《創意美術體驗》教學設計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：結構內容：本節課選自《人工智能通識》的項目六。本節課的主要內容體驗人工智能的應用，了解計算機視覺技術發展趨勢和應用場景，自己動手上傳圖片嘗試目標識別，對計算機視覺技術有感性認識，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：如今人工智能已經逐步讓人們的生活智能化，讓企業服務智能化，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。本節課的學習將帶領學生感知計算機視覺技術應用，需要學習OpenCV對圖像的基本操作，為后面的學習打好基礎。學情分析學習心理特征：本節課的授課對象為中職一年級學生該階段的學生學習自制力較差，上課注意力易被分散，因此在上課過程中，應該采用講練結合的方式，讓學生能夠在實踐中學習和鞏固課程內容。同時該階段的學生有很多自己的想法和創意，因此在設計任務時，需要給學生一定的自由發揮的空間，讓學生自主地學習和實踐。另外由于中職一年級的學生水平各不相同，因此教師在學生操作過程中應該實時觀察，引導并鼓勵基礎較差的學生完成練習。知識基礎：中職一年級學生已經掌握了計算機與瀏覽器的使用，因此可以讓學生獨立動手安裝實訓需要的環境。教學目標知識與技能目標：了解計算機視覺技術發展趨勢和應用場景自己動手上傳圖片嘗試目標識別，對計算機視覺技術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圖像的幾何變換（縮放、平移、旋轉、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用。根據教師發布的實訓任務書，自主進行OpenCV的圖像讀取和邊緣檢測的實訓。根據教師發布的實訓任務書，自主實現圖像的幾何變換操作情感態度與價值觀：能夠體會到計算機視覺技術的奇妙和給生活帶來的樂趣。通過小組合作的方式，培養學生的主動參與的意識，強化自身的責任感，以及增強自己的合作能力。教學重難點教學重點：1、什么是計算機視覺？2、什么是數字圖像處理？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、灰度圖教學難點：OpenCV工具進行邊緣檢測OpenCV進行圖像縮放、平移、旋轉、仿射和透視教學方法教法：任務驅動法、理實一體法學法：自主學習法、小組合作學習法教學準備教學環境：人工智能實訓室教學資源：派LabAI云課堂，PPT課件，教案，實訓源代碼，相關素材教學過程教學內容及過程時間分配設計意圖一、創設情景【教師活動】OpenCV是計算機視覺中經典的專用庫，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中能夠調用C/C++，在保證易讀性和運行效率的前提下，實現所需的功能，其簡單易懂，使得初學者能夠快速上手使用。學會OpenCV處理計算機視覺問題將事半功倍！2分鐘該環節通過創設一個生活中真實存在的情景，讓學生了解人工智能的應用。二、任務分析【教師活動】?本案例我們主要需要學習OpenCV對圖像的基本操作，為后面的學習打好基礎。首先我們需要對如何開展該任務進行分析（該過程可以讓學生進行小組討論回答）預設：首先需要導入Python工具包，接著學習加載彩色灰度圖像，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。【學生活動】小組展開討論各小組發表自己的任務分析結果【教師活動】對各小組的討論結果進行評價，最后進行小結，得出最后的任務分析結果：子任務一：OpenCV基礎圖像讀取、寫入與保存子任務二：邊緣檢測子任務三：幾何變換3分鐘該環節主要是對本節課的任務的一個討論分析，在該過程中，讓每個學生對接下來要完成的任務進行分析和討論，讓學生成為課堂的主體，提高學生的參與感，提升學生的自主思考能力。三、新知學習任務一：OpenCV基礎圖像讀取、寫入與保存【教師活動】在進行實訓任務之前呢，老師這里先梳理一下操作的流程。+步驟1：導入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【學生活動】根據實訓指導手冊按步驟進行實訓。【教師活動】老師們根據操作流程進行教學，先從導入python工具包開始，一般在寫一個程序之前，都是需要導入相關的工具包的，我們要想實現圖像的讀取寫入和保存，就需要先對其進行數據層面的處理，我們可以導入數據處理包numpy、圖像處理工具CV2、以及可視化的包matplotlib，同學們可以進行嘗試。接著，我們可以讓學生輸入代碼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關系分為若干等級，稱為灰度。灰度分為256階，即圖片中每一個像素點為0到255之間的一個數值。輸入代碼plt.imshow(img,plt.cm.gray)將圖像轉為灰度圖，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【學生活動】小組討論探究，各組分享探究結果【教師活動】進行總結這里先簡單的說一下圖像讀取寫入、保存的原理和函數方法，同學們需要根據每一步驟，學習一個知識點，每個函數的使用方法和參數。最后進行同學答疑。15分鐘在該環節中，設置了一個實操環節，能夠讓學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，調節課堂的氛圍，同時也讓學生對項目的目標成果有個整體認知。【教師活動】請同學們思考，為什么要先顯示灰度圖呢？