“视觉测量技术”教材建设的若干思考

迟健男+鲁亿方+李擎+孙长银

摘要：视觉测量技术是一项新型的测量技术，在国民经济和国防各领域有着广泛的应用。但是在视觉测量技术快速发展和应用的同时，视觉测量技术的教学工作严重滞后，存在诸多问题。本文以从教学和工程应用的角度倡导视觉测量技术的开展为目标，以阐述视觉测量关键技术为内容，从视觉测量技术教材建设的意义、目的、原则、内容规划和教材建设等方面对视觉测量技术课程建设过程中的所涉及的问题进行了认真的思考和阐述。

关键词：视觉测量，近景测量，机器视觉，教材建设，课程建设，创新思维

【中图分类号】：G423.3

*基金项目：北京科技大学教育教学改革与研究项目资助（JG2012M29）

1.引言

计算机视觉也称机器视觉，是指利用计算机对采集的图像或者视频进行处理，实现对客观世界的三维场景的感知、识别和理解的技术。而视觉测量技术是以计算机视觉的理论和方法为基础，进行空间几何量测量的新型测量技术。

目前，视觉测量技术得到了广泛的应用，伴随着计算机视觉技术的进步，视觉测量技术的研究也取得了显著的进展。因此进行视觉测量技术的学科建设，开展视觉测量技术的教学研究，进行视觉测量技术的课程和教材建设具有重要的现实意义。本文针对目前视觉测量技术教学和教材建设工作严重滞后的现状，从视觉测量技术教材建设的意义、目的、指导思想和内容规划等方面对课程建设过程中所涉及的问题进行了认真的思考，对视觉测量技术教材内容的规划和教材内容进行了详细的阐述。旨在推动视线追踪技术教学工作的开展。

2.视觉测量技术课程建设的意义

目前視觉测量技术科研工作的开展广泛而深入，但其教学方面的工作却严重滞后。国内只有中国科技大学、合肥工业大学等若干所大学开设了视觉测量技术这门课程。对于广大教师、科研人员和研究生，如果运用视觉测量技术从事各类项目的研究与开发，往往找不到合适的、系统阐述视觉测量技术的教材和书籍，只能从大量的有关图像工程、计算机视觉、摄影测量等相关的文献中寻找答案。

视觉测量技术依托图像传感器测量空间几何量。因此其内容涉及到图像处理与分析、计算机视觉目标检测技术等，这就使得视觉测量与图像检测、图像测量等概念存在交叉，相关的概念不确切，甚至达到了混乱的地步。在目前的文献中，视觉测量、图像测量、视觉检测、摄影测量等往往不加区分，甚至还有视频检测、光学测量等说法。这种情况不利于视觉测量技术的研究和发展。视觉测量技术是有着明确的理论基础、技术框架、实现手段和技术目标的测量技术，而不应该随意地以图像测量、图像检测，甚至视觉检测等概念来代替。对视觉测量技术进行学科和课程建设可以规范其概念、范畴、实现途径和目标等特征，促进视觉测量技术的应用和推广。

3.视觉测量技术教材建设的目的

与视觉测量技术的教学滞后相对应，其教材建设工作的开展也同样滞后，据作者检索，关于视觉测量技术的书籍非常少，代表性的包括：《视觉测量》，北京航空航天大学张广军编写，该书内容是作者多年视觉测量技术科研工作的总结。《视觉测量原理与方法》，编者邾继贵。该书以机械制造应用为背景，介绍了视觉测量研究的内容、方法和技术，对视觉测量方法和工程实现作了较为系统的梳理和归纳。可作为高等院校测试计量技术与仪器等专业的研究生用书。《基于序列图像的视觉检测理论与方法》，编者为武汉大学张永军。该书比较系统的阐述了基于序列图像的工业零件视觉检测理论、方法及应用，分析了序列图像处理中所涉及的若干关键技术。这些书籍虽然内容与视觉测量技术比较接近，但也没有在一个清晰的视觉测量技术的概念下或框架下阐述视觉测量的关键技术。

因此目前明确提出并阐述视觉测量技术的专业书籍，特别是教材还非常缺乏。视觉测量技术教材建设的目的在于服从于视觉测量技术课程建设的需求，从教材建设的角度，解决上述问题，促进视觉测量技术成为一项独立发展的学科，以区别于光学测量技术、近景摄影测量技术等学科。

4.视觉测量技术课程内容的规划

视觉测量技术课程主要讲授贯穿于各类视觉测量系统中的关键技术，是抽象于各类系统的、通用的关键技术。视觉测量系统的硬件系统构成和软件算法流程以及蕴含在其中的各项关键技术是教学的基本内容。

