大場景三維激光掃描儀在研究生實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)中的應(yīng)用

宋麗梅　鄧耀輝　朱新軍　王紅一

摘 要 在當(dāng)今社會對高素質(zhì)、復(fù)合型人才的需求愈加強(qiáng)烈的同時(shí)，也對高層次人才的綜合素質(zhì)提出了更高的要求。組織開展課外實(shí)踐教學(xué)既能培養(yǎng)究生解決實(shí)際問題的能力，又能將原本枯燥的理論知識與實(shí)踐結(jié)合起來，不僅讓學(xué)生學(xué)會用理論來指導(dǎo)實(shí)踐，又能夠讓學(xué)生在實(shí)踐中加深對理論的認(rèn)識。本文以大場景三維掃描儀在機(jī)器視覺課外實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用為例，讓學(xué)生獨(dú)立使用大場景儀器對上課所在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描采集并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理重建。在使用儀器的過程中，加深學(xué)生對機(jī)器視覺理論的理解，并提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力、獨(dú)立創(chuàng)新能力和今后解決綜合性重大社會問題的能力。

關(guān)鍵詞 機(jī)器視覺 大場景三維激光掃描儀 實(shí)踐教學(xué)

0 引言

實(shí)踐教學(xué)是研究生教學(xué)中的重要一環(huán)，通過實(shí)踐教學(xué)可以充分挖掘?qū)W生的潛能、讓學(xué)生通過觀察、操作、分析、討論、交流、合作等方式，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在實(shí)踐過程中掌握所學(xué)知識。在國家教育院發(fā)布的“教育部關(guān)于開展研究生專業(yè)學(xué)位設(shè)置方案的通知”中提出了“研究生的培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)注重實(shí)踐教學(xué)以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展需要”。而機(jī)器視覺這門課是一門非常注重理論聯(lián)系實(shí)踐的研究生課程。本課程主要研究如何利用攝影機(jī)和電腦代替人眼來對目標(biāo)進(jìn)行識別、跟蹤或測量。機(jī)器視覺作為一門科學(xué)學(xué)科廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、食品安全行業(yè)等。典型的有機(jī)械部件尺寸檢測，織物疵點(diǎn)檢測，三維重建逆向工程等。三維重建是近些年來機(jī)器視覺主要發(fā)展的領(lǐng)域。三維物體的模型重建在CAD、模式識別、文物藝術(shù)品重建、數(shù)字娛樂（游戲、動(dòng)畫、電影）等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。①隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及圖形應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，人們對圖像的研究已經(jīng)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(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題，大場景的三維重建，逐漸顯示出其較大的科研和實(shí)用價(jià)值，例如利用大場景三維掃描技術(shù)可進(jìn)行古建筑數(shù)字化、文物保存、城市數(shù)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(jìn)行課堂教學(xué)，學(xué)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(xué)生的科研實(shí)踐能力，本課程組織學(xué)生利用大場景三維激光掃描儀進(jìn)行了實(shí)踐教學(xué)培訓(xùn)。大場景三維激光掃描儀應(yīng)用在研究生實(shí)踐教學(xué)中，既可以突破教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，促進(jìn)教學(xué)方法和實(shí)踐教學(xué)的改革與創(chuàng)新，又能增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)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(xué)生獨(dú)立使用儀器對所在實(shí)驗(yàn)室場景進(jìn)行掃描重建。

1 大場景儀器在研究生實(shí)踐教學(xué)中的探索

機(jī)器視覺是控制科學(xué)與工程、電氣工程、通信工程、計(jì)算機(jī)工程、機(jī)械工程等多學(xué)科的主干課程。同時(shí)該課程也是一門多學(xué)科交叉的課程，涉及光學(xué)、圖像處理、模式識別以及最新的三維重建等相關(guān)內(nèi)容。由于三維重建過程非常復(fù)雜，所涉的數(shù)學(xué)表達(dá)式晦澀難懂，學(xué)生僅通過課堂教學(xué)很難理解。通過大場景儀器的使用，有助于學(xué)生全面了解相關(guān)內(nèi)容，直觀看到所學(xué)理論能夠達(dá)到的實(shí)際效果，能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高他們的創(chuàng)新能力，對教師教學(xué)和學(xué)生能力培養(yǎng)具有一定的促進(jìn)作用。

