基于Android智能手机的光电技术教学探索

  基于Android智能手机的光电技术教学探索  陈钢，严金华（浙江工业大学应用物理系，浙江杭州310023）Summary：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。Keys：android智能手机；光电探测器；光电技术；课堂教学G642.0：A：1674-9324（2015）09-0166-02基金项目：本文为浙江工业大学校级优秀课程建设项目（项目编号：YX1318）的研究成果作者简介：陈钢，男，浙江工业大学理学院，副教授、博士研究生，研究方向为光电检测技术。Email：gangchen@zjut.edu.cn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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 （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AndroidStudio开发环境，安装过程可参考官方网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。AndroidStudio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 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 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。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Surface-View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，介绍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。Reference：[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）. -全文完-