)控、報警與門禁三個部分。其數(shù)字圖像由室內(nèi)所安裝的監(jiān)控攝像頭提供，攝像頭的布置要求在監(jiān)控?zé)o死角的基礎(chǔ)上盡量減少重復(fù)地帶，在房間、廁所、廚房以及各個入室口均需要安裝攝像頭，進(jìn)而對水管破裂、煤氣泄漏、入室盜竊等事故進(jìn)行有效防范。為保證監(jiān)視器在夜間也可以完成監(jiān)視工作，需要采用內(nèi)置紅外模塊的攝像頭。所取得的數(shù)字圖像通過圖像傳感器傳送給主機(jī)。
1.2 警情處理控制系統(tǒng)
當(dāng)家中出現(xiàn)非法入侵或煤氣泄漏等警情信息后，本地會發(fā)出聲光報警信息，同時系統(tǒng)主機(jī)會撥打電話、發(fā)送短信、彩信、抓拍現(xiàn)場圖片給多個指定的用戶手機(jī)；用戶收到警情信息可第一時間拿起手機(jī)或電腦查看家中監(jiān)控任意的畫面，并可以通過手機(jī)或電腦對家中攝像機(jī)、報警器、智能家電進(jìn)行控制。
1.3 報警子系統(tǒng)
入侵報警子系統(tǒng)由報警探測器、報警主機(jī)和接警中心構(gòu)成。報警探測器可以是紅外微波雙鑒探測器、窗磁、門磁、玻璃破碎探測器、煙霧探測器、緊急按鈕和燃?xì)庑孤┨綔y器等，而系統(tǒng)的關(guān)鍵是接警中心。
2 數(shù)字圖像的預(yù)處理
2.1 灰度降解
家庭安防系統(tǒng)要求監(jiān)控工作必須具有很強(qiáng)的實時性，同時也需要更快的信息處理速度，在處理圖像信息之前需要κ字圖像進(jìn)行灰度降解。
2.2 圖解增強(qiáng)
由攝像頭傳來的數(shù)字圖像會受到來自多方面的隨機(jī)干擾或條件限制，所以原始數(shù)字圖像往往不能直接使用。一定要對原始數(shù)字圖像進(jìn)行噪聲過濾、灰度校正等預(yù)處理。而視覺系統(tǒng)的圖像處理并不需要考慮圖像降質(zhì)，只需要將圖解中重要的特征進(jìn)行有選擇的突出，對不需要的特征進(jìn)行誤差處理，這種數(shù)字圖像處理方法被稱之為圖像增強(qiáng)法。
家庭安防系統(tǒng)中的攝像頭所采集的圖像往往存在灰度值分布不均勻的問題，其灰度值在某一區(qū)間的會比較集中，比如在夜晚采集到的圖像其灰度會比較低，而在光照比較強(qiáng)的情況下所采集圖象的灰度會比較高。我們可以采用直方圖均衡化的方法重新調(diào)整原始數(shù)字圖象的灰度值并使其均勻分布，進(jìn)而現(xiàn)實增強(qiáng)圖象對比度的目的。由此可知，直方圖修正的方法可以有效提高數(shù)字圖象的對比度。
3 目標(biāo)檢測
家庭安防系統(tǒng)的主要任務(wù)就是對家庭環(huán)境進(jìn)行實時檢測，一旦出現(xiàn)問題立刻發(fā)出警報。在家庭安防系統(tǒng)的觀測范圍內(nèi)出現(xiàn)的一切危險狀況都被視為運(yùn)動目標(biāo)，通常通過三種方法對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行檢測，分別是背景減法、幀間差法以及光流法。由于家庭安防系統(tǒng)通常設(shè)置在室內(nèi)環(huán)境中，周圍環(huán)境比較穩(wěn)定，通常采用背景減法的方式來完成目標(biāo)檢測工作。
3.1 建立前景模型
在系統(tǒng)正式運(yùn)行時，根據(jù)白天和晚上不同的時段以及不同的天氣對無運(yùn)動對象進(jìn)行提取，將提取出來的背景圖像存儲到背景模型庫中。由于室內(nèi)的擺設(shè)、家具可能發(fā)生變化，在室內(nèi)背景出現(xiàn)變化時需要對背景模型庫進(jìn)行更新。家庭安防系統(tǒng)可以對背景模型庫進(jìn)行自動更新，并根據(jù)不同家庭的具體情況自動設(shè)定更新頻率。
3.2 背景減法
在背景模型建立完成后，需要設(shè)置背景減法。家庭安防系統(tǒng)會根據(jù)不同的安全等級要求，對背景減法間隔時間進(jìn)行設(shè)定，用戶對實時性安全要求越高，其間隔時間越小，系統(tǒng)的運(yùn)算頻率也相應(yīng)提高，對系統(tǒng)內(nèi)的計算機(jī)性能要求也越高，整個家庭安防系統(tǒng)的造價也更高。
3.3 目標(biāo)檢測
本文之前已經(jīng)提到，家系安防系統(tǒng)包括監(jiān)控、報警以及門禁三個部分。報警裝置可以通過氣壓、光或聲音等方式對室內(nèi)人員進(jìn)行提醒或警示。安防系統(tǒng)可以對光學(xué)報警系統(tǒng)進(jìn)行精密處理以及重點控制。在室內(nèi)無人的情況下，家庭安防系統(tǒng)所發(fā)出的警報無人理會，這時需要系統(tǒng)將報警信號以及現(xiàn)場圖像進(jìn)行分析并將所分析出來的結(jié)果以微信或短信的方式發(fā)送給房屋的主人。
系統(tǒng)根據(jù)二值化的背景減圖進(jìn)行目標(biāo)檢測，通過攝像頭所取得的圖像，其中有一部分是我們并不感興趣的信息。比如所采集圖像的非室內(nèi)景象等。為了有效提高家庭安防系統(tǒng)的實時性，我們可以專門對背景減圖中有用的部分進(jìn)行目標(biāo)檢測。
