同步課堂教室光環境的優化設計

虞 暉，趙向軍

(江蘇師范大學 智慧教育學院，江蘇 徐州 221116)

引言

同步課堂教室中講臺區域是教師的主要活動區域，教師影像需要實時錄制并同步直播到遠程教室，講臺區域需要有充足的照明以保證教師影像的質量，然而為保證投影的質量，投影區域需要保證其與周圍環境具有高對比度，而且毗鄰的兩個區域光環境相互干擾，這成為了同步教室光環境設計的重點和難點[1-3]。

教室光環境優化設計研究受到了眾多學者的關注。陳玉勝等[4]通過不同的燈具對教室照明進行改造，改善了教室照明質量，保護了學生視力，對近視的預防起到了積極的作用。閆仲舒[5]提出中小學校教室照明應當按照現行國家標準進行改造，改造結果有助于保護師生的視力健康。那紅宇等[6]通過日本學者大山正曾的實驗得出光照度與學習效率、視力有很大關聯和影響的結論。黃海靜等[7]通過對具體教室照明環境進行測量以及有針對性地發放問卷得出結論，教室的照明不應該只注重燈具數量和視覺的感受，更應當提高照明質量，這樣不僅能夠有利于學生的健康成長，而且還能提高學生的上課熱情，促進學生思維轉動，提升課堂效率。

隨著互聯網以及流媒體技術的快速發展，同步課堂已經成為提高名師輻射作用、解決教育資源分布不均的有效解決方案，顯而易見，營造同步課堂良好的光照環境，對于提高教師影像質量和本地以及遠程教室學生的學習質量都具有重要意義。遺憾的是，對同步課堂照明系統精細設計的相關工作還比較少，針對投影區域和講桌區域相互干擾的研究還未見諸報端。為此，本文借助DIALux軟件，在《中小學校教室采光和照明衛生標準》(GB 7793—2010)[8]基礎上，對教室光環境進行仿真優化，探究教室照明、投影儀、教師面部照明三者之間的關系，同時探索解決在同步課堂視頻錄制時投影儀燈光與教師面部照明互為掣肘的問題。

1 同步課堂教室的照明設計

根據GB 50099—2011《中小學校設計規范》[9]，我們構造了符合規范的教室三維模型，教室長度為11.417 m、寬度為7.575 m、高度為2.77 m，并在三維模型中添加了桌椅、黑板、投影儀、投影幕布等。該模型的平面效果圖如圖1所示。

圖1 教室平面設計圖Fig.1 Plan of classroom

根據GB 7793—2010《中小學校教室采光和照明衛生標準》中對教室內部墻面、天花板、地板、桌面、黑板和投影幕布反射比的要求，在其所給的標準范圍內，不失一般性，取其均值，在DIALux軟件中，對各個表面的材質以及反射比進行相應的修改，修改結果如表1所示。

教室通常使用的投影幕布為白塑幕布，幕布表面潔白均勻，光線反射柔和，視覺不易疲勞。增益是用數字表示幕料固有的反射特性(各個角度的明亮程度)。向完全漫散射面(即上下左右180°方向反射率都是一樣的反射面)上投射一定的光線，這時的反射亮度設定為1。然后在同一條件下，向屏幕垂直的方向投射同樣的光線，測定中心點和同一圓弧上各點的亮度，這個亮度和完全漫散射的亮度的比率就叫屏幕的增益。白塑屏幕的增益通常為1.0～1.5。增益越小的屏幕，視角越大，適合在教室內使用[10，11]。陳毅清等[12]認為在白塑幕屬漫反射幕布，白塑幕亮度系數略小于理想慢散幕布的亮度系數。結合實測，白塑幕反射比約為0.850。

表1 室內各表面反射比

1.1 教室的照明設計

根據GB 7793—2010要求，教室課桌面上的維持平均照度值不應低于300 lx。黑板區域應設置局部照明燈，其維持照度不應低于500 lx。同時，教室宜采用3 300～5 500 K色溫的光源，光源的顯色指數不宜小于80。本文選用了MDPM54-M/K/D/L線條燈。燈泡的具體參數如表2所示，其配光曲線(把光強用矢量表示，將各矢量的端點連成曲線，用以表示光強分布的狀態[10])如圖2所示。

表2 MDPM54-M/K/D/L線條燈參數

在DIALux軟件中按照內部平行排列方式和以照度為目標的規劃方式將燈具添加至三維模型中，將燈具安裝在頂部天花板上，其平面效果圖如圖3所示。

在3D模型中，將高為0.8 m的書桌面所在平面設置為工作面，投影幕布、黑板分別添加供DIALux軟件計算的計算面，計算面是DIALux中為計算區域照度結果所提供的一種方式[13]。

