视觉类教育装备图像亮度展示效能的检测

胡又农赵锦红

1 首都师范大学教育技术系 北京 100048 2 北京师范大学信息科学学院 北京 100875

视觉类教育装备图像亮度展示效能的检测

胡又农1赵锦红2

1 首都师范大学教育技术系 北京 100048 2 北京师范大学信息科学学院 北京 100875

探讨视觉类教育装备图像亮度展示效能的检测方法，对比几种视觉类教育装备图像亮度展示效能，给出视觉类教育装备选型及使用建议。

教育装备；效能；图像；亮度展示效能

Author’s address

1 Capital Normal University, Bei j ing, China 100048

2 Bei jing Normal University, Bei j ing, China 100875

1 前言

视觉类教育装备图像展示效能指标中有一项效能指标就是图像展示质量[1]，而亮度展示效能则是图像展示质量中的一项分指标。在有些教学场合，视觉类教育装备图像亮度展示效能的指标是十分重要的，它关系到教学工作是否能顺利进行。

在摄影作品的创作和审美中，除了构图、用光、影调、色调以外，“层次”也是一项审美的重要内容。“层次”在摄影中的概念比较丰富，如远近层次、景物层次、明暗层次、色彩层次等。远近层次和景物层次与摄影艺术有关，与展示设备关系相对不大；而明暗层次和色彩层次就不仅与摄影艺术有关，还与图像的展示设备有密切关系。例如，一张明暗层次很丰富的胶片照片，如果用低质量相纸洗印则表现不出其丰富的层次；如果是一张明暗层次很丰富的数码照片，那么就需要在一种表现明暗层次能力（亮度展示效能）很强的显示设备上观看，否则其丰富的层次也得不到充分的表现。

笔者在摄影课程的教学中，曾经在普通多媒体教室里用投影机+幕布系统做摄影照片的展示，但非常遗憾的是其展示效果很不令人满意，层次丰富的照片被投影机投影到幕布上后变成“污涂涂的一片”，层次感尽失，教学效果大受影响，甚至无法开展教学工作。教学中的经验启发笔者对视觉类教育装备图像展示效能进行研究，本文主要探讨图像亮度展示效能的检测方法及几种视觉类教育装备图像亮度展示效能的对比。

2 视觉类教育装备图像亮度展示效能的检测

2.1 视觉类教育装备图像亮度展示效能的检测原理

视觉类教育装备图像亮度展示效能的测量大致有两类方法，即主观法和客观法。

主观法是让多名观察者按照已经规定好的评价标准对视觉类教育装备展示的图像质量进行评价，然后对所有观察者给出的评价结果进行加权平均，最终得到图像展示质量这个教育装备效能指标的数值。由于视觉展示类教育装备所展示的图像最终的接收者是人，因此用主观法来测量视觉类教育装备的图像展示效能指标是最直接的方法，一般也被认为是最合理、最准确的方法。但是，主观法不仅容易受到人和环境等因素的影响，还有测量耗时长、代价高、过程繁琐等不足，因此在实际中不能得到很好的应用。

客观法是将主观法中的多名观察者（人）替换成图像采集及处理设备，用图像采集及处理设备对视觉类教育装备展示出的图像进行接收、处理及评价，进而得到图像质量这个效能指标的数值。

客观法测量视觉类教育装备图像展示效能的模型及方法有很多，由于本文仅关心视觉类教育装备图像亮度展示效能的检测，属于检测图像某一特定的指标，因此用“部分参考模型图像质量评价方法[2]”来测量视觉类教育装备图像亮度展示效能比较合适。图1所示为基于“部分参考模型图像质量评价方法”的视觉类教育装备图像展示效能测量系统框图。

图1 基于“部分参考模型图像质量评价方法”的教育装备图像展示效能测量系统框图

2.2 视觉类教育装备图像亮度展示效能的检测流程

1）标准图像的产生。部分参考模型图像质量评价方法的核心是对比标准图像和显示图像之间的差异，并根据此差异来评价视觉类教育装备的图像展示效能，因此，标准图像的产生颇为重要。标准图像的设计原则有：①根据测量内容设计标准图像；②便于图像特征提取；③尽量避免干扰因素的出现。

在视觉类教育装备图像亮度展示效能的检测中主要关注以下测量内容：①亮度层次的混叠；②亮度层次的缺失；③亮度层次的非线性；④几何均匀性。

数码照片的格式一般为JPG格式或者RAW格式，虽然RAW格式图像质量高（是图像感应器将捕捉到的光源信号转化为数字信号的原始数据，未经处理和压缩，被称为“数码底片”），但需要专用软件才能显示和处理，因此在通常的教学活动中，JPG格式的图像文件是使用比较多的。然而，JPG格式的文件是采用有损压缩方法将图像数据压缩后得到的，虽然其文件的数据量比较小，但其展示后的图像与原始图像有一定的差异。因此，在选择标准图像所采用的图像格式时没有采用JPG格式。24位BMP格式的图像文件，其每个像素由24 bi t的数据表示（红8 bit、绿8 bit、蓝8 bit），没有采用数据压缩方法直接把像素的数据存入文件，其文件数据量很大。但是由于其图像信息没有损失，并且数据生成和读取相对容易，因此，标准图像采用24位BMP格式。

