◆孫進(jìn)康

作者：孫進(jìn)康，解放軍理工大學(xué)信息管理中心（210016）。

1 引言

信息化條件下，多媒體教室已成為院校開展多媒體教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的重要場所，對其設(shè)備進(jìn)行維護(hù)與管理也已成為日常教學(xué)保障的重要工作。投影機(jī)作為多媒體教室的主要組成設(shè)備，維護(hù)的重點(diǎn)是燈泡，當(dāng)燈泡亮度下降到一定值時(shí)，就需清洗投影機(jī)或更換燈泡。目前，燈泡亮度一般由人工進(jìn)行檢測與判斷，但由于院校多媒體教室數(shù)量多、分布廣，采用人工進(jìn)行檢測，對每個(gè)教室進(jìn)行逐個(gè)開機(jī)檢查，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低，而且精度差。為了滿足大批量教室管理維護(hù)的要求，本文利用圖像與控制技術(shù)，提出一種在線自動檢測投影機(jī)亮度的方法，對主動開展投影機(jī)的管理與維護(hù)具有重要意義。

2 基本原理

投影機(jī)亮度是指投影機(jī)輸出的光通量，它是描述單位時(shí)間內(nèi)光源輻射產(chǎn)生視覺響應(yīng)強(qiáng)弱的能力，其國際標(biāo)準(zhǔn)單位是ANSI流明，通常用Φ表示。工程實(shí)踐中，通常用測定照度的方法獲取投影機(jī)的亮度。標(biāo)準(zhǔn)測定環(huán)境為：在無環(huán)境光條件下，投影機(jī)與幕布之間距離為2.4米，幕布為60英寸，用測光筆測量幕布“田”字形九個(gè)交叉點(diǎn)上的各點(diǎn)照度，乘以面積得到投影畫面的九個(gè)點(diǎn)的亮度，然后求出九個(gè)點(diǎn)亮度的平均值就是ANSI流明亮度。由于九個(gè)點(diǎn)的現(xiàn)場確認(rèn)非常麻煩，在無專用測試設(shè)備的環(huán)境中難以推廣應(yīng)用[1]。

投影機(jī)的標(biāo)稱亮度是其理論設(shè)計(jì)值，它是選擇投影機(jī)的重要參數(shù)。實(shí)際使用中，由于受到環(huán)境光、幕布大小、幕布增益、幕布距離等多種因素的影響，投影機(jī)投射到屏幕上的亮度會發(fā)生改變。教學(xué)中，師生更多關(guān)注的是投影機(jī)投射到屏幕上的亮度，把這一亮度稱為投影機(jī)的使用亮度，日常使用維護(hù)和管理中所說的投影機(jī)亮度就是指它的使用亮度。在教室設(shè)備安裝確定后，使用亮度隨著使用時(shí)間的增加而逐漸降低。

投影機(jī)使用亮度測量可用照度計(jì)進(jìn)行，在教室投影機(jī)、幕布安裝確定后，影響使用亮度的因素主要是環(huán)境光。實(shí)際測量時(shí)，為了消除環(huán)境光的影響，可以采用一種簡易測量方法[2]，即通過測量照度，再換算為亮度。Φ=E·S，E為照度，S為幕布面積。測量方法：1）打開投影機(jī)并預(yù)熱5分鐘以上；2）利用Word或PowerPoint在投影幕布上投出純黑白圖像；3）用照度計(jì)在圖像中白（實(shí)際為亮）的部分測出照度值Ew，在圖像中黑（實(shí)際為暗）的部分測出照度值Eb；4）根據(jù)投影幕布的尺寸計(jì)算其面積S；5）利用關(guān)系式Φ=(Ew-Eb)S即可計(jì)算投影機(jī)的實(shí)際使用亮度。這種方法雖能近似測量投影機(jī)的使用亮度，但照度計(jì)的感光器需由人工在屏幕上定位，對大批量教室就顯得非常麻煩，不僅工作量大，而且效率低。

