“視覺(jué)測(cè)量技術(shù)”課程建設(shè)的若干思考

［摘 要］ 視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是一項(xiàng)新型測(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。以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性能力為指導(dǎo)思想、以規(guī)范視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的概念和范疇為內(nèi)涵、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)”課程建設(shè)的意義、目的、指導(dǎo)思想、原則、內(nèi)容規(guī)劃等方面對(duì)“視覺(jué)測(cè)量技術(shù)”課程建設(shè)過(guò)程中涉及的問(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)

［基金項(xiàng)目］ 2022—2024年北京科技大學(xué)“智能類(lèi)專(zhuān)業(yè)建設(shè)中強(qiáng)化專(zhuān)業(yè)課基礎(chǔ)理論知識(shí)教學(xué)問(wèn)題的思考”（JG2022M26）；2021—2023年北京科技大學(xué)“以工程能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的‘測(cè)控專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)習(xí)’課程教學(xué)改革”（JG2021M27）；2023—2025年國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)“基于小樣本學(xué)習(xí)的單相機(jī)系統(tǒng)三維視線估計(jì)方法研究”（62206016）

［作者簡(jiǎn)介］ 遲健男（1967—），男，北京人，博士，北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院教授，主要從事視覺(jué)測(cè)量技術(shù)研究。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）25-0061-04 ［收稿日期］ 2023-05-09

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)采集的圖像或視頻進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀世界三維場(chǎng)景的感知、識(shí)別和理解的技術(shù)［1］。而視覺(jué)測(cè)量技術(shù)［2］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)。

視覺(jué)測(cè)量技術(shù)以現(xiàn)代光學(xué)理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理與分析技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，可組成融合光、機(jī)、電、算為一體的綜合測(cè)量系統(tǒng)。視覺(jué)測(cè)量具有非接觸、測(cè)量精度高、可同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)林業(yè)、醫(yī)學(xué)、航空航天和科學(xué)研究等領(lǐng)域，是隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)實(shí)用的科學(xué)技術(shù)［3-4］。

目前，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，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進(jìn)展。因此，進(jìn)行視覺(jué)測(cè)量技術(shù)學(xué)科建設(shè)、開(kāi)展視覺(jué)測(cè)量技術(shù)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。

一、“視覺(jué)測(cè)量技術(shù)”課程建設(shè)

（一）視覺(jué)測(cè)量技術(shù)學(xué)科建設(shè)的需求

視覺(jué)測(cè)量技術(shù)可以作為一個(gè)自成體系的學(xué)科來(lái)發(fā)展，但與攝影測(cè)量技術(shù)等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域相比，其在學(xué)科建設(shè)方面的工作非常薄弱。我們認(rèn)為視覺(jué)測(cè)量技術(shù)與很多學(xué)科存在交叉，如光學(xué)測(cè)量技術(shù)、攝影測(cè)量技術(shù)等，但其自身的內(nèi)涵和外延已經(jīng)足夠豐富?；谌缦略?，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)學(xué)科建設(shè)的條件和需求已經(jīng)成熟。

1.多年來(lái)隨著視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展，其受到了廣大工程技術(shù)人員的普遍關(guān)注，出現(xiàn)了許多新的理論、方法、技術(shù)和設(shè)備，要求將計(jì)算機(jī)視覺(jué)和檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)容相結(jié)合，使視覺(jué)測(cè)量技術(shù)工作在一個(gè)獨(dú)立的整體的框架之內(nèi)。

2.視覺(jué)測(cè)量相關(guān)技術(shù)的長(zhǎng)期發(fā)展和積累為視覺(jué)測(cè)量技術(shù)形成一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)范疇打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.需求帶動(dòng)建設(shè)，日益廣泛的應(yīng)用對(duì)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)學(xué)科的建立提出了迫切的需求，對(duì)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)在高校的課程設(shè)立、教材建設(shè)和其他教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展都提出了要求。否則將會(huì)影響視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，給應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)負(fù)面影響。

