《三度学及其测量》课程建设的探索与实践
本文作者： 王霞， 金伟其， 胡威捷， 廖宁放， WANG Xia， JIN Wei-qi， HU Wei-Jie， LIAO
第33卷增刊2007年11月光学技术OPTICALTECHNIQUEV01．33Suppl．Nov．2007文章编号：1002．1582(2007)S-020102+王霞，金伟其，胡威捷，廖宁放(北京理工大学光电工程系，北京100081)摘要：辐射度学、光度学和色度学(以下简称“三度学”)是现代光电信息转换、传输、存储、显示、测量和计量的基础，随着光电信息技术、图像技术的发展和应用的扩展，“三度学”及其测量技术已成为光电工程领域科研和应用人员必备的专业基础知识和技术，在国内还没有完全类似的教材和课程设置。以往教学中仅在某些课程中部分涉及辐射度学和光度学的概念，难以使学生全面地掌握和应用相关的知识，至于色度学则更少涉及，系统讲授的课程大多安排在研究生阶段，但也较少涉及相关的实验仪器和技术的讲授。
从光电信息科学与工程类专业知识体系结构的角度出发，总结了多年教学科研的经验，探索了以“三度学”作为教学内容，通过配合相关测量的实验，开展了“三度学”课程建没的探索。关键词：辐射度学光度学色度学测量课程建设中图分类号：G642．0文献标识码：ACourseconstructionandpracticeof“FundamentalandMeasurementofRadiometry，Photometry，Colorimetry”WANGXia，JINWeiqi，HUWeijie，L|AONingfang(DeparunentofOpticalEngineering，BeijingInstituteofTechnology，Beijing100081，China)Abstract：Radiometry．photometryandcolorimetryarethefoundationofmodernoptoelectronictechnology．Withthedevelopmentandapplicationoftheoptoelectronicinformationtechnology，thefundamentalandmeasurementofradiometry，photometryandeolorimetryarethebaseofspecializedknowledgeforprofessionalinthefieldofopmelectronieengineering．Butthereisnocorreslmndingteachingmaterialandcoursesofar．Thecorrespondingconceptsofradiometryandphotometryalere·ferredinsomecourses．ThisdoesnothelpthestudenttOmastandapplytheknowledgeintheround．AsfortheknowledgeofcolorimetryarelessrehtedinundergraduateCOU／'e-seS．AccordingtOspecializedknowledgestructureofoptoelectronicinformationscienceandengineeringforundergraduateeducation，courseconstructionandpracticeof“FundamentalandMeasurementofRadiometry，Photometry，Colorimetry”areintroduced．Teachingandresearchexperiencearealsosummarized．Keywords：radiometryphotometrycolorimetry∞urSeconstruction0引言正如“应用光学”和“波动光学”是构成光学／光电技术的基础一样，辐射度学、光度学和色度学(以下简称“三度学”)已成为现代光学／光电工程的基础。在以往的教学或常见的教材中，辐射度学／光度学和色度学通常是分离的。在许多培养方案中仅在课程中部分涉及部分辐射度学和光度学的基本概念，由于内容分散加之学时有限，往往难以使学生全面地掌握相关的理论和技术，不仅影响后续技术课程的学习，而且影响学生对有关理论和方法的理解以及对仪器的正确使用，并影响毕业之后对相关仪器的认识和灵活应用而色度学在本科课程中更少涉及，能够系统讲授的课程大多安排在研究生阶段，但也较少涉及相关的测试仪器原理及其测试方法的介绍。随着光电信息技术、图像技术的发展和应用的扩展，“三度学”及其测量技术已成为光电技术领域科研和应用人员必备的专业基础知识和技术。为此，全面系统有效地学习“三度学”的知识和技术已成为社会需求的发展趋势1。鉴于以上情况，希望能以三度学为基本教学内容，开设专门的课程，这一思想也得到了一些相关院校老师的肯定。为此．在国防科工委十五重点教材规划中争取到了教材编写立项，并在2003年的专业教学计划的修改中落实了这一课程[2J。
