“視覺測量技術”課程建設的若干思考

［摘 要］ 視覺測量技術是一項新型測量技術，在國民經濟和國防各領域有著廣泛應用。但是在視覺測量技術快速發展和應用的同時，視覺測量技術的教學工作嚴重滯后，存在諸多問題。以培養學生創新性能力為指導思想、以規范視覺測量技術的概念和范疇為內涵、以從教學和工程應用的角度倡導視覺測量技術的開展為目標、以闡述視覺測量關鍵技術為內容，從“視覺測量技術”課程建設的意義、目的、指導思想、原則、內容規劃等方面對“視覺測量技術”課程建設過程中涉及的問題進行了認真的思考和闡述。

［關鍵詞］ 視覺測量；近景測量；機器視覺；教材建設

［基金項目］ 2022—2024年北京科技大學“智能類專業建設中強化專業課基礎理論知識教學問題的思考”（JG2022M26）；2021—2023年北京科技大學“以工程能力培養為導向的‘測控專業綜合實習’課程教學改革”（JG2021M27）；2023—2025年國家自然科學基金委員會“基于小樣本學習的單相機系統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，北京科技大學自動化學院教授，主要從事視覺測量技術研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ 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，實現對客觀世界三維場景的感知、識別和理解的技術［1］。而視覺測量技術［2］是以計算機視覺的理論和方法為基礎，進行空間幾何量測量的新型測量技術。

視覺測量技術以現代光學理論和技術為基礎，綜合運用計算機技術、圖像處理與分析技術、信號處理技術等現代科學技術，可組成融合光、機、電、算為一體的綜合測量系統。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點，廣泛應用于軍事、工業、農林業、醫學、航空航天和科學研究等領域，是隨著計算機視覺發展起來的一門實用的科學技術［3-4］。

目前，視覺測量技術得到了廣泛應用，隨著計算機視覺技術的進步，視覺測量技術的研究也取得了顯著進展。因此，進行視覺測量技術學科建設、開展視覺測量技術教學研究、進行視覺測量技術的課程和教材建設具有重要的現實意義。

一、“視覺測量技術”課程建設

（一）視覺測量技術學科建設的需求

視覺測量技術可以作為一個自成體系的學科來發展，但與攝影測量技術等相關學科領域相比，其在學科建設方面的工作非常薄弱。我們認為視覺測量技術與很多學科存在交叉，如光學測量技術、攝影測量技術等，但其自身的內涵和外延已經足夠豐富。基于如下原因，視覺測量技術學科建設的條件和需求已經成熟。

1.多年來隨著視覺測量技術的廣泛應用和迅猛發展，其受到了廣大工程技術人員的普遍關注，出現了許多新的理論、方法、技術和設備，要求將計算機視覺和檢測技術的內容相結合，使視覺測量技術工作在一個獨立的整體的框架之內。

2.視覺測量相關技術的長期發展和積累為視覺測量技術形成一個獨立的技術范疇打下了堅實的基礎。

3.需求帶動建設，日益廣泛的應用對視覺測量技術學科的建立提出了迫切的需求，對視覺測量技術在高校的課程設立、教材建設和其他教學活動的開展都提出了要求。否則將會影響視覺測量技術的發展，給應用領域的技術進步帶來負面影響。

（二）“視覺測量技術”課程建設存在的問題及意義

1.視覺測量技術作為一門學科或課程，相關的概念并不確切，甚至達到了混亂的地步。對于視覺測量技術的研究和應用內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。在目前的文獻中，視覺測量、圖像測量、視覺檢測、攝影測量往往不加區分，甚至還有視頻檢測、光學測量等說法。

2.圖像測量技術從其執行的任務、采用的手段等方面來看，實質上就是視覺測量技術。

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

4.在計算機視覺技術發展的同時，還有一門傳統的應用性很強的科學技術在不斷發展，這就是攝影測量技術［5-8］。攝影測量是通過影像研究信息獲取、處理、提取和成果表達的一門信息科學［9］。傳統的攝影測量學被定義為利用光學攝影機獲取相片，經過處理以獲取被攝物體的形狀、大小、位置、特性及其相互關系的科學。攝影測量學是測繪學的分支學科，其主要任務是用于測繪各種比例尺寸的地形圖、建立數字地面模型，為各種地理信息系統和土地信息系統提供基礎數據。

視覺測量技術是以計算機視覺的相關理論、方法為基礎，面向三維空間幾何量精密測量的技術［10］。其依托圖像傳感器，通過圖像處理與分析，獲得所測量目標的特征和參數，進而通過攝像機標定和攝像機模型，將目標的圖像參數解算為空間幾何量。因此，視覺測量技術的內容涉及圖像處理與分析、計算機視覺目標檢測技術等。這使得視覺測量技術與圖像檢測、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的科研和教學中，很多概念不明確，這種情況不利于視覺測量技術的研究和發展，也影響著視覺測量技術的應用和推廣［12］。視覺測量技術是有著明確的理論基礎、技術框架、實現手段和技術目標的測量技術，應對視覺測量技術的概念、范疇、實現途徑和目標做出較為嚴格的規范，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”課程建設的目標

