項目4 創(chuàng)意美術(shù)體驗1

《創(chuàng)意美術(shù)體驗》教學(xué)設(shè)計1課題：圖像讀取與幾何變換授課對象：中職課型：新授課課時：3~4課時教材分析：結(jié)構(gòu)內(nèi)容：本節(jié)課選自《人工智能通識》的項目六。本節(jié)課的主要內(nèi)容體驗人工智能的應(yīng)用，了解計算機視覺技術(shù)發(fā)展趨勢和應(yīng)用場景，自己動手上傳圖片嘗試目標(biāo)識別，對計算機視覺技術(shù)有感性認識，熟練使用OpenCV庫對圖像進行基本操作，熟練使用OpenCV庫對圖像進行邊緣檢測。地位作用：如今人工智能已經(jīng)逐步讓人們的生活智能化，讓企業(yè)服務(wù)智能化，那么無論為了工作還是為了跟上時代步伐，有必要去了解人工智能是如何運作的。本節(jié)課的學(xué)習(xí)將帶領(lǐng)學(xué)生感知計算機視覺技術(shù)應(yīng)用，需要學(xué)習(xí)OpenCV對圖像的基本操作，為后面的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。學(xué)情分析學(xué)習(xí)心理特征：本節(jié)課的授課對象為中職一年級學(xué)生該階段的學(xué)生學(xué)習(xí)自制力較差，上課注意力易被分散，因此在上課過程中，應(yīng)該采用講練結(jié)合的方式，讓學(xué)生能夠在實踐中學(xué)習(xí)和鞏固課程內(nèi)容。同時該階段的學(xué)生有很多自己的想法和創(chuàng)意，因此在設(shè)計任務(wù)時，需要給學(xué)生一定的自由發(fā)揮的空間，讓學(xué)生自主地學(xué)習(xí)和實踐。另外由于中職一年級的學(xué)生水平各不相同，因此教師在學(xué)生操作過程中應(yīng)該實時觀察，引導(dǎo)并鼓勵基礎(chǔ)較差的學(xué)生完成練習(xí)。知識基礎(chǔ)：中職一年級學(xué)生已經(jīng)掌握了計算機與瀏覽器的使用，因此可以讓學(xué)生獨立動手安裝實訓(xùn)需要的環(huán)境。教學(xué)目標(biāo)知識與技能目標(biāo)：了解計算機視覺技術(shù)發(fā)展趨勢和應(yīng)用場景自己動手上傳圖片嘗試目標(biāo)識別，對計算機視覺技術(shù)有感性認識熟練使用OpenCV庫對圖像進行基本操作熟練使用OpenCV庫對圖像進行邊緣檢測熟練OpenCV對圖像的基本操作實現(xiàn)圖像的幾何變換（縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、仿射、透視）過程與方法：使用搜索引擎搜索信息，小組合作討論OpenCV的基本操作和邊緣檢測算法應(yīng)用。根據(jù)教師發(fā)布的實訓(xùn)任務(wù)書，自主進行OpenCV的圖像讀取和邊緣檢測的實訓(xùn)。根據(jù)教師發(fā)布的實訓(xùn)任務(wù)書，自主實現(xiàn)圖像的幾何變換操作情感態(tài)度與價值觀：能夠體會到計算機視覺技術(shù)的奇妙和給生活帶來的樂趣。通過小組合作的方式，培養(yǎng)學(xué)生的主動參與的意識，強化自身的責(zé)任感，以及增強自己的合作能力。教學(xué)重難點教學(xué)重點：1、什么是計算機視覺？2、什么是數(shù)字圖像處理？3、計算機眼中的世界4、OpenCV加載彩色灰度圖像5、顯示圖像尺寸、灰度圖教學(xué)難點：OpenCV工具進行邊緣檢測OpenCV進行圖像縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、仿射和透視教學(xué)方法教法：任務(wù)驅(qū)動法、理實一體法學(xué)法：自主學(xué)習(xí)法、小組合作學(xué)習(xí)法教學(xué)準(zhǔn)備教學(xué)環(huán)境：人工智能實訓(xùn)室教學(xué)資源：派LabAI云課堂，PPT課件，教案，實訓(xùn)源代碼，相關(guān)素材教學(xué)過程教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配設(shè)計意圖一、創(chuàng)設(shè)情景【教師活動】OpenCV是計算機視覺中經(jīng)典的專用庫，其支持多語言、跨平臺，功能強大。