視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的檢測

胡又農(nóng)趙錦紅

1 首都師范大學(xué)教育技術(shù)系 北京 100048 2 北京師范大學(xué)信息科學(xué)學(xué)院 北京 100875

視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的檢測

胡又農(nóng)1趙錦紅2

1 首都師范大學(xué)教育技術(shù)系 北京 100048 2 北京師范大學(xué)信息科學(xué)學(xué)院 北京 100875

探討視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的檢測方法，對比幾種視覺類教育裝備圖像亮度展示效能，給出視覺類教育裝備選型及使用建議。

教育裝備；效能；圖像；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

視覺類教育裝備圖像展示效能指標(biāo)中有一項效能指標(biāo)就是圖像展示質(zhì)量[1]，而亮度展示效能則是圖像展示質(zhì)量中的一項分指標(biāo)。在有些教學(xué)場合，視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的指標(biāo)是十分重要的，它關(guān)系到教學(xué)工作是否能順利進(jìn)行。

在攝影作品的創(chuàng)作和審美中，除了構(gòu)圖、用光、影調(diào)、色調(diào)以外，“層次”也是一項審美的重要內(nèi)容?！皩哟巍痹跀z影中的概念比較豐富，如遠(yuǎn)近層次、景物層次、明暗層次、色彩層次等。遠(yuǎn)近層次和景物層次與攝影藝術(shù)有關(guān)，與展示設(shè)備關(guān)系相對不大；而明暗層次和色彩層次就不僅與攝影藝術(shù)有關(guān)，還與圖像的展示設(shè)備有密切關(guān)系。例如，一張明暗層次很豐富的膠片照片，如果用低質(zhì)量相紙洗印則表現(xiàn)不出其豐富的層次；如果是一張明暗層次很豐富的數(shù)碼照片，那么就需要在一種表現(xiàn)明暗層次能力（亮度展示效能）很強(qiáng)的顯示設(shè)備上觀看，否則其豐富的層次也得不到充分的表現(xiàn)。

筆者在攝影課程的教學(xué)中，曾經(jīng)在普通多媒體教室里用投影機(jī)+幕布系統(tǒng)做攝影照片的展示，但非常遺憾的是其展示效果很不令人滿意，層次豐富的照片被投影機(jī)投影到幕布上后變成“污涂涂的一片”，層次感盡失，教學(xué)效果大受影響，甚至無法開展教學(xué)工作。教學(xué)中的經(jīng)驗啟發(fā)筆者對視覺類教育裝備圖像展示效能進(jìn)行研究，本文主要探討圖像亮度展示效能的檢測方法及幾種視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的對比。

2 視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的檢測

2.1 視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的檢測原理

視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的測量大致有兩類方法，即主觀法和客觀法。

主觀法是讓多名觀察者按照已經(jīng)規(guī)定好的評價標(biāo)準(zhǔn)對視覺類教育裝備展示的圖像質(zhì)量進(jìn)行評價，然后對所有觀察者給出的評價結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，最終得到圖像展示質(zhì)量這個教育裝備效能指標(biāo)的數(shù)值。由于視覺展示類教育裝備所展示的圖像最終的接收者是人，因此用主觀法來測量視覺類教育裝備的圖像展示效能指標(biāo)是最直接的方法，一般也被認(rèn)為是最合理、最準(zhǔn)確的方法。但是，主觀法不僅容易受到人和環(huán)境等因素的影響，還有測量耗時長、代價高、過程繁瑣等不足，因此在實際中不能得到很好的應(yīng)用。

客觀法是將主觀法中的多名觀察者（人）替換成圖像采集及處理設(shè)備，用圖像采集及處理設(shè)備對視覺類教育裝備展示出的圖像進(jìn)行接收、處理及評價，進(jìn)而得到圖像質(zhì)量這個效能指標(biāo)的數(shù)值。

客觀法測量視覺類教育裝備圖像展示效能的模型及方法有很多，由于本文僅關(guān)心視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的檢測，屬于檢測圖像某一特定的指標(biāo)，因此用“部分參考模型圖像質(zhì)量評價方法[2]”來測量視覺類教育裝備圖像亮度展示效能比較合適。圖1所示為基于“部分參考模型圖像質(zhì)量評價方法”的視覺類教育裝備圖像展示效能測量系統(tǒng)框圖。