本文从光电信息科学与工程类专业知识体系角度出发，结合作者两年的教学经验(学生人数超过300名)，介绍了《辐射度、光度与色度及其测量》课程教学内容、教学方法和实践环节的建设与探索，这将对本科生后续课程和研究生课程的学习具有重要的意义。1教学内容的规划光电学科本身是一个处于发展中的交叉学科，光电信息科学与工程专业涉及的知识面很广，知识结构相对比较复杂，其知识体系结构包括三个层次，即基础知识层、技术基础知识层和专业应用知识层，其中基础知识层属于通识教育，技术基础知识层和专业应用知识层均属专业教育【3J。“三度学”是现代光电信息转换、传输、存储、显示、测量和计量技术的基础，在第二个层次的知识体系中占有重要的地位，因此对其教学内容的合理规划至关重要。1．1教材大纲及其主要考虑三度学教材的编写可分为基础篇和测试实验篇两部分：(1)基础篇光辐射度量基础：介绍辐射度学和光度学的基本概念、人眼视觉特性、朗伯辐射体及辐射特性，列举典型类型介绍光辐射的计算方法等。热辐射定律与辐射源：介绍热辐射定律及其物理意义、黑体辐射的分析计算方法、典型自然辐射源和人工辐射源、光源·收稿日期：2007．08．24F，mail：angelniuniu@bit．edu．cn作者简介：王霞(1972一)，女．北京理工大学副教授，主要从事光电检测方面的研究。201光学it．术第33卷的色温及标准光源概念等。
光辐射探测器：介绍光电探测器和热探测器的基本原理、典型探测器以及评价探测器的性能参量等。辐射在大气中的传输：介绍大气中的光学现象、大气消光、大气对辐射的吸收和散射、大气透射比计算方法、大气消光对探测与成像系统的影响等。色度学的技术基础：介绍色度学的基本概念，CIE基本色度空间及色度学计算等。(2)测试实验篇辐射测量的基本仪器：主要介绍辐射测量中的常用仪器的原理和操作方法，例如光度导轨、单色仪、能量计与功率计、分光光度计、光谱辐射计、傅里叶变换光谱仪和积分球等。光度量的测量：主要介绍光通量的测量、发光强度的测量、照度的测量、亮度的测量等实验方法。辐射度量的测量：主要介绍辐射通量的测量、总辐射度量的测量、光谱辐射度量的测量和辐射温度的测量等实验方法。色度的测量及其仪器：主要介绍分光测色仪器、光电色度计、彩色密度计、彩色亮度计等仪器以及CM-1000配色系统的使用等。本课程建议64学时，其中基础篇以课堂讲授为主，测试实验篇推荐结合测试实验进行，也可以课堂讲授完成。具体课程讲授内容可以根据学时计划适当选取。课程先修课为应用光学、物理光学等，后续课程有光电成像原理与技术、激光原理与技术、光电检测技术等课程，三度学已成为光电信息工程类专业培养方案中的关键教学课程。
1．2教学主线《辐射度、光度与色度及其测量》足一门理论性很强的课程。相关理论和方法在许多科学研究和应用领域有着广泛的应用，对工程实践起着理论指导作用。因此，在“三度学”及其测量技术的教学上首先应该明确一条主线：理论建模系统分析综合设计。这条主线不仅是整个课程设置的一条主体思路，也是工程设计所遵循的一般步骤。
同时，考虑到学时数的限制，在这两年的课程教学上，本文作者遵循这条主线，做到了重点突出，同时弱化了一些内容。
例如，课程开始的主要内容就是辐射度学、光度学的基本概念和物理量的相互转换关系，概念很多，如果按照书上的内容顺序讲解，学生在刚接触到该课程时就陷入了死记概念、定义的困惑。在教学中采用让学生针对熟悉的自然现象，带着问题寻找简单的辐射传输过程中各环节理论传输模型的建立方法，进而引入实际系统，分析实际系统与所建立数学模型的关系，最后尝试完成简单的综合设计。这样学生不但能够较深刻地理解物理概念，同时又培养了学生分析问题解决问题的能力。1．3基础理论、仪器与实验内容比例适当根据所确立的教学主线和学时安排，教学内容分基础篇和实践篇，按照1：1的比例安排教学。其中，基础篇主要使学生掌握“三度学”的基本概念、原理、物理量的相互转换关系、计算分析方法实践篇主要使学生掌握“三度学”相关测量仪器与测试计量方法，培养学生利用相关知识、技术和仪器来提高解决实际问题的能力，在实践内容的安排上注重了以下几点：(1)随着近十几年来光电信息科学技术的迅猛发展，辐射度学、光度学和色度学领域也有了很多新成果新技术，因此在教学中适当删除一些已经很少使用的测试方法，同时增加目前先进的测试系统原理和测试方法的相关内容。