OpenCV-Python為OpenCV提供了Python接口，使得使用者在Python中能夠調(diào)用C/C++，在保證易讀性和運行效率的前提下，實現(xiàn)所需的功能，其簡單易懂，使得初學(xué)者能夠快速上手使用。學(xué)會OpenCV處理計算機視覺問題將事半功倍！2分鐘該環(huán)節(jié)通過創(chuàng)設(shè)一個生活中真實存在的情景，讓學(xué)生了解人工智能的應(yīng)用。二、任務(wù)分析【教師活動】?本案例我們主要需要學(xué)習(xí)OpenCV對圖像的基本操作，為后面的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。首先我們需要對如何開展該任務(wù)進行分析（該過程可以讓學(xué)生進行小組討論回答）預(yù)設(shè)：首先需要導(dǎo)入Python工具包，接著學(xué)習(xí)加載彩色灰度圖像，然后需要了解顯示圖像尺寸和顯示灰度圖的方法，最后寫入圖像進行邊緣檢測。【學(xué)生活動】小組展開討論各小組發(fā)表自己的任務(wù)分析結(jié)果【教師活動】對各小組的討論結(jié)果進行評價，最后進行小結(jié)，得出最后的任務(wù)分析結(jié)果：子任務(wù)一：OpenCV基礎(chǔ)圖像讀取、寫入與保存子任務(wù)二：邊緣檢測子任務(wù)三：幾何變換3分鐘該環(huán)節(jié)主要是對本節(jié)課的任務(wù)的一個討論分析，在該過程中，讓每個學(xué)生對接下來要完成的任務(wù)進行分析和討論，讓學(xué)生成為課堂的主體，提高學(xué)生的參與感，提升學(xué)生的自主思考能力。三、新知學(xué)習(xí)任務(wù)一：OpenCV基礎(chǔ)圖像讀取、寫入與保存【教師活動】在進行實訓(xùn)任務(wù)之前呢，老師這里先梳理一下操作的流程。+步驟1：導(dǎo)入Python工具包+步驟2：加載彩色灰度圖像+步驟3：顯示圖像尺寸+步驟4：顯示灰度圖+步驟5：寫入圖像+步驟6：邊緣檢測【學(xué)生活動】根據(jù)實訓(xùn)指導(dǎo)手冊按步驟進行實訓(xùn)?！窘處熁顒印坷蠋焸兏鶕?jù)操作流程進行教學(xué)，先從導(dǎo)入python工具包開始，一般在寫一個程序之前，都是需要導(dǎo)入相關(guān)的工具包的，我們要想實現(xiàn)圖像的讀取寫入和保存，就需要先對其進行數(shù)據(jù)層面的處理，我們可以導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理包numpy、圖像處理工具CV2、以及可視化的包matplotlib，同學(xué)們可以進行嘗試。接著，我們可以讓學(xué)生輸入代碼img=cv.imread('./data-sets/pic.jpg',0)來加載彩色灰度圖像，接著進行圖像尺寸的介紹，圖像尺寸即圖像像素尺寸，由寬和高兩個維度組成，平時我們說的1920x1080尺寸圖片，意思就是1920個像素寬，1080個像素高的圖片。上述加載的圖像尺寸為435x580。輸入代碼img.shape來查看圖像尺寸。接著對灰度圖進行介紹，灰度圖，GrayScaleImage或是GreyScaleImage，又稱灰階圖。把白色與黑色之間按對數(shù)關(guān)系分為若干等級，稱為灰度。灰度分為256階，即圖片中每一個像素點為0到255之間的一個數(shù)值。輸入代碼plt.imshow(img,plt.cm.gray)將圖像轉(zhuǎn)為灰度圖，輸入代碼plt.show()來顯示圖像。最后保存圖像，輸入代碼cv.imwrite('pic_1.png',img)來保存圖像【學(xué)生活動】小組討論探究，各組分享探究結(jié)果【教師活動】進行總結(jié)這里先簡單的說一下圖像讀取寫入、保存的原理和函數(shù)方法，同學(xué)們需要根據(jù)每一步驟，學(xué)習(xí)一個知識點，每個函數(shù)的使用方法和參數(shù)。最后進行同學(xué)答疑。15分鐘在該環(huán)節(jié)中，設(shè)置了一個實操環(huán)節(jié)，能夠讓學(xué)生自己動手實操進行圖像基本讀取寫入保存的一個過程，增加課堂的實踐性，調(diào)節(jié)課堂的氛圍，同時也讓學(xué)生對項目的目標(biāo)成果有個整體認知。【教師活動】請同學(xué)們思考，為什么要先顯示灰度圖呢？