視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的檢測

胡又農趙錦紅

1 首都師范大學教育技術系 北京 100048 2 北京師范大學信息科學學院 北京 100875

視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的檢測

胡又農1趙錦紅2

1 首都師范大學教育技術系 北京 100048 2 北京師范大學信息科學學院 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中有一項效能指標就是圖像展示質量[1]，而亮度展示效能則是圖像展示質量中的一項分指標。在有些教學場合，視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的指標是十分重要的，它關系到教學工作是否能順利進行。

在攝影作品的創作和審美中，除了構圖、用光、影調、色調以外，“層次”也是一項審美的重要內容。“層次”在攝影中的概念比較豐富，如遠近層次、景物層次、明暗層次、色彩層次等。遠近層次和景物層次與攝影藝術有關，與展示設備關系相對不大；而明暗層次和色彩層次就不僅與攝影藝術有關，還與圖像的展示設備有密切關系。例如，一張明暗層次很豐富的膠片照片，如果用低質量相紙洗印則表現不出其豐富的層次；如果是一張明暗層次很豐富的數碼照片，那么就需要在一種表現明暗層次能力（亮度展示效能）很強的顯示設備上觀看，否則其豐富的層次也得不到充分的表現。

筆者在攝影課程的教學中，曾經在普通多媒體教室里用投影機+幕布系統做攝影照片的展示，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投影到幕布上后變成“污涂涂的一片”，層次感盡失，教學效果大受影響，甚至無法開展教學工作。教學中的經驗啟發筆者對視覺類教育裝備圖像展示效能進行研究，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規定好的評價標準對視覺類教育裝備展示的圖像質量進行評價，然后對所有觀察者給出的評價結果進行加權平均，最終得到圖像展示質量這個教育裝備效能指標的數值。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是最直接的方法，一般也被認為是最合理、最準確的方法。但是，主觀法不僅容易受到人和環境等因素的影響，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備，用圖像采集及處理設備對視覺類教育裝備展示出的圖像進行接收、處理及評價，進而得到圖像質量這個效能指標的數值。

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，因此用“部分參考模型圖像質量評價方法[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量評價方法”的視覺類教育裝備圖像展示效能測量系統框圖。

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

2.2 視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的檢測流程

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

在視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的檢測中主要關注以下測量內容：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格式圖像質量高（是圖像感應器將捕捉到的光源信號轉化為數字信號的原始數據，未經處理和壓縮，被稱為“數碼底片”），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據壓縮后得到的，雖然其文件的數據量比較小，但其展示后的圖像與原始圖像有一定的差異。因此，在選擇標準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的數據表示（紅8 bit、綠8 bit、藍8 bit），沒有采用數據壓縮方法直接把像素的數據存入文件，其文件數據量很大。但是由于其圖像信息沒有損失，并且數據生成和讀取相對容易，因此，標準圖像采用24位BMP格式。

2）標準圖像的展示。環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：在強光的直接照射下，投影機+幕布系統的展示效果就變得很差；手機屏幕在戶外陽光強烈時經常看不清楚；在看電影時，一般需要環境光非常暗；等等。因此，在進行視覺類教育裝備圖像亮度展示效能的檢測時，必須對環境光進行嚴格的控制。

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

由于室內燈光和展示裝備同時參與測試，因此測試結果是個綜合的結果，即被測展示裝備在特定教室的圖像亮度展示效能。如果發現某教室的展示裝備的亮度展示效能不高，應該多方面找原因，而不應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準圖像，經過投影機+幕布系統的展示后，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，例如一張亮度層次感很是豐富的標準圖像，經過投影機+幕布系統的展示后，其圖像是否仍然具備同樣豐富的亮度層次感。

4）評價及結論。主要任務是對比標準圖像的圖像特征和展示圖像的圖像特征直接的差異，并根據一系列的差異綜合給出評價結論。

就某項分指標而言，由于有標準圖像的存在，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（標準圖像）在某種意義上非常接近，則稱該被評價對象是最優的，進而可以得出展示該圖像的展示系統的效能是最優的。基于這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]。

最終的評價結論可以由各項分指標綜合得到，采取比較常用的“線性加權綜合法”，即通過加權系數將各項分指標的評價結果綜合在一起，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+幕布系統、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“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 原始圖像經過投影機+幕布系統輸出后的圖像亮度分布直方圖

圖5 原始圖像經過DLP背投系統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不好，暗部出現“抬高”和“擠壓”的現象；標準圖像的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層次感變差的現象；展示圖像的亮部表現尚可，圖像亮部的亮度分布比較均勻。

原始圖像經過投影機+幕布系統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+幕布系統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較差，出現所謂“亮不起來，暗不下去”的現象，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力。

原始圖像經過DLP背投系統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較差，暗部被“抬高”和“擠壓”；標準圖像的10個亮度層次只顯示出8個層次，實際使用時有可能出現亮度層次感缺失的現象；展示圖像的亮部表現尚可，圖像亮部的亮度分布比較均勻，但層次間出現混疊和過度的情況。

原始圖像經過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較差，暗部被“抬高”和“擠壓”；標準圖像的10個亮度層次只顯示出8個層次，實際使用時有可能出現亮度層次感缺失的現象；展示圖像的亮部表現尚可，圖像亮部的亮度分布比較均勻。

圖6 原始圖像經過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

總結上述測量結果，就圖像亮度展示效能而言，展示效能指標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、投影機+幕布系統。

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。”為了能很好地完成教學任務，教師應使用一種適合的教育裝備。這里所說的選型是指根據教學任務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，如經濟性、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承擔的教育任務是什么。教育任務是復雜的，教師、學生、教育內容、教學方法、教育裝備等承擔的任務各不相同，不能越俎代庖。本文中，教育裝備的任務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。

其次要明確教育任務對教育裝備的效能要求是什么。例如，在教學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。如果在教學中需要展示照片，而授課內容與照片的圖像質量有關系，那么教育任務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，教育任務對教育裝備效能提出的要求應十分明確，越是要求高的越要明確，要做到數字化，不能停留在泛泛的文字敘述層面。

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

除了適當選型教育裝備外，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。本文的實測結果表明，19寸LCD顯示器、56寸LCD大屏幕、DLP背投系統均是在圖像暗部表現差，究其原因是較明亮的環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，可以適當降低環境光的亮度，直至徹底排除環境光，通常的拉窗簾、關閉燈光等做法就是這個道理。

4 總結

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行檢測，檢測結果與使用者的主觀感覺一致，但本方法的檢測結果比使用者的主觀感覺要更加精準且信息量更加豐富。相比主觀評測方法，本方法的檢測過程可操作性好，檢測結果可重復性好。

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

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

[3]胡又農,等.教育裝備綜合評價簡明教程[M].北京:北京大學出版社,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，碩士，副教授，研究方向為教育、教育技術、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。