基于Android智能手机的光电技术教学探索

陈钢 严金华

摘要：为了提高课堂教学的质量、激发学生学习的热情和动力，在光电技术类课程教学中引入智能手机。通过展示、开发一些手机探测器的简单应用，使学生能更加直观地感受到光电技术的实用性和重要性。利用手机摄像头，给出了基于摄像头的一个简单计数器，实现光电计数功能。将最新的科技产品引入到教学中，激发学生的学习兴趣和动力，促进教师的进步，实现教学相长。

关键词：android智能手机；光电探测器；光电技术；课堂教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）09-0166-02

一、引言

光电技术类课程是光电类专业的必修课，课程的内容涉及面广，需要光学、半导体物理、电路原理、电磁场理论、电子线路、量子物理等课程为基础，是一类综合性强的课程。光电技术中的各种探测器在手机里大都可以找到，这些传感器在智能手机中发挥着巨大的作用，为我们的生活增添了不少色彩。如果能结合智能手机的功能来介绍探测器的工作原理及应用，将使学生直观地感受到各种光电探测器。课堂教学中可以直接利用这些探测器开发一些简单的手机应用，不但有助于理解器件的工作原理，还可以激发学生学习的热情[1-3]。本文从手机摄像头出发，分析其基本构造和工作原理，给出了基于摄像头的一个简单应用，实现光电计数功能。

二、系统设计

（一）摄像头的工作原理

在较新的光电技术教材中，都会介绍像探测器，主要是CCD和CMOS，单独开设这样的实验教学比较困难，然而这些探测器在我们身边随处可见，如数码相机、电脑摄像头、手机摄像头等时刻伴随着我们。而手机上的摄像头还提供了直接开发的可能，可以帮助我们深刻认识CCD、CMOS等像探测器的工作原理及数据处理方式。摄像头的基本工作原理是景物通过镜头（LENS）生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经过A/D（模数转换）转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片（DSP）中加工处理，最后通过CPU进行处理后，通过显示屏（LCD）就可以看到图像了[4]。

（二）软件实现

1.开发平台。智能手机中Android系统的开发最为方便，本文介绍的是Google公司推出的开源平台Android Studio开发环境，安装过程可参考官方網站说明或网络论坛里的安装教程[5，6]。

2.计数器工作原理。利用手机摄像头制作光电计数器的基本原理如下，首先通过摄像头拍摄一副背景图片，作为光电计数时对比的依据，即测量背景噪音。然后摄像头开始每秒拍摄多张照片，分析每张照片的总体亮度，并与背景图片的亮度进行对比。当摄像头前面没有遮挡物体时，所拍摄的照片亮度和背景照片亮度相差不大，计数器不计数。当有物体从摄像头前面运动过时，所拍摄的照片亮度与背景照片亮度相差较大，计数器开始计数。为避免遮挡物体长时间在摄像头前造成一个物体的重复计数，可以设定一个临时的背景亮度作为对比的依据。

3.代码实现。Android应用设计主要分界面设计和后台处理程序，本应用中的页面只有一个，处理程序也只有一个，下面简单介绍一下具体流程。第一步，界面设计。Android Studio中界面的设计采用所见即所得的形式，只需将所要的控件拖到页面上，然后调整大小和位置即可。在新建的页面文件里添加一个TextView文本视图，用来显示计数，初始值为0。再添加一个SurfaceView用来显示照片。最后添加三个按钮，一个测试背景亮度，一个开始计数，一个停止。设计好的页面如图1所示。

第二步，后台程序处理。后台程序虽然只有一个，但是要处理页面上多个控件的响应，就要为每一个控件设计一个函数，本应用中设计三个Button函数、TextView函数及SurfaceView函数共四个。

Button1用来测量背景亮度，一般选择比较亮的背景，处理函数就一句话，camera.setOneShotPreviewCallback（myPreviewCallback），其中camera.setOneShotPreviewCallback（）是系统自带的函数，myPreviewCallback是自定义的处理图像的方法，其功能是计算预览图像中亮度总和，返回数值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 < 相机预览图片宽度；j=j++） {

for （int i = 0；i <相机预览图片高度；i=i++） {

gray=gray+data[i]；

}

}

mCamera.startPreview（）；

}；

Button2启动计数器工作，代码为timer.schedule（task，0，1000），这里用定时器timer不断进行循环，循环时间设定为1000毫秒，可自由设定。task为定时器工作的变量，主要处理定时器时间到了后要处理的事情，这里主要就是计算预览图像的总体亮度，其核心代码和Button1的代码一样，返回数值g2。

Button3停止定时器、摄像头的工作，释放摄像头资源。

文本视图用来显示计数，通过一定的逻辑判断是否计数，如g2>2*g1。

SurfaceView的处理函数分两部分，首先要设定摄像头参数，然后实现拍照存储并计算照片总亮度。相机参数的设定主要是像素大小、每秒拍摄数量[7]。界面中SurfaceView控件显示照相机中的预览图片，一般像素大小取相机支持的最小值，这样数据处理就比较快速，每秒数量可以从1-10根据需要设定。相机初始化函数主要设置预览图片显示到页面中定义的SurfaceView中。

4.图像处理。像探测器的工作原理上面已经提到，光学图像投射到CCD或CMOS图像传感器上转为电信号，经过模数转换后变为数字图像信号。在计算图像亮度时可以有两种选择，一种是计算拍摄到的图片的RGB值，换算为相应的灰度（GRAY）值，这种方法简单直观，缺点是运算速度慢。对要实时计数功能来说，要快速响应摄像头前的运动物体，因此可以采用第二种方法。第二种方法是直接读取摄像头经模数转换后存储的原始数据，即像素数据存储的YUV格式，YUV格式经过一定运算可以得到RGB格式，大部分CCD、CMOS的数据处理都采用此类方法。相比RGB格式，YUV格式数据存储空间要减少一半左右，这样就可以快速处理。为了适应快速的光电计数功能，我们直接从摄像头预览过程截取预览图像的YUV数据，然后计算图像亮度，省去了拍照、存储、读取过程，极大的提高了计数响应，普通的智能手机响应速度都可以达到1/15秒。图2是程序运行后的界面，使用时先测量一个比较亮的背景，然后当摄像头被挡住时，就开始计数。程序中为了防止摄像头一直被挡住而不断计数，可以在逻辑处理上进行一些设计，设置背景亮度为当前亮度，从而有效避免重复计数。

三、结语

针对光电探测器的学习，介紹了一种利用手机探测器来开展理论、实验教学的新方法，对像探测器CCD、CMOS的工作原理和实际中的数据处理进行了深入的分析，实现了利用手机摄像头完成光电计数的功能。在当前科技、资讯发达的背景下开展高等教育工作，教师要及时了解科技动态，了解学生的兴趣所在，然后适当地将最新科技资讯引入课堂教学。

参考文献：

[1]王鹰.基于Android应用的移动学习资源设计与开发研究——以“中南大学视频公开课”为例[J].现代教育技术：2014，（3）.

[2]王强，郑世珏，宋志明.基于Android的交互式学习微阅览器设计与实现[J].现代教育技术，2012，（9）.