imshow()函數(shù)的參數(shù)都代表著什么呢？預(yù)設(shè)：圖像灰度化的目的是為了簡化矩陣，提高運算速度。彩色圖像中的每個像素顏色由R、G、B三個分量來決定，而每個分量的取值范圍都在0-255之間，這樣對計算機來說，彩色圖像的一個像素點就會有256*256*256=16777216種顏色的變化范圍！而灰度圖像是R、G、B分量相同的一種特殊彩色圖像，對計算機來說，一個像素點的變化范圍只有0-255這256種。彩色圖片的信息含量過大，而進行圖片識別時，其實只需要使用灰度圖像里的信息就足夠了，所以圖像灰度化的目的就是為了提高運算速度?！緦W(xué)生活動】思考并回答問題【教師活動】對學(xué)生的回答進行小結(jié)：同學(xué)們的推斷都是比較準(zhǔn)確的，同時，使用函數(shù)cv.imshow()在窗口中顯示圖像。窗口自動適合圖像尺寸。第一個參數(shù)是窗口名稱，它是一個字符串。第二個參數(shù)是我們的對象。你可以根據(jù)需要創(chuàng)建任意多個窗口，但可以使用不同的窗口名稱。（同學(xué)們先動手實踐，然后討論）預(yù)設(shè)：注意在jupyter環(huán)境下，opencv的cv.imshow()函數(shù)無法正常顯示圖片，故我們用plt.imshow()函數(shù)替代cv.imshow()【學(xué)生活動】思考并回答問題30分鐘在該環(huán)節(jié)中，通過提問的方式引出接下來要操作的內(nèi)容，同時讓學(xué)生在動手操作之前能夠思考為什么要做這個事.另外，讓學(xué)生動手安裝之后再拋出一個問題，讓學(xué)生討論發(fā)現(xiàn)問題的答案，而不是直接給出，增加學(xué)生之間的互動與交流。任務(wù)二：OpenCV實現(xiàn)圖像的幾何變換【教師活動】剛才我們已經(jīng)把對圖像的讀取、寫入、保存進行了學(xué)習(xí)，現(xiàn)在需要對幾何變換進行實操學(xué)習(xí)。圖像幾何變換是指用數(shù)學(xué)建模的方法來描述圖像位置、大小、形狀等變化的方法。在實際場景拍攝到的一幅圖像，如果畫面過大或過小，都需要進行縮小或放大。如果拍攝時景物與攝像頭不成相互平行關(guān)系的時候，會發(fā)生一些幾何畸變，例如會把一個正方形拍攝成一個梯形等。這就需要進行一定的畸變校正。在進行目標(biāo)物的匹配時，需要對圖像進行旋轉(zhuǎn)、平移等處理。在進行三維景物顯示時，需要進行三維到二維平面的投影建模。因此，圖像幾何變換是圖像處理及分析的基礎(chǔ)。1、什么是圖像的幾何變換？圖像的幾何變換就是將一組圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過某種數(shù)學(xué)運算，映射成另外一組圖像數(shù)據(jù)的操作。所以，幾何變換的關(guān)鍵就是要確定這種空間映射關(guān)系。幾何變換又稱空間變換。對于圖像數(shù)據(jù)來說，就是將一幅圖像中的坐標(biāo)位置映射到另一幅圖像中的新坐標(biāo)位置。或者說，幾何變換不改變圖像的像素值，只是在圖像平面上進行像素的重新安排。2、為什么要對圖像進行幾何變換？對圖像進行幾何變換可以一定程度上的消除圖像由于角度、透視關(guān)系、拍攝等原因造成的幾何失真，進而造成計算機模型或者算法無法正確識別圖像，所以我們要對圖像進行幾何變換。幾何變換不是取悅?cè)搜鄣?，是取悅計算機的，是讓計算機(模型、算法)能更好的認識圖片的。所以，對圖像進行幾何變換處理是深度學(xué)習(xí)中數(shù)據(jù)增強的一種常用手段，是進行圖像識別前的數(shù)據(jù)預(yù)處理工作內(nèi)容。比如，在很多機器視覺落地項目中，在實際工作中，我們并不能保證被檢測的物體在圖像的相同位置和方向，所以我們首先要解決的就是被檢測物體的位置和方向。所以我們首先要做的就是對圖像進行幾何變換。3、圖像數(shù)據(jù)都有哪些幾何變換？按照人類的視覺效果分，二維圖像的基本幾何變換主要有縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像、透視等。按照變換的數(shù)學(xué)原理的不同分，二維圖像的基本幾何變換主要有仿射變換、透視變換、重映射變換。