（二）“視覺(jué)測(cè)量技術(shù)”課程建設(shè)存在的問(wèn)題及意義

1.視覺(jué)測(cè)量技術(shù)作為一門(mén)學(xué)科或課程，相關(guān)的概念并不確切，甚至達(dá)到了混亂的地步。對(duì)于視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的研究和應(yīng)用內(nèi)容存在著多種說(shuō)法和定義，如視覺(jué)測(cè)量、近景攝影測(cè)量、視覺(jué)檢測(cè)、圖像測(cè)量、圖像檢測(cè)等。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。

2.圖像測(cè)量技術(shù)從其執(zhí)行的任務(wù)、采用的手段等方面來(lái)看，實(shí)質(zhì)上就是視覺(jué)測(cè)量技術(shù)。

3.視覺(jué)檢測(cè)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的一個(gè)重要分支，在圖像工程中屬于圖像分析層次。視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)實(shí)際上可以被稱為一種目標(biāo)分割技術(shù)，即通過(guò)視覺(jué)傳感器或圖像傳感器攝取被測(cè)目標(biāo)，然后在圖像上對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)與跟蹤。目標(biāo)檢測(cè)的結(jié)果可以用于各種應(yīng)用領(lǐng)域，例如模式識(shí)別、三維重建、幾何量測(cè)量等。因此，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)視覺(jué)檢測(cè)就是計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的一門(mén)技術(shù)，涵蓋的應(yīng)用領(lǐng)域和針對(duì)的目標(biāo)對(duì)象很廣泛，但目前還不能構(gòu)成一項(xiàng)獨(dú)立的技術(shù)范疇。

4.在計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，還有一門(mén)傳統(tǒng)的應(yīng)用性很強(qiáng)的科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展，這就是攝影測(cè)量技術(shù)［5-8］。攝影測(cè)量是通過(guò)影像研究信息獲取、處理、提取和成果表達(dá)的一門(mén)信息科學(xué)［9］。傳統(tǒng)的攝影測(cè)量學(xué)被定義為利用光學(xué)攝影機(jī)獲取相片，經(jīng)過(guò)處理以獲取被攝物體的形狀、大小、位置、特性及其相互關(guān)系的科學(xué)。攝影測(cè)量學(xué)是測(cè)繪學(xué)的分支學(xué)科，其主要任務(wù)是用于測(cè)繪各種比例尺寸的地形圖、建立數(shù)字地面模型，為各種地理信息系統(tǒng)和土地信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是以計(jì)算機(jī)視覺(jué)的相關(guān)理論、方法為基礎(chǔ)，面向三維空間幾何量精密測(cè)量的技術(shù)［10］。其依托圖像傳感器，通過(guò)圖像處理與分析，獲得所測(cè)量目標(biāo)的特征和參數(shù)，進(jìn)而通過(guò)攝像機(jī)標(biāo)定和攝像機(jī)模型，將目標(biāo)的圖像參數(shù)解算為空間幾何量。因此，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的內(nèi)容涉及圖像處理與分析、計(jì)算機(jī)視覺(jué)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)等。這使得視覺(jué)測(cè)量技術(shù)與圖像檢測(cè)、圖像測(cè)量等概念存在交叉［11］。同時(shí)，圖像測(cè)量、圖像檢測(cè)等概念沒(méi)有十分明確的界定，這就造成在視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的科研和教學(xué)中，很多概念不明確，這種情況不利于視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的研究和發(fā)展，也影響著視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用和推廣［12］。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)，應(yīng)對(duì)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的概念、范疇、實(shí)現(xiàn)途徑和目標(biāo)做出較為嚴(yán)格的規(guī)范，而不是隨意地以圖像測(cè)量、圖像檢測(cè)，甚至視覺(jué)檢測(cè)等概念來(lái)代替。

（三）“視覺(jué)測(cè)量技術(shù)”課程建設(shè)的目標(biāo)

“視覺(jué)測(cè)量技術(shù)”課程建設(shè)的目標(biāo)兼顧以下幾個(gè)方面。

1.提出視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的概念和范疇，建立和明確視覺(jué)測(cè)量技術(shù)工作的流程、層次和框架。突出視覺(jué)測(cè)量技術(shù)作為一個(gè)獨(dú)立的工程學(xué)科所應(yīng)具有的特征。