202(2)实践内容的讲解离不开对基础理论的理解，因此结合理沧分析相关知识，在教学中加强对工程意义及实际意义的注重，使课程的内容更加充实、实用。2教学方法探索2．1教学手段在教学手段的利用上，目前很多课程的教学都采用了多媒体课件的形式【41。采用多媒体课件，教师可以节省传统的黑板板书所花费的时间，增大课堂的信息量和生动性。但对涉及大量理论推导的教学内容，黑板教学则更有优势。
因此运用了现代教育技术和传统教学相结合的手段，其中基本的理论推导主要通过黑板教学完成，学生可以随着教师的逐步演算，紧跟教师的思路，一步步完成整个推导计算过程，而课件呈现给学生的是结论和对问题的总结，从而有利于培养和提高学生推导、计算基本功的功底另外，大量的图形都会通过课件的形式展现给学生，同时注重保证课堂教学的完整性、连续性，提高课堂教学的信息量和学生的学习兴趣。2．2教学中适当引入科研内容自19世纪初德国人威廉冯洪堡提出“教学与科研相统一”的原则，并成功实践于其创办的柏林大学后，近代大学一般都具有教学与科研的双重职能5。主讲本课程的教师均是多年从事与三度学相关的教学和科研，曾参与编写有关的教材或著作，具有丰富的教学和应用经验并了解技术发展的前沿。因此在教学中尝试适当引入科研内容，讲授科研前沿成果和研究方法，并及时将课题研究的成果、曾遇到的问题及解决措施等充实到教学中。这样不仅课程内容丰富，还有效提高了学生的兴趣，可获得良好的教学效果。同时通过课堂教学吸收对课程知识感兴趣的学生参加科研工作，使之结合相关的科研项目，学会了查阅文献，收集研究数据，参加研究生学术讨论，较早掌握了一些科学研究的方法，为专业知识的学习打下了基础。另外，在条件允许的情况下，组织学生进行和参与一些力所能及的科研工作，有助于拓展本科教学的广度和深度，培养学生的学术兴趣和创造性思维能力，提高教学质量。
2．3注重知识体系的整体性在教学中，通过引导学生认识本课程在所学知识体系中的地位、与其他课程的联系、应用领域等内容，培养学生对所学专业知识体系的整体认识。同时尝试结合军用和民用领域的应用需求，介绍三度学技术发展的前沿和应用实例，增强学生为振兴祖国经济，特别是提高国防科技水平的责任感和使命感，在专业知识教学过程中，培养学生的思想道德素质。3实践环节的建设《辐射度、光度与色度及其测量》课程是一门实践性很强的课程，因此在教学中要加大实验的力度，实验的内容要多样化、新颖，这样学生才能在实验中充分的理解理论，提高学生解决实际问题的能力。由于该课程是2006年在北京理工大学按照新教学计划新开设的课程，相关实验尚未建设起来。针对这种情况，选择给定的测试系统和辐射传输过程。布置学生利用Matlab仿真软件完成理论建模系统分析综合设计的实践，加强了同学们对课程中很多较为抽象的理论分析的理解，并且使得实践环节既轻松，又不受时间地点的限制，更便于知识的扩展和深入讨论，大大提高了实验的效率和质量。(下转第205页)增刊孙中森，等：用于彩色目标跟踪的改进粒子群优化算法图2序列图像1部分跟踪结果图3序列图像2部分跟踪结果帧)，在路口处向右上方后退(125--332帧)，并进而继续向左上方运行(332帧以后)，整个过程目标存在旋转及尺度变化，跟踪窗可以完整包括目标区域，跟踪稳定。3结论本文利彩色直方图作为目标特征，具有旋转尺度不变性，对彩色直方图运算中考虑像素到目标中心的距离权值，减少了目标边缘像素的影响，增加了对目标部分遮挡的鲁棒性。使用改进的PSO算法(IPSO)针对目标相似函数Bhat．tacharyya系数优化，能够快速求取其最大值位置，获得目标的跟踪结果，实现实时跟踪。实验证明该方法能够有效的跟踪具有旋转、尺度变化的彩色目标，并对部分遮挡具有很好的处理结果。此外，由于目标在遮挡时跟踪窗ISl变小(不是因为目标尺度变小引起的)，致使在目标从遮挡物后出现时跟踪窗偏差较大(如图2第133帧所示)，需要一段时间后才能恢复到遮挡前的状态，如果此时出现其他的干扰因素，目标容易丢失。