圖1 基于“部分參考模型圖像質(zhì)量評價方法”的教育裝備圖像展示效能測量系統(tǒng)框圖

2.2 視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的檢測流程

1）標(biāo)準(zhǔn)圖像的產(chǎn)生。部分參考模型圖像質(zhì)量評價方法的核心是對比標(biāo)準(zhǔn)圖像和顯示圖像之間的差異，并根據(jù)此差異來評價視覺類教育裝備的圖像展示效能，因此，標(biāo)準(zhǔn)圖像的產(chǎn)生頗為重要。標(biāo)準(zhǔn)圖像的設(shè)計原則有：①根據(jù)測量內(nèi)容設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)圖像；②便于圖像特征提取；③盡量避免干擾因素的出現(xiàn)。

在視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的檢測中主要關(guān)注以下測量內(nèi)容：①亮度層次的混疊；②亮度層次的缺失；③亮度層次的非線性；④幾何均勻性。

數(shù)碼照片的格式一般為JPG格式或者RAW格式，雖然RAW格式圖像質(zhì)量高（是圖像感應(yīng)器將捕捉到的光源信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的原始數(shù)據(jù)，未經(jīng)處理和壓縮，被稱為“數(shù)碼底片”），但需要專用軟件才能顯示和處理，因此在通常的教學(xué)活動中，JPG格式的圖像文件是使用比較多的。然而，JPG格式的文件是采用有損壓縮方法將圖像數(shù)據(jù)壓縮后得到的，雖然其文件的數(shù)據(jù)量比較小，但其展示后的圖像與原始圖像有一定的差異。因此，在選擇標(biāo)準(zhǔn)圖像所采用的圖像格式時沒有采用JPG格式。24位BMP格式的圖像文件，其每個像素由24 bi t的數(shù)據(jù)表示（紅8 bit、綠8 bit、藍(lán)8 bit），沒有采用數(shù)據(jù)壓縮方法直接把像素的數(shù)據(jù)存入文件，其文件數(shù)據(jù)量很大。但是由于其圖像信息沒有損失，并且數(shù)據(jù)生成和讀取相對容易，因此，標(biāo)準(zhǔn)圖像采用24位BMP格式。

2）標(biāo)準(zhǔn)圖像的展示。環(huán)境對視覺類教育裝備圖像展示效果的影響是顯而易見的。例如：在強(qiáng)光的直接照射下，投影機(jī)+幕布系統(tǒng)的展示效果就變得很差；手機(jī)屏幕在戶外陽光強(qiáng)烈時經(jīng)?？床磺宄?；在看電影時，一般需要環(huán)境光非常暗；等等。因此，在進(jìn)行視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的檢測時，必須對環(huán)境光進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

為了使檢測結(jié)果對實際使用有指導(dǎo)意義，檢測環(huán)境與使用環(huán)境應(yīng)盡可能地接近。在進(jìn)行多媒體教室中的展示裝備檢測時，應(yīng)盡量選擇夜間室內(nèi)人工燈光照明環(huán)境，既避免陽光的干擾，又比較符合日常使用環(huán)境。室內(nèi)燈光對展示裝備的展示效果也有影響，不合理的室內(nèi)燈光設(shè)置勢必影響展示裝備的展示效果，但是由于室內(nèi)燈光和展示裝備基本上都是同時使用，是分不開的，因此徹底排除室內(nèi)燈光是不合理的。

由于室內(nèi)燈光和展示裝備同時參與測試，因此測試結(jié)果是個綜合的結(jié)果，即被測展示裝備在特定教室的圖像亮度展示效能。如果發(fā)現(xiàn)某教室的展示裝備的亮度展示效能不高，應(yīng)該多方面找原因，而不應(yīng)該把展示效能不高的原因單獨地“歸罪”于被測展示裝備。

3）圖像特征的提取。圖像亮度的提取在圖像特征提取中算是比較容易的，提取的圖像亮度特征有幾何分布特征和亮度分布特征兩大類。幾何分布特征是指圖像不同區(qū)域亮度的分布情況，而亮度分布特征是指整個圖像中各個像素亮度情況的統(tǒng)計分布特征。

幾何分布特征可以觀察亮度展示效果在幾何位置上是否均勻，例如一張在幾何位置上等亮度的標(biāo)準(zhǔn)圖像，經(jīng)過投影機(jī)+幕布系統(tǒng)的展示后，其圖像亮度在幾何位置上是否還是等亮度。亮度分布特征可以觀察亮度層次混疊、亮度層次缺失、亮度層次非線性等指標(biāo)，例如一張亮度層次感很是豐富的標(biāo)準(zhǔn)圖像，經(jīng)過投影機(jī)+幕布系統(tǒng)的展示后，其圖像是否仍然具備同樣豐富的亮度層次感。

