“視覺(jué)測(cè)量技術(shù)”教材建設(shè)的若干思考

遲健男+魯億方+李擎+孫長(zhǎng)銀

摘要：視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是一項(xiàng)新型的測(cè)量技術(shù)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防各領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是在視覺(jué)測(cè)量技術(shù)快速發(fā)展和應(yīng)用的同時(shí)，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的教學(xué)工作嚴(yán)重滯后，存在諸多問(wèn)題。本文以從教學(xué)和工程應(yīng)用的角度倡導(dǎo)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的開(kāi)展為目標(biāo)，以闡述視覺(jué)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)為內(nèi)容，從視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材建設(shè)的意義、目的、原則、內(nèi)容規(guī)劃和教材建設(shè)等方面對(duì)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)課程建設(shè)過(guò)程中的所涉及的問(wèn)題進(jìn)行了認(rèn)真的思考和闡述。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)測(cè)量，近景測(cè)量，機(jī)器視覺(jué)，教材建設(shè)，課程建設(shè)，創(chuàng)新思維

【中圖分類號(hào)】：G423.3

*基金項(xiàng)目：北京科技大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目資助（JG2012M29）

1.引言

計(jì)算機(jī)視覺(jué)也稱機(jī)器視覺(jué)，是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)采集的圖像或者視頻進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀世界的三維場(chǎng)景的感知、識(shí)別和理解的技術(shù)。而視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是以計(jì)算機(jī)視覺(jué)的理論和方法為基礎(chǔ)，進(jìn)行空間幾何量測(cè)量的新型測(cè)量技術(shù)。

目前，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，伴隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的進(jìn)步，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的研究也取得了顯著的進(jìn)展。因此進(jìn)行視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的學(xué)科建設(shè)，開(kāi)展視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的教學(xué)研究，進(jìn)行視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的課程和教材建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文針對(duì)目前視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教學(xué)和教材建設(shè)工作嚴(yán)重滯后的現(xiàn)狀，從視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材建設(shè)的意義、目的、指導(dǎo)思想和內(nèi)容規(guī)劃等方面對(duì)課程建設(shè)過(guò)程中所涉及的問(wèn)題進(jìn)行了認(rèn)真的思考，對(duì)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材內(nèi)容的規(guī)劃和教材內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。旨在推動(dòng)視線追蹤技術(shù)教學(xué)工作的開(kāi)展。

2.視覺(jué)測(cè)量技術(shù)課程建設(shè)的意義

目前視覺(jué)測(cè)量技術(shù)科研工作的開(kāi)展廣泛而深入，但其教學(xué)方面的工作卻嚴(yán)重滯后。國(guó)內(nèi)只有中國(guó)科技大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等若干所大學(xué)開(kāi)設(shè)了視覺(jué)測(cè)量技術(shù)這門(mén)課程。對(duì)于廣大教師、科研人員和研究生，如果運(yùn)用視覺(jué)測(cè)量技術(shù)從事各類項(xiàng)目的研究與開(kāi)發(fā)，往往找不到合適的、系統(tǒng)闡述視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的教材和書(shū)籍，只能從大量的有關(guān)圖像工程、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、攝影測(cè)量等相關(guān)的文獻(xiàn)中尋找答案。

視覺(jué)測(cè)量技術(shù)依托圖像傳感器測(cè)量空間幾何量。因此其內(nèi)容涉及到圖像處理與分析、計(jì)算機(jī)視覺(jué)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)等，這就使得視覺(jué)測(cè)量與圖像檢測(cè)、圖像測(cè)量等概念存在交叉，相關(guān)的概念不確切，甚至達(dá)到了混亂的地步。在目前的文獻(xiàn)中，視覺(jué)測(cè)量、圖像測(cè)量、視覺(jué)檢測(cè)、攝影測(cè)量等往往不加區(qū)分，甚至還有視頻檢測(cè)、光學(xué)測(cè)量等說(shuō)法。這種情況不利于視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的研究和發(fā)展。視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是有著明確的理論基礎(chǔ)、技術(shù)框架、實(shí)現(xiàn)手段和技術(shù)目標(biāo)的測(cè)量技術(shù)，而不應(yīng)該隨意地以圖像測(cè)量、圖像檢測(cè)，甚至視覺(jué)檢測(cè)等概念來(lái)代替。對(duì)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行學(xué)科和課程建設(shè)可以規(guī)范其概念、范疇、實(shí)現(xiàn)途徑和目標(biāo)等特征，促進(jìn)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