經(jīng)過背景減法以及二值化獲取多個塊，根據(jù)事先設(shè)置的合并閾值來決定是否將各塊進(jìn)行合并，以圖象中合并之后的連接區(qū)域用矩形線條進(jìn)行標(biāo)識。并將矩形的長寬比或面積與識別目標(biāo)的長寬比或面積進(jìn)行對比，并判斷其是否為檢測目標(biāo)。由于每個攝像頭有著不同的監(jiān)控區(qū)域，其所監(jiān)控的危險目標(biāo)也有所不同。所以需要我們對所有不同的攝像頭進(jìn)行各自的目標(biāo)檢測預(yù)設(shè)。
4 家庭安防系統(tǒng)中數(shù)字化數(shù)字化圖象系統(tǒng)的工作原理
目前國內(nèi)市場上多數(shù)家庭安防產(chǎn)品主要的報警方式為電話報警，或是通過局域網(wǎng)向大樓管理員報警，然而這種報警方式存在著一定的缺陷。由于電話線路穩(wěn)定性欠佳，當(dāng)房屋主人正在進(jìn)行通話時，無法將警報及時地傳遞給房屋主人致使延誤警情，而且電話能夠給人提供的信息也是十分有限的。所以圖1所示的家庭安防系統(tǒng)不僅包含了單片機(jī)控制模塊和圖像處理模塊，由數(shù)字家庭安防主機(jī)對系統(tǒng)內(nèi)所連接的各個模塊進(jìn)行自動化調(diào)配，收集并計算來自系統(tǒng)內(nèi)各個攝像頭的圖像信息以及來自紅外探測器與火警探測器的報警信息。以圖像報警系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合接警中心、傳輸系統(tǒng)、救助按鈕、安防主機(jī)、攝像頭、各類傳感器等元件，使家庭安防系統(tǒng)更加智能。由芯片圖像采集系統(tǒng)將報警信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，由編解碼芯片完成編碼壓縮工作，通過CDMA Modem/GPRS Modem無線通信模塊將報警信息傳送給房屋主人。
當(dāng)有陌生人進(jìn)行房屋時，家庭安防系統(tǒng)的紅外探測器和房屋內(nèi)的攝像頭會捕捉到可疑目標(biāo)的位置和動作，一旦陌生人移動或拿走了室內(nèi)的任何一樣物體，房間內(nèi)的家具設(shè)置布局就會發(fā)生改變，與系統(tǒng)之前所建立的背景模型不一致。數(shù)字圖像處理模塊會立即對攝像頭所拍攝到的圖像依照安全等級要求進(jìn)行背景減法處理，最后由家庭安防系統(tǒng)中的核心運(yùn)算單位即嵌入式處理芯片對經(jīng)過二值化背景減法處理的的圖像進(jìn)行目標(biāo)檢測，將檢測與的結(jié)果自動生成數(shù)字化信息并利用系統(tǒng)內(nèi)部的程式軟件將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為文字，通過無線通訊模塊將可疑人員的位置和行為以及房屋的現(xiàn)狀以彩信的方式轉(zhuǎn)送給房屋主人并同時激活房屋內(nèi)部的報警裝置，嚇走可疑人員。這一系列數(shù)字圖像的收集、處理、計算、警報的工作可以十分有效地保護(hù)房屋內(nèi)部的財產(chǎn)安全并將重要信息傳達(dá)給房屋主人。
5 結(jié)束語
住宅智能化是現(xiàn)代家庭電子設(shè)備發(fā)展的重要趨勢，我國信息技術(shù)和高科技領(lǐng)域正在由智能大廈轉(zhuǎn)向智能小區(qū)，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸邁向智能家庭。未來的智能家庭會為人們帶來更加便利、舒適、安全的生活環(huán)境。家庭安防系統(tǒng)中的圖像處理系統(tǒng)可以有效收集被監(jiān)控對象的可疑信息，這些重要信息可以作為追蹤犯罪責(zé)任的重要證據(jù)，極大地方便了有關(guān)部門日后的取證與調(diào)查，為相關(guān)的司法裁決工作提供了便利條件。作為住宅智能化領(lǐng)域的重要組成部分，智能家庭安防系統(tǒng)中的數(shù)字圖像處理技術(shù)最為重要，其中防衛(wèi)對象的檢測方法、背景模型的更新方法還需要相關(guān)技術(shù)人員作進(jìn)一步的研究與探索。
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作者簡介
陳靜（1982-），女，滿族，大學(xué)本科學(xué)歷，學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)為江蘇省鄭州市中心醫(yī)院計算機(jī) 助理工程師。
第4篇：計算機(jī)視覺的主要任務(wù)范文
關(guān)鍵詞：測繪技術(shù)；工程建設(shè)；應(yīng)用
中圖分類號：TU9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-2104（2012）
