基于智能手機的照度測量準確度評價與優化
——以安卓系統的三款智能手機為例

李 瑞，王愛英，胡振宇，呂晨歌，劉乾昌，郭麗麗，郭鴻賓

(天津大學建筑學院，天津 300072)

引言

光照的測量對于人類的生產生活至關重要[1]，合理的照度環境能夠保護人眼視力、提高工作效率，在安全、攝影、工農業生產等諸多領域有著廣泛的應用[1-3]。對照度進行準確測量需要利用照度計，但專業照度計往往價格不菲，且操作不便，不適合日常生活中普及使用[4, 5]。近年來出現了基于安卓系統的智能手機照度計[6]，成本較低、操作簡單、讀數直觀，使用非常方便，生產生活中利用智能手機APP對照度進行準確測量具有非常積極的應用價值，但是其測量結果往往誤差較大，難以獲得較高的準確度。在相關研究中，王迎春等[7]以5種手機測光類APP為例分析了其在林業生產應用中的問題和不足，指出手機測光類軟件在定性分析方面具有應用價值，但是存在輸出功能參差不齊、無法全方位測量、相同軟件在不同手機上測量結果有所不同、量程不一、測值易受環境影響等問題；任可[8]指出利用智能手機APP測量照度產生誤差的主要原因是光線傳感器的輸出電流與光線強度之間的線性關系比較差，提出將手機的讀數乘以一定范圍的系數從而縮小誤差。

通過以上研究可知，國內學者對于利于智能手機APP進行照度測量方面的研究較少，且主要集中在定性分析方面，尚沒有從定量角度探究影響智能手機照度計測量結果準確度的因素并對其測量結果進行誤差修正的相關研究。基于此，本文選取三款不同型號智能手機并下載五款常用照度測量APP展開實驗，與專業照度計測量結果進行對比，探究影響智能手機照度計準確度的內在因素，對其測量結果準確度做出評價，并嘗試提出優化路徑，以期為日常生活中使用智能手機獲取準確的照度值提供方法。

1 實驗原理與研究方法

本文嘗試提出對智能手機APP測量照度的準確度進行評價與優化的研究框架(圖1)，以期為相關研究提供借鑒。

圖1 研究框架Fig.1 Research framework

1.1 照度計與智能手機感光原理

對使用智能手機APP測量照度的準確度進行評價與優化，需要將智能手機APP照度測量結果同專業照度計作對比。照度計是用來測量環境照度的專業儀器，主要包括光度頭和顯示器兩部分，而光度頭又由余弦修正器、干涉濾光片、光探測器組成。光輻射通過余弦修正器、干涉濾光片后投射到光探測器，產生的電信號經過I/V變換在顯示器上顯示出相應的信號即為照度值[9]。而智能手機中的光線傳感器屬于環境光傳感器，主要包括投光器和受光器兩個部件，位于前置攝像頭旁邊。光輻射聚焦后經由投光器傳送到受光器上，受光器根據光電效應將各種光信號轉換為相應的電信號，從而實現對環境照度的測量，并以此實現手機的感光調節。

1.2 研究對象

實驗選取柯尼美能達CL-200A照度計作為標準測量儀器(表1)，據中國智能手機市場監測報告顯示，2021年第一季度vivo、oppo、華為榮耀在手機市場份額占比較大，因此，選用三款采用安卓系統的智能手機分別為vivoX23、華為榮耀30青春版、oppo r11t，五款照度測量APP分別為照明計算器、Light Meter、照度計、照度測量儀、科學日志，智能手機及APP詳細信息如表2、表3所示。

表1 照度計詳細信息

表2 三款智能手機詳細信息

表3 五款照度APP詳細信息

1.3 研究方法

1.3.1 常用照度范圍及分級

實驗之初，依據《建筑照明設計標準》GB 50034—2013中對于建筑照度標準的規定，結合預調研過程中對于日常應用場景的照度值的調查，獲取了生活中常用的照度值范圍為30～10 000 lx。在《建筑照明設計標準》(GB 50034—2013)第4章中提出照度標準值應按0.5 lx、1 lx、2 lx、3 lx、5 lx、10 lx、15 lx、20 lx、50 lx、75 lx、100 lx、150 lx、200 lx、300 lx、500 lx、750 lx、1 000 lx、1 500 lx、2 000 lx、3 000 lx、5 000 lx分級，實際應用中照度值限值以上述照度標準值為界，例如與閱讀寫作相關的區域場所要求的照度限值為300～500 lx。因此，將生活中常用照度值范圍進一步細分為13個照度段(表4)，實驗過程應滿足在每個照度段均有采樣數據，以保證整體范圍內采樣均勻。