本次的實訓(xùn)內(nèi)容則分為14個小節(jié)：步驟1：讀取圖片步驟2：輸出原始圖片步驟3：獲取原始圖片的尺寸步驟4：定義圖像縮放變換的參數(shù)步驟5：顯示放大變換前后對比圖步驟6：定義平移變換的參數(shù)步驟7：進行圖像的平移變換步驟8：顯示平移變換前后對比圖步驟9：定義旋轉(zhuǎn)變換參數(shù)步驟10：進行圖像的旋轉(zhuǎn)變換步驟11：顯示旋轉(zhuǎn)變換前后對比圖步驟12：定義透視變換的參數(shù)步驟13：進行的圖像的透視變換步驟14：顯示透視變換前后對比圖【學(xué)生活動】參考實訓(xùn)任務(wù)書或派Lab平臺上的實訓(xùn)指南，完成圖像幾何變換的理解和幾種幾何變換的意義和實操?！窘處熁顒印吭趯W(xué)生練習(xí)時進行巡視，對一些動手能力較弱的學(xué)生進行相關(guān)的指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生完成1-8步驟練習(xí)。【教師活動】對學(xué)生的練習(xí)進行簡單小結(jié)，指出學(xué)生常見的錯誤。30分鐘在該環(huán)節(jié)中，主要介紹圖像幾何變換的實現(xiàn)，當(dāng)然，這部分要考慮實現(xiàn)難度與學(xué)生的能力。給出一批代碼樣例，有條件的學(xué)生可以在此基礎(chǔ)上進行改進。這里需要老師帶著學(xué)生一起去理解代碼之間的結(jié)構(gòu)以及代碼內(nèi)部的核心部分。重點了解幾個重要變換的函數(shù)方法。讓學(xué)生對opencv的使用有所認知。任務(wù)二步驟10-14：OpenCV幾何變換下部分【教師活動】1、放大縮小圖像（Scaling）改變圖像尺寸，即長和寬，可以按照比例即按照長寬比來改變圖像大小，也可以不按照圖像長寬比按照需求來放大或者縮小圖像；可以看到Opencv提供了resize函數(shù)，可以通過第二個參數(shù)輸入圖像的具體尺寸，也可以通過fxfy參數(shù)按照新的尺寸與舊尺寸的比值來設(shè)置；interpolation參數(shù)表示在放縮圖像的時候的插值方法；2、平移圖像（translation）假設(shè)我們的視域不變，也就是我們看的地方和范圍都不變，對圖像進行各個方向的移動，我們能看到的就是圖像經(jīng)過平移之后的結(jié)果；Opencvpython沒有直接的圖像平移函數(shù)，可以通過平移矩陣來完成對圖像的平移，平移矩陣錢兩列為一個單位矩陣，最后一列是沿著x，y方向的平移量；3、旋轉(zhuǎn)圖像（rotation）還是假設(shè)我們的視域是固定的，就是我們看到區(qū)域是固定的；固定現(xiàn)在圖像中一個點，然后旋轉(zhuǎn)圖像，旋轉(zhuǎn)之后，我們還能看到地方就是旋轉(zhuǎn)之后的圖像；4、仿射變換（AffineTransformation）簡單來說就是源圖像經(jīng)過放縮、平移和旋轉(zhuǎn)的一種或者集中各種組合變換之后的圖像；還有說是仿射變換是圖像線性變換加上平移，即Y=AX+B；仿射變換如何變換取決于其變換矩陣是什么，變換矩陣是一個2*3的矩陣，變換矩陣的最后一列為平移量，前面是圖像x，y的變換矩陣；由此可以看到，仿射變換是在二維圖像中的變換；各代碼詳解請見實訓(xùn)指導(dǎo)手冊15分鐘該環(huán)節(jié)是一個實訓(xùn)環(huán)節(jié)，結(jié)合學(xué)生自身的特點，讓學(xué)生自己參考任務(wù)書，完成任務(wù)，提高學(xué)生的自學(xué)能力，以及動手實踐能力。四、課堂小結(jié)【教師活動】教師請各小組對本節(jié)課學(xué)習(xí)的內(nèi)容進行小結(jié)。最后教師進行總結(jié)。布置課后習(xí)題5分鐘讓學(xué)生自己進行小結(jié)，加深學(xué)生對本節(jié)課知識的理解，也同時鍛煉學(xué)生總結(jié)歸納的能力。學(xué)習(xí)效果評價課后習(xí)題題型題目答案問答題（一題一分）1、闡述什么是OpenCV2、列舉至少三個計算機視覺的應(yīng)用場景3、幾何變有哪幾種，為什么要進行圖像的幾何變換1、略2、無人駕駛、人臉識別、圖像生成3、略選擇題（每題2分）4、OpenCV用于對圖像執(zhí)行透視變換的函數(shù)是（）A.flip()B.resize()C.warpAFFine()D.warpPerspective()5、OpenCV用于圖像寫入文件的函數(shù)是（）