古今同月——识别月相赋诗词

“今人不见古时月，今月曾经照古人。”自古以来月亮寄托着人们浓厚的情感，东坡先生的“人有悲欢离合，月有阴晴圆缺，此事古难全。但愿人长久，千里共婵娟。”更是成为千古名句。在本项目中，我们将通过月的“阴晴圆缺（月相）”，走近人的“悲欢离合（诗词）”，与古人同赏一轮山间明月！

项目介绍

本项目使用 Mind+2.0 模型训练平台的实例分割算法训练出一个“识别月相”的模型，部署在行空板 M10 上。接下来设计一个互动程序，使行空板M10 外接摄像头在识别到你所见到的月相时，根据月相生成对应的诗词和背景图。最具特色的是，该项目可以利用实例分割功能将识别到的月相保存下来，与画面中的诗词和背景图共同构成一幅完美的画卷（见图 1）。

图 1 项目效果

月相的形成与分类

在做这个项目前，我们先弄清楚两个重要的信息：一是月相形成的原因，二是月相的分类。

月相不是因地球遮挡而形成的（月食是地球遮挡形成的，日食是月球遮挡形成的）。月球会围绕地球转动，转动一周约为一个月。在一个月中，我们可以看到所有的月相。

我们将太阳光看作平行光，月球始终会有一半球面受太阳光照射（除了月食时），也会反射一半球面的太阳光。当月球转动到不同位置时，被太阳光照亮的一面，其反射到地球上的光的面积比会发生变化，于是就有了不同的月相（见图 2）。

图 2 月相原理

月相与农历日期关系如图 3 所示。

● 朔月（初一，不可见）。

● 蛾眉月（初三至初四，新月）。

● 上弦月（初七至初八）。

● 盈凸月（十一至十二）。

● 望月（十五至十六，满月）。

● 亏凸月（十七至廿二）。

● 下弦月（廿三至廿四）。

● 残月（廿五至廿九，亏眉月）。

● 晦月（三十，朔月前夕）。

图 3 月相与农历日期关系

月相数据的采集

了解月相形成的原理和分类后，接下来我们需要准备月相的数据集。你可以通过多种方式获取月相数据集（见图 4），这里我展示的是“手搓教具”的方式——准备一个小球，涂成一半黑、一半白即可。黑色代表的是始终没有受到太阳光照射的一面，白色代表的是太阳光照射的一面，当我们平视小球，缓慢转动时，就能够看到模拟版的“完整月相”。

图 4 获取月相数据集的方式

使用摄像头，对小球不同的转动角度进行拍摄。每个类型的月相先采集 25 张左右（此数据量可用于项目测试使用，远不能达到非常精准的模型训练效果），确保各类型数据量接近即可。

在拍摄时，角度、距离、位置可做适当的调整，增加数据的多样性，也可以将你真实拍到的月相照片放入对应的文件夹，对采集的“月相数据”进行分类（见图 5）。

图 5 对采集的“月相数据”进行分类

月相数据的上传与标注

使用 Mind+2.0 版本的实例分割功能（见图 6），上传无标注的数据。

图 6 实例分割功能

实例分割的数据标注是训练模型的核心步骤，特指通过人工或辅助工具，在图像中为目标类别，标注出类别信息与完整轮廓信息的过程。标注时需沿着月相边缘逐点绘制掩膜（Mask），精准包裹目标轮廓，生成模型训练所需的 “标准答案”。相比目标检测的边界框标注，实例分割的轮廓标注更精细（见图 7），直接决定抠图效果的准确性。

图 7 实例分割数据标注图样

对上传的数据集进行数据标注，如图 8 所示（此过程比较费时间，可以使用其他的数据标注工具来完成）。

图 8 数据标注过程

如果大家想直接使用标注好的数据集，可以用本项目分享的数据集（见图 9），关注本刊微信公众号获取。

图 9 已标注的数据集文件

将上述已经标注过的数据文件直接上传至数据集，其中蛾眉月上传 1 次，满月上传 3 次，上弦月上传 2 次，盈凸月上传 1 次，用于平衡数据集（多次重复上传操作，效果提升有限）。

因为标注太费时间，所以我就标注了 4 个类型的月相做演示。如果是老师带学生做标注，可以让不同的学生分别标注不同的月相，再将标注的数据集一起导入，可事半功倍。

模型训练与验证

在上传完已标注过的数据集或是自己已经完成数据集的标注后，单击“模型训练”即可开始训练模型。如图 10 所示，图片统一处理为 224 像素 ×224 像素，每次训练 16 张图，训练 50 轮（训练完所有的数据集算一轮）。

图 10 模型训练过程

完成训练后，可以对不同的月相进行测试，验证识别效果（见图 11）。

图 11 模型效果验证

单击“导出模型”后，将会得到两个文件（见图 12），然后进行保存。

图 12 模型相关文件

项目设计

器材清单：行空板 M10、USB 接口摄像头。行空板 M10 系统版本为 0.4.1 及以上（见图 13）。行 空 板 M10 Python 环 境 为 3.12.7， 行 空 板M10 调 Python 版本方法如图 14 所示，将项目素材文件（见图 15）导入，上传路径选“资源文件”（见图 16）。

图 13 器材准备与查看系统版本方法

图 14 行空板 M10 调 Python 版本方法

图 15 项目素材文件

图 16 素材上传路径

搭建程序

搭建示例程序如图 17 所示。

图 17 程序

● 启动程序，显示背景画面，中间圆形为背景的透明部分，用于摄像头采集月相数据（见图 18）。

● 摄像头对准月亮，按下 A 键识别月相。

● 获取月相类型数据，显示屏显示对应的图片和诗词。

● 获取月相坐标数据并保存掩膜，将识别到的月相抠图显示在行空板画面中（见图 19）。

● 按下 B 键返回初始界面。

图 18 程序启动效果

图 19 识别到月相后的效果

基于 Mind+ 模型训练平台和行空板 M10 的跨学科项目完成了。在欣赏月相与优美诗词之际，我们也可以开动脑筋思考更多趣味问题。你能根据看到的月亮判断月相并推算农历时间吗？基于行空板 M10 的交互设计如何进行完善？如何将此装置设计出 2.0 版本作为校园的互动装置？期待大家一起创新项目，识别月相赋诗词！