隨著數(shù)字化測繪技術(shù)的提高，GIS技術(shù)的不斷成熟、GPS技術(shù)在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代工程測量必將朝著測量數(shù)字工程化的方向發(fā)展。大力開展數(shù)字化測繪技術(shù)的應(yīng)用與研究將是測繪單位提升自身競爭實力和創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的首要任務(wù)。
1 測繪工程概述
測繪是采集、量測、處理、分析、解釋、描述、利用和評價與地理和空間分布有關(guān)數(shù)據(jù)的一門科學(xué)、工藝、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實體，具有基礎(chǔ)性、前期性和公益性的特點。測繪產(chǎn)品是反映地表上的自然、人工要素及其在地理空間的位置和屬性信息的，而這些信息是社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各行各業(yè)需要利用和必須依賴的基礎(chǔ)。而工程測繪是把工程地區(qū)各種地面物體的位置和形狀，以及地面的起伏狀態(tài)，用各種圖例符號，依照規(guī)定的比例尺測繪成地形圖，或者用數(shù)字表示出來，為工程建設(shè)的規(guī)劃設(shè)計提供必要的圖紙和資料。要測繪的地球表面形態(tài)以及地物地貌雖然復(fù)雜多樣，但其形狀和大小均可看作是由一些特征點的平面位置和高程所決定的。測繪工程的主要任務(wù)有控制測量，碎部測繪、線路測繪、施工放樣、數(shù)據(jù)處理等工作。
2 測繪工程的特點及發(fā)展趨勢
2.1 現(xiàn)代測繪工程的特點
現(xiàn)代測繪工程的主要特點概括起來就是“六化”和“十六字”?！傲奔礈y量內(nèi)外業(yè)作業(yè)的一體化、數(shù)據(jù)獲取及處理的自動化、測量過程控制和系統(tǒng)行為的智能化、測量成果和產(chǎn)品的數(shù)字化、測量信息管理的可視化、信息共享和傳播的網(wǎng)絡(luò)化?！笆帧笔蔷_、快速、可靠、實時（動態(tài)）、遙測（遙控、遙傳）、集成、簡便、安全。組織測繪工作應(yīng)遵循的原則是“從整體到局部”、“先控制后碎部”，這樣可以減少誤差的累積，保證測圖的精度，可以分幅或分區(qū)測繪，加快測圖進(jìn)度。
2.2 現(xiàn)代測繪工程的發(fā)展趨勢
現(xiàn)代測繪工程的發(fā)展趨勢：（1）測量機(jī)器人為代表的智能和自動化系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用；（2）基于知識和數(shù)據(jù)挖掘的工程信息系統(tǒng)；（3）從土木工程測量和三維工業(yè)測量到人體醫(yī)學(xué)測量；（4）多傳感器的集成和混合系統(tǒng)；（5）GPS、GIS、RS、TPS和激光掃描系統(tǒng)等多S技術(shù)集成與融合；（6）大面積空間數(shù)據(jù)的快速采集和處理；（7）精密數(shù)據(jù)處理和海量數(shù)據(jù)處理方面的數(shù)學(xué)物理建模；（8）信息服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化和可視化。
3 數(shù)字化技術(shù)在原圖處理中的應(yīng)用
3.1 原圖數(shù)字化處理
在建立各種GIS系統(tǒng)時，需要對原有地圖進(jìn)行數(shù)字化處理，對于原始地圖，若其現(xiàn)勢性、精度和比例尺能滿足要求，就可以利用數(shù)字化儀對其進(jìn)行數(shù)字化處理工作。當(dāng)前主要有手扶跟蹤數(shù)字化和掃描矢量化、GPS數(shù)據(jù)輸入三種方法，手扶跟蹤數(shù)字化需要的儀器為計算機(jī)，數(shù)字化儀及相關(guān)軟件，是較早的一種數(shù)字化輸入方法，輸入速度較慢，勞動強(qiáng)度也較大。掃描矢量化是通過掃描儀輸入掃描圖像，然后通過矢量跟蹤，確定實體的空間位置。隨著掃描儀的普及和矢量化軟件的不斷升級，其作業(yè)方法越來越趨于自動化，它是一種省時，高效的數(shù)據(jù)輸入方法。GPS輸入是依據(jù)GPS工具能確定地球表面圖形精確位置，由于它測定的是三維空間位置的數(shù)字，因此不需作任何轉(zhuǎn)換，可直接輸入數(shù)據(jù)庫，目前主要是應(yīng)用PTK（Real Tine Kinematics-實時動態(tài)）技術(shù)，它是在GPS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能夠?qū)崟r提供流動站在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并在一定范圍內(nèi)達(dá)到厘米級精度的一種新的GPS定位測量方式，通過將1臺GPS接收機(jī)安裝在已知點上對GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測，將采集的載波相位觀測量調(diào)制到基準(zhǔn)站電臺的載波上，再通過基準(zhǔn)站電臺發(fā)射出去；流動站在對GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測并采集載波相位觀測量的同時，也接收由基準(zhǔn)站電臺發(fā)射的信號，經(jīng)解調(diào)等到基準(zhǔn)站的載波相位觀測量，流動站的GPS接收機(jī)再利用OTF（運(yùn)動中求解整周模糊度）技術(shù)由基準(zhǔn)站的載波相位觀測量和流動站的載波相位觀測量來求解整周模糊度，最后求出厘米級精度流動站的位置。