“視覺測量技術”課程建設的目標兼顧以下幾個方面。

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

2.在上述視覺測量技術的流程和框架內，詳細闡述視覺測量技術的各項關鍵技術和工程實現流程，這是課程建設的重點，對科研工作具有重要的指導作用。例如，對于廣大研究生和從事視覺測量技術項目開發的人員來說，當面對具體的項目時，可以根據視覺測量技術的關鍵技術流程，建立視覺測量技術應用的相關概念，快速制定課題規劃，進入課題工作。

3.在闡述關鍵技術的同時，規范視覺測量技術作為一個獨立學科應具有的概念、符號和公式等。

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

（四）“視覺測量技術”課程內容的規劃

由于視覺測量技術被廣泛應用，其涵蓋的內容也很多，那么該如何規劃視覺測量技術的課程內容呢？

視覺測量有多種分類方法，按照所用傳感器數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；根據測量對象的尺寸大小，可以將測量系統分為近景測量系統與顯微測量系統；根據測量過程中系統移動與否，可以將視覺測量系統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分為靜態圖像視覺測量系統和動態圖像視覺測量系統：按照測量過程的照明方式，可以將視覺測量系統分為主動式測量與被動式測量。

雖然視覺測量系統的分類很多，但“視覺測量技術”課程主要講授貫穿于這些系統中的關鍵技術，是抽象于各類系統的、通用的關鍵技術。視覺測量系統的硬件系統構成和軟件算法流程，以及蘊含在其中的各項關鍵技術是教學的基本內容。

1.視覺測量硬件系統的課程建設內容。視覺測量系統由光源照明系統、攝像機光學成像系統、CCD或CMOS相機、圖像采集卡、計算機系統等部分組成，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的知識點拆解，揭示了視覺測量系統的工作機理：被測物被放置在工作臺上，光源照明系統照射被測物，使被測物能夠通過光學鏡頭在相機的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，最后得出測量結論。測量結論可以根據需要進行打印、遠傳等輸出。因此，在“視覺測量技術”課程中，關于硬件系統的內容和知識點就是對上述通用系統中的每部分進行闡述和講授，包括光源照明系統、光學成像系統、光電變換器件等相關知識，以及描述被測物特征的人工標志和被測物表面處理的相關知識等。這些知識是各類視覺測量系統中共有的知識，不設計具體的系統組成和結構。根據這些知識，結合具體的應用背景和設備與器件，可以構建各類視覺測量系統，如單目視覺測量系統、雙目視覺測量系統等。

2.視覺測量系統軟件算法課程建設內容。建立視覺測量系統，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和參數，這一過程由視覺測量系統算法軟件完成。視覺測量技術的教學內容緊緊圍繞著視覺測量技術涉及的關鍵技術，對視覺測量算法軟件流程中的各階段內容進行了詳細闡述。

二、“視覺測量技術”課程建設進展

由于目前視覺測量技術的教學建設很薄弱、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資料，從無到有地建立了“視覺測量技術”課程。

（一）教材建設方面的進展

由機械工業出版社出版了國內第一部系統闡述視覺測量技術的教材，并應用于本科與研究生課程教學之中。獲得北京科技大學研究生教材建設二等獎。

（二）課程建設方面的進展

面向本科生和研究生開設了“視覺測量技術”課程，已經教授了五屆學生，在授課過程中對視覺測量技術的知識點進行了拆解，教學內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課件和教學備案，進行了課程習題和考試題庫的建設

（三）教學與科研相互促進方面的進展

筆者掌握了視覺測量技術應用中涉及的技術和方法，并以此承擔了多項具有較大經濟效益和社會效益的視覺測量開發課題，包括遠距離微小位移非接觸測量、減速機注油孔定位與系統標定、超遠距離異類目標檢測與跟蹤等項目。這些項目具有極大的推廣價值，解決了實際生產中的關鍵技術問題。例如，遠距離微小位移測量可以實現在50 m的距離精度為0.1 mm的微小位移測量，可以廣泛應用于隧洞沉降、建筑物變形等方面的監測。

（四）人才創新能力培養方面的進展

創新型人才的培養有多種途徑，在本科專業課教學中，加強專業課涉及的基本理論知識教學，使學生在專業課學習中對基本理論知識在一定的高度融會貫通和增強學生專業課學習的工程應用觀點是提高學生創新性能力的重要途徑。

結語

文章強調了視覺測量技術作為現代工業與科研的重要支撐，其課程建設需緊跟技術前沿，注重理論與實踐的深度融合。通過優化教學內容、加強課程建設及工程應用，有效提升了學生的創新能力與解決實際問題的能力。未來，我們將繼續探索線上線下混合教學模式，利用大數據與人工智能技術優化教學效果評估，力求培養更多適應時代發展需求的高素質視覺測量技術人才，為我國智能制造、智慧城市等領域的發展貢獻力量。

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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