［摘 要］ 視覺測量技術(shù)是一項新型測量技術(shù)，在國民經(jīng)濟和國防各領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。但是在視覺測量技術(shù)快速發(fā)展和應(yīng)用的同時，視覺測量技術(shù)的教學(xué)工作嚴(yán)重滯后，存在諸多問題。以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性能力為指導(dǎo)思想、以規(guī)范視覺測量技術(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)視覺測量技術(shù)的開展為目標(biāo)、以闡述視覺測量關(guān)鍵技術(shù)為內(nèi)容，從“視覺測量技術(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“視覺測量技術(shù)”課程建設(shè)過程中涉及的問題進行了認(rèn)真的思考和闡述。

［關(guān)鍵詞］ 視覺測量；近景測量；機器視覺；教材建設(shè)

［基金項目］ 2022—2024年北京科技大學(xué)“智能類專業(yè)建設(shè)中強化專業(yè)課基礎(chǔ)理論知識教學(xué)問題的思考”（JG2022M26）；2021—2023年北京科技大學(xué)“以工程能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的‘測控專業(yè)綜合實習(xí)’課程教學(xué)改革”（JG2021M27）；2023—2025年國家自然科學(xué)基金委員會“基于小樣本學(xué)習(xí)的單相機系統(tǒng)三維視線估計方法研究”（62206016）

［作者簡介］ 遲健男（1967—），男，北京人，博士，北京科技大學(xué)自動化學(xué)院教授，主要從事視覺測量技術(shù)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）25-0061-04 ［收稿日期］ 2023-05-09

引言

計算機視覺也稱機器視覺，是指利用計算機對采集的圖像或視頻進行處理，實現(xiàn)對客觀世界三維場景的感知、識別和理解的技術(shù)［1］。而視覺測量技術(shù)［2］是以計算機視覺的理論和方法為基礎(chǔ)，進行空間幾何量測量的新型測量技術(shù)。

視覺測量技術(shù)以現(xiàn)代光學(xué)理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運用計算機技術(shù)、圖像處理與分析技術(shù)、信號處理技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，可組成融合光、機、電、算為一體的綜合測量系統(tǒng)。視覺測量具有非接觸、測量精度高、可同時進行多點測量等優(yōu)點，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，是隨著計算機視覺發(fā)展起來的一門實用的科學(xué)技術(shù)［3-4］。

目前，視覺測量技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，隨著計算機視覺技術(shù)的進步，視覺測量技術(shù)的研究也取得了顯著進展。因此，進行視覺測量技術(shù)學(xué)科建設(shè)、開展視覺測量技術(shù)教學(xué)研究、進行視覺測量技術(shù)的課程和教材建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。

一、“視覺測量技術(shù)”課程建設(shè)

（一）視覺測量技術(shù)學(xué)科建設(shè)的需求

視覺測量技術(shù)可以作為一個自成體系的學(xué)科來發(fā)展，但與攝影測量技術(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)為視覺測量技術(shù)與很多學(xué)科存在交叉，如光學(xué)測量技術(shù)、攝影測量技術(shù)等，但其自身的內(nèi)涵和外延已經(jīng)足夠豐富?；谌缦略?，視覺測量技術(shù)學(xué)科建設(shè)的條件和需求已經(jīng)成熟。

1.多年來隨著視覺測量技術(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，要求將計算機視覺和檢測技術(shù)的內(nèi)容相結(jié)合，使視覺測量技術(shù)工作在一個獨立的整體的框架之內(nèi)。

2.視覺測量相關(guān)技術(shù)的長期發(fā)展和積累為視覺測量技術(shù)形成一個獨立的技術(shù)范疇打下了堅實的基礎(chǔ)。

3.需求帶動建設(shè)，日益廣泛的應(yīng)用對視覺測量技術(shù)學(xué)科的建立提出了迫切的需求，對視覺測量技術(shù)在高校的課程設(shè)立、教材建設(shè)和其他教學(xué)活動的開展都提出了要求。否則將會影響視覺測量技術(shù)的發(fā)展，給應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)進步帶來負(fù)面影響。

（二）“視覺測量技術(shù)”課程建設(shè)存在的問題及意義

1.視覺測量技術(shù)作為一門學(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。對于視覺測量技術(shù)的研究和應(yīng)用內(nèi)容存在著多種說法和定義，如視覺測量、近景攝影測量、視覺檢測、圖像測量、圖像檢測等。在目前的文獻(xiàn)中，視覺測量、圖像測量、視覺檢測、攝影測量往往不加區(qū)分，甚至還有視頻檢測、光學(xué)測量等說法。

