大場景三維激光掃描儀在研究生實踐教學培養中的應用

宋麗梅　鄧耀輝　朱新軍　王紅一

摘 要 在當今社會對高素質、復合型人才的需求愈加強烈的同時，也對高層次人才的綜合素質提出了更高的要求。組織開展課外實踐教學既能培養究生解決實際問題的能力，又能將原本枯燥的理論知識與實踐結合起來，不僅讓學生學會用理論來指導實踐，又能夠讓學生在實踐中加深對理論的認識。本文以大場景三維掃描儀在機器視覺課外實踐教學中的應用為例，讓學生獨立使用大場景儀器對上課所在實驗室進行數據掃描采集并對原始數據進行處理重建。在使用儀器的過程中，加深學生對機器視覺理論的理解，并提升學生的工程實踐能力、獨立創新能力和今后解決綜合性重大社會問題的能力。

關鍵詞 機器視覺 大場景三維激光掃描儀 實踐教學

0 引言

實踐教學是研究生教學中的重要一環，通過實踐教學可以充分挖掘學生的潛能、讓學生通過觀察、操作、分析、討論、交流、合作等方式，引導學生自主學習，讓學生在實踐過程中掌握所學知識。在國家教育院發布的“教育部關于開展研究生專業學位設置方案的通知”中提出了“研究生的培養應當注重實踐教學以適應經濟社會的發展需要”。而機器視覺這門課是一門非常注重理論聯系實踐的研究生課程。本課程主要研究如何利用攝影機和電腦代替人眼來對目標進行識別、跟蹤或測量。機器視覺作為一門科學學科廣泛地應用在工業、農業、制造業、食品安全行業等。典型的有機械部件尺寸檢測，織物疵點檢測，三維重建逆向工程等。三維重建是近些年來機器視覺主要發展的領域。三維物體的模型重建在CAD、模式識別、文物藝術品重建、數字娛樂（游戲、動畫、電影）等領域有著廣泛的應用。①隨著計算機技術的發展以及圖形應用領域的不斷擴大，人們對圖像的研究已經不再滿足于二維圖形，并逐漸深入到三維世界中。而基于圖像的三維重建，一直是計算機視覺領域研究的熱點問題，大場景的三維重建，逐漸顯示出其較大的科研和實用價值，例如利用大場景三維掃描技術可進行古建筑數字化、文物保存、城市數字化等。②由于三維重建理論過于抽象難懂，如果只是單純的進行課堂教學，學生對知識的理解會非常的表面，不能有深刻的理解。為了加深研究生對這門課程的理解，提高學生的科研實踐能力，本課程組織學生利用大場景三維激光掃描儀進行了實踐教學培訓。大場景三維激光掃描儀應用在研究生實踐教學中，既可以突破教學中的重點、難點，促進教學方法和實踐教學的改革與創新，又能增強學生的實踐創新能力。本次課程先由教師講授三維重建的基本原理，然后講解大場景儀器的操作流程，最后由學生獨立使用儀器對所在實驗室場景進行掃描重建。

1 大場景儀器在研究生實踐教學中的探索

機器視覺是控制科學與工程、電氣工程、通信工程、計算機工程、機械工程等多學科的主干課程。同時該課程也是一門多學科交叉的課程，涉及光學、圖像處理、模式識別以及最新的三維重建等相關內容。由于三維重建過程非常復雜，所涉的數學表達式晦澀難懂，學生僅通過課堂教學很難理解。通過大場景儀器的使用，有助于學生全面了解相關內容，直觀看到所學理論能夠達到的實際效果，能激發學生的創新意識，提高他們的創新能力，對教師教學和學生能力培養具有一定的促進作用。

