多媒體教室投影機亮度在線自動檢測方法

◆孫進康

作者：孫進康，解放軍理工大學信息管理中心（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和網絡教學的重要場所，對其設備進行維護與管理也已成為日常教學保障的重要工作。投影機作為多媒體教室的主要組成設備，維護的重點是燈泡，當燈泡亮度下降到一定值時，就需清洗投影機或更換燈泡。目前，燈泡亮度一般由人工進行檢測與判斷，但由于院校多媒體教室數量多、分布廣，采用人工進行檢測，對每個教室進行逐個開機檢查，不僅費時費力，效率低，而且精度差。為了滿足大批量教室管理維護的要求，本文利用圖像與控制技術，提出一種在線自動檢測投影機亮度的方法，對主動開展投影機的管理與維護具有重要意義。

2 基本原理

投影機亮度是指投影機輸出的光通量，它是描述單位時間內光源輻射產生視覺響應強弱的能力，其國際標準單位是ANSI流明，通常用Φ表示。工程實踐中，通常用測定照度的方法獲取投影機的亮度。標準測定環境為：在無環境光條件下，投影機與幕布之間距離為2.4米，幕布為60英寸，用測光筆測量幕布“田”字形九個交叉點上的各點照度，乘以面積得到投影畫面的九個點的亮度，然后求出九個點亮度的平均值就是ANSI流明亮度。由于九個點的現場確認非常麻煩，在無專用測試設備的環境中難以推廣應用[1]。

投影機的標稱亮度是其理論設計值，它是選擇投影機的重要參數。實際使用中，由于受到環境光、幕布大小、幕布增益、幕布距離等多種因素的影響，投影機投射到屏幕上的亮度會發生改變。教學中，師生更多關注的是投影機投射到屏幕上的亮度，把這一亮度稱為投影機的使用亮度，日常使用維護和管理中所說的投影機亮度就是指它的使用亮度。在教室設備安裝確定后，使用亮度隨著使用時間的增加而逐漸降低。

投影機使用亮度測量可用照度計進行，在教室投影機、幕布安裝確定后，影響使用亮度的因素主要是環境光。實際測量時，為了消除環境光的影響，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）打開投影機并預熱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）用照度計在圖像中白（實際為亮）的部分測出照度值Ew，在圖像中黑（實際為暗）的部分測出照度值Eb；4）根據投影幕布的尺寸計算其面積S；5）利用關系式Φ=(Ew-Eb)S即可計算投影機的實際使用亮度。這種方法雖能近似測量投影機的使用亮度，但照度計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。

根據圖像理論，一幅數字圖像是場景在特定光源的照射下，經反射后各點的光亮度進入到傳感器（CCD/CMOS攝像頭）的感受面上，得到面元的響應，輸出電流，再被數模轉換部件所數字化（抽樣＋量化），成為一幅離散格式的二維數字圖像。圖像中每個像素點都由紅、藍、綠色點組成，可根據像素點的R、G、B值計算圖像的亮度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算的在線自動測量方法。原理如下：在投影機上附加一個圖像采集處理器，其由中控進行控制；調整圖像采集處理器的攝像頭對準屏幕中心，當使用人員發出投影機關機指令時，中控首先控制投影機投出白屏，同時控制圖像采集器采集屏幕中心圖像；然后控制投影機投出黑屏，圖像采集器再次采集屏幕中心圖像；最后分別計算兩幅圖像中心同等面積內像素點亮度的平均值，然后相減，就可計算得出投影機的實際使用亮度。這種方法排除了環境光的影響，可在任意現場使用，在每次投影機使用結束關機時自動測量投影機的使用亮度，為投影機的維護管理提供決策依據。

3 技術實現

在現有多媒體教室基礎上，增加圖像采集處理器、控制與管理軟件，就能實現投影機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、采集計算模塊和控制接口等組成，安裝在投影機上方吊架處，由中控對其供電與控制，負責圖像采集與亮度計算。控制軟件固化在中控中，負責對投影機和圖像采集處理器進行控制，同時通過網絡通信協議傳輸數據到管理終端。管理軟件安裝在管理終端上，主要利用數據庫對數據進行存儲與分析。

當中控接收到對投影機關機的指令時，中控先后控制投影機處于白屏和黑屏狀態，同時圖像采集處理器進行白屏和黑屏圖像的捕捉，然后采集圖像像素點的R、G、B值并進行亮度計算，經過算法轉換得到投影機亮度，最后通過網絡傳到管理終端進行存儲分析與顯示。

根據圖像理論，每個像素點的亮度值Y可用如下公式計算[3]：

若單位面積的像素點數為M，則單位面積圖像的亮度為：

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

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

同樣，對應屏幕單位面積處的照度可用照度計進行測量，在投影機投出全白和全黑時，分別測量對應幕布中心處的照度Ew和EB，計算照度差：

ΔE即是用照度計測得的投影機使用亮度，其也可表示為時間的函數，即：

根據圖像獲取原理，其是通過光傳感器（CCD/CMOS攝像頭）將光能轉變為電流再進行處理后得到的，光電流與光的亮度成線性關系[4]。而照度計是通過硅光電池將光能轉換成電能，光電流和照度也成線性關系[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系。

為了得到單位面積圖像亮度ΔYS與照度ΔE的關系，再采用相關試驗方法進行分析。

對新建的多媒體教室進行跟蹤試驗，每個教室都安裝了圖像采集處理器和相應的中控，通過管理終端采集投影機使用亮度自動測量值ΔYS，同時定期用照度計測量投影機使用亮度手工測量值ΔE。經過一年多的統計記錄，得到大量的數據，經過相關統計分析發現：當投影機使用到一定時間后，其亮度呈直線下降，而在此之前，亮度隨時間緩慢下降；同時在投影機、幕布和環境條件相同的情況下，f2(t)與f1(t)兩條曲線近似成比例關系，即：

把K稱為亮度標定系數，其取決于投影機及燈泡的結構性能、幕布特性、幕布距離、照度計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。不同的多媒體教室設備應單獨進行標定計算。

根據K值就可將圖像亮度換算為照度。工程中通過以下方法計算K值：某多媒體教室新投影機和幕布安裝調整好后，對準幕布中心，用照度計分別測量投影機全白和全黑時的照度，計算照度差ΔE，手工錄入管理軟件中，由系統根據圖像采集處理器計算的ΔYS得到標定系數K，則使用到t時刻，投影機的實際使用亮度可用下式近似計算：

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的光通量，即ANSI流明亮度。

4 方法應用

只需在多媒體教室安裝圖像采集處理器和相應的軟件，就可在線自動測量投影機的使用亮度，通過網絡中控將數據存儲在服務器中。日常使用中，每次投影機使用結束關機時，都會自動進行亮度測量與存儲，管理人員可隨時通過網絡終端統計分析投影機亮度變化情況。

工程使用中，通常用屏幕中心處的照度表示投影機的使用亮度，一般不再換算為流明亮度。大量統計數據顯示，當投影機使用亮度達到150 Lux時，基本達到使用極限，此時需對投影機光路元件進行清洗或更換燈泡。

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

[1]段海濤,王敬,王風展,等.高等學校多媒體教室投影機有效亮度的研究[J].現代教育技術,2012(8):51-54 .

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

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

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