同步课堂教室光环境的优化设计

虞 晖，赵向军

(江苏师范大学 智慧教育学院，江苏 徐州 221116)

引言

同步课堂教室中讲台区域是教师的主要活动区域，教师影像需要实时录制并同步直播到远程教室，讲台区域需要有充足的照明以保证教师影像的质量，然而为保证投影的质量，投影区域需要保证其与周围环境具有高对比度，而且毗邻的两个区域光环境相互干扰，这成为了同步教室光环境设计的重点和难点[1-3]。

教室光环境优化设计研究受到了众多学者的关注。陈玉胜等[4]通过不同的灯具对教室照明进行改造，改善了教室照明质量，保护了学生视力，对近视的预防起到了积极的作用。闫仲舒[5]提出中小学校教室照明应当按照现行国家标准进行改造，改造结果有助于保护师生的视力健康。那红宇等[6]通过日本学者大山正曾的实验得出光照度与学习效率、视力有很大关联和影响的结论。黄海静等[7]通过对具体教室照明环境进行测量以及有针对性地发放问卷得出结论，教室的照明不应该只注重灯具数量和视觉的感受，更应当提高照明质量，这样不仅能够有利于学生的健康成长，而且还能提高学生的上课热情，促进学生思维转动，提升课堂效率。

随着互联网以及流媒体技术的快速发展，同步课堂已经成为提高名师辐射作用、解决教育资源分布不均的有效解决方案，显而易见，营造同步课堂良好的光照环境，对于提高教师影像质量和本地以及远程教室学生的学习质量都具有重要意义。遗憾的是，对同步课堂照明系统精细设计的相关工作还比较少，针对投影区域和讲桌区域相互干扰的研究还未见诸报端。为此，本文借助DIALux软件，在《中小学校教室采光和照明卫生标准》(GB 7793—2010)[8]基础上，对教室光环境进行仿真优化，探究教室照明、投影仪、教师面部照明三者之间的关系，同时探索解决在同步课堂视频录制时投影仪灯光与教师面部照明互为掣肘的问题。

1 同步课堂教室的照明设计

根据GB 50099—2011《中小学校设计规范》[9]，我们构造了符合规范的教室三维模型，教室长度为11.417 m、宽度为7.575 m、高度为2.77 m，并在三维模型中添加了桌椅、黑板、投影仪、投影幕布等。该模型的平面效果图如图1所示。

图1 教室平面设计图Fig.1 Plan of classroom

根据GB 7793—2010《中小学校教室采光和照明卫生标准》中对教室内部墙面、天花板、地板、桌面、黑板和投影幕布反射比的要求，在其所给的标准范围内，不失一般性，取其均值，在DIALux软件中，对各个表面的材质以及反射比进行相应的修改，修改结果如表1所示。

教室通常使用的投影幕布为白塑幕布，幕布表面洁白均匀，光线反射柔和，视觉不易疲劳。增益是用数字表示幕料固有的反射特性(各个角度的明亮程度)。向完全漫散射面(即上下左右180°方向反射率都是一样的反射面)上投射一定的光线，这时的反射亮度设定为1。然后在同一条件下，向屏幕垂直的方向投射同样的光线，测定中心点和同一圆弧上各点的亮度，这个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为1.0～1.5。增益越小的屏幕，视角越大，适合在教室内使用[10，11]。陈毅清等[12]认为在白塑幕属漫反射幕布，白塑幕亮度系数略小于理想慢散幕布的亮度系数。结合实测，白塑幕反射比约为0.850。

表1 室内各表面反射比

1.1 教室的照明设计

根据GB 7793—2010要求，教室课桌面上的维持平均照度值不应低于300 lx。黑板区域应设置局部照明灯，其维持照度不应低于500 lx。同时，教室宜采用3 300～5 500 K色温的光源，光源的显色指数不宜小于80。本文选用了MDPM54-M/K/D/L线条灯。灯泡的具体参数如表2所示，其配光曲线(把光强用矢量表示，将各矢量的端点连成曲线，用以表示光强分布的状态[10])如图2所示。

表2 MDPM54-M/K/D/L线条灯参数

在DIALux软件中按照内部平行排列方式和以照度为目标的规划方式将灯具添加至三维模型中，将灯具安装在顶部天花板上，其平面效果图如图3所示。

在3D模型中，将高为0.8 m的书桌面所在平面设置为工作面，投影幕布、黑板分别添加供DIALux软件计算的计算面，计算面是DIALux中为计算区域照度结果所提供的一种方式[13]。