2）标准图像的展示。环境对视觉类教育装备图像展示效果的影响是显而易见的。例如：在强光的直接照射下，投影机+幕布系统的展示效果就变得很差；手机屏幕在户外阳光强烈时经常看不清楚；在看电影时，一般需要环境光非常暗；等等。因此，在进行视觉类教育装备图像亮度展示效能的检测时，必须对环境光进行严格的控制。

为了使检测结果对实际使用有指导意义，检测环境与使用环境应尽可能地接近。在进行多媒体教室中的展示装备检测时，应尽量选择夜间室内人工灯光照明环境，既避免阳光的干扰，又比较符合日常使用环境。室内灯光对展示装备的展示效果也有影响，不合理的室内灯光设置势必影响展示装备的展示效果，但是由于室内灯光和展示装备基本上都是同时使用，是分不开的，因此彻底排除室内灯光是不合理的。

由于室内灯光和展示装备同时参与测试，因此测试结果是个综合的结果，即被测展示装备在特定教室的图像亮度展示效能。如果发现某教室的展示装备的亮度展示效能不高，应该多方面找原因，而不应该把展示效能不高的原因单独地“归罪”于被测展示装备。

3）图像特征的提取。图像亮度的提取在图像特征提取中算是比较容易的，提取的图像亮度特征有几何分布特征和亮度分布特征两大类。几何分布特征是指图像不同区域亮度的分布情况，而亮度分布特征是指整个图像中各个像素亮度情况的统计分布特征。

几何分布特征可以观察亮度展示效果在几何位置上是否均匀，例如一张在几何位置上等亮度的标准图像，经过投影机+幕布系统的展示后，其图像亮度在几何位置上是否还是等亮度。亮度分布特征可以观察亮度层次混叠、亮度层次缺失、亮度层次非线性等指标，例如一张亮度层次感很是丰富的标准图像，经过投影机+幕布系统的展示后，其图像是否仍然具备同样丰富的亮度层次感。

4）评价及结论。主要任务是对比标准图像的图像特征和展示图像的图像特征直接的差异，并根据一系列的差异综合给出评价结论。

就某项分指标而言，由于有标准图像的存在，因此，选定的综合评价模型为“逼近理想点的评价模型”。该模型的基本思想是：如果被评价对象（展示的图像）与理想系统（标准图像）在某种意义上非常接近，则称该被评价对象是最优的，进而可以得出展示该图像的展示系统的效能是最优的。基于这种思想的综合评价方法，称为逼近样本点或理想点的排序方法[3]。

最终的评价结论可以由各项分指标综合得到，采取比较常用的“线性加权综合法”，即通过加权系数将各项分指标的评价结果综合在一起，最终得到总的综合评价值。

3 几种视觉类教育装备图像亮度展示效能的对比

3.1 几种视觉类教育装备图像亮度展示效能

针对19寸LCD显示器、投影机+幕布系统、56寸LCD大屏幕和DLP背投等几种比较常用的视觉类教育装备做了亮度展示效能的测试，这里仅就比较直观的一项指标“图像亮度分布直方图”做讨论。

图2 原始图像的图像亮度分布直方图

图3 原始图像经过LCD显示器输出后的图像亮度分布直方图

图4 原始图像经过投影机+幕布系统输出后的图像亮度分布直方图

图5 原始图像经过DLP背投系统输出后的图像亮度分布直方图

原始图像的图像亮度分布直方图如图2所示。从图中可以看出原始图像的亮度层次分明，层次间隔均匀，层次间没有混叠情况。

原始图像经过19寸LCD显示器输出后的图像亮度分布直方图如图3所示。从图中可以看出，LCD显示器展示图像的图像亮度分布与原始图像的亮度分布的有所不同；展示图像的暗部表现不好，暗部出现“抬高”和“挤压”的现象；标准图像的10个亮度层次只显示出9个层次，因此，在显示丰富的图像时有可能出现层次感变差的现象；展示图像的亮部表现尚可，图像亮部的亮度分布比较均匀。

原始图像经过投影机+幕布系统输出后的图像亮度分布直方图如图4所示。从图中可以看出，投影机+幕布系统展示图像的图像亮度分布与原始图像的亮度分布有很大不同，展示图像的暗部和亮部都表现较差，出现所谓“亮不起来，暗不下去”的现象，大量暗部被“抬高”，大量亮部被“压低”，原始图像基本均匀分布的亮度信息被“挤压”在中段，亮度层次感缺失，基本失去亮度层次表现力。