3.視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材建設(shè)的目的

與視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的教學(xué)滯后相對(duì)應(yīng)，其教材建設(shè)工作的開(kāi)展也同樣滯后，據(jù)作者檢索，關(guān)于視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的書(shū)籍非常少，代表性的包括：《視覺(jué)測(cè)量》，北京航空航天大學(xué)張廣軍編寫(xiě)，該書(shū)內(nèi)容是作者多年視覺(jué)測(cè)量技術(shù)科研工作的總結(jié)?！兑曈X(jué)測(cè)量原理與方法》，編者邾繼貴。該書(shū)以機(jī)械制造應(yīng)用為背景，介紹了視覺(jué)測(cè)量研究的內(nèi)容、方法和技術(shù)，對(duì)視覺(jué)測(cè)量方法和工程實(shí)現(xiàn)作了較為系統(tǒng)的梳理和歸納?？勺鳛楦叩仍盒y(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器等專業(yè)的研究生用書(shū)。《基于序列圖像的視覺(jué)檢測(cè)理論與方法》，編者為武漢大學(xué)張永軍。該書(shū)比較系統(tǒng)的闡述了基于序列圖像的工業(yè)零件視覺(jué)檢測(cè)理論、方法及應(yīng)用，分析了序列圖像處理中所涉及的若干關(guān)鍵技術(shù)。這些書(shū)籍雖然內(nèi)容與視覺(jué)測(cè)量技術(shù)比較接近，但也沒(méi)有在一個(gè)清晰的視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的概念下或框架下闡述視覺(jué)測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)。

因此目前明確提出并闡述視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的專業(yè)書(shū)籍，特別是教材還非常缺乏。視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材建設(shè)的目的在于服從于視覺(jué)測(cè)量技術(shù)課程建設(shè)的需求，從教材建設(shè)的角度，解決上述問(wèn)題，促進(jìn)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)成為一項(xiàng)獨(dú)立發(fā)展的學(xué)科，以區(qū)別于光學(xué)測(cè)量技術(shù)、近景攝影測(cè)量技術(shù)等學(xué)科。

4.視覺(jué)測(cè)量技術(shù)課程內(nèi)容的規(guī)劃

視覺(jué)測(cè)量技術(shù)課程主要講授貫穿于各類視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，是抽象于各類系統(tǒng)的、通用的關(guān)鍵技術(shù)。視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)構(gòu)成和軟件算法流程以及蘊(yùn)含在其中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是教學(xué)的基本內(nèi)容。

4.1關(guān)于視覺(jué)測(cè)量硬件系統(tǒng)的課程內(nèi)容

圖1給出了視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)通用的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)由光源照明系統(tǒng)、攝像機(jī)光學(xué)成像系統(tǒng)、CCD或CMOS相機(jī)、圖像采集卡以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等部分組成。圖中各部分也是視覺(jué)測(cè)量硬件系統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)拆解，揭示了視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的工作機(jī)理。

因此，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)課程中，關(guān)于硬件系統(tǒng)的內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)就是對(duì)上述通用系統(tǒng)中的每一部分進(jìn)行闡述和講授，包括：光源照明系統(tǒng)的光源類型、照明方式等知識(shí)、光學(xué)成像系統(tǒng)的原理和應(yīng)用知識(shí)、CCD的光電變換原理和應(yīng)用知識(shí)和描述被測(cè)物特征的人工標(biāo)志及被測(cè)物表面處理的相關(guān)知識(shí)等。

4.2視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)軟件算法課程建設(shè)內(nèi)容

建立了視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，攝取被測(cè)物的圖像后，視覺(jué)測(cè)量需要對(duì)圖像處理和分析，然后通過(guò)攝像機(jī)模型獲取被測(cè)物的坐標(biāo)和參數(shù)，這一過(guò)程由視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)算法軟件來(lái)完成。視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)軟件算法流程如圖2所示，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容緊緊圍繞視覺(jué)測(cè)量技術(shù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)視覺(jué)測(cè)量算法軟件流程中的各階段內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

因此視覺(jué)測(cè)量技術(shù)課程的主要內(nèi)容就是上述流程中各部分的方法，包括：圖像濾波算法、圖像增強(qiáng)算法，圖像邊緣分割方法、圖像區(qū)域分割方法，攝像機(jī)模型、攝像機(jī)標(biāo)定方法，單目視覺(jué)測(cè)量方法、雙目視覺(jué)測(cè)量方法等。延伸內(nèi)容還包括結(jié)構(gòu)光測(cè)量、散斑測(cè)量方法等。

3.“視覺(jué)測(cè)量技術(shù)”的教材建設(shè)

3.1視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材建設(shè)的原則

根據(jù)上述視覺(jué)測(cè)量技術(shù)課程建設(shè)的理念和指導(dǎo)思想，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的教材建設(shè)要遵循如下原則：endprint

