多媒体教室投影机亮度在线自动检测方法

◆孙进康

作者：孙进康，解放军理工大学信息管理中心（210016）。

1 引言

信息化条件下，多媒体教室已成为院校开展多媒体教学和网络教学的重要场所，对其设备进行维护与管理也已成为日常教学保障的重要工作。投影机作为多媒体教室的主要组成设备，维护的重点是灯泡，当灯泡亮度下降到一定值时，就需清洗投影机或更换灯泡。目前，灯泡亮度一般由人工进行检测与判断，但由于院校多媒体教室数量多、分布广，采用人工进行检测，对每个教室进行逐个开机检查，不仅费时费力，效率低，而且精度差。为了满足大批量教室管理维护的要求，本文利用图像与控制技术，提出一种在线自动检测投影机亮度的方法，对主动开展投影机的管理与维护具有重要意义。

2 基本原理

投影机亮度是指投影机输出的光通量，它是描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力，其国际标准单位是ANSI流明，通常用Φ表示。工程实践中，通常用测定照度的方法获取投影机的亮度。标准测定环境为：在无环境光条件下，投影机与幕布之间距离为2.4米，幕布为60英寸，用测光笔测量幕布“田”字形九个交叉点上的各点照度，乘以面积得到投影画面的九个点的亮度，然后求出九个点亮度的平均值就是ANSI流明亮度。由于九个点的现场确认非常麻烦，在无专用测试设备的环境中难以推广应用[1]。

投影机的标称亮度是其理论设计值，它是选择投影机的重要参数。实际使用中，由于受到环境光、幕布大小、幕布增益、幕布距离等多种因素的影响，投影机投射到屏幕上的亮度会发生改变。教学中，师生更多关注的是投影机投射到屏幕上的亮度，把这一亮度称为投影机的使用亮度，日常使用维护和管理中所说的投影机亮度就是指它的使用亮度。在教室设备安装确定后，使用亮度随着使用时间的增加而逐渐降低。

投影机使用亮度测量可用照度计进行，在教室投影机、幕布安装确定后，影响使用亮度的因素主要是环境光。实际测量时，为了消除环境光的影响，可以采用一种简易测量方法[2]，即通过测量照度，再换算为亮度。Φ=E·S，E为照度，S为幕布面积。测量方法：1）打开投影机并预热5分钟以上；2）利用Word或PowerPoint在投影幕布上投出纯黑白图像；3）用照度计在图像中白（实际为亮）的部分测出照度值Ew，在图像中黑（实际为暗）的部分测出照度值Eb；4）根据投影幕布的尺寸计算其面积S；5）利用关系式Φ=(Ew-Eb)S即可计算投影机的实际使用亮度。这种方法虽能近似测量投影机的使用亮度，但照度计的感光器需由人工在屏幕上定位，对大批量教室就显得非常麻烦，不仅工作量大，而且效率低。

根据图像理论，一幅数字图像是场景在特定光源的照射下，经反射后各点的光亮度进入到传感器（CCD/CMOS摄像头）的感受面上，得到面元的响应，输出电流，再被数模转换部件所数字化（抽样＋量化），成为一幅离散格式的二维数字图像。图像中每个像素点都由红、蓝、绿色点组成，可根据像素点的R、G、B值计算图像的亮度Y[3]。因此，可采用图像亮度测量法测量投影机的使用亮度。

基于上述理论和方法，本文提出一种基于图像亮度采集与计算的在线自动测量方法。原理如下：在投影机上附加一个图像采集处理器，其由中控进行控制；调整图像采集处理器的摄像头对准屏幕中心，当使用人员发出投影机关机指令时，中控首先控制投影机投出白屏，同时控制图像采集器采集屏幕中心图像；然后控制投影机投出黑屏，图像采集器再次采集屏幕中心图像；最后分别计算两幅图像中心同等面积内像素点亮度的平均值，然后相减，就可计算得出投影机的实际使用亮度。这种方法排除了环境光的影响，可在任意现场使用，在每次投影机使用结束关机时自动测量投影机的使用亮度，为投影机的维护管理提供决策依据。

3 技术实现

在现有多媒体教室基础上，增加图像采集处理器、控制与管理软件，就能实现投影机亮度的在线自动测量与显示。图像采集处理器由高清摄像头、采集计算模块和控制接口等组成，安装在投影机上方吊架处，由中控对其供电与控制，负责图像采集与亮度计算。控制软件固化在中控中，负责对投影机和图像采集处理器进行控制，同时通过网络通信协议传输数据到管理终端。管理软件安装在管理终端上，主要利用数据库对数据进行存储与分析。