大場景三維掃描儀是一種科學(xué)儀器，用來偵測并分析現(xiàn)實(shí)世界中物體或環(huán)境的形狀（幾何構(gòu)造）與外觀數(shù)據(jù)（如顏色、表面反照率等性質(zhì)）。③搜集到的數(shù)據(jù)常被用來進(jìn)行三維重建計(jì)算，在虛擬世界中創(chuàng)建實(shí)際物體的數(shù)字模型。其測量原理所用到的數(shù)學(xué)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(nèi)部坐標(biāo)系，X軸和Y軸在橫向掃描面內(nèi)，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(shù)據(jù)采集獲得觀測物的測距觀測值S，精密時(shí)鐘控制編碼器同步測量每個(gè)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(jì)算出三維激光腳點(diǎn)坐標(biāo)，坐標(biāo)計(jì)算公式如下：

（1）

但是如果僅從數(shù)學(xué)原理上為學(xué)生進(jìn)行講解，學(xué)生很難對該原理有深入的了解，因此本次實(shí)踐教學(xué)讓學(xué)生親自動(dòng)手搭設(shè)儀器設(shè)備，對場景進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過讓學(xué)生觀察大場景三維激光掃描儀的工作過程，促進(jìn)學(xué)生對枯燥的數(shù)學(xué)公式的理解。

在開始掃描前要帶領(lǐng)學(xué)生對待掃描場景進(jìn)行場景規(guī)劃，這樣能夠?qū)⒋蟮膱鼍胺殖尚鼍暗慕M合，通過對小場景的依次掃描，然后將獲得的小場景數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)拼接的方法進(jìn)行拼接從而獲得大場景的數(shù)據(jù)信息。④研究生的實(shí)踐課程不僅僅要讓學(xué)生學(xué)會課本上的內(nèi)容，還應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，只有培養(yǎng)學(xué)生全面發(fā)展而不是一味地將教學(xué)傾向于學(xué)術(shù)化教學(xué)培養(yǎng)，才能使畢業(yè)研究生能跟上社會發(fā)展的步伐。

通過實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生對枯燥的數(shù)學(xué)知識有了深刻的認(rèn)識，并對機(jī)器視覺這門課程產(chǎn)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(rèn)識。

2 利用大場景儀器指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)三維重建

三維重建是目前機(jī)器視覺領(lǐng)域發(fā)展最為熱門的課題。利用大場景儀器可以對復(fù)雜場景進(jìn)行三維重建，這種方法還原度較好，精度較高，可以為企業(yè)的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，仿型加工提供廣闊天地。基于大場景的三維重建過程主要由四部分組成，分別是：（1）數(shù)據(jù)獲取；（2）數(shù)據(jù)配準(zhǔn)；（3）模型構(gòu)造；（4）紋理映射。一般來講通過這四個(gè)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(xué)生對上課所在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的三維重建結(jié)果。

3 結(jié)束語

利用大場景三維激光掃描儀對學(xué)生開展教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，不僅能夠讓學(xué)生深入理解三維掃描儀的工作原理，更能通過本次教學(xué)讓學(xué)生對整體三維場景重建過程有詳細(xì)的了解。并且此次教學(xué)活動(dòng)讓學(xué)生親自動(dòng)手操作大型儀器并對獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這就從多方面鍛煉了學(xué)生的綜合能力，這對學(xué)生今后的科研學(xué)習(xí)以及日后的就業(yè)都有很大的推動(dòng)作用。正所謂“授人以魚不如授人以漁”，讓學(xué)生掌握原理知識的同時(shí)，學(xué)會將所學(xué)知識運(yùn)用到實(shí)際工程當(dāng)中，這樣才能為社會輸送優(yōu)質(zhì)的高層次人才。今后我們還會不斷改進(jìn)教學(xué)手段與教學(xué)水平，使學(xué)生的培養(yǎng)能夠與社會的發(fā)展相接軌，為學(xué)校的教學(xué)改革和社會的進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。

€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(shù)字化測量原理研究》（編號：60808020）、《雙目 SFS 彩色三維織物疵點(diǎn)在線檢測原理研究》（編號：10JCYBJC07200）、《腹腔內(nèi)窺鏡醫(yī)學(xué)圖像的實(shí)時(shí)三維重建方法研究》、《演藝工程數(shù)字集成關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)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(shù)研究[D].西北大學(xué)，2009.

② 宋麗梅，李宗艷，陳昌曼，習(xí)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(xí)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(wǎng)格化算法研究[D].上海交通大學(xué)，2013.