2.圖像測量技術(shù)從其執(zhí)行的任務(wù)、采用的手段等方面來看，實質(zhì)上就是視覺測量技術(shù)。

3.視覺檢測是計算機視覺技術(shù)的一個重要分支，在圖像工程中屬于圖像分析層次。視覺檢測技術(shù)實際上可以被稱為一種目標(biāo)分割技術(shù)，即通過視覺傳感器或圖像傳感器攝取被測目標(biāo)，然后在圖像上對目標(biāo)進行檢測與跟蹤。目標(biāo)檢測的結(jié)果可以用于各種應(yīng)用領(lǐng)域，例如模式識別、三維重建、幾何量測量等。因此，嚴(yán)格來說視覺檢測就是計算機視覺領(lǐng)域的一門技術(shù)，涵蓋的應(yīng)用領(lǐng)域和針對的目標(biāo)對象很廣泛，但目前還不能構(gòu)成一項獨立的技術(shù)范疇。

4.在計算機視覺技術(shù)發(fā)展的同時，還有一門傳統(tǒng)的應(yīng)用性很強的科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展，這就是攝影測量技術(shù)［5-8］。攝影測量是通過影像研究信息獲取、處理、提取和成果表達(dá)的一門信息科學(xué)［9］。傳統(tǒng)的攝影測量學(xué)被定義為利用光學(xué)攝影機獲取相片，經(jīng)過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)。攝影測量學(xué)是測繪學(xué)的分支學(xué)科，其主要任務(wù)是用于測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)。

視覺測量技術(shù)是以計算機視覺的相關(guān)理論、方法為基礎(chǔ)，面向三維空間幾何量精密測量的技術(shù)［10］。其依托圖像傳感器，通過圖像處理與分析，獲得所測量目標(biāo)的特征和參數(shù)，進而通過攝像機標(biāo)定和攝像機模型，將目標(biāo)的圖像參數(shù)解算為空間幾何量。因此，視覺測量技術(shù)的內(nèi)容涉及圖像處理與分析、計算機視覺目標(biāo)檢測技術(shù)等。這使得視覺測量技術(shù)與圖像檢測、圖像測量等概念存在交叉［11］。同時，圖像測量、圖像檢測等概念沒有十分明確的界定，這就造成在視覺測量技術(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測量技術(shù)的研究和發(fā)展，也影響著視覺測量技術(shù)的應(yīng)用和推廣［12］。視覺測量技術(shù)是有著明確的理論基礎(chǔ)、技術(shù)框架、實現(xiàn)手段和技術(shù)目標(biāo)的測量技術(shù)，應(yīng)對視覺測量技術(shù)的概念、范疇、實現(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量、圖像檢測，甚至視覺檢測等概念來代替。

（三）“視覺測量技術(shù)”課程建設(shè)的目標(biāo)

“視覺測量技術(shù)”課程建設(shè)的目標(biāo)兼顧以下幾個方面。

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

2.在上述視覺測量技術(shù)的流程和框架內(nèi)，詳細(xì)闡述視覺測量技術(shù)的各項關(guān)鍵技術(shù)和工程實現(xiàn)流程，這是課程建設(shè)的重點，對科研工作具有重要的指導(dǎo)作用。例如，對于廣大研究生和從事視覺測量技術(shù)項目開發(fā)的人員來說，當(dāng)面對具體的項目時，可以根據(jù)視覺測量技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)流程，建立視覺測量技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)概念，快速制定課題規(guī)劃，進入課題工作。

3.在闡述關(guān)鍵技術(shù)的同時，規(guī)范視覺測量技術(shù)作為一個獨立學(xué)科應(yīng)具有的概念、符號和公式等。

4.視覺測量技術(shù)是一門實踐性很強的學(xué)科，也是一門理論性很強的課程，涉及信號處理、極限幾何、概率與數(shù)理統(tǒng)計等基礎(chǔ)理論知識，是一門多學(xué)科交叉綜合的課程。因此，作為一門專業(yè)課程的建設(shè)，在面向工程實踐應(yīng)用的同時，要注重其涉獵的基礎(chǔ)理論知識的連貫性和升華性，即要注重在講授專業(yè)課的同時，使學(xué)生融會貫通基礎(chǔ)理論知識，增強其自主創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力。

（四）“視覺測量技術(shù)”課程內(nèi)容的規(guī)劃

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

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

雖然視覺測量系統(tǒng)的分類很多，但“視覺測量技術(shù)”課程主要講授貫穿于這些系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，是抽象于各類系統(tǒng)的、通用的關(guān)鍵技術(shù)。視覺測量系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)構(gòu)成和軟件算法流程，以及蘊含在其中的各項關(guān)鍵技術(shù)是教學(xué)的基本內(nèi)容。