4.1关于视觉测量硬件系统的课程内容

图1给出了视觉测量系统通用的硬件结构示意图。视觉测量系统由光源照明系统、摄像机光学成像系统、CCD或CMOS相机、图像采集卡以及计算机系统等部分组成。图中各部分也是视觉测量硬件系统的知识点拆解，揭示了视觉测量系统的工作机理。

因此，视觉测量技术课程中，关于硬件系统的内容和知识点就是对上述通用系统中的每一部分进行阐述和讲授，包括：光源照明系统的光源类型、照明方式等知识、光学成像系统的原理和应用知识、CCD的光电变换原理和应用知识和描述被测物特征的人工标志及被测物表面处理的相关知识等。

4.2视觉测量系统软件算法课程建设内容

建立了视觉测量系统，摄取被测物的图像后，视觉测量需要对图像处理和分析，然后通过摄像机模型获取被测物的坐标和参数，这一过程由视觉测量系统算法软件来完成。视觉测量系统软件算法流程如图2所示，视觉测量技术的教学内容紧紧围绕视觉测量技术所涉及的关键技术，对视觉测量算法软件流程中的各阶段内容进行了详细的阐述。

因此视觉测量技术课程的主要内容就是上述流程中各部分的方法，包括：图像滤波算法、图像增强算法，图像边缘分割方法、图像区域分割方法，摄像机模型、摄像机标定方法，单目视觉测量方法、双目视觉测量方法等。延伸内容还包括结构光测量、散斑测量方法等。

3.“视觉测量技术”的教材建设

3.1视觉测量技术教材建设的原则

根据上述视觉测量技术课程建设的理念和指导思想，视觉测量技术的教材建设要遵循如下原则：endprint

（1）具有严密的逻辑性。即视觉测量技术教材要按照所提出的视觉测量技术的框架和流程，来逐条阐述视觉测量技术所涉及的各项关键技术，包括硬件系统关键技术和软件算法关键技术。

（2）教材所面向的对象为高校本科生、研究生和从事视觉测量技术的科研人员，因此教材的编写要层次清晰，采用由浅入深、由基础理论到实践应用的顺序进行编写，既注重基本理论知识的连续性、升华性，又具有工程观点，面向视觉测量技术的实际应用。

（3）以提高学生的创新能力培养为目标。即无论教材的内容、知识点安排、内容的条理和逻辑，都要以增强学生的理论创新能力和实践创新能力为目的。

3.2视觉测量技术教材建设规划

3.2.1视觉测量技术教材内容的规划

（1）作为倡导学科发展的教材建设，视觉测量技术教材一定要注重基本概念、框架和层次。因此在视觉测量技术的第一章绪论中，应详细的论述视觉测量技术的起源、历史、发展、定义、应用领域、一般硬件系统构成、一般算法软件流程等。即对视觉测量技术作了全面的总结和归纳。

（2）从视觉检测技术的角度，引出视觉测量技术。按照检测性质和应用范围的不同，视觉检测技术可以划分为两个方面，即定性检测和定量的检测，如图4所示。视觉测量技术即属于定量检测。由视觉检测技术引出视觉测量技术，可以使视觉测量技术的论述紧紧依托计算机视觉，计算机视觉技术是视觉测量技术的溯源和基础。

（3）以视觉测量技术课程建设的需求指导教材内容的规划，对视觉测量技术硬件系统和软件算法的各项关键技术进行分类的详细的阐述，构成了视觉测量技术教材的各章节主要内容。

根据上述三条原则，视觉测量技术教材的主要内容应该在兼顾计算机视觉技术的前提下，在归纳各种类型视觉测量系统的关键技术的基础上，按照视觉测量系统一般的硬件构成和软件算法流程来组织和规划。

3.3.2视觉测量技术教材主要内容

视觉测量技术教材需要按照视觉测量的关键技术来组织教材的内容。视觉测量分为硬件系统关键技术和算法软件系统关键技术。以下详细阐述视觉测量技术教材的内容。

3.3.2.1视觉测量硬件系统

视觉测量硬件系统的内容构成教材的一章，那么其中的各节如下：

（1）光源照明系统：光源照明系统是视觉测量系统的重要部分，视觉测量技术教材从照明光源的几何形状和性能参数、常用光源、光源类型、照明方式等几个部分并结合实际应用范例讲述光源照明系统知识。

（2）光学成像系统：光学成像系统即光学镜头，是视觉测量的重要设备。视觉测量技术教材从摄影光学系统基础知识、光学镜头的一般知识、光学镜头的选择三个方面阐述了与视觉测量有关的光学镜头知识。

（3）光电变换器件：光电变换器件即图像传感器。与光学镜头构成数字摄像机或数码相机，是视觉测量系统的重要组成部分。视觉测量技术教材从CCD的一般知识、工作原理、分类、CMOS和CCD相机的差别等方面描述图像传感器的知识。