根據(jù)圖像理論，一幅數(shù)字圖像是場景在特定光源的照射下，經(jīng)反射后各點(diǎn)的光亮度進(jìn)入到傳感器（CCD/CMOS攝像頭）的感受面上，得到面元的響應(yīng)，輸出電流，再被數(shù)模轉(zhuǎn)換部件所數(shù)字化（抽樣＋量化），成為一幅離散格式的二維數(shù)字圖像。圖像中每個(gè)像素點(diǎn)都由紅、藍(lán)、綠色點(diǎn)組成，可根據(jù)像素點(diǎn)的R、G、B值計(jì)算圖像的亮度Y[3]。因此，可采用圖像亮度測量法測量投影機(jī)的使用亮度。

基于上述理論和方法，本文提出一種基于圖像亮度采集與計(jì)算的在線自動測量方法。原理如下：在投影機(jī)上附加一個(gè)圖像采集處理器，其由中控進(jìn)行控制；調(diào)整圖像采集處理器的攝像頭對準(zhǔn)屏幕中心，當(dāng)使用人員發(fā)出投影機(jī)關(guān)機(jī)指令時(shí)，中控首先控制投影機(jī)投出白屏，同時(shí)控制圖像采集器采集屏幕中心圖像；然后控制投影機(jī)投出黑屏，圖像采集器再次采集屏幕中心圖像；最后分別計(jì)算兩幅圖像中心同等面積內(nèi)像素點(diǎn)亮度的平均值，然后相減，就可計(jì)算得出投影機(jī)的實(shí)際使用亮度。這種方法排除了環(huán)境光的影響，可在任意現(xiàn)場使用，在每次投影機(jī)使用結(jié)束關(guān)機(jī)時(shí)自動測量投影機(jī)的使用亮度，為投影機(jī)的維護(hù)管理提供決策依據(jù)。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在現(xiàn)有多媒體教室基礎(chǔ)上，增加圖像采集處理器、控制與管理軟件，就能實(shí)現(xiàn)投影機(jī)亮度的在線自動測量與顯示。圖像采集處理器由高清攝像頭、采集計(jì)算模塊和控制接口等組成，安裝在投影機(jī)上方吊架處，由中控對其供電與控制，負(fù)責(zé)圖像采集與亮度計(jì)算?？刂栖浖袒谥锌刂校?fù)責(zé)對投影機(jī)和圖像采集處理器進(jìn)行控制，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)到管理終端。管理軟件安裝在管理終端上，主要利用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與分析。

當(dāng)中控接收到對投影機(jī)關(guān)機(jī)的指令時(shí)，中控先后控制投影機(jī)處于白屏和黑屏狀態(tài)，同時(shí)圖像采集處理器進(jìn)行白屏和黑屏圖像的捕捉，然后采集圖像像素點(diǎn)的R、G、B值并進(jìn)行亮度計(jì)算，經(jīng)過算法轉(zhuǎn)換得到投影機(jī)亮度，最后通過網(wǎng)絡(luò)傳到管理終端進(jìn)行存儲分析與顯示。

根據(jù)圖像理論，每個(gè)像素點(diǎn)的亮度值Y可用如下公式計(jì)算[3]：

若單位面積的像素點(diǎn)數(shù)為M，則單位面積圖像的亮度為：

為了消除環(huán)境光等因素對亮度的影響，需要采用兩次采集測量法。即控制投影機(jī)投出全白和全黑，分別采集兩幅圖像，計(jì)算兩幅圖像單位面積的亮度YWS和YBS，然后計(jì)算兩者差值ΔYS。由于屏幕全白或全黑時(shí)圖像各像素點(diǎn)的亮度差異很小，因此，M值可取對應(yīng)屏幕1/100的正方形面積上的像素點(diǎn)數(shù)即可。

ΔYS即是測得的投影機(jī)使用亮度，ΔYS隨著投影機(jī)使用時(shí)間t的增加而逐漸衰減，其可表示為時(shí)間的函數(shù)：

同樣，對應(yīng)屏幕單位面積處的照度可用照度計(jì)進(jìn)行測量，在投影機(jī)投出全白和全黑時(shí)，分別測量對應(yīng)幕布中心處的照度Ew和EB，計(jì)算照度差：