大場景三維掃描儀是一種科學儀器，用來偵測并分析現實世界中物體或環境的形狀（幾何構造）與外觀數據（如顏色、表面反照率等性質）。③搜集到的數據常被用來進行三維重建計算，在虛擬世界中創建實際物體的數字模型。其測量原理所用到的數學原理比較抽象，難以理解。例如在掃描過程中地面激光掃描儀采用的是儀器內部坐標系，X軸和Y軸在橫向掃描面內，Z軸垂直于橫向掃描面，并且三維激光掃描儀采用的是TOF脈沖測距法（Time of Flight），通過數據采集獲得觀測物的測距觀測值S，精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值和縱向掃描角度觀測值，以此計算出三維激光腳點坐標，坐標計算公式如下：

（1）

但是如果僅從數學原理上為學生進行講解，學生很難對該原理有深入的了解，因此本次實踐教學讓學生親自動手搭設儀器設備，對場景進行數據采集，通過讓學生觀察大場景三維激光掃描儀的工作過程，促進學生對枯燥的數學公式的理解。

在開始掃描前要帶領學生對待掃描場景進行場景規劃，這樣能夠將大的場景分成小場景的組合，通過對小場景的依次掃描，然后將獲得的小場景數據通過數據拼接的方法進行拼接從而獲得大場景的數據信息。④研究生的實踐課程不僅僅要讓學生學會課本上的內容，還應該注重培養學生的動手實踐能力，只有培養學生全面發展而不是一味地將教學傾向于學術化教學培養，才能使畢業研究生能跟上社會發展的步伐。

通過實踐教學，學生對枯燥的數學知識有了深刻的認識，并對機器視覺這門課程產生了濃厚的興趣，對三維重建，攝影測量等都有了較為深刻的認識。

2 利用大場景儀器指導學生進行數據三維重建

三維重建是目前機器視覺領域發展最為熱門的課題。利用大場景儀器可以對復雜場景進行三維重建，這種方法還原度較好，精度較高，可以為企業的創意設計，仿型加工提供廣闊天地?；诖髨鼍暗娜S重建過程主要由四部分組成，分別是：（1）數據獲??；（2）數據配準；（3）模型構造；（4）紋理映射。一般來講通過這四個步驟就能夠完成大場景的三維重建過程，圖1（a）和圖1（b）為學生對上課所在實驗室進行的三維重建結果。

3 結束語

利用大場景三維激光掃描儀對學生開展教學實踐活動，不僅能夠讓學生深入理解三維掃描儀的工作原理，更能通過本次教學讓學生對整體三維場景重建過程有詳細的了解。并且此次教學活動讓學生親自動手操作大型儀器并對獲得的原始數據進行處理，這就從多方面鍛煉了學生的綜合能力，這對學生今后的科研學習以及日后的就業都有很大的推動作用。正所謂“授人以魚不如授人以漁”，讓學生掌握原理知識的同時，學會將所學知識運用到實際工程當中，這樣才能為社會輸送優質的高層次人才。今后我們還會不斷改進教學手段與教學水平，使學生的培養能夠與社會的發展相接軌，為學校的教學改革和社會的進步作出貢獻。

€L芑鶼钅浚骸痘謔泳醯鬧锎玫閎觳夂腿侗鷦硌芯俊罰ū嗪牛？61078041）、《單目高精度大型物體彩色三維數字化測量原理研究》（編號：60808020）、《雙目 SFS 彩色三維織物疵點在線檢測原理研究》（編號：10JCYBJC07200）、《腹腔內窺鏡醫學圖像的實時三維重建方法研究》、《演藝工程數字集成關鍵技術研發與應用示范》（編號：SQ2013GX10E00523）

注釋

① 劉軍.文化遺址的三維場景建模及虛擬展示技術研究[D].西北大學，2009.

② 宋麗梅，李宗艷，陳昌曼，習江濤，郭慶華，李曉捷.A correction method of color projection fringes in 3D contour measurement[J]. Optoelectronics Letters，2015，04：303-306.

③ 宋麗梅，陳昌曼，陳卓，習江濤，禹延光.Essential parameter calibration for the 3D scanner with only single camera and projector[J]. Optoelectronics Letters，2013，02：143-147.

④ 閆世博.基于圖像的三維重建及網格化算法研究[D].上海交通大學，2013.