imshow()函數的參數都代表著什么呢？預設：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。【學生活動】思考并回答問題【教師活動】對學生的回答進行小結：同學們的推斷都是比較準確的，同時，使用函數cv.imshow()在窗口中顯示圖像。窗口自動適合圖像尺寸。第一個參數是窗口名稱，它是一個字符串。第二個參數是我們的對象。你可以根據需要創建任意多個窗口，但可以使用不同的窗口名稱。（同學們先動手實踐，然后討論）預設：注意在jupyter環境下，opencv的cv.imshow()函數無法正常顯示圖片，故我們用plt.imshow()函數替代cv.imshow()【學生活動】思考并回答問題30分鐘在該環節中，通過提問的方式引出接下來要操作的內容，同時讓學生在動手操作之前能夠思考為什么要做這個事.另外，讓學生動手安裝之后再拋出一個問題，讓學生討論發現問題的答案，而不是直接給出，增加學生之間的互動與交流。任務二：OpenCV實現圖像的幾何變換【教師活動】剛才我們已經把對圖像的讀取、寫入、保存進行了學習，現在需要對幾何變換進行實操學習。圖像幾何變換是指用數學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系的時候，會發生一些幾何畸變，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。在進行目標物的匹配時，需要對圖像進行旋轉、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。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據經過某種數學運算，映射成另外一組圖像數據的操作。所以，幾何變換的關鍵就是要確定這種空間映射關系。幾何變換又稱空間變換。對于圖像數據來說，就是將一幅圖像中的坐標位置映射到另一幅圖像中的新坐標位置。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。幾何變換不是取悅人眼的，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習中數據增強的一種常用手段，是進行圖像識別前的數據預處理工作內容。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、圖像數據都有哪些幾何變換？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、鏡像、透視等。按照變換的數學原理的不同分，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。本次的實訓內容則分為14個小節：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：定義旋轉變換參數步驟10：進行圖像的旋轉變換步驟11：顯示旋轉變換前后對比圖步驟12：定義透視變換的參數步驟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【學生活動】參考實訓任務書或派Lab平臺上的實訓指南，完成圖像幾何變換的理解和幾種幾何變換的意義和實操。【教師活動】在學生練習時進行巡視，對一些動手能力較弱的學生進行相關的指導，引導學生完成1-8步驟練習。【教師活動】對學生的練習進行簡單小結，指出學生常見的錯誤。30分鐘在該環節中，主要介紹圖像幾何變換的實現，當然，這部分要考慮實現難度與學生的能力。給出一批代碼樣例，有條件的學生可以在此基礎上進行改進。這里需要老師帶著學生一起去理解代碼之間的結構以及代碼內部的核心部分。重點了解幾個重要變換的函數方法。讓學生對opencv的使用有所認知。任務二步驟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，可以通過第二個參數輸入圖像的具體尺寸，也可以通過fxfy參數按照新的尺寸與舊尺寸的比值來設置；interpolation參數表示在放縮圖像的時候的插值方法；2、平移圖像（translation）假設我們的視域不變，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過平移之后的結果；Opencvpython沒有直接的圖像平移函數，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、旋轉圖像（rotation）還是假設我們的視域是固定的，就是我們看到區域是固定的；固定現在圖像中一個點，然后旋轉圖像，旋轉之后，我們還能看到地方就是旋轉之后的圖像；4、仿射變換（AffineTransformation）簡單來說就是源圖像經過放縮、平移和旋轉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指導手冊15分鐘該環節是一個實訓環節，結合學生自身的特點，讓學生自己參考任務書，完成任務，提高學生的自學能力，以及動手實踐能力。四、課堂小結【教師活動】教師請各小組對本節課學習的內容進行小結。最后教師進行總結。布置課后習題5分鐘讓學生自己進行小結，加深學生對本節課知識的理解，也同時鍛煉學生總結歸納的能力。學習效果評價課后習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用于對圖像執行透視變換的函數是（）A.flip()B.resize()C.warpAFFine()D.warpPerspective()5、OpenCV用于圖像寫入文件的函數是（）