原始图像经过DLP背投系统输出后的图像亮度分布直方图如图5所示。从图中可以看出，DLP背投展示图像的图像亮度分布与原始图像的亮度分布有不同；展示图像的暗部表现较差，暗部被“抬高”和“挤压”；标准图像的10个亮度层次只显示出8个层次，实际使用时有可能出现亮度层次感缺失的现象；展示图像的亮部表现尚可，图像亮部的亮度分布比较均匀，但层次间出现混叠和过度的情况。

原始图像经过56寸LCD大屏幕输出后的图像亮度分布直方图如图6所示。从图中可以看出，LCD大屏幕展示图像的图像亮度分布与原始图像的亮度分布有不同；展示图像的暗部表现较差，暗部被“抬高”和“挤压”；标准图像的10个亮度层次只显示出8个层次，实际使用时有可能出现亮度层次感缺失的现象；展示图像的亮部表现尚可，图像亮部的亮度分布比较均匀。

图6 原始图像经过LCD大屏幕输出后的图像亮度分布直方图

表1 教育装备选型表

总结上述测量结果，就图像亮度展示效能而言，展示效能指标从高到低的排序依次为：19寸LCD显示器、56寸LCD大屏幕、DLP背投系统、投影机+幕布系统。

3.2 视觉类教育装备选型使用建议

“工欲善其事，必先利其器。”为了能很好地完成教学任务，教师应使用一种适合的教育装备。这里所说的选型是指根据教学任务的需要来选择效能适合的教育装备。本文仅讨论了图像亮度展示效能的问题，因此，图像亮度展示效能以外的问题不在讨论之列，如经济性、互动性、维修性等均不在本文讨论之列。

为了能正确“选型”，首先必须明确教育装备应承担的教育任务是什么。教育任务是复杂的，教师、学生、教育内容、教学方法、教育装备等承担的任务各不相同，不能越俎代庖。本文中，教育装备的任务是把图像尽可能逼真地展示出来，即让接收者能看清楚图像，而让接收者“看懂”图像则不是图像展示装备的任务。

其次要明确教育任务对教育装备的效能要求是什么。例如，在教学中需要展示类似本文图1的框图类型图像，那么此类教育任务对教育装备的图像色彩展示效能就没有要求，对图像亮度展示效能也没有特别的要求，因为教育任务要求教育装备展示的图像仅是一张黑白2值的图像。如果在教学中需要展示照片，而授课内容与照片的图像质量有关系，那么教育任务对图像展示装备的图像展示效能就有很高的要求。为了使选型有可操作性，教育任务对教育装备效能提出的要求应十分明确，越是要求高的越要明确，要做到数字化，不能停留在泛泛的文字叙述层面。

在明确教育任务对教育装备效能的要求之后，便可以此为依据来选择教育装备了。凡是那些效能指标大于或基本满足教育任务所要求的教育装备都可以在选择之列。表1为根据教育任务选择教育装备的选型示例表。

除了适当选型教育装备外，在使用教育装备时，也能在一定程度上提高其亮度展示效能。本文的实测结果表明，19寸LCD显示器、56寸LCD大屏幕、DLP背投系统均是在图像暗部表现差，究其原因是较明亮的环境光对图像暗部的干扰所致。因此，为了提高展示装备的图像暗部亮度展示效能，可以适当降低环境光的亮度，直至彻底排除环境光，通常的拉窗帘、关闭灯光等做法就是这个道理。

4 总结

本文介绍的视觉类教育装备图像亮度展示效能检测方法，将视觉类教育装备图像亮度展示效能的评价问题，从模糊的主观感觉提升到精确的客观测量。利用本方法对几种常用的视觉类教育装备图像亮度展示效能进行检测，检测结果与使用者的主观感觉一致，但本方法的检测结果比使用者的主观感觉要更加精准且信息量更加丰富。相比主观评测方法，本方法的检测过程可操作性好，检测结果可重复性好。

[1]胡又农,赵锦红.视觉类教育装备效能指标的探讨[J].中国教育技术装备,2012(18):3-7.

[2]高新波,路文.视觉信息质量评价方法[M].西安:西安电子科技大学出版社,2011.

[3]胡又农,等.教育装备综合评价简明教程[M].北京:北京大学出版社,2008.

Detection of Visual Kind Educational Equipment’s Brightness Per formance//

Hu Younong1, Zhao Jinhong2

This paper discusses the detection methods of visual kind educat ional equipment’s br ightness per formance, compar ison of several visual kind educat ional equipment br ightness per formance, given the selection and use advice of the visual kind educational equipment.

educational equipment; per formance; images; brightness performance

G40-057

A

1671-489X(2012)21-0003-04

10.3969 /j.issn.1671-489X.2012.21.003

作者：胡又农，硕士，副教授，研究方向为教育、教育技术、教育装备；赵锦红，高级工程师，研究方向为电子、通信、教育装备。