（1）具有嚴(yán)密的邏輯性。即視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材要按照所提出的視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的框架和流程，來(lái)逐條闡述視覺(jué)測(cè)量技術(shù)所涉及的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括硬件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和軟件算法關(guān)鍵技術(shù)。

（2）教材所面向的對(duì)象為高校本科生、研究生和從事視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的科研人員，因此教材的編寫(xiě)要層次清晰，采用由淺入深、由基礎(chǔ)理論到實(shí)踐應(yīng)用的順序進(jìn)行編寫(xiě)，既注重基本理論知識(shí)的連續(xù)性、升華性，又具有工程觀點(diǎn)，面向視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

（3）以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)。即無(wú)論教材的內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)安排、內(nèi)容的條理和邏輯，都要以增強(qiáng)學(xué)生的理論創(chuàng)新能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力為目的。

3.2視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材建設(shè)規(guī)劃

3.2.1視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材內(nèi)容的規(guī)劃

（1）作為倡導(dǎo)學(xué)科發(fā)展的教材建設(shè)，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材一定要注重基本概念、框架和層次。因此在視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的第一章緒論中，應(yīng)詳細(xì)的論述視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的起源、歷史、發(fā)展、定義、應(yīng)用領(lǐng)域、一般硬件系統(tǒng)構(gòu)成、一般算法軟件流程等。即對(duì)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)作了全面的總結(jié)和歸納。

（2）從視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的角度，引出視覺(jué)測(cè)量技術(shù)。按照檢測(cè)性質(zhì)和應(yīng)用范圍的不同，視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)可以劃分為兩個(gè)方面，即定性檢測(cè)和定量的檢測(cè)，如圖4所示。視覺(jué)測(cè)量技術(shù)即屬于定量檢測(cè)。由視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)引出視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，可以使視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的論述緊緊依托計(jì)算機(jī)視覺(jué)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)是視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的溯源和基礎(chǔ)。

（3）以視覺(jué)測(cè)量技術(shù)課程建設(shè)的需求指導(dǎo)教材內(nèi)容的規(guī)劃，對(duì)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)硬件系統(tǒng)和軟件算法的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分類的詳細(xì)的闡述，構(gòu)成了視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材的各章節(jié)主要內(nèi)容。

根據(jù)上述三條原則，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材的主要內(nèi)容應(yīng)該在兼顧計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的前提下，在歸納各種類型視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，按照視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)一般的硬件構(gòu)成和軟件算法流程來(lái)組織和規(guī)劃。

3.3.2視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材主要內(nèi)容

視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材需要按照視覺(jué)測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)來(lái)組織教材的內(nèi)容。視覺(jué)測(cè)量分為硬件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和算法軟件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。以下詳細(xì)闡述視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材的內(nèi)容。

3.3.2.1視覺(jué)測(cè)量硬件系統(tǒng)

視覺(jué)測(cè)量硬件系統(tǒng)的內(nèi)容構(gòu)成教材的一章，那么其中的各節(jié)如下：

（1）光源照明系統(tǒng)：光源照明系統(tǒng)是視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的重要部分，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材從照明光源的幾何形狀和性能參數(shù)、常用光源、光源類型、照明方式等幾個(gè)部分并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用范例講述光源照明系統(tǒng)知識(shí)。

（2）光學(xué)成像系統(tǒng)：光學(xué)成像系統(tǒng)即光學(xué)鏡頭，是視覺(jué)測(cè)量的重要設(shè)備。視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材從攝影光學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)、光學(xué)鏡頭的一般知識(shí)、光學(xué)鏡頭的選擇三個(gè)方面闡述了與視覺(jué)測(cè)量有關(guān)的光學(xué)鏡頭知識(shí)。

（3）光電變換器件：光電變換器件即圖像傳感器。與光學(xué)鏡頭構(gòu)成數(shù)字?jǐn)z像機(jī)或數(shù)碼相機(jī)，是視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分。視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材從CCD的一般知識(shí)、工作原理、分類、CMOS和CCD相機(jī)的差別等方面描述圖像傳感器的知識(shí)。

（4）圖像采集卡：圖像采集卡的作用是攝像機(jī)和數(shù)字圖像的橋梁，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材從圖像采集卡的分類、圖像采集卡的功能、圖像采集卡的技術(shù)參數(shù)和圖像采集卡的使用注意事項(xiàng)等方面闡述圖像采集卡的知識(shí)。

（5）人工標(biāo)志：人工標(biāo)志是是視覺(jué)測(cè)量的重要輔助手段。視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材從人工標(biāo)志布設(shè)的必要性、一般人工標(biāo)志的介紹、人工標(biāo)志的分類、人工標(biāo)志的設(shè)計(jì)原則、常用人工標(biāo)志和被測(cè)物表面處理等方面詳細(xì)闡述人工標(biāo)志的設(shè)計(jì)、選擇和應(yīng)用知識(shí)。