当中控接收到对投影机关机的指令时，中控先后控制投影机处于白屏和黑屏状态，同时图像采集处理器进行白屏和黑屏图像的捕捉，然后采集图像像素点的R、G、B值并进行亮度计算，经过算法转换得到投影机亮度，最后通过网络传到管理终端进行存储分析与显示。

根据图像理论，每个像素点的亮度值Y可用如下公式计算[3]：

若单位面积的像素点数为M，则单位面积图像的亮度为：

为了消除环境光等因素对亮度的影响，需要采用两次采集测量法。即控制投影机投出全白和全黑，分别采集两幅图像，计算两幅图像单位面积的亮度YWS和YBS，然后计算两者差值ΔYS。由于屏幕全白或全黑时图像各像素点的亮度差异很小，因此，M值可取对应屏幕1/100的正方形面积上的像素点数即可。

ΔYS即是测得的投影机使用亮度，ΔYS随着投影机使用时间t的增加而逐渐衰减，其可表示为时间的函数：

同样，对应屏幕单位面积处的照度可用照度计进行测量，在投影机投出全白和全黑时，分别测量对应幕布中心处的照度Ew和EB，计算照度差：

ΔE即是用照度计测得的投影机使用亮度，其也可表示为时间的函数，即：

根据图像获取原理，其是通过光传感器（CCD/CMOS摄像头）将光能转变为电流再进行处理后得到的，光电流与光的亮度成线性关系[4]。而照度计是通过硅光电池将光能转换成电能，光电流和照度也成线性关系[3]。两种光电传感器，一种是接收反射光，一种是接收照射光，但其原理基本相同，对同样面积的受光面，上述两种方法得到的光的亮度成一定的比例关系。

为了得到单位面积图像亮度ΔYS与照度ΔE的关系，再采用相关试验方法进行分析。

对新建的多媒体教室进行跟踪试验，每个教室都安装了图像采集处理器和相应的中控，通过管理终端采集投影机使用亮度自动测量值ΔYS，同时定期用照度计测量投影机使用亮度手工测量值ΔE。经过一年多的统计记录，得到大量的数据，经过相关统计分析发现：当投影机使用到一定时间后，其亮度呈直线下降，而在此之前，亮度随时间缓慢下降；同时在投影机、幕布和环境条件相同的情况下，f2(t)与f1(t)两条曲线近似成比例关系，即：

把K称为亮度标定系数，其取决于投影机及灯泡的结构性能、幕布特性、幕布距离、照度计与图像采集模块的性能等因素，在上述因素确定的条件下，K值近似为一常数。不同的多媒体教室设备应单独进行标定计算。

根据K值就可将图像亮度换算为照度。工程中通过以下方法计算K值：某多媒体教室新投影机和幕布安装调整好后，对准幕布中心，用照度计分别测量投影机全白和全黑时的照度，计算照度差ΔE，手工录入管理软件中，由系统根据图像采集处理器计算的ΔYS得到标定系数K，则使用到t时刻，投影机的实际使用亮度可用下式近似计算：

ΔE(t)是屏幕中心处的照度，若乘以屏幕面积（平方米）就可近似得到投影机的光通量，即ANSI流明亮度。

4 方法应用

只需在多媒体教室安装图像采集处理器和相应的软件，就可在线自动测量投影机的使用亮度，通过网络中控将数据存储在服务器中。日常使用中，每次投影机使用结束关机时，都会自动进行亮度测量与存储，管理人员可随时通过网络终端统计分析投影机亮度变化情况。

工程使用中，通常用屏幕中心处的照度表示投影机的使用亮度，一般不再换算为流明亮度。大量统计数据显示，当投影机使用亮度达到150 Lux时，基本达到使用极限，此时需对投影机光路元件进行清洗或更换灯泡。

对大批量多媒体教室投影机的管理与维护，采用该方法不仅能及时了解投影机的使用状况，便于备件配备和开展针对性的维护，而且避免了手工检测判断带来的工作量大、参数判断不准确等问题，大大提高了管理维护的主动性。■

[1]段海涛,王敬,王风展,等.高等学校多媒体教室投影机有效亮度的研究[J].现代教育技术,2012(8):51-54 .

[2]艾伦,薛鹏,何智.投影机“亮度”简易测量[J].中国教育技术装备,2010(17):45-46.

[3]刘婷婷.基于颜色亮度特征的图像Hash技术[D].上海:上海大学,2010.

[4]周拥军,赵宝奇,王鹏.CCD成像型亮度计测量方法研究[J].电光与控制,2010(12):49-52.