经过DIALux软件计算，得出了各个计算平面在当前灯具布置情况下的水平照度结果见表3。

图2 配光曲线Fig.2 Light distribution curve

图3 灯具放置平面图Fig.3 Plan of lamps

参数桌面投影区域黑板区域平均照度/lx461360238最小照度/lx1012562.93最大照度/lx575548443

教室照明设计的首要目的就是为了满足工作面的照明需求。首先，我们对工作面的照明情况进行做进一步的分析。从表3得出的结果，工作面的平均照度为461 lx，基本满足了GB 7793—2010中对于课桌面的照明要求。工作面的最小照度结果仅为101 lx，我们需进一步观察在当前光照下工作面的照度分布。通过DIALux软件分析得出了工作面的等照度图、伪色图和数值系统图，可以更加直观的观察出工作面的照度分布。通过对图4的观察，可以明显看出，学生桌面所在的工作面的照度多在300～500 lx，满足了GB 7793—2010中对于课桌面照明的要求。

其次，从表3得出的黑板区域的平均照度仅为238 lx，无法达到GB 7793—2010中所要求的500 lx的持续照明要求。同时，黑板区域前方即为教师上课时的活动区域，而当前的照明条件(投影区域和黑板区域对比度过大)，无法保证在实时录播的影像质量。因此，在当前照明前提下考虑提供局部照明灯来满足黑板以及教师的照明需求。

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

最后，从表3得出的投影区域的平均照度为360 lx。由于投影区域的照度会影响投影仪的选择，以及当前投影区域的照度值会大大提高投影仪选用的标准。因此，我们将进一步阐述对于投影区域的照明条件是否需进一步优化的问题。

1.2 教室投影仪的选择

随着多媒体技术在教学领域的应用，使用PPT等工具进行教学辅助时，不可忽视投影仪的选取与使用。教室选用的投影仪既要能够满足学校的教学要求，同时要尽可能的降低成本。

在当前的光照环境下，确定选用的投影仪的基限亮度时需考虑的因素如表4所示。

表4 影响投影仪选用的因素及说明

通过以上6个指标可以来分析出当前环境内投影仪的亮度下限(光通量Φ)，其计算结果可以通过以下公式得到：

ESL=EAL×CR

(1)

(2)

从表3可知，投影区域的平均照度为360 lx，即为拟安装投影屏幕的区域在当前照明条件下的平均照度，也即EAL=360 lx。对比度的取值一般在2～10，数值越大则图像亮度与环境亮度的对比度越高，观众的舒适度也就越高，当然购买设备的金额也就越大。综合实际需求考虑，取CR=3。教室采用的是120英寸4∶3规格的投影屏幕，故此投影屏幕面积为4.625 m2，即S=4.625 m2。空间传损系数与投影机安装高度、安装距离和屏幕反射率直接相关，CU可取0.6～1之间，CU取值为经验数值，只可做粗略估算，取CR=0.8。一般的清洁场所，如客厅、卧室、办公室、教室、阅读室、博物馆等室内灰尘累计较小，通常将维护系数设置为0.8，即K=0.8。

将EAL=319，CR=3代入公式(1)，即可求得显像亮度ESL=1 080。将ESL=1 080，S=4.625，CU=0.8，K=0.8代入公式(2)，即可求得投影仪选择的亮度下限：光通量Φ=7 804 lm。

2 同步课堂教室光环境的优化设计

2.1 投影区域照明优化设计

经以上分析可知，在当前的教室照明情况下，选择的投影仪的亮度下限：光通量Φ=7 804 lm。亮度基限过高增加了投影仪的成本投入，不符合教室投影仪选用的标准。对影响投影仪亮度基限的6个因素进行分析，发现EAL对投影仪极限亮度的影响是最大的。在当前的光照环境下，正式由于EAL的数值过大，导致计算出的投影仪的基限亮度过高。因此，本文对教室的光照环境做进一步的调整与优化，以保证在满足GB 7793—2010的前提下，降低投影仪选用的标准。

考虑到原先的灯光布局会导致EAL过高，同时要保证学生的课桌表面的照度要大于300 lx，所以在原先的灯光布局的基础上，将靠近投影区域和黑板区域的一排灯具移除。在DIALux软件中，对灯具排布进行重新布局，并模拟计算出各个计算面的平均照度值，如表5所示。

表5 各计算面平均照度

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

从表5可知，工作面(即为学生的课桌表面)的平均照度为379 lx。基本满足了GB 7793—2010对于课桌表面的照度要求(教室课桌面上的维持平均照度值不应低于300 lx)。为进一步分析整个工作面的照度分布，通过DIALux软件计算分析，得到了等照度图、伪色图和数值系统图，如图5所示。从图中可以直观的分析出在学生课桌摆放的区域范围内，工作面的照度都大于300 lx，且局部范围照度约500 lx。从上述分析结果可以认定，重新调整后的照明设计方案能够满足GB 7793—2010对于课桌表面的照度要求。

对表5的结果进一步分析，此时投影区域的平均照度为137 lx，即EAL=137 lx。调整CR=5将其代入式(1)、(2)，得到当前照明条件下的投影仪亮度下限：光通量Φ=4 950 lm。为验证投影效果，本文在DIALux中模拟出投影黑白棋盘格来观察投影效果。