4）評價及結(jié)論。主要任務(wù)是對比標(biāo)準(zhǔn)圖像的圖像特征和展示圖像的圖像特征直接的差異，并根據(jù)一系列的差異綜合給出評價結(jié)論。

就某項分指標(biāo)而言，由于有標(biāo)準(zhǔn)圖像的存在，因此，選定的綜合評價模型為“逼近理想點的評價模型”。該模型的基本思想是：如果被評價對象（展示的圖像）與理想系統(tǒng)（標(biāo)準(zhǔn)圖像）在某種意義上非常接近，則稱該被評價對象是最優(yōu)的，進(jìn)而可以得出展示該圖像的展示系統(tǒng)的效能是最優(yōu)的?；谶@種思想的綜合評價方法，稱為逼近樣本點或理想點的排序方法[3]。

最終的評價結(jié)論可以由各項分指標(biāo)綜合得到，采取比較常用的“線性加權(quán)綜合法”，即通過加權(quán)系數(shù)將各項分指標(biāo)的評價結(jié)果綜合在一起，最終得到總的綜合評價值。

3 幾種視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的對比

3.1 幾種視覺類教育裝備圖像亮度展示效能

針對19寸LCD顯示器、投影機(jī)+幕布系統(tǒng)、56寸LCD大屏幕和DLP背投等幾種比較常用的視覺類教育裝備做了亮度展示效能的測試，這里僅就比較直觀的一項指標(biāo)“圖像亮度分布直方圖”做討論。

圖2 原始圖像的圖像亮度分布直方圖

圖3 原始圖像經(jīng)過LCD顯示器輸出后的圖像亮度分布直方圖

圖4 原始圖像經(jīng)過投影機(jī)+幕布系統(tǒng)輸出后的圖像亮度分布直方圖

圖5 原始圖像經(jīng)過DLP背投系統(tǒng)輸出后的圖像亮度分布直方圖

原始圖像的圖像亮度分布直方圖如圖2所示。從圖中可以看出原始圖像的亮度層次分明，層次間隔均勻，層次間沒有混疊情況。

原始圖像經(jīng)過19寸LCD顯示器輸出后的圖像亮度分布直方圖如圖3所示。從圖中可以看出，LCD顯示器展示圖像的圖像亮度分布與原始圖像的亮度分布的有所不同；展示圖像的暗部表現(xiàn)不好，暗部出現(xiàn)“抬高”和“擠壓”的現(xiàn)象；標(biāo)準(zhǔn)圖像的10個亮度層次只顯示出9個層次，因此，在顯示豐富的圖像時有可能出現(xiàn)層次感變差的現(xiàn)象；展示圖像的亮部表現(xiàn)尚可，圖像亮部的亮度分布比較均勻。

原始圖像經(jīng)過投影機(jī)+幕布系統(tǒng)輸出后的圖像亮度分布直方圖如圖4所示。從圖中可以看出，投影機(jī)+幕布系統(tǒng)展示圖像的圖像亮度分布與原始圖像的亮度分布有很大不同，展示圖像的暗部和亮部都表現(xiàn)較差，出現(xiàn)所謂“亮不起來，暗不下去”的現(xiàn)象，大量暗部被“抬高”，大量亮部被“壓低”，原始圖像基本均勻分布的亮度信息被“擠壓”在中段，亮度層次感缺失，基本失去亮度層次表現(xiàn)力。

原始圖像經(jīng)過DLP背投系統(tǒng)輸出后的圖像亮度分布直方圖如圖5所示。從圖中可以看出，DLP背投展示圖像的圖像亮度分布與原始圖像的亮度分布有不同；展示圖像的暗部表現(xiàn)較差，暗部被“抬高”和“擠壓”；標(biāo)準(zhǔn)圖像的10個亮度層次只顯示出8個層次，實際使用時有可能出現(xiàn)亮度層次感缺失的現(xiàn)象；展示圖像的亮部表現(xiàn)尚可，圖像亮部的亮度分布比較均勻，但層次間出現(xiàn)混疊和過度的情況。

原始圖像經(jīng)過56寸LCD大屏幕輸出后的圖像亮度分布直方圖如圖6所示。從圖中可以看出，LCD大屏幕展示圖像的圖像亮度分布與原始圖像的亮度分布有不同；展示圖像的暗部表現(xiàn)較差，暗部被“抬高”和“擠壓”；標(biāo)準(zhǔn)圖像的10個亮度層次只顯示出8個層次，實際使用時有可能出現(xiàn)亮度層次感缺失的現(xiàn)象；展示圖像的亮部表現(xiàn)尚可，圖像亮部的亮度分布比較均勻。

