基于Android智能手機(jī)的光電技術(shù)教學(xué)探索

陳鋼 嚴(yán)金華

摘要：為了提高課堂教學(xué)的質(zhì)量、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和動(dòng)力，在光電技術(shù)類課程教學(xué)中引入智能手機(jī)。通過展示、開發(fā)一些手機(jī)探測器的簡單應(yīng)用，使學(xué)生能更加直觀地感受到光電技術(shù)的實(shí)用性和重要性。利用手機(jī)攝像頭，給出了基于攝像頭的一個(gè)簡單計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)光電計(jì)數(shù)功能。將最新的科技產(chǎn)品引入到教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，促進(jìn)教師的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長。

關(guān)鍵詞：android智能手機(jī)；光電探測器；光電技術(shù)；課堂教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）09-0166-02

一、引言

光電技術(shù)類課程是光電類專業(yè)的必修課，課程的內(nèi)容涉及面廣，需要光學(xué)、半導(dǎo)體物理、電路原理、電磁場理論、電子線路、量子物理等課程為基礎(chǔ)，是一類綜合性強(qiáng)的課程。光電技術(shù)中的各種探測器在手機(jī)里大都可以找到，這些傳感器在智能手機(jī)中發(fā)揮著巨大的作用，為我們的生活增添了不少色彩。如果能結(jié)合智能手機(jī)的功能來介紹探測器的工作原理及應(yīng)用，將使學(xué)生直觀地感受到各種光電探測器。課堂教學(xué)中可以直接利用這些探測器開發(fā)一些簡單的手機(jī)應(yīng)用，不但有助于理解器件的工作原理，還可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情[1-3]。本文從手機(jī)攝像頭出發(fā)，分析其基本構(gòu)造和工作原理，給出了基于攝像頭的一個(gè)簡單應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)光電計(jì)數(shù)功能。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）攝像頭的工作原理

在較新的光電技術(shù)教材中，都會(huì)介紹像探測器，主要是CCD和CMOS，單獨(dú)開設(shè)這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)比較困難，然而這些探測器在我們身邊隨處可見，如數(shù)碼相機(jī)、電腦攝像頭、手機(jī)攝像頭等時(shí)刻伴隨著我們。而手機(jī)上的攝像頭還提供了直接開發(fā)的可能，可以幫助我們深刻認(rèn)識CCD、CMOS等像探測器的工作原理及數(shù)據(jù)處理方式。攝像頭的基本工作原理是景物通過鏡頭（LENS）生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)過A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號，再送到數(shù)字信號處理芯片（DSP）中加工處理，最后通過CPU進(jìn)行處理后，通過顯示屏（LCD）就可以看到圖像了[4]。

（二）軟件實(shí)現(xiàn)

1.開發(fā)平臺(tái)。智能手機(jī)中Android系統(tǒng)的開發(fā)最為方便，本文介紹的是Google公司推出的開源平臺(tái)Android Studio開發(fā)環(huán)境，安裝過程可參考官方網(wǎng)站說明或網(wǎng)絡(luò)論壇里的安裝教程[5，6]。

2.計(jì)數(shù)器工作原理。利用手機(jī)攝像頭制作光電計(jì)數(shù)器的基本原理如下，首先通過攝像頭拍攝一副背景圖片，作為光電計(jì)數(shù)時(shí)對比的依據(jù)，即測量背景噪音。然后攝像頭開始每秒拍攝多張照片，分析每張照片的總體亮度，并與背景圖片的亮度進(jìn)行對比。當(dāng)攝像頭前面沒有遮擋物體時(shí)，所拍攝的照片亮度和背景照片亮度相差不大，計(jì)數(shù)器不計(jì)數(shù)。當(dāng)有物體從攝像頭前面運(yùn)動(dòng)過時(shí)，所拍攝的照片亮度與背景照片亮度相差較大，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。為避免遮擋物體長時(shí)間在攝像頭前造成一個(gè)物體的重復(fù)計(jì)數(shù)，可以設(shè)定一個(gè)臨時(shí)的背景亮度作為對比的依據(jù)。

3.代碼實(shí)現(xiàn)。Android應(yīng)用設(shè)計(jì)主要分界面設(shè)計(jì)和后臺(tái)處理程序，本應(yīng)用中的頁面只有一個(gè)，處理程序也只有一個(gè)，下面簡單介紹一下具體流程。第一步，界面設(shè)計(jì)。Android Studio中界面的設(shè)計(jì)采用所見即所得的形式，只需將所要的控件拖到頁面上，然后調(diào)整大小和位置即可。在新建的頁面文件里添加一個(gè)TextView文本視圖，用來顯示計(jì)數(shù)，初始值為0。再添加一個(gè)SurfaceView用來顯示照片。最后添加三個(gè)按鈕，一個(gè)測試背景亮度，一個(gè)開始計(jì)數(shù)，一個(gè)停止。設(shè)計(jì)好的頁面如圖1所示。

第二步，后臺(tái)程序處理。后臺(tái)程序雖然只有一個(gè)，但是要處理頁面上多個(gè)控件的響應(yīng)，就要為每一個(gè)控件設(shè)計(jì)一個(gè)函數(shù)，本應(yīng)用中設(shè)計(jì)三個(gè)Button函數(shù)、TextView函數(shù)及SurfaceView函數(shù)共四個(gè)。