怎样在遮挡后迅速恢复到遮挡前的跟踪效果是下一步要解决的问题。参考文献：[1]BabuMM，eta1．ColormatchingforiⅡ】ageretrieval[J]．PatternRecognitionLetters，199516：325--331．[2]ComaneciD．RameshV，MeerP．Kernelbasedobjecttracking[J]．TransactionsOnPatternAnalysisandMachineIntelligence，2003-25(5)．[3]KatjaNummiaro，EstherKollerMeier，LucVanC001．Colorfeaturefortrackingnon．rigidobj∞ta[J]．自动化学报，2003，29(3)．[4]KennedyJ．EberhartR．Particleswa／Tnoptimization[A]．Proc．IEEEInt．Cord．onNeuralNetworks[C]．1995．1942--1948．[5]EberhartR。kenedyJ．AnewoptimizerusingparticlewalTatheory【Aj．ProcoftheSixthInternationalSymposiumOilMicroMachineandHumanScience，Nagoya，Japan，1995．3943．[6]EberhartRC，KennedyJ．SwarmIntelligel'Ice[M]．MorganKanfrrmnfl。
SanDiego，2001．[7]EberhartRC，FluX．Humantremoranalysis吲119particle$w8／'1moptimization[A]．ProceedingsoftheIEEECong麟onEvolutionaryComputation[CJ．Piscataway，NJ：IEEEServiceCenter，1999．19271930．[8]HuX。
ShiYandEberhartRC．RecentAAvanceinParticleSwarm[A]．Proceedingsofthe2004CongressonEvolutionaryCornputation[C]．Piscataway，NJ：IEEEPress，2004．9卜97．[9]EberhartRC。ShiY．GuestEditorialSpecialIssueonParticleSwarmOptimization[J]．IEEETram．ActiononEvolutionaryComputation．2004，8(3)：20l一203．[10]ShiYandEberhartRC．Anxxtifiedparticle洲8_rlTloptimizer[A]．ProceedingsoftheIEEEInternationalConfererlceonEvolutionaryComputation[C]．Piscataway，NJ：IEEEPress，1998．6973．[11]ChatterjeeA，SiarryP．Nonlinearinertiaweightvariationforayrlamicadaptationinparticlesw锄optimization[J]．Computers＆OperationsResearch，20006，33：859--871．(上接第202页)4结论《辐射度、光度与色度及其测量》课程可以作为高等学校光电信息科学与工程、电子科学与技术、测控技术及仪器及相关专业本科生的--f]重要的专业基础课程。本文从光电信息科学与工程类专业知识体系角度出发，总结了多年教学科研经验，探索了以“三度学”作为教学内容，通过配合相关测量实验，开展“三度学”课程建设的探索。课程的讲授不仅受到了学生的普遍欢迎，课程内容能够将基础理论与应用技巧有效的结合，为进一步的学习和应用奠定技术基础，而且讲课教师也普遍感觉课程讲授能够系统贯穿光电检测技术，对于许多科研工作都有积极的促进作用。
课程实践达到了课程规划和教材编写的目的，同时本教材也受到了工程技术人员的欢迎，2006年6月第一次印刷2000册很快告罄，已于2007年3月第二次印刷了2000册。参考文献：[1]金伟其，胡威捷．辐射度、光度与色度及其测量[M]．北京：北京理工大学出版社，2006．[2]北京理工大学．电子科学与技术专业培养方案[z]．北京理工大学，2003．[3]1998年颁布，国家教委普通高等学校本科专业设置规定[s]．[4]庞思勤．对课堂教学问题的若干思考[J]．北京理工大学学报(社会科学版)，2006，8(4)．[5]张建林．科研引人教学过程经典理念之贯彻[J]．江苏高教相关，2005．(3)：66．205。
本文《《三度学及其测量》课程建设的探索与实践》 --- 作者： 王霞， 金伟其， 胡威捷， 廖宁放， WANG Xia， JIN Wei-qi， HU Wei-Jie， LIAO
上一篇：影响非体育专业男生学习健美操的因素分析
下一篇：《企业管理》教学中社会责任问题的探讨