2.在上述視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的流程和框架內(nèi)，詳細(xì)闡述視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和工程實(shí)現(xiàn)流程，這是課程建設(shè)的重點(diǎn)，對(duì)科研工作具有重要的指導(dǎo)作用。例如，對(duì)于廣大研究生和從事視覺(jué)測(cè)量技術(shù)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的人員來(lái)說(shuō)，當(dāng)面對(duì)具體的項(xiàng)目時(shí)，可以根據(jù)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)流程，建立視覺(jué)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)概念，快速制定課題規(guī)劃，進(jìn)入課題工作。

3.在闡述關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，規(guī)范視覺(jué)測(cè)量技術(shù)作為一個(gè)獨(dú)立學(xué)科應(yīng)具有的概念、符號(hào)和公式等。

4.視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，也是一門(mén)理論性很強(qiáng)的課程，涉及信號(hào)處理、極限幾何、概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等基礎(chǔ)理論知識(shí)，是一門(mén)多學(xué)科交叉綜合的課程。因此，作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)課程的建設(shè)，在面向工程實(shí)踐應(yīng)用的同時(shí)，要注重其涉獵的基礎(chǔ)理論知識(shí)的連貫性和升華性，即要注重在講授專(zhuān)業(yè)課的同時(shí)，使學(xué)生融會(huì)貫通基礎(chǔ)理論知識(shí)，增強(qiáng)其自主創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

（四）“視覺(jué)測(cè)量技術(shù)”課程內(nèi)容的規(guī)劃

由于視覺(jué)測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用，其涵蓋的內(nèi)容也很多，那么該如何規(guī)劃視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的課程內(nèi)容呢？

視覺(jué)測(cè)量有多種分類(lèi)方法，按照所用傳感器數(shù)量的不同可以將視覺(jué)測(cè)量分為單目視覺(jué)測(cè)量、雙目視覺(jué)測(cè)量和多目視覺(jué)測(cè)量等；根據(jù)測(cè)量對(duì)象的尺寸大小，可以將測(cè)量系統(tǒng)分為近景測(cè)量系統(tǒng)與顯微測(cè)量系統(tǒng)；根據(jù)測(cè)量過(guò)程中系統(tǒng)移動(dòng)與否，可以將視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)分為固定式和移動(dòng)式兩類(lèi)；按照所處理的圖像中的景物是否運(yùn)動(dòng)，可以將視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)分為靜態(tài)圖像視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)圖像視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)：按照測(cè)量過(guò)程的照明方式，可以將視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)分為主動(dòng)式測(cè)量與被動(dòng)式測(cè)量。

雖然視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的分類(lèi)很多，但“視覺(jué)測(cè)量技術(shù)”課程主要講授貫穿于這些系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，是抽象于各類(lèi)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。

1.視覺(jué)測(cè)量硬件系統(tǒng)的課程建設(shè)內(nèi)容。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、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等部分組成，各部分的連接和功能如圖1所示。圖中各部分是視覺(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：被測(cè)物被放置在工作臺(tái)上，光源照明系統(tǒng)照射被測(cè)物，使被測(cè)物能夠通過(guò)光學(xué)鏡頭在相機(jī)的CCD或CMOS靶面上成清晰的像，圖像進(jìn)入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理、分析，最后得出測(cè)量結(jié)論。測(cè)量結(jié)論可以根據(jù)需要進(jìn)行打印、遠(yuǎn)傳等輸出。因此，在“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)中的每部分進(jìn)行闡述和講授，包括光源照明系統(tǒng)、光學(xué)成像系統(tǒng)、光電變換器件等相關(guān)知識(shí)，以及描述被測(cè)物特征的人工標(biāo)志和被測(cè)物表面處理的相關(guān)知識(shí)等。這些知識(shí)是各類(lèi)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)中共有的知識(shí)，不設(shè)計(jì)具體的系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)。根據(jù)這些知識(shí)，結(jié)合具體的應(yīng)用背景和設(shè)備與器件，可以構(gòu)建各類(lèi)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，如單目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)、雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)等。