（4）图像采集卡：图像采集卡的作用是摄像机和数字图像的桥梁，视觉测量技术教材从图像采集卡的分类、图像采集卡的功能、图像采集卡的技术参数和图像采集卡的使用注意事项等方面阐述图像采集卡的知识。

（5）人工标志：人工标志是是视觉测量的重要辅助手段。视觉测量技术教材从人工标志布设的必要性、一般人工标志的介绍、人工标志的分类、人工标志的设计原则、常用人工标志和被测物表面处理等方面详细阐述人工标志的设计、选择和应用知识。

3.3.2.2视觉测量系统软件算法

视觉测量系统的算法软件流程中的各阶段内容构成了教材的各章的内容，分别如下：

（1）第*章，图像预处理：在实际测量中，图像中的干扰主要来自于传感器本身、环境光照变化等因素。对图像造成的影响主要表现在图像噪声的影响、图像模糊不清和图像光照不均。视觉测量技术教材从图像滤波和图像增强两个方面阐述预处理技术。

（2）第*章，图像分割：图像分割是图像工程或计算机视觉的重要内容和必要阶段。视觉测量技术教材从边缘分割和区域分割两个方面阐述了视觉测量技术所涉及的图像分割基本方法。

（3）第*章，摄像机模型和摄像机标定：图像传感器模型的参数需要标定获得。对于视觉测量，尤其是三维视觉测量摄像机模型必须已知。视觉测量技术教材对摄像机模型和摄像机标定内容进行了详细的阐述。

（4）第*章，单目视觉测量和双目视觉测量：双目视觉对物体进行三维测量是视觉测量技术的高端目标。视觉测量技术从双目视觉测量系统、测量原理、数学模型、系统精度分析等方面全面阐述双目视觉测量的原理和各项关键技术。

4.视觉测量技术课程和教材建设进展

作者参考了计算机视觉、摄影测量方面的技术资料和大量的论文、博硕士论文，从无到有进行了视觉测量技术的课程建设。由机械工业出版社出版了系统阐述视觉测量技术的教材，并应用与本科与研究生课程的教学之中。获得北京科技大学研究生教材建设二等奖。面向本科生和研究生开设了视觉测量技术课程，已经授课五届学生，在授课过程中对视觉测量技术的知识点进行了拆解，教学内容进行了进一步的丰富和完善，分别完成了针对本科生和研究生的教学课件和教学备案，进行了课程习题和考试题库的建设。2012年视觉测量技术课程被评为免检课堂。视觉测量技术的课程和教材建设还存在着差距和不足：

（1）针对性不够，目前在课程和教材建设中，已经提炼和规范了视觉测量技术的通用的硬件结构和算法流程。但每一部分还包含很多通用的内容没有总结和归纳在视觉测量中。

（2）创新思维的培养是一个复杂和长期的过程，在视觉测量技术的课程和教材建设中，虽然根据课程建设的指导思想，在内容中关注了基本理论知识的提高和与基础课内容的延续和接轨，但内容还不够全面，对其中的内在规律还需要探索。

5.结语

视觉测量技术是一项新型的测量技术，在国民经济和国防各领域有着广泛的应用。但是在视觉测量技术快速发展和应用的同时，视觉测量技术的教学工作严重滞后，存在诸多问题。本文指出视觉测量技术从教学和工程应用的角度倡导视觉测量技术的开展为目标，从视觉测量技术教材建设的意义、目的、原则和教材的内容规划等方面对视觉测量技术教材建设过程中的所涉及的问题进行了认真的思考和阐述。旨在推动视觉测量技术教学工作的开展，并为其它课程建设提供借鉴。

参考文献

[1]章毓晋.计算机视觉教程[M]. 人民邮电出版社，2011.

[2]贺秋伟.基于计算机视觉的微小尺寸精密检测理论与技术研究[D]. 吉林大学博士论文，2007.

[3]翟乃斌.基于计算机视觉的汽车整车尺寸测量系统的研究[D]. 吉林大学博士论文，2007.

[4]杨靖宇. 摄影测量数据GPU并行处理若干关键技术研究[D].海军信息工程大学博士論文，2011.

[5]张祖勋，张剑清. 数字摄影测量学[M]. 武汉大学出版社，2012.

[6]张广军. 视觉测量[M]. 科学出版社，2008.

[7]朱继贵. 视觉测量原理与方法[M]. 机械工业出版社，2012.

[8] 张永军. 基于序列图像的视觉检测理论与方法[M]. 武汉大学出版社，2008.

[9]徐岩，华学成.对培养大学生创新能力的若干思考[J].平原大学学报，2007，24（5）：75-79.endprint