表4 生活中常用照度范圍及分段(單位：lx)

1.3.2 測量過程

依據上文所劃分的13個照度段，在每個照度段尋找3處地點進行測量，實驗地點位于天津大學衛津路校區校園內，共計尋找39個測量點。在每個測量點首先利用照度計準確測量其照度值，再依次使用三款智能手機共計15款APP進行測量，照度計和每一款APP在同一測量點均測量三次求取平均值，以減小測量誤差。準確記錄每次測量結果，便于后期進行定量分析。

1.3.3 注意事項

為保證實驗結果的準確性，提出了實驗過程中的注意事項：

1)對照度計及智能手機前置攝像頭進行清潔，避免灰塵等對測量結果造成影響；

2)為避免照度計產生初始效應，測量前先曝光5 min；

3)測定時保證照度計同各智能手機在同一位置、同一高度(在智能手機下方墊放書本)；

4)盡量調低屏幕亮度，保證不同APP界面下測量數值不受屏幕亮度影響；

5)測量過程中測定者的站立位置保持不變。

2 實驗結果分析

2.1 適用范圍分析

實驗數據如表5所示，因篇幅所限，文中僅列出部分誤差較大的數據，便于下文定量分析。分析實驗數據發現，當測量2 000 lx以上的照度時，oppo r11t的各款APP讀數均達到其量程最大值(31 000 lx)，當測量5 000 lx以上的照度時，華為榮耀30青春版的各款APP讀數均達到其量程最大值(65 535 lx)，無法獲取有效數據，因此統計結果中舍棄相應無效數據。即oppo r11t實際能夠測量的環境照度范圍為30～2 000 lx，華為榮耀30青春版實際所測量的環境照度范圍為30～5 000 lx。

表5 (部分)實驗數據統計(單位：lx)

進一步分析可以發現，當環境照度高于2 000 lx時，vivoX23與華為榮耀30青春版測量結果誤差均大幅增加，相對誤差超過100%，不再適合用來測量照度，加之oppo r11t在測量高于2 000 lx的照度值時讀數達到其量程最大值，因此認為當環境照度高于2 000 lx時，可放棄使用這三款手機來測量照度，即適用范圍為30～2 000 lx。

將實驗數據進行分類整理，分別以“APP種類”、“手機型號”作為自變量，探究影響智能手機照度計測量結果準確度的內在因素，并對不同手機、不同APP測量照度的準確度及穩定性進行評價。

2.2 同一手機不同APP之間的對比分析

將30～2 000 lx范圍內的實驗數據進行相對誤差、絕對誤差計算，以照度計測量結果作為橫坐標，不同APP測量結果的相對誤差為縱坐標，得到每款手機不同APP測量結果相對誤差折線圖(圖2～圖4)。

圖2 vivoX23不同APP誤差對比(排除誤差100%以上數據)Fig.2 vivoX23 error comparison among different Apps (data with exclusion error over 100%)

圖3 華為榮耀30青春版不同APP誤差對比(排除誤差100%以上數據)Fig.3 Error comparison of different Apps of Huawei Honor 30 Youth Edition (data with exclusion error of more than 100%)

圖4 oppo r11t不同APP誤差對比Fig.4 oppo r11t error comparison of different Apps

由圖2～圖4折線圖可知，五款APP中，與其它幾款APP相對誤差值出現差距較大情況的有照度計(圖2)、科學日志(圖3)、照度測量儀(圖4)。照度計與其他APP測量結果相對誤差最大差距為13.84%，科學日志與其他APP測量結果相對誤差最大差距為20.55%，照度測量儀與其他APP測量結果相對誤差最大差距為23.64%，說明五款APP中，使用照明計算器和Light Meter的測量結果更為穩定。

除去圖2～圖4中標注的幾組不穩定數據外，定量計算其余數據相對誤差差值均小于5%，同時觀察折線圖可知，針對每一款手機，使用不同APP的測量結果相對誤差曲線的走勢一致，除去上述不穩定數據外，測量結果相對誤差曲線基本重合，定量計算與定性觀察結果表明同一手機不同APP之間測量結果差別較小，因此可以得出結論：智能手機照度計測量結果與所選用的APP種類無關。