應(yīng)用這種測量方法測量可以不布設(shè)各級控制點、界址點、地形點、地物點的坐標(biāo)，利用測圖軟件可以在野外一次生成電子地圖。同時，也可以根據(jù)已有的數(shù)據(jù)成果快速地進(jìn)行施工放樣。而實際應(yīng)用得較多的主要是數(shù)字掃描矢量化軟件，針對大比例尺地形圖，大多數(shù)掃描矢量化軟件能自動提取多邊形信息，高效、便捷、保真的對地圖進(jìn)行數(shù)字化處理。下面簡單介紹MAPCAD軟件的原圖數(shù)字化處理作業(yè)流程。
3.2 數(shù)字化原圖作業(yè)流程
由于MAPCAD軟件掃描矢量化輸入方法具有圖像清晰、編輯方便、易于轉(zhuǎn)換等特點一般外設(shè)精度都能滿足，所以地形圖的精度主要取決于人工跟蹤精度和輸出設(shè)備精度，而人工跟蹤精度主要取決于作業(yè)人員的技能掌握熟練程度和工作態(tài)度，所以必須在加強(qiáng)作業(yè)人員基本技能培訓(xùn)上下工夫，要求工作人員嚴(yán)格按矢量化方案作業(yè)，確保圖件的精度和質(zhì)量高于國家現(xiàn)行數(shù)字化測圖規(guī)范所規(guī)定的數(shù)字化精度和質(zhì)量。在工程測量實踐中，要做好地形圖外業(yè)測點與數(shù)字化圖縮放相結(jié)合、符號圖層的劃分子圖、線形符號庫的設(shè)計等工作保證滿足工作進(jìn)度的同時又節(jié)約項目經(jīng)費(fèi)，設(shè)計出的數(shù)字地圖簡單易用、美觀整潔、易于使用地形圖的工作人員叛讀。
4 數(shù)字化繪圖
4.1 數(shù)字化繪圖的特點
大比例尺地形圖和工程圖的測繪是傳統(tǒng)工程測量的重要內(nèi)容，數(shù)字化繪圖克服了手工繪圖存在的許多弊端，如工作量大，作業(yè)艱苦，作業(yè)程序復(fù)雜，煩瑣的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和繪圖工作，成圖周期長，產(chǎn)品單一等缺點，符合現(xiàn)代飛速發(fā)展的工程需要。目前，數(shù)字化成圖技術(shù)主要有內(nèi)外業(yè)一體化和電子平板兩種模式。內(nèi)外業(yè)一體化是一種外業(yè)分工明確、便于人員分配，從而具有較高的成圖效率。作業(yè)人員，外業(yè)工效大大提高，時間縮短，直接生產(chǎn)成本大幅度下降。勞動強(qiáng)度：小數(shù)字化成圖的過程，減輕了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，使生產(chǎn)周期大大縮短，能及時滿足用戶的要求。便于保存管理及更新方便：數(shù)字化產(chǎn)品既可以存儲在軟盤上，也可以通過繪圖儀繪在所需的圖紙上，線條、線劃粗細(xì)均勻，注記、字體工整，圖面整齊、美觀。且便于修改，能更好地保證圖形的現(xiàn)勢性和不變形性，避免重復(fù)測繪造成的浪費(fèi)，增加地形圖的實用性和用戶的廣泛性。
4.2 外業(yè)數(shù)據(jù)的采集
在采集數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)采集人員要準(zhǔn)確應(yīng)用地物代碼，以免在內(nèi)業(yè)成圖時出現(xiàn)錯誤。
4.3 繪制內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理
無論是工程進(jìn)程各階段的測量工作，還是不同工程的測量工作，都需要根據(jù)誤差分析和測量平差理論選擇適當(dāng)?shù)臏y量手段，并對測量成果進(jìn)行處理和分析。
5 工程測量中的數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)
數(shù)字?jǐn)z影測量是基于數(shù)字影像與攝影測量的基本原理，應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字影像處理、影像匹配、模式識別等多學(xué)科的理論與方法就攝影測量本身而言，從測繪的角度上來看數(shù)字?jǐn)z影測量還是利用影像來進(jìn)行測繪的科學(xué)與技術(shù)；而從信息科學(xué)和計算機(jī)視覺科學(xué)的角度來看，它是利用影像重建三維表面模型的科學(xué)與技術(shù)，也就是在“室內(nèi)”重建地形的三維表面模型，然后在模型上進(jìn)行測繪，從本質(zhì)上來說，它與原來的攝影測量沒有區(qū)別。因而，在數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)中，整個的生產(chǎn)流程與作業(yè)方式，和傳統(tǒng)的攝影測量差別似乎不大，但是它給傳統(tǒng)的攝影測量帶來了重大的變革。