1.視覺測量硬件系統(tǒng)的課程建設(shè)內(nèi)容。視覺測量系統(tǒng)由光源照明系統(tǒng)、攝像機光學(xué)成像系統(tǒng)、CCD或CMOS相機、圖像采集卡、計算機系統(tǒng)等部分組成，各部分的連接和功能如圖1所示。圖中各部分是視覺測量硬件系統(tǒng)的知識點拆解，揭示了視覺測量系統(tǒng)的工作機理：被測物被放置在工作臺上，光源照明系統(tǒng)照射被測物，使被測物能夠通過光學(xué)鏡頭在相機的CCD或CMOS靶面上成清晰的像，圖像進入計算機，在計算機中進行處理、分析，最后得出測量結(jié)論。測量結(jié)論可以根據(jù)需要進行打印、遠(yuǎn)傳等輸出。因此，在“視覺測量技術(shù)”課程中，關(guān)于硬件系統(tǒng)的內(nèi)容和知識點就是對上述通用系統(tǒng)中的每部分進行闡述和講授，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，以及描述被測物特征的人工標(biāo)志和被測物表面處理的相關(guān)知識等。這些知識是各類視覺測量系統(tǒng)中共有的知識，不設(shè)計具體的系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)。根據(jù)這些知識，結(jié)合具體的應(yīng)用背景和設(shè)備與器件，可以構(gòu)建各類視覺測量系統(tǒng)，如單目視覺測量系統(tǒng)、雙目視覺測量系統(tǒng)等。

2.視覺測量系統(tǒng)軟件算法課程建設(shè)內(nèi)容。建立視覺測量系統(tǒng)，攝取被測物的圖像后，對圖像進行處理和分析，然后通過攝像機模型獲取被測物的坐標(biāo)和參數(shù)，這一過程由視覺測量系統(tǒng)算法軟件完成。視覺測量技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容緊緊圍繞著視覺測量技術(shù)涉及的關(guān)鍵技術(shù)，對視覺測量算法軟件流程中的各階段內(nèi)容進行了詳細(xì)闡述。

二、“視覺測量技術(shù)”課程建設(shè)進展

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

（一）教材建設(shè)方面的進展

由機械工業(yè)出版社出版了國內(nèi)第一部系統(tǒng)闡述視覺測量技術(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。

（二）課程建設(shè)方面的進展

面向本科生和研究生開設(shè)了“視覺測量技術(shù)”課程，已經(jīng)教授了五屆學(xué)生，在授課過程中對視覺測量技術(shù)的知識點進行了拆解，教學(xué)內(nèi)容進行了進一步豐富和完善，分別完成了針對本科生和研究生的教學(xué)課件和教學(xué)備案，進行了課程習(xí)題和考試題庫的建設(shè)

（三）教學(xué)與科研相互促進方面的進展

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

（四）人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面的進展

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

結(jié)語

文章強調(diào)了視覺測量技術(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，注重理論與實踐的深度融合。通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、加強課程建設(shè)及工程應(yīng)用，有效提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力與解決實際問題的能力。未來，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)效果評估，力求培養(yǎng)更多適應(yīng)時代發(fā)展需求的高素質(zhì)視覺測量技術(shù)人才，為我國智能制造、智慧城市等領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

［1］趙地，杜玉紅，丁振宇，等.基于深度學(xué)習(xí)的機器人目標(biāo)識別實驗教學(xué)設(shè)計與改革［J］.實驗技術(shù)與管理，2022，39（9）：191-196.

［2］ZOUHEIR， FADY， LUQMAN. Real-time attention monitoring system for classroom： A deep learning approach for student’s behavior recognition ［J］. Big data and cognitive computing，2023，7（1）：1-17.

［3］紀(jì)運景，杜思月，宋旸，等.基于線結(jié)構(gòu)光旋轉(zhuǎn)掃描和光條紋修復(fù)的三維視覺測量技術(shù)研究［J］.紅外與激光工程，2022，51（2）：470-478.

［4］葉濤，陶鴻景，歐陽煜，等.基于全向結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的管道內(nèi)壁缺陷測量實驗設(shè)計［J］.實驗技術(shù)與管理，2023，40（1）：115-122.

［5］段祝庚，岳雄.基于桌面云實驗室的攝影測量實驗教學(xué)模式與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2020，37（7）：204-207.

［6］羅艷，夏元平，劉榮，等.“攝影測量學(xué)”課程中的思政元素挖掘與實踐［J］.測繪工程，2023，32（2）：75-80.

［7］趙江濤，盧修元，漆力健，等.基于VR技術(shù)的教學(xué)改革實踐：以水利水電工程測量課程為例［J］.高教學(xué)刊，2022，8（18）：138-141.

［8］卞玉霞，王美珍，柳錦寶，等.虛擬仿真平臺下攝影測量實驗教學(xué)改革［J］.測繪通報，2022（10）：158-161.

［9］STYLIANI， CHARALABOS. An overview on image-based and scanner-based 3D modeling technologies［J］. Sensors，2023，23（2）：1-22.

［10］張廣軍.視覺測量［M］.北京：科學(xué)出版社，2008：121-128.

［11］朱繼貴.視覺測量原理與方法［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012：2-8.

［12］張永軍.基于序列圖像的視覺檢測理論與方法［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2008：37-43.

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