ΔE即是用照度計(jì)測得的投影機(jī)使用亮度，其也可表示為時(shí)間的函數(shù)，即：

根據(jù)圖像獲取原理，其是通過光傳感器（CCD/CMOS攝像頭）將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髟龠M(jìn)行處理后得到的，光電流與光的亮度成線性關(guān)系[4]。而照度計(jì)是通過硅光電池將光能轉(zhuǎn)換成電能，光電流和照度也成線性關(guān)系[3]。兩種光電傳感器，一種是接收反射光，一種是接收照射光，但其原理基本相同，對同樣面積的受光面，上述兩種方法得到的光的亮度成一定的比例關(guān)系。

為了得到單位面積圖像亮度ΔYS與照度ΔE的關(guān)系，再采用相關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行分析。

對新建的多媒體教室進(jìn)行跟蹤試驗(yàn)，每個(gè)教室都安裝了圖像采集處理器和相應(yīng)的中控，通過管理終端采集投影機(jī)使用亮度自動測量值ΔYS，同時(shí)定期用照度計(jì)測量投影機(jī)使用亮度手工測量值ΔE。經(jīng)過一年多的統(tǒng)計(jì)記錄，得到大量的數(shù)據(jù)，經(jīng)過相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)投影機(jī)使用到一定時(shí)間后，其亮度呈直線下降，而在此之前，亮度隨時(shí)間緩慢下降；同時(shí)在投影機(jī)、幕布和環(huán)境條件相同的情況下，f2(t)與f1(t)兩條曲線近似成比例關(guān)系，即：

把K稱為亮度標(biāo)定系數(shù)，其取決于投影機(jī)及燈泡的結(jié)構(gòu)性能、幕布特性、幕布距離、照度計(jì)與圖像采集模塊的性能等因素，在上述因素確定的條件下，K值近似為一常數(shù)。不同的多媒體教室設(shè)備應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算。

根據(jù)K值就可將圖像亮度換算為照度。工程中通過以下方法計(jì)算K值：某多媒體教室新投影機(jī)和幕布安裝調(diào)整好后，對準(zhǔn)幕布中心，用照度計(jì)分別測量投影機(jī)全白和全黑時(shí)的照度，計(jì)算照度差ΔE，手工錄入管理軟件中，由系統(tǒng)根據(jù)圖像采集處理器計(jì)算的ΔYS得到標(biāo)定系數(shù)K，則使用到t時(shí)刻，投影機(jī)的實(shí)際使用亮度可用下式近似計(jì)算：

ΔE(t)是屏幕中心處的照度，若乘以屏幕面積（平方米）就可近似得到投影機(jī)的光通量，即ANSI流明亮度。

4 方法應(yīng)用

只需在多媒體教室安裝圖像采集處理器和相應(yīng)的軟件，就可在線自動測量投影機(jī)的使用亮度，通過網(wǎng)絡(luò)中控將數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器中。日常使用中，每次投影機(jī)使用結(jié)束關(guān)機(jī)時(shí)，都會自動進(jìn)行亮度測量與存儲，管理人員可隨時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)終端統(tǒng)計(jì)分析投影機(jī)亮度變化情況。

工程使用中，通常用屏幕中心處的照度表示投影機(jī)的使用亮度，一般不再換算為流明亮度。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)投影機(jī)使用亮度達(dá)到150 Lux時(shí)，基本達(dá)到使用極限，此時(shí)需對投影機(jī)光路元件進(jìn)行清洗或更換燈泡。

對大批量多媒體教室投影機(jī)的管理與維護(hù)，采用該方法不僅能及時(shí)了解投影機(jī)的使用狀況，便于備件配備和開展針對性的維護(hù)，而且避免了手工檢測判斷帶來的工作量大、參數(shù)判斷不準(zhǔn)確等問題，大大提高了管理維護(hù)的主動性?！?/p>

[1]段海濤,王敬,王風(fēng)展,等.高等學(xué)校多媒體教室投影機(jī)有效亮度的研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2012(8):51-54 .

[2]艾倫,薛鵬,何智.投影機(jī)“亮度”簡易測量[J].中國教育技術(shù)裝備,2010(17):45-46.

[3]劉婷婷.基于顏色亮度特征的圖像Hash技術(shù)[D].上海:上海大學(xué),2010.

[4]周擁軍,趙寶奇,王鵬.CCD成像型亮度計(jì)測量方法研究[J].電光與控制,2010(12):49-52.