3.3.2.2視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)軟件算法

視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的算法軟件流程中的各階段內(nèi)容構(gòu)成了教材的各章的內(nèi)容，分別如下：

（1）第*章，圖像預(yù)處理：在實(shí)際測(cè)量中，圖像中的干擾主要來(lái)自于傳感器本身、環(huán)境光照變化等因素。對(duì)圖像造成的影響主要表現(xiàn)在圖像噪聲的影響、圖像模糊不清和圖像光照不均。視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材從圖像濾波和圖像增強(qiáng)兩個(gè)方面闡述預(yù)處理技術(shù)。

（2）第*章，圖像分割：圖像分割是圖像工程或計(jì)算機(jī)視覺(jué)的重要內(nèi)容和必要階段。視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材從邊緣分割和區(qū)域分割兩個(gè)方面闡述了視覺(jué)測(cè)量技術(shù)所涉及的圖像分割基本方法。

（3）第*章，攝像機(jī)模型和攝像機(jī)標(biāo)定：圖像傳感器模型的參數(shù)需要標(biāo)定獲得。對(duì)于視覺(jué)測(cè)量，尤其是三維視覺(jué)測(cè)量攝像機(jī)模型必須已知。視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材對(duì)攝像機(jī)模型和攝像機(jī)標(biāo)定內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

（4）第*章，單目視覺(jué)測(cè)量和雙目視覺(jué)測(cè)量：雙目視覺(jué)對(duì)物體進(jìn)行三維測(cè)量是視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的高端目標(biāo)。視覺(jué)測(cè)量技術(shù)從雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)量原理、數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)精度分析等方面全面闡述雙目視覺(jué)測(cè)量的原理和各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

4.視覺(jué)測(cè)量技術(shù)課程和教材建設(shè)進(jìn)展

作者參考了計(jì)算機(jī)視覺(jué)、攝影測(cè)量方面的技術(shù)資料和大量的論文、博碩士論文，從無(wú)到有進(jìn)行了視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的課程建設(shè)。由機(jī)械工業(yè)出版社出版了系統(tǒng)闡述視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的教材，并應(yīng)用與本科與研究生課程的教學(xué)之中。獲得北京科技大學(xué)研究生教材建設(shè)二等獎(jiǎng)。面向本科生和研究生開(kāi)設(shè)了視覺(jué)測(cè)量技術(shù)課程，已經(jīng)授課五屆學(xué)生，在授課過(guò)程中對(duì)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了拆解，教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了進(jìn)一步的豐富和完善，分別完成了針對(duì)本科生和研究生的教學(xué)課件和教學(xué)備案，進(jìn)行了課程習(xí)題和考試題庫(kù)的建設(shè)。2012年視覺(jué)測(cè)量技術(shù)課程被評(píng)為免檢課堂。視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的課程和教材建設(shè)還存在著差距和不足：

（1）針對(duì)性不夠，目前在課程和教材建設(shè)中，已經(jīng)提煉和規(guī)范了視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的通用的硬件結(jié)構(gòu)和算法流程。但每一部分還包含很多通用的內(nèi)容沒(méi)有總結(jié)和歸納在視覺(jué)測(cè)量中。

（2）創(chuàng)新思維的培養(yǎng)是一個(gè)復(fù)雜和長(zhǎng)期的過(guò)程，在視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的課程和教材建設(shè)中，雖然根據(jù)課程建設(shè)的指導(dǎo)思想，在內(nèi)容中關(guān)注了基本理論知識(shí)的提高和與基礎(chǔ)課內(nèi)容的延續(xù)和接軌，但內(nèi)容還不夠全面，對(duì)其中的內(nèi)在規(guī)律還需要探索。

5.結(jié)語(yǔ)

視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是一項(xiàng)新型的測(cè)量技術(shù)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防各領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是在視覺(jué)測(cè)量技術(shù)快速發(fā)展和應(yīng)用的同時(shí)，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的教學(xué)工作嚴(yán)重滯后，存在諸多問(wèn)題。本文指出視覺(jué)測(cè)量技術(shù)從教學(xué)和工程應(yīng)用的角度倡導(dǎo)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的開(kāi)展為目標(biāo)，從視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材建設(shè)的意義、目的、原則和教材的內(nèi)容規(guī)劃等方面對(duì)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教材建設(shè)過(guò)程中的所涉及的問(wèn)題進(jìn)行了認(rèn)真的思考和闡述。旨在推動(dòng)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)教學(xué)工作的開(kāi)展，并為其它課程建設(shè)提供借鑒。

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