基于Android智能手機的光電技術教學探索

陳鋼 嚴金華

摘要：為了提高課堂教學的質量、激發學生學習的熱情和動力，在光電技術類課程教學中引入智能手機。通過展示、開發一些手機探測器的簡單應用，使學生能更加直觀地感受到光電技術的實用性和重要性。利用手機攝像頭，給出了基于攝像頭的一個簡單計數器，實現光電計數功能。將最新的科技產品引入到教學中，激發學生的學習興趣和動力，促進教師的進步，實現教學相長。

關鍵詞：android智能手機；光電探測器；光電技術；課堂教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）09-0166-02

一、引言

光電技術類課程是光電類專業的必修課，課程的內容涉及面廣，需要光學、半導體物理、電路原理、電磁場理論、電子線路、量子物理等課程為基礎，是一類綜合性強的課程。光電技術中的各種探測器在手機里大都可以找到，這些傳感器在智能手機中發揮著巨大的作用，為我們的生活增添了不少色彩。如果能結合智能手機的功能來介紹探測器的工作原理及應用，將使學生直觀地感受到各種光電探測器。課堂教學中可以直接利用這些探測器開發一些簡單的手機應用，不但有助于理解器件的工作原理，還可以激發學生學習的熱情[1-3]。本文從手機攝像頭出發，分析其基本構造和工作原理，給出了基于攝像頭的一個簡單應用，實現光電計數功能。

二、系統設計

（一）攝像頭的工作原理

在較新的光電技術教材中，都會介紹像探測器，主要是CCD和CMOS，單獨開設這樣的實驗教學比較困難，然而這些探測器在我們身邊隨處可見，如數碼相機、電腦攝像頭、手機攝像頭等時刻伴隨著我們。而手機上的攝像頭還提供了直接開發的可能，可以幫助我們深刻認識CCD、CMOS等像探測器的工作原理及數據處理方式。攝像頭的基本工作原理是景物通過鏡頭（LENS）生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉為電信號，經過A/D（模數轉換）轉換后變為數字圖像信號，再送到數字信號處理芯片（DSP）中加工處理，最后通過CPU進行處理后，通過顯示屏（LCD）就可以看到圖像了[4]。

（二）軟件實現

1.開發平臺。智能手機中Android系統的開發最為方便，本文介紹的是Google公司推出的開源平臺Android Studio開發環境，安裝過程可參考官方網站說明或網絡論壇里的安裝教程[5，6]。

2.計數器工作原理。利用手機攝像頭制作光電計數器的基本原理如下，首先通過攝像頭拍攝一副背景圖片，作為光電計數時對比的依據，即測量背景噪音。然后攝像頭開始每秒拍攝多張照片，分析每張照片的總體亮度，并與背景圖片的亮度進行對比。當攝像頭前面沒有遮擋物體時，所拍攝的照片亮度和背景照片亮度相差不大，計數器不計數。當有物體從攝像頭前面運動過時，所拍攝的照片亮度與背景照片亮度相差較大，計數器開始計數。為避免遮擋物體長時間在攝像頭前造成一個物體的重復計數，可以設定一個臨時的背景亮度作為對比的依據。

3.代碼實現。Android應用設計主要分界面設計和后臺處理程序，本應用中的頁面只有一個，處理程序也只有一個，下面簡單介紹一下具體流程。第一步，界面設計。Android Studio中界面的設計采用所見即所得的形式，只需將所要的控件拖到頁面上，然后調整大小和位置即可。在新建的頁面文件里添加一個TextView文本視圖，用來顯示計數，初始值為0。再添加一個SurfaceView用來顯示照片。最后添加三個按鈕，一個測試背景亮度，一個開始計數，一個停止。設計好的頁面如圖1所示。

第二步，后臺程序處理。后臺程序雖然只有一個，但是要處理頁面上多個控件的響應，就要為每一個控件設計一個函數，本應用中設計三個Button函數、TextView函數及SurfaceView函數共四個。

