“视觉测量技术”课程建设的若干思考

［摘 要］ 视觉测量技术是一项新型测量技术，在国民经济和国防各领域有着广泛应用。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。以培养学生创新性能力为指导思想、以规范视觉测量技术的概念和范畴为内涵、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”课程建设的意义、目的、指导思想、原则、内容规划等方面对“视觉测量技术”课程建设过程中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

［基金项目］ 2022—2024年北京科技大学“智能类专业建设中强化专业课基础理论知识教学问题的思考”（JG2022M26）；2021—2023年北京科技大学“以工程能力培养为导向的‘测控专业综合实习’课程教学改革”（JG2021M27）；2023—2025年国家自然科学基金委员会“基于小样本学习的单相机系统三维视线估计方法研究”（62206016）

［作者简介］ 迟健男（1967—），男，北京人，博士，北京科技大学自动化学院教授，主要从事视觉测量技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）25-0061-04 ［收稿日期］ 2023-05-09

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视频进行处理，实现对客观世界三维场景的感知、识别和理解的技术［1］。而视觉测量技术［2］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。

视觉测量技术以现代光学理论和技术为基础，综合运用计算机技术、图像处理与分析技术、信号处理技术等现代科学技术，可组成融合光、机、电、算为一体的综合测量系统。视觉测量具有非接触、测量精度高、可同时进行多点测量等优点，广泛应用于军事、工业、农林业、医学、航空航天和科学研究等领域，是随着计算机视觉发展起来的一门实用的科学技术［3-4］。

目前，视觉测量技术得到了广泛应用，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进展。因此，进行视觉测量技术学科建设、开展视觉测量技术教学研究、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。

一、“视觉测量技术”课程建设

（一）视觉测量技术学科建设的需求

视觉测量技术可以作为一个自成体系的学科来发展，但与摄影测量技术等相关学科领域相比，其在学科建设方面的工作非常薄弱。我们认为视觉测量技术与很多学科存在交叉，如光学测量技术、摄影测量技术等，但其自身的内涵和外延已经足够丰富。基于如下原因，视觉测量技术学科建设的条件和需求已经成熟。

1.多年来随着视觉测量技术的广泛应用和迅猛发展，其受到了广大工程技术人员的普遍关注，出现了许多新的理论、方法、技术和设备，要求将计算机视觉和检测技术的内容相结合，使视觉测量技术工作在一个独立的整体的框架之内。

2.视觉测量相关技术的长期发展和积累为视觉测量技术形成一个独立的技术范畴打下了坚实的基础。

3.需求带动建设，日益广泛的应用对视觉测量技术学科的建立提出了迫切的需求，对视觉测量技术在高校的课程设立、教材建设和其他教学活动的开展都提出了要求。否则将会影响视觉测量技术的发展，给应用领域的技术进步带来负面影响。

（二）“视觉测量技术”课程建设存在的问题及意义

1.视觉测量技术作为一门学科或课程，相关的概念并不确切，甚至达到了混乱的地步。对于视觉测量技术的研究和应用内容存在着多种说法和定义，如视觉测量、近景摄影测量、视觉检测、图像测量、图像检测等。在目前的文献中，视觉测量、图像测量、视觉检测、摄影测量往往不加区分，甚至还有视频检测、光学测量等说法。

2.图像测量技术从其执行的任务、采用的手段等方面来看，实质上就是视觉测量技术。

3.视觉检测是计算机视觉技术的一个重要分支，在图像工程中属于图像分析层次。视觉检测技术实际上可以被称为一种目标分割技术，即通过视觉传感器或图像传感器摄取被测目标，然后在图像上对目标进行检测与跟踪。目标检测的结果可以用于各种应用领域，例如模式识别、三维重建、几何量测量等。因此，严格来说视觉检测就是计算机视觉领域的一门技术，涵盖的应用领域和针对的目标对象很广泛，但目前还不能构成一项独立的技术范畴。