6 結(jié)束語
測繪事業(yè)的跨越式發(fā)展，已成為國家重要的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)業(yè)，其服務(wù)領(lǐng)域也已滲透到社會的方方面面。它為國家建設(shè)和管理提供與地理位置有關(guān)的各種專題性和綜合性的基礎(chǔ)信息，其成果是進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)建設(shè)、交通、水利等大型工程建設(shè)、城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)、重大災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報和科學(xué)研究以及國防建設(shè)等必不可少的基礎(chǔ)資料。
參考文獻(xiàn)：
第5篇：計算機(jī)視覺的主要任務(wù)范文
論文摘要：舒爾曼提出的“學(xué)科教學(xué)知識”推動了教育研究與實踐的向前發(fā)展。高?！锻ㄐ旁怼氛n程學(xué)科教學(xué)的知識結(jié)構(gòu)與內(nèi)容框架主要包括通信原理課程教學(xué)模式等七個方面，對《通信原理》課程教學(xué)策略的知識應(yīng)用進(jìn)行論述，具有較強(qiáng)的理論和現(xiàn)實意義。
一、教師的學(xué)科教學(xué)知識
在20世紀(jì)80年代的西方教師專業(yè)化運(yùn)動中，美國斯坦福大學(xué)的Shulman教授，針對當(dāng)時在對教師的資格認(rèn)證中，將教師的教學(xué)能力簡單理解為教師具備的學(xué)科知識和教學(xué)知識的問題，指出對教師知識的分析是推動我們對教師行為分析的最主要的因素，提出了“學(xué)科教學(xué)知識”(pedagogical content knowledge/PCK，也有人譯為教育學(xué)內(nèi)容知識、教學(xué)學(xué)科知識、教學(xué)專業(yè)知能、學(xué)科內(nèi)容教學(xué)知識等)這一重要概念。舒爾曼認(rèn)為，學(xué)科教學(xué)知識是學(xué)科知識和教育學(xué)知識的特殊混合體，是教師對學(xué)科知識獨特的專業(yè)理解，為教師所特有，是“教師對如何幫助學(xué)生理解具體學(xué)科內(nèi)容而做出的理解”。學(xué)科教學(xué)知識使教師學(xué)會如何組織和呈現(xiàn)具體學(xué)科的主題、問題、結(jié)果，使之與學(xué)習(xí)者多樣的興趣與能力相適應(yīng)，從而組織教學(xué)。學(xué)科教學(xué)知識的提出，為教師的專業(yè)化發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。
學(xué)科教學(xué)知識是教師在教學(xué)中將特定的學(xué)科教學(xué)內(nèi)容加工轉(zhuǎn)化而形成的能為學(xué)生接受的知識。學(xué)科教學(xué)知識的形成需要教師對學(xué)科知識、教學(xué)知識、學(xué)生知識、情景知識等進(jìn)行整合，并對教學(xué)經(jīng)驗不斷歸納、總結(jié)與調(diào)整。因此，學(xué)科教學(xué)知識具有實踐性、情景性和個體性。學(xué)科教學(xué)知識的形成揭示了教師教學(xué)能力發(fā)展的復(fù)雜過程，使對教師教學(xué)能力的研究更為深人與科學(xué)。
舒爾曼提出的“學(xué)科教學(xué)知識”概念引起了學(xué)者們對與教師教學(xué)實踐相關(guān)知識的重視，學(xué)者們進(jìn)行了大量的論述與研究，“學(xué)科教學(xué)知識”理論成為教師教育、課堂教學(xué)行為分析、科學(xué)教育等學(xué)科教育研究的重要內(nèi)容與基礎(chǔ)框架。后經(jīng)過修改和補(bǔ)充，舒爾曼又進(jìn)一步闡釋了學(xué)科教學(xué)知識的框架。以此為基礎(chǔ)，學(xué)者根據(jù)自己的理解，提出了學(xué)科教學(xué)知識的內(nèi)涵;盡管不同的學(xué)者有不同的見解，但大同小異，基本上都認(rèn)為學(xué)科教學(xué)知識包括:教師教育信念、學(xué)科知識、教育學(xué)知識、關(guān)于學(xué)生的知識、教學(xué)情境知識等幾個方面。
二、《通信原理》課程教師的學(xué)科教學(xué)知識