2.視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)軟件算法課程建設(shè)內(nèi)容。建立視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，攝取被測(cè)物的圖像后，對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析，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)算法軟件完成。視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容緊緊圍繞著視覺(jué)測(cè)量技術(shù)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)闡述。

二、“視覺(jué)測(cè)量技術(shù)”課程建設(shè)進(jìn)展

由于目前視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的教學(xué)建設(shè)很薄弱、可參考的資料很少，筆者參考了計(jì)算機(jī)視覺(jué)、攝影測(cè)量等方面的技術(shù)資料，從無(wú)到有地建立了“視覺(jué)測(cè)量技術(shù)”課程。

（一）教材建設(shè)方面的進(jìn)展

由機(jī)械工業(yè)出版社出版了國(guó)內(nèi)第一部系統(tǒng)闡述視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的教材，并應(yīng)用于本科與研究生課程教學(xué)之中。獲得北京科技大學(xué)研究生教材建設(shè)二等獎(jiǎng)。

（二）課程建設(shè)方面的進(jìn)展

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)教授了五屆學(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)

（三）教學(xué)與科研相互促進(jìn)方面的進(jìn)展

筆者掌握了視覺(jué)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用中涉及的技術(shù)和方法，并以此承擔(dān)了多項(xiàng)具有較大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的視覺(jué)測(cè)量開(kāi)發(fā)課題，包括遠(yuǎn)距離微小位移非接觸測(cè)量、減速機(jī)注油孔定位與系統(tǒng)標(biāo)定、超遠(yuǎn)距離異類(lèi)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤等項(xiàng)目。這些項(xiàng)目具有極大的推廣價(jià)值，解決了實(shí)際生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。例如，遠(yuǎn)距離微小位移測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)在50 m的距離精度為0.1 mm的微小位移測(cè)量，可以廣泛應(yīng)用于隧洞沉降、建筑物變形等方面的監(jiān)測(cè)。

（四）人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面的進(jìn)展

創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)有多種途徑，在本科專(zhuān)業(yè)課教學(xué)中，加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)課涉及的基本理論知識(shí)教學(xué)，使學(xué)生在專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)中對(duì)基本理論知識(shí)在一定的高度融會(huì)貫通和增強(qiáng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)的工程應(yīng)用觀點(diǎn)是提高學(xué)生創(chuàng)新性能力的重要途徑。

結(jié)語(yǔ)

文章強(qiáng)調(diào)了視覺(jué)測(cè)量技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)與科研的重要支撐，其課程建設(shè)需緊跟技術(shù)前沿，注重理論與實(shí)踐的深度融合。通過(guò)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、加強(qiáng)課程建設(shè)及工程應(yīng)用，有效提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力與解決實(shí)際問(wèn)題的能力。未來(lái)，我們將繼續(xù)探索線上線下混合教學(xué)模式，利用大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)優(yōu)化教學(xué)效果評(píng)估，力求培養(yǎng)更多適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求的高素質(zhì)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)人才，為我國(guó)智能制造、智慧城市等領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

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Reflections on the Curriculum Construction of Visual Measurement Technology

CHI Jian-nan， ZHANG Chao-yi， LIU Jia-hui

（School of Automation and Electrical Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract： Visual measurement technology is a new type of measurement technology that has wide applications in various fields of national economy and national defense. However， with the rapid development and application of visual measurement technology， the teaching of visual measurement technology is lagging behind. This article takes cultivating students’ innovative abilities as the guiding ideology， standardizing the concepts and categories of visual measurement technology as the connotation， advocating the development of visual measurement technology from the perspective of teaching and engineering applications as the goal， and elaborating on key technologies of visual measurement. From the significance of purpose， guiding ideology and principles， we have carefully considered and elaborated on the issues involved in the construction of visual measurement technology courses in terms of curriculum construction.

Key words： visual measurement; close range measurement; machine vision; textbook construction