經過DIALux軟件計算，得出了各個計算平面在當前燈具布置情況下的水平照度結果見表3。

圖2 配光曲線Fig.2 Light distribution curve

圖3 燈具放置平面圖Fig.3 Plan of lamps

參數桌面投影區域黑板區域平均照度/lx461360238最小照度/lx1012562.93最大照度/lx575548443

教室照明設計的首要目的就是為了滿足工作面的照明需求。首先，我們對工作面的照明情況進行做進一步的分析。從表3得出的結果，工作面的平均照度為461 lx，基本滿足了GB 7793—2010中對于課桌面的照明要求。工作面的最小照度結果僅為101 lx，我們需進一步觀察在當前光照下工作面的照度分布。通過DIALux軟件分析得出了工作面的等照度圖、偽色圖和數值系統圖，可以更加直觀的觀察出工作面的照度分布。通過對圖4的觀察，可以明顯看出，學生桌面所在的工作面的照度多在300～500 lx，滿足了GB 7793—2010中對于課桌面照明的要求。

其次，從表3得出的黑板區域的平均照度僅為238 lx，無法達到GB 7793—2010中所要求的500 lx的持續照明要求。同時，黑板區域前方即為教師上課時的活動區域，而當前的照明條件(投影區域和黑板區域對比度過大)，無法保證在實時錄播的影像質量。因此，在當前照明前提下考慮提供局部照明燈來滿足黑板以及教師的照明需求。

圖4 工作面照度分布Fig.4 Illuminance distribution of working surface

最后，從表3得出的投影區域的平均照度為360 lx。由于投影區域的照度會影響投影儀的選擇，以及當前投影區域的照度值會大大提高投影儀選用的標準。因此，我們將進一步闡述對于投影區域的照明條件是否需進一步優化的問題。

1.2 教室投影儀的選擇

隨著多媒體技術在教學領域的應用，使用PPT等工具進行教學輔助時，不可忽視投影儀的選取與使用。教室選用的投影儀既要能夠滿足學校的教學要求，同時要盡可能的降低成本。

在當前的光照環境下，確定選用的投影儀的基限亮度時需考慮的因素如表4所示。

表4 影響投影儀選用的因素及說明

通過以上6個指標可以來分析出當前環境內投影儀的亮度下限(光通量Φ)，其計算結果可以通過以下公式得到：

ESL=EAL×CR

(1)

(2)

從表3可知，投影區域的平均照度為360 lx，即為擬安裝投影屏幕的區域在當前照明條件下的平均照度，也即EAL=360 lx。對比度的取值一般在2～10，數值越大則圖像亮度與環境亮度的對比度越高，觀眾的舒適度也就越高，當然購買設備的金額也就越大。綜合實際需求考慮，取CR=3。教室采用的是120英寸4∶3規格的投影屏幕，故此投影屏幕面積為4.625 m2，即S=4.625 m2?？臻g傳損系數與投影機安裝高度、安裝距離和屏幕反射率直接相關，CU可取0.6～1之間，CU取值為經驗數值，只可做粗略估算，取CR=0.8。一般的清潔場所，如客廳、臥室、辦公室、教室、閱讀室、博物館等室內灰塵累計較小，通常將維護系數設置為0.8，即K=0.8。

將EAL=319，CR=3代入公式(1)，即可求得顯像亮度ESL=1 080。將ESL=1 080，S=4.625，CU=0.8，K=0.8代入公式(2)，即可求得投影儀選擇的亮度下限：光通量Φ=7 804 lm。

2 同步課堂教室光環境的優化設計

2.1 投影區域照明優化設計

經以上分析可知，在當前的教室照明情況下，選擇的投影儀的亮度下限：光通量Φ=7 804 lm。亮度基限過高增加了投影儀的成本投入，不符合教室投影儀選用的標準。對影響投影儀亮度基限的6個因素進行分析，發現EAL對投影儀極限亮度的影響是最大的。在當前的光照環境下，正式由于EAL的數值過大，導致計算出的投影儀的基限亮度過高。因此，本文對教室的光照環境做進一步的調整與優化，以保證在滿足GB 7793—2010的前提下，降低投影儀選用的標準。

考慮到原先的燈光布局會導致EAL過高，同時要保證學生的課桌表面的照度要大于300 lx，所以在原先的燈光布局的基礎上，將靠近投影區域和黑板區域的一排燈具移除。在DIALux軟件中，對燈具排布進行重新布局，并模擬計算出各個計算面的平均照度值，如表5所示。