現(xiàn)代社會是信息社會，電子與通信類專業(yè)從而也成為極為熱門的專業(yè)。在電子與通信類專業(yè)的課程結(jié)構(gòu)中，《通信原理》是極為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。此課程的主要任務(wù)在于研究通信系統(tǒng)中的基本概念和基本原理，讓學(xué)生掌握通信系統(tǒng)的基本組成、理論原理、實現(xiàn)方法和系統(tǒng)性能，能夠在后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和工作中靈活應(yīng)用，并激發(fā)他們對通信學(xué)科方面的學(xué)習(xí)興趣和熱情，使他們有足夠的自信和能力來適應(yīng)這一日新月異的領(lǐng)域。該課程內(nèi)容涉及隨機(jī)過程、復(fù)變函數(shù)與積分變換、信息論、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等多方面的知識。高等教育是人才培養(yǎng)的主渠道，而教師則是決定學(xué)校教育質(zhì)量的關(guān)鍵。在創(chuàng)新人才教育的大背景下，有必要對《通信原理》課程教師的知識結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行分析、研究。
對于教師學(xué)科教學(xué)知識框架，除理論研究之外，也要進(jìn)行實證研究，如調(diào)查分析、測量、比較等;而教師知識結(jié)構(gòu)必然會涉及學(xué)科和專業(yè)。以往的研究多涉及基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的教師;近年來，高等教育專業(yè)的教師學(xué)科教學(xué)知識也開始受到重視。筆者在理論分析、聽課、親歷教學(xué)的基礎(chǔ)上，提出了高?！锻ㄐ旁怼氛n程教師的學(xué)科教學(xué)知識框架。高?！锻ㄐ旁怼氛n程教師的學(xué)科教學(xué)知識應(yīng)該包括如下主要內(nèi)容:
(一)《通信原理》課程教學(xué)模式知識
《通信原理》課程教學(xué)方法因課程中具體內(nèi)容的性質(zhì)而有所不同，常用的教學(xué)模式有:仿專家思考模式，是要求學(xué)生像通信專家一樣思考，強(qiáng)調(diào)學(xué)術(shù)嚴(yán)謹(jǐn)，以傳授專業(yè)知識為主的教學(xué)模式。概念轉(zhuǎn)換模式，是通過使學(xué)生產(chǎn)生情景上的沖突，改變學(xué)生原有的概念，幫助他們建立通信科學(xué)概念的模式。探究模式，包括一般意義上的探究和以學(xué)習(xí)共同體為中心、分工負(fù)責(zé)、利用實驗室條件進(jìn)行研究的“小組合作學(xué)習(xí)”或“合作探究”模式?；陧椖炕蛘n題的教學(xué)模式，即以“導(dǎo)向”性的問題為中心，圍繞一個主題組織概念、原理，指導(dǎo)學(xué)生通過實驗和調(diào)查得出解決方案等。
在熟悉《通信原理》課程教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)本科和高職?？频摹锻ㄐ旁怼氛n程教學(xué)目標(biāo)的不同和學(xué)生基礎(chǔ)的不同，采用不同的課程教學(xué)模式。根據(jù)作者的經(jīng)驗，本科教學(xué)中適合采用仿專家思考模式、概念轉(zhuǎn)換模式、探究模式;高職?？平虒W(xué)中，則宜運(yùn)用基于項目或課題的教學(xué)模式和探究模式。這些模式在教學(xué)中還需要靈活交替使用。不論采用何種教學(xué)模式，《通信原理》課程的教師都應(yīng)當(dāng)具備體現(xiàn)《通信原理》課程特點的教學(xué)策略。筆者在教學(xué)中大量使用了理論教學(xué)與實驗、實習(xí)相結(jié)合，以及案例教學(xué)的策略。
(二)通信專業(yè)課程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)目標(biāo)知識
通信專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是:培養(yǎng)一批具有堅實的理論基礎(chǔ)、很強(qiáng)的創(chuàng)新意識和動手能力的人才，主要培養(yǎng)德智體全面發(fā)展、基礎(chǔ)扎實、知識面寬、素質(zhì)高、富有創(chuàng)新意識、在通信領(lǐng)域內(nèi)獲得專業(yè)訓(xùn)練的高級技術(shù)人才，以適應(yīng)國家加速信息化發(fā)展對人才的需要。專業(yè)是以通信技術(shù)為主，結(jié)合計算機(jī)應(yīng)用的寬口徑專業(yè)。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，我們應(yīng)該重點圍繞通信系統(tǒng)設(shè)計、智能信息處理、無線通信及測控、現(xiàn)代交換技術(shù)、光通信技術(shù)、計算機(jī)視覺與圖像處理等展開教學(xué)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。