4.在计算机视觉技术发展的同时，还有一门传统的应用性很强的科学技术在不断发展，这就是摄影测量技术［5-8］。摄影测量是通过影像研究信息获取、处理、提取和成果表达的一门信息科学［9］。传统的摄影测量学被定义为利用光学摄影机获取相片，经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系的科学。摄影测量学是测绘学的分支学科，其主要任务是用于测绘各种比例尺寸的地形图、建立数字地面模型，为各种地理信息系统和土地信息系统提供基础数据。

视觉测量技术是以计算机视觉的相关理论、方法为基础，面向三维空间几何量精密测量的技术［10］。其依托图像传感器，通过图像处理与分析，获得所测量目标的特征和参数，进而通过摄像机标定和摄像机模型，将目标的图像参数解算为空间几何量。因此，视觉测量技术的内容涉及图像处理与分析、计算机视觉目标检测技术等。这使得视觉测量技术与图像检测、图像测量等概念存在交叉［11］。同时，图像测量、图像检测等概念没有十分明确的界定，这就造成在视觉测量技术的科研和教学中，很多概念不明确，这种情况不利于视觉测量技术的研究和发展，也影响着视觉测量技术的应用和推广［12］。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，应对视觉测量技术的概念、范畴、实现途径和目标做出较为严格的规范，而不是随意地以图像测量、图像检测，甚至视觉检测等概念来代替。

（三）“视觉测量技术”课程建设的目标

“视觉测量技术”课程建设的目标兼顾以下几个方面。

1.提出视觉测量技术的概念和范畴，建立和明确视觉测量技术工作的流程、层次和框架。突出视觉测量技术作为一个独立的工程学科所应具有的特征。

2.在上述视觉测量技术的流程和框架内，详细阐述视觉测量技术的各项关键技术和工程实现流程，这是课程建设的重点，对科研工作具有重要的指导作用。例如，对于广大研究生和从事视觉测量技术项目开发的人员来说，当面对具体的项目时，可以根据视觉测量技术的关键技术流程，建立视觉测量技术应用的相关概念，快速制定课题规划，进入课题工作。

3.在阐述关键技术的同时，规范视觉测量技术作为一个独立学科应具有的概念、符号和公式等。

4.视觉测量技术是一门实践性很强的学科，也是一门理论性很强的课程，涉及信号处理、极限几何、概率与数理统计等基础理论知识，是一门多学科交叉综合的课程。因此，作为一门专业课程的建设，在面向工程实践应用的同时，要注重其涉猎的基础理论知识的连贯性和升华性，即要注重在讲授专业课的同时，使学生融会贯通基础理论知识，增强其自主创新能力和解决实际问题的能力。

（四）“视觉测量技术”课程内容的规划

由于视觉测量技术被广泛应用，其涵盖的内容也很多，那么该如何规划视觉测量技术的课程内容呢？

视觉测量有多种分类方法，按照所用传感器数量的不同可以将视觉测量分为单目视觉测量、双目视觉测量和多目视觉测量等；根据测量对象的尺寸大小，可以将测量系统分为近景测量系统与显微测量系统；根据测量过程中系统移动与否，可以将视觉测量系统分为固定式和移动式两类；按照所处理的图像中的景物是否运动，可以将视觉测量系统分为静态图像视觉测量系统和动态图像视觉测量系统：按照测量过程的照明方式，可以将视觉测量系统分为主动式测量与被动式测量。

虽然视觉测量系统的分类很多，但“视觉测量技术”课程主要讲授贯穿于这些系统中的关键技术，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。