表5 各計算面平均照度

圖5 調整后的工作面照度分布Fig.5 Illuminance distribution of adjusted working surface

從表5可知，工作面(即為學生的課桌表面)的平均照度為379 lx?；緷M足了GB 7793—2010對于課桌表面的照度要求(教室課桌面上的維持平均照度值不應低于300 lx)。為進一步分析整個工作面的照度分布，通過DIALux軟件計算分析，得到了等照度圖、偽色圖和數值系統圖，如圖5所示。從圖中可以直觀的分析出在學生課桌擺放的區域范圍內，工作面的照度都大于300 lx，且局部范圍照度約500 lx。從上述分析結果可以認定，重新調整后的照明設計方案能夠滿足GB 7793—2010對于課桌表面的照度要求。

對表5的結果進一步分析，此時投影區域的平均照度為137 lx，即EAL=137 lx。調整CR=5將其代入式(1)、(2)，得到當前照明條件下的投影儀亮度下限：光通量Φ=4 950 lm。為驗證投影效果，本文在DIALux中模擬出投影黑白棋盤格來觀察投影效果。

為在DIALux中能夠模擬出投影黑白棋盤格的效果，首先需要了解投影儀的工作原理。投影儀是由光源、顯示芯片和光學引擎三大關鍵部件組成。圖6所示為光學引擎工作原理示意圖。其中，光源是投影系統光能量的唯一來源。照明系統需要將光源發出的光線盡可能多的手機到圖像顯示芯片上，并通過重新配光使得芯片上的照度分布是均勻的。圖像顯示芯片存儲著當前畫面的灰度信息，當前被均勻照明時，投影物鏡就可以將畫面以一定倍率放大并投射在屏幕上[14，15]。

圖6 投影儀工作原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of projector

其次，在DIALux中將投影儀的工作原理做相應的簡化。將圖像顯示芯片用繪制黑盤棋盤格底片代替，通過設置LED光源，根據光線跟蹤算法，使光線通過黑白棋盤格底片以達到投影的效果。最后，模擬出的黑白棋盤格投影效果如圖7所示。

圖7 黑白棋盤格投影效果圖Fig.7 Black and white checkerboard projection rendering diagram

通過在DIALux中對光環境進行仿真，模擬出的光線追蹤的效果圖可以直觀地顯示出投影地效果，為更嚴謹地論證燈光布局的科學性，下文將從數學的角度進一步討論，為此在DIALux中計算出投影后的投影區域的光照亮度，結果見表6。

表6 投影區域照度結果

從表6中得到投影后的投影區域的平均照度為669 lx，將其與與環境亮度作比，其結果即為對比度，求出的對比度系數為4.8。對比度系數常取2～10，對比度系數越大則投影效果越清晰。當前的對比度大小可以保證在教室中使用該投影儀是保證良好的投影效果。

同時，在圖8中添加攝像機位，該攝像機位為DIALux軟件中提供用來計算該點處收到定向光源所照射過來的亮度，并用以模擬學生在座位上上課時，眼球在當前照明環境下所能夠看到投影區域的光照亮度。

圖8 攝像機位置圖Fig.8 Plan of cameras

通過DIALux計算得出投影區域對攝像機的導向照度，數據結果見表7。

表7 投影區域對攝像機的導向照度

根據李錦等[16]的研究成果，在照度為500～1 000 lx的視覺感受最佳，能夠減少對視覺功能的損

傷，緩解視覺疲勞。投影區域對攝像機的導向照度的平均值均在600 lx以上，可供人眼清晰地辨別圖像，同時能夠緩解視覺疲勞，提高學習效率。

為直觀地看到學生在座位上看到投影區域的實際效果，通過軟件模擬得到了效果圖，如圖9所示，從左到右分別是攝像機1、攝像機2、攝像機3所看到的效果圖。

從圖9的效果圖可以直觀地觀察到在當前所處位置能夠清晰地看到投影區域的投影效果。為進一步分析投影區域的照度分布，通過DIALux軟件計算分析，得到了等照度圖、偽色圖和數值系統圖，如圖10所示。

從圖10中可以看出，黑白棋盤格的黑色部分在偽色圖上的顯示大致是綠色，即照度為100～200 lx，白色部分在偽色圖上顯示的大致是深黃色，即照度為1 000 lx，對比度CR約為5，可以將圖像清晰地識別。

圖9 攝像機位觀察投影區域效果圖Fig.9 Rendering sketch: watching at the position of the camera

圖10 投影區域照度分布Fig.10 Illuminance distribution of projection area

2.2 教師面部照明優化設計

同步課堂的實時錄播受到投影區域和教師面部照明互為制約的掣肘。教師上課時的主要活動范圍為黑板區域前方，從表5可知，在當前照明條件下，黑板區域的平均照度僅為66.5 lx，那么在當前的低照度環境下，無法保證實時錄播的視屏質量。同時，黑板區域的照明遠低于GB 7793—2010所規定的500 lx，故對當前的光照系統需進一步的調整設計。