只有從總體上理解了通信專業(yè)課程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)目標(biāo)，才能在課程教學(xué)中處理好《通信原理》和其他課程的關(guān)系，達(dá)到預(yù)期的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。為此，我們需要根據(jù)創(chuàng)新人才教育的大思路，從高等教育特點和各學(xué)校具體條件出發(fā)，結(jié)合各個專業(yè)的特點，加強(qiáng)專業(yè)理論教學(xué)、實驗教學(xué)、實踐教學(xué)活動。
(三)《通信原理》課程目標(biāo)與內(nèi)容知識
為了適應(yīng)新世紀(jì)的需要，《通信原理》課程的培養(yǎng)目標(biāo)是:培養(yǎng)具有厚基礎(chǔ)、寬口徑、高素質(zhì)、強(qiáng)能力，特別是具有工程實踐能力和創(chuàng)新能力的科技人才。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得必要的信息通信與傳輸方面的基礎(chǔ)理論知識和基本技能，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下扎實的理論基礎(chǔ)和動手能力;使學(xué)生在模擬和數(shù)字通信方面建立清晰的系統(tǒng)概念，掌握通信系統(tǒng)的一般分析方法，并具備一定的通信系統(tǒng)設(shè)計能力;使學(xué)生了解通信技術(shù)的最新發(fā)展方向，從而把握通信學(xué)科發(fā)展脈絡(luò)，激發(fā)學(xué)生的主動性與創(chuàng)新性，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)能夠解決挑戰(zhàn)性問題的新一代工程師打下堅實的基礎(chǔ)。
《通信原理》課程內(nèi)容具體包括:通信的概念、通信系統(tǒng)基本組成、數(shù)字通信系統(tǒng)、信道簡介;信息嫡的基本概念;AWGN信道下香農(nóng)信道容量理論;信號的頻域分析方法，自相關(guān)函數(shù)與功率譜密度，互相關(guān)函數(shù)與互譜密度;Hillbert變換，解析信號，等效基帶分析;隨機(jī)信號與平穩(wěn)隨機(jī)信號，窄帶平穩(wěn)隨機(jī)信號，高斯白噪聲過程;模擬調(diào)制;模擬信號的數(shù)字化;高斯白噪聲信道中的數(shù)字傳輸;帶限AWGN信道下的數(shù)字傳輸?shù)?。對這些內(nèi)容的深入了解和精深掌握是做好《通信原理》課程教學(xué)的前提條件。
除了對這些基礎(chǔ)知識的牢固掌握以外，教師還應(yīng)該對通信的研究史和發(fā)現(xiàn)史、學(xué)科研究與開發(fā)最新進(jìn)展，特別是光電子通信有較多的了解，并在教學(xué)中適當(dāng)進(jìn)行最新研究與開發(fā)成果介紹。
(四)學(xué)生對本專業(yè)知識的理解能力知識
通信專業(yè)教師應(yīng)該了解學(xué)生對具體專業(yè)知識的理解能力，包括學(xué)生學(xué)習(xí)需要和學(xué)習(xí)困難的知識。所謂學(xué)生學(xué)習(xí)需要的知識指的是學(xué)生在學(xué)習(xí)某個通信原理課程內(nèi)容之前必備的專業(yè)知識和技能。學(xué)生的學(xué)科理解能力是影響教學(xué)效果的重要原因。只有深人了解學(xué)生學(xué)習(xí)《通信原理》課程需要哪些預(yù)備知識、難點是哪些等，才能有的放矢，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高教學(xué)效果。學(xué)生學(xué)習(xí)《通信原理》課程時，較難理解和接受的知識包括通信的抽象概念、隨機(jī)過程概念、信息熵、Hillbert變換，教師教學(xué)中應(yīng)該努力讓學(xué)生掌握這些方面的內(nèi)容。
(五)通信安全意識
通信安全涉及國家、單位，以及個人的通信秘密保障，關(guān)乎國家、社會征集、經(jīng)濟(jì)、軍事等各方面的安全?，F(xiàn)有的《通信原理》課程教材都不涉及通信安全教育，這是一個很大的缺陷?！锻ㄐ旁怼氛n程教師不僅自己應(yīng)該具有一定的通信安全知識和相關(guān)思考，更應(yīng)該將其滲透于《通信原理》課程的教學(xué)之中。
三、《通信原理》課程學(xué)科教學(xué)知識的運(yùn)用
《通信原理》課程教師應(yīng)該具備上述學(xué)科教學(xué)知識，并能熟練地運(yùn)用于教學(xué)實踐活動中。作者在自己的教學(xué)實踐中對《通信原理》課程學(xué)科教學(xué)知識進(jìn)行了靈活運(yùn)用。下面對其中的教學(xué)策略知識的運(yùn)用舉例說明如下:
(一)學(xué)科知識傳授方面，教學(xué)重點放在數(shù)字通信系統(tǒng)部分
《通信原理》內(nèi)容包括通信的基本理論、模擬調(diào)制、數(shù)字傳輸、編碼技術(shù)幾個大部分。由于現(xiàn)代通信的發(fā)展方向是數(shù)字通信，因此，教學(xué)重點在數(shù)字通信系統(tǒng)部分。在課程的開始階段，讓學(xué)生準(zhǔn)確把握數(shù)字通信系統(tǒng)的組成、各模塊的功能，使得學(xué)生能夠把本課程的內(nèi)容有機(jī)地組合起來，在學(xué)習(xí)具體知識點時能明確它們在通信系統(tǒng)中所起的作用，收到“既見樹木，又見森林”的效果?！锻ㄐ旁怼肥且婚T理論和實踐并重的課程，在理論教學(xué)方面，要讓學(xué)生掌握通信系統(tǒng)的基本組成、理論原理、分析方法。為了提高教學(xué)效果，在課堂上采用設(shè)問思考和逆向思考提問等教學(xué)方法，啟發(fā)學(xué)生思考、誘發(fā)學(xué)生的思維、激起學(xué)生的求知欲望。在教學(xué)過程中注重考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)方法和接受能力，在備課時，采用換位思考方法，感受學(xué)生的困惑，考慮講解的技巧，以在最短的時間內(nèi)收到最佳的教學(xué)效果。同時根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對象，注意將學(xué)生自學(xué)和精講重點、難點結(jié)合起來。在每章及每小節(jié)結(jié)束時，注意進(jìn)行課程總結(jié)，讓學(xué)生及時鞏固所學(xué)內(nèi)容，便于繼續(xù)學(xué)習(xí)新的內(nèi)容。
(二)通過介紹新技術(shù)進(jìn)展，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣
《通信原理》是通信專業(yè)的基礎(chǔ)課程，涉及的最新技術(shù)不多，而本院電子信息與科學(xué)技術(shù)專業(yè)通信方面的后續(xù)課程也不多。而且，在中國的高等教育中，工科教育的一個較明顯的缺陷是最新科研與開發(fā)成果很難及時在教材中體現(xiàn)，用什么教材講什么內(nèi)容的傳統(tǒng)也使得最新科研與開發(fā)成果很難在教師的授課過程中被包括進(jìn)來。通信的發(fā)展日新月異，新技術(shù)層出不窮，如何在有限的課時里讓學(xué)生掌握通信基本理論的同時，盡量了解更多關(guān)于通信方面的新理論和新技術(shù)是教學(xué)中需要解決的問題之一。作者在教學(xué)中采用課內(nèi)附帶介紹最新進(jìn)展的形式來實現(xiàn)。例如，在講解基本內(nèi)容的同時，附帶介紹了移動通信的發(fā)展?fàn)顩r、移動通信中常用多址方式、3G技術(shù)及其現(xiàn)狀等內(nèi)容，既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開拓其視野，也能為他們將來從事這方面的研究和開發(fā)指明方向。
(三)通過CAI和仿真輔助教學(xué)，加深對理論的理解
大量使用多媒體進(jìn)行教學(xué)，并在課件設(shè)計上注意突破簡單的演示型模式，體現(xiàn)知識的建構(gòu)過程，重視知識要點的剖析，提高學(xué)生主體的參與程度;在課堂講解上，注意將重點內(nèi)容在黑板上列出，避免讓學(xué)生有看電影的感覺，同時便于學(xué)生理解掌握原理，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)和多媒體教學(xué)各自的不足;同時，利用仿真軟件對通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真觀察，提高了學(xué)生對理論的理解能力，培養(yǎng)了學(xué)生的系統(tǒng)觀念。
(四)加強(qiáng)教學(xué)實踐，鞏固所學(xué)內(nèi)容
《通信原理》是一門實驗性很強(qiáng)的課程，為了幫助學(xué)生鞏固所學(xué)的內(nèi)容，加深理解，筆者在教學(xué)中采用兩種方法來進(jìn)行教學(xué)實踐。其一，精心設(shè)計實驗，利用本系現(xiàn)有的實驗設(shè)備，設(shè)計實驗內(nèi)容;其二，利用MATLAB仿真軟件，編寫仿真程序，采用課堂演示的方法。比如，通過仿真實現(xiàn)多種解調(diào)方式的誤碼率曲線，可以讓學(xué)生們直觀地了解它們的性能差異，體會“面對面”交流的樂趣。而編程基礎(chǔ)比較好的同學(xué)可以開發(fā)一個簡單的數(shù)字通信系統(tǒng)，重點讓學(xué)生練習(xí)使用信源編碼信道及接收機(jī)的仿真實現(xiàn)等。這樣，既提高了學(xué)生的編程能力，也加深了其對整個通信系統(tǒng)的理解。