Button1用來測量背景亮度，一般選擇比較亮的背景，處理函數(shù)就一句話，camera.setOneShotPreviewCallback（myPreviewCallback），其中camera.setOneShotPreviewCallback（）是系統(tǒng)自帶的函數(shù)，myPreviewCallback是自定義的處理圖像的方法，其功能是計(jì)算預(yù)覽圖像中亮度總和，返回?cái)?shù)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 < 相機(jī)預(yù)覽圖片寬度；j=j++） {

for （int i = 0；i <相機(jī)預(yù)覽圖片高度；i=i++） {

gray=gray+data[i]；

}

}

mCamera.startPreview（）；

}；

Button2啟動(dòng)計(jì)數(shù)器工作，代碼為timer.schedule（task，0，1000），這里用定時(shí)器timer不斷進(jìn)行循環(huán)，循環(huán)時(shí)間設(shè)定為1000毫秒，可自由設(shè)定。task為定時(shí)器工作的變量，主要處理定時(shí)器時(shí)間到了后要處理的事情，這里主要就是計(jì)算預(yù)覽圖像的總體亮度，其核心代碼和Button1的代碼一樣，返回?cái)?shù)值g2。

Button3停止定時(shí)器、攝像頭的工作，釋放攝像頭資源。

文本視圖用來顯示計(jì)數(shù)，通過一定的邏輯判斷是否計(jì)數(shù)，如g2>2*g1。

SurfaceView的處理函數(shù)分兩部分，首先要設(shè)定攝像頭參數(shù)，然后實(shí)現(xiàn)拍照存儲(chǔ)并計(jì)算照片總亮度。相機(jī)參數(shù)的設(shè)定主要是像素大小、每秒拍攝數(shù)量[7]。界面中SurfaceView控件顯示照相機(jī)中的預(yù)覽圖片，一般像素大小取相機(jī)支持的最小值，這樣數(shù)據(jù)處理就比較快速，每秒數(shù)量可以從1-10根據(jù)需要設(shè)定。相機(jī)初始化函數(shù)主要設(shè)置預(yù)覽圖片顯示到頁面中定義的SurfaceView中。

4.圖像處理。像探測器的工作原理上面已經(jīng)提到，光學(xué)圖像投射到CCD或CMOS圖像傳感器上轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號。在計(jì)算圖像亮度時(shí)可以有兩種選擇，一種是計(jì)算拍攝到的圖片的RGB值，換算為相應(yīng)的灰度（GRAY）值，這種方法簡單直觀，缺點(diǎn)是運(yùn)算速度慢。對要實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)功能來說，要快速響應(yīng)攝像頭前的運(yùn)動(dòng)物體，因此可以采用第二種方法。第二種方法是直接讀取攝像頭經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)的原始數(shù)據(jù)，即像素?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的YUV格式，YUV格式經(jīng)過一定運(yùn)算可以得到RGB格式，大部分CCD、CMOS的數(shù)據(jù)處理都采用此類方法。相比RGB格式，YUV格式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間要減少一半左右，這樣就可以快速處理。為了適應(yīng)快速的光電計(jì)數(shù)功能，我們直接從攝像頭預(yù)覽過程截取預(yù)覽圖像的YUV數(shù)據(jù)，然后計(jì)算圖像亮度，省去了拍照、存儲(chǔ)、讀取過程，極大的提高了計(jì)數(shù)響應(yīng)，普通的智能手機(jī)響應(yīng)速度都可以達(dá)到1/15秒。圖2是程序運(yùn)行后的界面，使用時(shí)先測量一個(gè)比較亮的背景，然后當(dāng)攝像頭被擋住時(shí)，就開始計(jì)數(shù)。程序中為了防止攝像頭一直被擋住而不斷計(jì)數(shù)，可以在邏輯處理上進(jìn)行一些設(shè)計(jì)，設(shè)置背景亮度為當(dāng)前亮度，從而有效避免重復(fù)計(jì)數(shù)。

三、結(jié)語

針對光電探測器的學(xué)習(xí)，介紹了一種利用手機(jī)探測器來開展理論、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新方法，對像探測器CCD、CMOS的工作原理和實(shí)際中的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了深入的分析，實(shí)現(xiàn)了利用手機(jī)攝像頭完成光電計(jì)數(shù)的功能。在當(dāng)前科技、資訊發(fā)達(dá)的背景下開展高等教育工作，教師要及時(shí)了解科技動(dòng)態(tài)，了解學(xué)生的興趣所在，然后適當(dāng)?shù)貙⒆钚驴萍假Y訊引入課堂教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鷹.基于Android應(yīng)用的移動(dòng)學(xué)習(xí)資源設(shè)計(jì)與開發(fā)研究——以“中南大學(xué)視頻公開課”為例[J].現(xiàn)代教育技術(shù)：2014，（3）.

[2]王強(qiáng)，鄭世玨，宋志明.基于Android的交互式學(xué)習(xí)微閱覽器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2012，（9）.