考慮到僅是黑板區域的照度達不到要求。首先，對黑板區域添加局部照明燈，以滿足黑板區域照明不足的問題；其次，局部照明燈的添加將影響投影區域的環境亮度，重新計算投影儀的基限亮度。最后，驗證當前調整后的燈光設計系統是否滿足需求。

本文選用了MZD36-M/K-D/L線條燈，燈泡的具體參數如表8所示，其配光曲線如圖11所示。

表8 MZD36-M/K-D/L線條燈參數

圖11 配光曲線Fig.11 Light distribution curve

將其采用懸掛的方式進行安裝，對黑板區域加強局部照明。由于黑板有部分被擋在投影幕布后，故對黑板區域的計算面進行調整去除被遮擋部分，僅考慮學生可視范圍內的黑板區域的照明。分別在關閉投影儀和打開投影儀的兩種情況下計算各個表面的平均照度結果，如表9所示。

表9 各計算面水平照度

關閉投影儀時所得到的投影區域的平均照度值即可視作當前的環境照度，即EAL=155。打開投影儀時投影區域的平均照度為694 lx。將其作比，其結果即為對比度，對比度系數約為4.47，雖然較之前的投影效果有所下降，但總體還是在可以接受的范圍。通過DIALux仿真，得到了從3個攝像機位觀察投影區域和黑板區域的圖片，如圖12所示。

從圖12可以直觀地觀察到投影的黑白棋盤格除最右端有些泛白，其他大部分區域都能較好地呈現投影效果，同時黑板區域的照明得到明顯地加強。從表9可知，通過添加局部照明燈，使得黑板區域的平均照度維持在500 lx左右，符合GB 7793—2010。

圖12 攝像機位觀察投影區域和黑板區域效果圖Fig.12 Rendering sketch: watching at the positon of the camera

為進一步驗證當前的照明條件是否能滿足同步課堂教師所需要的光照條件，根據教師的活動范圍，如圖13所示在DIALux軟件中添加教師模型，并在教師面部添加計算面，因垂直照度用來模擬照射在人的面部和身體上的光，對攝像機、攝影機和視看者能提供最佳辨認度，并影響照射目標的立體感。故模擬計算教師面部的垂直照度結果，用以分析教師面部照明是否能夠滿足遠程同步課堂視頻錄制的要求。統一眩光指數(UGR)是預測和評定室內工作環境不舒適眩光狀況的指標，通過模擬計算當前光照條件下的統一眩光指數，用以分析教師自身的視覺需求和視覺舒適度。經過計算，得出教師面部的垂直照度結果如表10所示。

表10 教師面部垂直照度結果

根據表10的結果可知，教師面部的平均照度結果為669 lx。根據李錦等[16]的研究成果，在照度為500～1 000 lx的視覺感受最佳，能夠減少對視覺功能的損傷，緩解視覺疲勞。同時，測得當前光照環境，教師平行視角下，以及向下掃過的90°視角內的UGR(135°～360°內的UGR)如圖14所示。

參照表11中給出的眩光標準分類，從圖14中可以看出，在當前照明條件下，教師在上課過程中完成在黑板板書到面向學生授課的過程中，僅在兩個極限角度上受到輕微不適眩光的影響。同時，LED光源是典型的冷光源，發出的光為冷光色?？傮w而言，教師上課時能有一個較好地視覺舒適度。

圖13 教師模型Fig.13 Model of the teacher

圖14 統一眩光指數Fig.14 UGR

眩光指數眩光標準分類10勉強感到眩光16可以接受的眩光19眩光臨界值22不舒適的眩光28不能忍受的眩光

由以上分析可知，當前的照明條件，既滿足了黑板區域的照明需求，同時教師面部的照明也得到有效地加強，能夠在實時錄播情況下，有效解決了教師面部和投影區域照明互為掣肘的問題。

3 總結

本文借助了DIALux軟件對同步課堂的燈光系統設計方法進行了探討。首先，建立了符合相關國家標準的同步課堂三維模型，對教室燈光進行合理布局。其次，通過軟件的仿真計算來探究投影儀與環境亮度之間的關系，找到適合當前環境照度的投影儀亮度的下限。最后，在保證投影區域光環境的前提下，對講臺區域添加局部照明燈用以補充教師及講臺區域照明，并通過DIALux計算分析驗證了設計方案的合理性。

未來我們需要深入開展的工作包括同步課堂教室燈光系統優化的自動化方法，以及基于投影內容的燈光系統的精細化設計等。