Button1用來測量背景亮度，一般選擇比較亮的背景，處理函數就一句話，camera.setOneShotPreviewCallback（myPreviewCallback），其中camera.setOneShotPreviewCallback（）是系統自帶的函數，myPreviewCallback是自定義的處理圖像的方法，其功能是計算預覽圖像中亮度總和，返回數值g1。

public Camera.PreviewCallback myPreviewCallback=new Camera.PreviewCallback（）{

@TargetApi（Build.VERSION_CODES.FROYO）

@Override

public void onPreviewFrame（byte[] data，Camera camera） {

mCamera.stopPreview（）；

int gray=0；

for （int j = 0；j < 相機預覽圖片寬度；j=j++） {

for （int i = 0；i <相機預覽圖片高度；i=i++） {

gray=gray+data[i]；

}

}

mCamera.startPreview（）；

}；

Button2啟動計數器工作，代碼為timer.schedule（task，0，1000），這里用定時器timer不斷進行循環，循環時間設定為1000毫秒，可自由設定。task為定時器工作的變量，主要處理定時器時間到了后要處理的事情，這里主要就是計算預覽圖像的總體亮度，其核心代碼和Button1的代碼一樣，返回數值g2。

Button3停止定時器、攝像頭的工作，釋放攝像頭資源。

文本視圖用來顯示計數，通過一定的邏輯判斷是否計數，如g2>2*g1。

SurfaceView的處理函數分兩部分，首先要設定攝像頭參數，然后實現拍照存儲并計算照片總亮度。相機參數的設定主要是像素大小、每秒拍攝數量[7]。界面中SurfaceView控件顯示照相機中的預覽圖片，一般像素大小取相機支持的最小值，這樣數據處理就比較快速，每秒數量可以從1-10根據需要設定。相機初始化函數主要設置預覽圖片顯示到頁面中定義的SurfaceView中。

4.圖像處理。像探測器的工作原理上面已經提到，光學圖像投射到CCD或CMOS圖像傳感器上轉為電信號，經過模數轉換后變為數字圖像信號。在計算圖像亮度時可以有兩種選擇，一種是計算拍攝到的圖片的RGB值，換算為相應的灰度（GRAY）值，這種方法簡單直觀，缺點是運算速度慢。對要實時計數功能來說，要快速響應攝像頭前的運動物體，因此可以采用第二種方法。第二種方法是直接讀取攝像頭經模數轉換后存儲的原始數據，即像素數據存儲的YUV格式，YUV格式經過一定運算可以得到RGB格式，大部分CCD、CMOS的數據處理都采用此類方法。相比RGB格式，YUV格式數據存儲空間要減少一半左右，這樣就可以快速處理。為了適應快速的光電計數功能，我們直接從攝像頭預覽過程截取預覽圖像的YUV數據，然后計算圖像亮度，省去了拍照、存儲、讀取過程，極大的提高了計數響應，普通的智能手機響應速度都可以達到1/15秒。圖2是程序運行后的界面，使用時先測量一個比較亮的背景，然后當攝像頭被擋住時，就開始計數。程序中為了防止攝像頭一直被擋住而不斷計數，可以在邏輯處理上進行一些設計，設置背景亮度為當前亮度，從而有效避免重復計數。

三、結語

針對光電探測器的學習，介紹了一種利用手機探測器來開展理論、實驗教學的新方法，對像探測器CCD、CMOS的工作原理和實際中的數據處理進行了深入的分析，實現了利用手機攝像頭完成光電計數的功能。在當前科技、資訊發達的背景下開展高等教育工作，教師要及時了解科技動態，了解學生的興趣所在，然后適當地將最新科技資訊引入課堂教學。

參考文獻：

[1]王鷹.基于Android應用的移動學習資源設計與開發研究——以“中南大學視頻公開課”為例[J].現代教育技術：2014，（3）.

[2]王強，鄭世玨，宋志明.基于Android的交互式學習微閱覽器設計與實現[J].現代教育技術，2012，（9）.