2.3 不同手機同一APP之間的對比分析

為探究手機型號(感光元件)對于照度測量結果準確度的影響，以照度計測量結果為橫坐標，取值范圍為30～2 000 lx，以不同手機測量結果為縱坐標，得到不同手機同一APP測量結果相對誤差折線圖(圖5～圖9)。

圖5 不同手機使用照明計算器APP測量結果相對誤差對比Fig.5 Comparison of relative error of different mobile phone lighting calculator APP measurement results

分析結果顯示，不同手機利用相同APP測量照度的結果并不相同，但其結果表現出高度的一致性：除去500～1 500 lx照度范圍內的極個別數據外，照度準確度表現最好的均為華為榮耀30青春版，vivoX23次之，oppo r11t測量結果準確度相對較差。由此可以得出結論：智能手機照度APP測量結果與手機型號(光傳感器)有關，且使用華為榮耀30青春版測量照度結果更為準確。

圖6 不同手機使用Light Meter APP測量結果相對誤差對比Fig.6 Comparison of relative errors of measurement results of different mobile phones using Light Meter APP

圖7 不同手機使用照度計APP測量結果相對誤差對比Fig.7 Comparison of relative error of measurement results of different mobile phones using illuminometer APP

圖8 不同手機使用照度測量儀APP測量結果相對誤差對比Fig.8 Comparison of relative errors of different mobile phone illuminance measuring instrument APP measurement results

圖9 不同手機使用科學日志APP測量結果相對誤差對比Fig.9 Comparison of relative error of measurement results of different mobile phones using science Log APP

3 優化方法及應用舉例

通過分析實驗結果可以發現，智能手機照度計測量結果誤差較大，生產生活中難以直接采用其測量數據。提升智能手機照度計測量結果準確度可以從硬件、軟件兩個角度出發，智能手機照度計測量結果準確度與光傳感器有關，因此其測量結果準確度的提高有賴于手機光線傳感器技術的發展與進步，而針對目前市場上常用的穩定性較好的APP與測量準確度較高的手機來說，也可以從軟件開發角度對其測量結果進行誤差修正，在實際應用中對手機APP測量結果進行修正即可獲得更為準確的照度值。

3.1 光線傳感器性能提升

從硬件設備角度出發研究提升智能手機照度計測量結果準確度，需優化手機光線傳感器性能。光線傳感器性能好壞取決于兩項主要技術：一是光線傳感器的輸出電流須與光線強度呈線性關系，因此感光元件的感光度至關重要；二是光線傳感器能否有效過濾多余的紅外線和紫外線，減少其他輻射信號的影響。隨著科技的發展與進步，光線傳感器的性能也在不斷優化，其精度也會越來越高，智能手機照度計也必將獲得更高的準確度。

3.2 誤差修正曲線

從軟件角度出發，可以對智能手機照度計測量結果進行修正，然后將誤差修正函數同APP一起安裝到智能手機客戶端。在上述實驗中，照明計算器與Light Meter兩款APP穩定性表現均較好，且測量結果的相對誤差高度相似，因此以照明計算器為例，選取測量準確度較高的兩款手機——華為榮耀30青春版與vivoX23，將其適用范圍(30～2 000 lx)內的測量結果輸入Matlab中進行擬合，得到誤差修正曲線。

在Matlab中，以手機測量值為橫坐標，以實際照度值為縱坐標，分別對兩款手機利用照明計算器測量的數據點使用二次多項式進行擬合，得到一條同所有測量點距離平方之和最小的曲線，即為誤差修正曲線，如圖10、圖11所示。同時得到誤差修正曲線對應的公式，vivoX23利用照明計算器測量照度的誤差修正公式為：

圖10 vivoX23誤差修正曲線Fig.10 VivoX23 error correction curve

圖11 華為榮耀30青春版誤差修正曲線Fig.11 Huawei Honor 30 Youth edition error correction curve

f(x)=p1×x2+p2×x+p3(30 lx≤x≤2 000 lx)

(1)

p1=-0.0002352 (-0.0006856, 0.0002153)

p2=1.855 (1.434, 2.277)

p3=47.62 (-13.15, 108.4)

(R2=0.9606)

華為榮耀30青春版利用照明計算器測量照度的誤差修正公式為：

f(x)=p1×x2+p2×x+p3(30 lx≤x≤2 000 lx)