圖6 原始圖像經(jīng)過LCD大屏幕輸出后的圖像亮度分布直方圖

表1 教育裝備選型表

總結(jié)上述測量結(jié)果，就圖像亮度展示效能而言，展示效能指標(biāo)從高到低的排序依次為：19寸LCD顯示器、56寸LCD大屏幕、DLP背投系統(tǒng)、投影機(jī)+幕布系統(tǒng)。

3.2 視覺類教育裝備選型使用建議

“工欲善其事，必先利其器?！睘榱四芎芎玫赝瓿山虒W(xué)任務(wù)，教師應(yīng)使用一種適合的教育裝備。這里所說的選型是指根據(jù)教學(xué)任務(wù)的需要來選擇效能適合的教育裝備。本文僅討論了圖像亮度展示效能的問題，因此，圖像亮度展示效能以外的問題不在討論之列，如經(jīng)濟(jì)性、互動性、維修性等均不在本文討論之列。

為了能正確“選型”，首先必須明確教育裝備應(yīng)承擔(dān)的教育任務(wù)是什么。教育任務(wù)是復(fù)雜的，教師、學(xué)生、教育內(nèi)容、教學(xué)方法、教育裝備等承擔(dān)的任務(wù)各不相同，不能越俎代庖。本文中，教育裝備的任務(wù)是把圖像盡可能逼真地展示出來，即讓接收者能看清楚圖像，而讓接收者“看懂”圖像則不是圖像展示裝備的任務(wù)。

其次要明確教育任務(wù)對教育裝備的效能要求是什么。例如，在教學(xué)中需要展示類似本文圖1的框圖類型圖像，那么此類教育任務(wù)對教育裝備的圖像色彩展示效能就沒有要求，對圖像亮度展示效能也沒有特別的要求，因為教育任務(wù)要求教育裝備展示的圖像僅是一張黑白2值的圖像。如果在教學(xué)中需要展示照片，而授課內(nèi)容與照片的圖像質(zhì)量有關(guān)系，那么教育任務(wù)對圖像展示裝備的圖像展示效能就有很高的要求。為了使選型有可操作性，教育任務(wù)對教育裝備效能提出的要求應(yīng)十分明確，越是要求高的越要明確，要做到數(shù)字化，不能停留在泛泛的文字?jǐn)⑹鰧用妗?/p>

在明確教育任務(wù)對教育裝備效能的要求之后，便可以此為依據(jù)來選擇教育裝備了。凡是那些效能指標(biāo)大于或基本滿足教育任務(wù)所要求的教育裝備都可以在選擇之列。表1為根據(jù)教育任務(wù)選擇教育裝備的選型示例表。

除了適當(dāng)選型教育裝備外，在使用教育裝備時，也能在一定程度上提高其亮度展示效能。本文的實測結(jié)果表明，19寸LCD顯示器、56寸LCD大屏幕、DLP背投系統(tǒng)均是在圖像暗部表現(xiàn)差，究其原因是較明亮的環(huán)境光對圖像暗部的干擾所致。因此，為了提高展示裝備的圖像暗部亮度展示效能，可以適當(dāng)降低環(huán)境光的亮度，直至徹底排除環(huán)境光，通常的拉窗簾、關(guān)閉燈光等做法就是這個道理。

4 總結(jié)

本文介紹的視覺類教育裝備圖像亮度展示效能檢測方法，將視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的評價問題，從模糊的主觀感覺提升到精確的客觀測量。利用本方法對幾種常用的視覺類教育裝備圖像亮度展示效能進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果與使用者的主觀感覺一致，但本方法的檢測結(jié)果比使用者的主觀感覺要更加精準(zhǔn)且信息量更加豐富。相比主觀評測方法，本方法的檢測過程可操作性好，檢測結(jié)果可重復(fù)性好。

[1]胡又農(nóng),趙錦紅.視覺類教育裝備效能指標(biāo)的探討[J].中國教育技術(shù)裝備,2012(18):3-7.

[2]高新波,路文.視覺信息質(zhì)量評價方法[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2011.

[3]胡又農(nóng),等.教育裝備綜合評價簡明教程[M].北京:北京大學(xué)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：胡又農(nóng)，碩士，副教授，研究方向為教育、教育技術(shù)、教育裝備；趙錦紅，高級工程師，研究方向為電子、通信、教育裝備。