（1）必要性

工业啤酒灌装生产线主要包含洗瓶、空瓶检测、灌装、杀菌、贴标、装箱等环节。其中，玻璃空瓶验瓶机（以下简称验瓶机）用来检测啤酒空瓶是否存在缺陷，是保障啤酒成品质量的重要设备。

验瓶机是一个集光、电、机、信息等一体化的检测系统，采用高速CCD摄像机及图像处理器，准确地对瓶口、瓶底、瓶身缺陷进行检测处理，并剔除带缺陷的瓶子。这里的核心技术包含了成像原理、图像处理、检测技术、模式识别、控制技术等，涉及到图像处理课程中多处知识、算法、以及知识的运用；若这样的系统能用于实验教学，这会对学生掌握知识、运用知识、解决复杂工程问题能力的锻炼起到很大的作用。但该系统复杂而昂贵，在实际生产线中封闭式、全自动运行，其内部工作过程及原理对旁观者而言是“看不见、摸不着”的。若将该系统直接用于实验教学，则因其成本、技术、危险性等因素而变得异常困难。

山东科技大学数字图像处理课程国家级教学团队是一个集教学与科研于一体的团队，对“啤酒瓶缺陷检测系统”（玻璃空瓶验瓶机）有深入的研究，将此成果作为图像处理典型案例写在团队成员撰写的“数字图像处理（2007.9版）”教材中和十二五国家级规划教材“数字图像处理（2016.8版）”教材中，且参与最新国家标准“玻璃空瓶验瓶机（GB/T 38459-2020)”的制定。

在以往的教学中，主要通过上课讲解、工厂参观的方式进行，正如前述的种种因素，这种教学效果并不理想。因此借助现代信息技术，开发能用于实际教学的实验系统是非常有必要的和有意义的。

（2）实用性

本虚仿实验项目基于虚拟现实（Virtual reality，VR）技术，搭建了一个验瓶机的设计与生产运行环境，在“理论学习”模块，学习和巩固光学成像知识、图像处理相关理论和算法、验瓶机系统构成机功能的学习等；在“实验练习”模块，可以基于于三维虚拟漫游详细了解学习系统构成和功能，可以反复练习设计和搭建验瓶机，单独练习对瓶口、瓶身、瓶底部分选择镜头、光源，拍摄图像，对图像进行一定的处理等；在“实验考核”模块，使用者首先选择某种待检测型号的瓶子，从库中选择合适的硬件模型搭建验瓶机，计算镜头焦距，采集瓶身、瓶口、瓶底部位的图像，并采用一定的算法对图像进行处理、检测出缺陷等等，最后还可模拟验瓶机自动运行，通过大样本的检测，给出系统的正常检测率。在这里学生不用考虑高成本、高危险性等因素，可以反复全面地学习和锻炼能力，因此本虚仿项目是非常实用的。

（3）合理性

验瓶机是一个集光、电、机、信息等一体化的检测系统，涵盖的知识或课程包括传感器原理、检测技术、成像原理、图像处理、模式识别、机器视觉、自动控制、PLC、机械设计、等等，但要把这些涉及到的课程内容不加选择、不分轻重地都融入本虚仿实验，将使其变得庞大、繁杂而很难开发和使用。

传感器原理及检测技术、数字图像处理是我校电子信息工程专业的核心课程，成像原理、模式识别、PLC是专业课程；而验瓶机中涉及图像处理多个知识、算法及应用，主要包括噪声去除、灰度变换增强（伽马校正、对比度增强、直方图均衡化等）、边缘提取（一阶微分算子、二阶微分算子等）、阈值分割（Otsu算法、手动阈值）、Hough变换、重心法、区域标记、图像描述、等等，这也是我们最要体现的和培养学生的地方，所以本虚仿项目首先隶属于数字图像处理课程；但只有图像处理相关内容，并不能使验瓶机工作起来，因此其他一些较重要的知识和内容也作为必要部分出现了。这样重点突出、详略得当、粒度合适，因此教学设计是合理的。

（4）先进性

本虚仿实验项目不是一个简单验证性实验，不是简单地“验瓶机”工作原理的再现，若那样学生可操作和锻炼的机会就非常有限，起不到应有的作用。

在这里，让学生扮演一个“设计者与制作者”，因此学生需要较系统地学习掌握相关的理论、算法，验瓶机的工作原理、结构组成等，在其中又有重点地强化图像处理相关的知识和能力；在以上基础上，设计、搭建自己的验瓶机，并最后使验瓶机模拟运行，给出检测结果。

这可看成是首先抛出了一个复杂的工程问题（玻璃瓶缺陷检测），而在问题驱动（或任务驱动）下，学生需要从学习、练习入手，最后完成设计和制作验瓶机的任务，得到全面而有挑战性的能力锻炼。因此，本实验系统具有先进性。