(2)

p1=-0.0002014 (-0.0003599,-4.293e-05)

p2=1.357 (1.102, 1.613)

p3=-19.17 (-85.92, 47.58)

(R2=0.9604)

式中，x為測量結果，p1、p2、p3為系數，兩款手機的誤差修正曲線擬合優度(R2)均大于0.96，表明該公式可以非常好地對手機測量結果進行修正。

文章以兩款智能手機為例對其照度測量結果進行了誤差修正，該方法可推廣至更多型號的智能手機中，具有普適性。在手機APP開發過程中，可以建立針對不同手機型號(光傳感器)的修正函數數據庫，在APP安裝及啟動時，智能識別該手機型號，自動選擇安裝針對該型號的誤差修正函數。因此，當進行照度測量時，顯示的讀數即為經過修正后的結果，其準確度將大大增加。

3.3 誤差修正曲線應用實例——以寫字臺照度調節為例

臺燈常用于讀寫作業區域的照明，因其使用者大多為視力正處于發育期的孩子而備受關注[10]。按照《建筑照明設計標準》(GB 50034—2013)中的規定，與閱讀寫作相關的區域場所要求的照度限值為300～500 lx，可利用智能手機照度計測量和調節寫字臺作業面的照度水平，以達到相應標準。《讀寫作業臺燈性能》(GB/T 9473—2017)中規定了照度測試的方法，如圖12所示。使用vivoX23手機下載照明計算器APP，選取某處寫字臺進行照度測量實景如圖13所示，臺燈亮度調節到最大一級，相同位置進行五次測量取平均值。

圖12 照度測試布點方式Fig.12 Illuminance test layout method

圖13 寫字臺照度測量實景Fig.13 Writing desk illumination measurement real scene

經統計計算，得到修正前寫字臺照度為346 lx，將該數值帶入修正式(1)中，求得修正后的照度值為661 lx，超過了標準規定的限值。將臺燈亮度調小一級，再次測量得到修正前的寫字臺照度值為230 lx，利用修正式(1)求得此時的實際照度為420 lx，使用照度計對寫字臺照度進行測量，讀數為421.2 lx，與修正后的手機APP測量結果相近，可知經過調節后，該寫字臺照度值可滿足標準規定。

4 結論與展望

生產生活中利用智能手機對光照強度進行準確測量有著廣泛而積極的意義。通過利用照度計同智能手機APP測量照度的對比研究，對常用的三款智能手機、五款APP測量結果的準確度進行分析評價，結果表明，利用智能手機APP測量照度的準確度主要與手機型號(光傳感器)有關，與APP種類無關，五款APP中較為穩定的是照明計算器和Light Meter，三款手機中測量結果準確度最高的是華為榮耀30青春版，vivoX23次之，oppo r11t準確度較差，利用智能手機照度計測量照度的應用范圍為30～2 000 lx，超過2 000 lx時測量結果相對誤差將大幅增加。

在此基礎上，分別從硬件和軟件兩個角度出發提出了提升智能手機照度計測量結果準確度的方法，光線傳感器性能的提升有賴于相關技術的突破與進步，將修正函數數據庫整合到APP安裝包中并實現智能識別和獲取也需要相關專業學者們的共同努力。本文以華為榮耀30青春版和vivoX23手機的照明計算器APP為例，對其測量數據進行了二次多項式擬合與誤差修正，得出誤差修正曲線以及相應誤差修正公式，并以寫字臺照度調節為例介紹了誤差修正曲線的應用方法，驗證了其實用性。智能手機型號在不斷迭代更新，建立修正函數數據庫需要選取更多手機型號進行研究，本文提供的研究思路和方法可以為不同型號手機的誤差修正提供參考。

照度與人們的生活息息相關，本文的研究成果為人們在日常生活中利用智能手機APP獲取準確的照度值提供了便利，具有重要的應用價值。后續研究需要同光學、信息科學等專業的學者一起合作，從提升光線傳感器性能、建立修正函數數據庫、開發整合修正函數的照度測量APP三個方面展開深入研究，以便更好地發揮智能手機照度計低成本、快速、方便、準確的優點。

致謝：本研究基于天津大學建筑學院課程《照明技術與照明藝術》中項目式教學的項目，指導教師為王愛英副教授，項目成員有李瑞、呂晨歌、胡振宇、劉乾昌、郭麗麗、郭鴻賓，在此對王愛英老師以及各位成員的付出表示感謝。