1.视觉测量硬件系统的课程建设内容。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、计算机系统等部分组成，各部分的连接和功能如图1所示。图中各部分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：被测物被放置在工作台上，光源照明系统照射被测物，使被测物能够通过光学镜头在相机的CCD或CMOS靶面上成清晰的像，图像进入计算机，在计算机中进行处理、分析，最后得出测量结论。测量结论可以根据需要进行打印、远传等输出。因此，在“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部分进行阐述和讲授，包括光源照明系统、光学成像系统、光电变换器件等相关知识，以及描述被测物特征的人工标志和被测物表面处理的相关知识等。这些知识是各类视觉测量系统中共有的知识，不设计具体的系统组成和结构。根据这些知识，结合具体的应用背景和设备与器件，可以构建各类视觉测量系统，如单目视觉测量系统、双目视觉测量系统等。

2.视觉测量系统软件算法课程建设内容。建立视觉测量系统，摄取被测物的图像后，对图像进行处理和分析，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完成。视觉测量技术的教学内容紧紧围绕着视觉测量技术涉及的关键技术，对视觉测量算法软件流程中的各阶段内容进行了详细阐述。

二、“视觉测量技术”课程建设进展

由于目前视觉测量技术的教学建设很薄弱、可参考的资料很少，笔者参考了计算机视觉、摄影测量等方面的技术资料，从无到有地建立了“视觉测量技术”课程。

（一）教材建设方面的进展

由机械工业出版社出版了国内第一部系统阐述视觉测量技术的教材，并应用于本科与研究生课程教学之中。获得北京科技大学研究生教材建设二等奖。

（二）课程建设方面的进展

面向本科生和研究生开设了“视觉测量技术”课程，已经教授了五届学生，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

（三）教学与科研相互促进方面的进展

笔者掌握了视觉测量技术应用中涉及的技术和方法，并以此承担了多项具有较大经济效益和社会效益的视觉测量开发课题，包括远距离微小位移非接触测量、减速机注油孔定位与系统标定、超远距离异类目标检测与跟踪等项目。这些项目具有极大的推广价值，解决了实际生产中的关键技术问题。例如，远距离微小位移测量可以实现在50 m的距离精度为0.1 mm的微小位移测量，可以广泛应用于隧洞沉降、建筑物变形等方面的监测。

（四）人才创新能力培养方面的进展

创新型人才的培养有多种途径，在本科专业课教学中，加强专业课涉及的基本理论知识教学，使学生在专业课学习中对基本理论知识在一定的高度融会贯通和增强学生专业课学习的工程应用观点是提高学生创新性能力的重要途径。

结语

文章强调了视觉测量技术作为现代工业与科研的重要支撑，其课程建设需紧跟技术前沿，注重理论与实践的深度融合。通过优化教学内容、加强课程建设及工程应用，有效提升了学生的创新能力与解决实际问题的能力。未来，我们将继续探索线上线下混合教学模式，利用大数据与人工智能技术优化教学效果评估，力求培养更多适应时代发展需求的高素质视觉测量技术人才，为我国智能制造、智慧城市等领域的发展贡献力量。

参考文献

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［3］纪运景，杜思月，宋旸，等.基于线结构光旋转扫描和光条纹修复的三维视觉测量技术研究［J］.红外与激光工程，2022，51（2）：470-478.

［4］叶涛，陶鸿景，欧阳煜，等.基于全向结构光视觉传感器的管道内壁缺陷测量实验设计［J］.实验技术与管理，2023，40（1）：115-122.

［5］段祝庚，岳雄.基于桌面云实验室的摄影测量实验教学模式与实践［J］.实验技术与管理，2020，37（7）：204-207.

［6］罗艳，夏元平，刘荣，等.“摄影测量学”课程中的思政元素挖掘与实践［J］.测绘工程，2023，32（2）：75-80.

［7］赵江涛，卢修元，漆力健，等.基于VR技术的教学改革实践：以水利水电工程测量课程为例［J］.高教学刊，2022，8（18）：138-141.

［8］卞玉霞，王美珍，柳锦宝，等.虚拟仿真平台下摄影测量实验教学改革［J］.测绘通报，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］张广军.视觉测量［M］.北京：科学出版社，2008：121-128.

［11］朱继贵.视觉测量原理与方法［M］.北京：机械工业出版社，2012：2-8.

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