大场景三维激光扫描仪在研究生实践教学培养中的应用

宋丽梅　邓耀辉　朱新军　王红一

摘 要 在当今社会对高素质、复合型人才的需求愈加强烈的同时，也对高层次人才的综合素质提出了更高的要求。组织开展课外实践教学既能培养究生解决实际问题的能力，又能将原本枯燥的理论知识与实践结合起来，不仅让学生学会用理论来指导实践，又能够让学生在实践中加深对理论的认识。本文以大场景三维扫描仪在机器视觉课外实践教学中的应用为例，让学生独立使用大场景仪器对上课所在实验室进行数据扫描采集并对原始数据进行处理重建。在使用仪器的过程中，加深学生对机器视觉理论的理解，并提升学生的工程实践能力、独立创新能力和今后解决综合性重大社会问题的能力。

关键词 机器视觉 大场景三维激光扫描仪 实践教学

0 引言

实践教学是研究生教学中的重要一环，通过实践教学可以充分挖掘学生的潜能、让学生通过观察、操作、分析、讨论、交流、合作等方式，引导学生自主学习，让学生在实践过程中掌握所学知识。在国家教育院发布的“教育部关于开展研究生专业学位设置方案的通知”中提出了“研究生的培养应当注重实践教学以适应经济社会的发展需要”。而机器视觉这门课是一门非常注重理论联系实践的研究生课程。本课程主要研究如何利用摄影机和电脑代替人眼来对目标进行识别、跟踪或测量。机器视觉作为一门科学学科广泛地应用在工业、农业、制造业、食品安全行业等。典型的有机械部件尺寸检测，织物疵点检测，三维重建逆向工程等。三维重建是近些年来机器视觉主要发展的领域。三维物体的模型重建在CAD、模式识别、文物艺术品重建、数字娱乐（游戏、动画、电影）等领域有着广泛的应用。①随着计算机技术的发展以及图形应用领域的不断扩大，人们对图像的研究已经不再满足于二维图形，并逐渐深入到三维世界中。而基于图像的三维重建，一直是计算机视觉领域研究的热点问题，大场景的三维重建，逐渐显示出其较大的科研和实用价值，例如利用大场景三维扫描技术可进行古建筑数字化、文物保存、城市数字化等。②由于三维重建理论过于抽象难懂，如果只是单纯的进行课堂教学，学生对知识的理解会非常的表面，不能有深刻的理解。为了加深研究生对这门课程的理解，提高学生的科研实践能力，本课程组织学生利用大场景三维激光扫描仪进行了实践教学培训。大场景三维激光扫描仪应用在研究生实践教学中，既可以突破教学中的重点、难点，促进教学方法和实践教学的改革与创新，又能增强学生的实践创新能力。本次课程先由教师讲授三维重建的基本原理，然后讲解大场景仪器的操作流程，最后由学生独立使用仪器对所在实验室场景进行扫描重建。

1 大场景仪器在研究生实践教学中的探索

机器视觉是控制科学与工程、电气工程、通信工程、计算机工程、机械工程等多学科的主干课程。同时该课程也是一门多学科交叉的课程，涉及光学、图像处理、模式识别以及最新的三维重建等相关内容。由于三维重建过程非常复杂，所涉的数学表达式晦涩难懂，学生仅通过课堂教学很难理解。通过大场景仪器的使用，有助于学生全面了解相关内容，直观看到所学理论能够达到的实际效果，能激发学生的创新意识，提高他们的创新能力，对教师教学和学生能力培养具有一定的促进作用。

大场景三维扫描仪是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状（几何构造）与外观数据（如颜色、表面反照率等性质）。③搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。其测量原理所用到的数学原理比较抽象，难以理解。例如在扫描过程中地面激光扫描仪采用的是仪器内部坐标系，X轴和Y轴在横向扫描面内，Z轴垂直于横向扫描面，并且三维激光扫描仪采用的是TOF脉冲测距法（Time of Flight），通过数据采集获得观测物的测距观测值S，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值，以此计算出三维激光脚点坐标，坐标计算公式如下：

（1）

但是如果仅从数学原理上为学生进行讲解，学生很难对该原理有深入的了解，因此本次实践教学让学生亲自动手搭设仪器设备，对场景进行数据采集，通过让学生观察大场景三维激光扫描仪的工作过程，促进学生对枯燥的数学公式的理解。

在开始扫描前要带领学生对待扫描场景进行场景规划，这样能够将大的场景分成小场景的组合，通过对小场景的依次扫描，然后将获得的小场景数据通过数据拼接的方法进行拼接从而获得大场景的数据信息。④研究生的实践课程不仅仅要让学生学会课本上的内容，还应该注重培养学生的动手实践能力，只有培养学生全面发展而不是一味地将教学倾向于学术化教学培养，才能使毕业研究生能跟上社会发展的步伐。

通过实践教学，学生对枯燥的数学知识有了深刻的认识，并对机器视觉这门课程产生了浓厚的兴趣，对三维重建，摄影测量等都有了较为深刻的认识。

2 利用大场景仪器指导学生进行数据三维重建

三维重建是目前机器视觉领域发展最为热门的课题。利用大场景仪器可以对复杂场景进行三维重建，这种方法还原度较好，精度较高，可以为企业的创意设计，仿型加工提供广阔天地。基于大场景的三维重建过程主要由四部分组成，分别是：（1）数据获取；（2）数据配准；（3）模型构造；（4）纹理映射。一般来讲通过这四个步骤就能够完成大场景的三维重建过程，图1（a）和图1（b）为学生对上课所在实验室进行的三维重建结果。

3 结束语

利用大场景三维激光扫描仪对学生开展教学实践活动，不仅能够让学生深入理解三维扫描仪的工作原理，更能通过本次教学让学生对整体三维场景重建过程有详细的了解。并且此次教学活动让学生亲自动手操作大型仪器并对获得的原始数据进行处理，这就从多方面锻炼了学生的综合能力，这对学生今后的科研学习以及日后的就业都有很大的推动作用。正所谓“授人以鱼不如授人以渔”，让学生掌握原理知识的同时，学会将所学知识运用到实际工程当中，这样才能为社会输送优质的高层次人才。今后我们还会不断改进教学手段与教学水平，使学生的培养能够与社会的发展相接轨，为学校的教学改革和社会的进步作出贡献。

€L芑鹣钅浚骸痘谑泳醯闹锎玫闳觳夂腿侗鹪硌芯俊罚ū嗪牛？61078041）、《单目高精度大型物体彩色三维数字化测量原理研究》（编号：60808020）、《双目 SFS 彩色三维织物疵点在线检测原理研究》（编号：10JCYBJC07200）、《腹腔内窥镜医学图像的实时三维重建方法研究》、《演艺工程数字集成关键技术研发与应用示范》（编号：SQ2013GX10E00523）

注释

① 刘军.文化遗址的三维场景建模及虚拟展示技术研究[D].西北大学，2009.

② 宋丽梅，李宗艳，陈昌曼，习江涛，郭庆华，李晓捷.A correction method of color projection fringes in 3D contour measurement[J]. Optoelectronics Letters，2015，04：303-306.

③ 宋丽梅，陈昌曼，陈卓，习江涛，禹延光.Essential parameter calibration for the 3D scanner with only single camera and projector[J]. Optoelectronics Letters，2013，02：143-147.

④ 闫世博.基于图像的三维重建及网格化算法研究[D].上海交通大学，2013.