为在DIALux中能够模拟出投影黑白棋盘格的效果，首先需要了解投影仪的工作原理。投影仪是由光源、显示芯片和光学引擎三大关键部件组成。图6所示为光学引擎工作原理示意图。其中，光源是投影系统光能量的唯一来源。照明系统需要将光源发出的光线尽可能多的手机到图像显示芯片上，并通过重新配光使得芯片上的照度分布是均匀的。图像显示芯片存储着当前画面的灰度信息，当前被均匀照明时，投影物镜就可以将画面以一定倍率放大并投射在屏幕上[14，15]。

图6 投影仪工作原理示意图Fig.6 Schematic diagram of projector

其次，在DIALux中将投影仪的工作原理做相应的简化。将图像显示芯片用绘制黑盘棋盘格底片代替，通过设置LED光源，根据光线跟踪算法，使光线通过黑白棋盘格底片以达到投影的效果。最后，模拟出的黑白棋盘格投影效果如图7所示。

图7 黑白棋盘格投影效果图Fig.7 Black and white checkerboard projection rendering diagram

通过在DIALux中对光环境进行仿真，模拟出的光线追踪的效果图可以直观地显示出投影地效果，为更严谨地论证灯光布局的科学性，下文将从数学的角度进一步讨论，为此在DIALux中计算出投影后的投影区域的光照亮度，结果见表6。

表6 投影区域照度结果

从表6中得到投影后的投影区域的平均照度为669 lx，将其与与环境亮度作比，其结果即为对比度，求出的对比度系数为4.8。对比度系数常取2～10，对比度系数越大则投影效果越清晰。当前的对比度大小可以保证在教室中使用该投影仪是保证良好的投影效果。

同时，在图8中添加摄像机位，该摄像机位为DIALux软件中提供用来计算该点处收到定向光源所照射过来的亮度，并用以模拟学生在座位上上课时，眼球在当前照明环境下所能够看到投影区域的光照亮度。

图8 摄像机位置图Fig.8 Plan of cameras

通过DIALux计算得出投影区域对摄像机的导向照度，数据结果见表7。

表7 投影区域对摄像机的导向照度

根据李锦等[16]的研究成果，在照度为500～1 000 lx的视觉感受最佳，能够减少对视觉功能的损

伤，缓解视觉疲劳。投影区域对摄像机的导向照度的平均值均在600 lx以上，可供人眼清晰地辨别图像，同时能够缓解视觉疲劳，提高学习效率。

为直观地看到学生在座位上看到投影区域的实际效果，通过软件模拟得到了效果图，如图9所示，从左到右分别是摄像机1、摄像机2、摄像机3所看到的效果图。

从图9的效果图可以直观地观察到在当前所处位置能够清晰地看到投影区域的投影效果。为进一步分析投影区域的照度分布，通过DIALux软件计算分析，得到了等照度图、伪色图和数值系统图，如图10所示。

从图10中可以看出，黑白棋盘格的黑色部分在伪色图上的显示大致是绿色，即照度为100～200 lx，白色部分在伪色图上显示的大致是深黄色，即照度为1 000 lx，对比度CR约为5，可以将图像清晰地识别。

图9 摄像机位观察投影区域效果图Fig.9 Rendering sketch: watching at the position of the camera

图10 投影区域照度分布Fig.10 Illuminance distribution of projection area

2.2 教师面部照明优化设计

同步课堂的实时录播受到投影区域和教师面部照明互为制约的掣肘。教师上课时的主要活动范围为黑板区域前方，从表5可知，在当前照明条件下，黑板区域的平均照度仅为66.5 lx，那么在当前的低照度环境下，无法保证实时录播的视屏质量。同时，黑板区域的照明远低于GB 7793—2010所规定的500 lx，故对当前的光照系统需进一步的调整设计。

考虑到仅是黑板区域的照度达不到要求。首先，对黑板区域添加局部照明灯，以满足黑板区域照明不足的问题；其次，局部照明灯的添加将影响投影区域的环境亮度，重新计算投影仪的基限亮度。最后，验证当前调整后的灯光设计系统是否满足需求。

本文选用了MZD36-M/K-D/L线条灯，灯泡的具体参数如表8所示，其配光曲线如图11所示。

表8 MZD36-M/K-D/L线条灯参数

图11 配光曲线Fig.11 Light distribution curve

将其采用悬挂的方式进行安装，对黑板区域加强局部照明。由于黑板有部分被挡在投影幕布后，故对黑板区域的计算面进行调整去除被遮挡部分，仅考虑学生可视范围内的黑板区域的照明。分别在关闭投影仪和打开投影仪的两种情况下计算各个表面的平均照度结果，如表9所示。

表9 各计算面水平照度

关闭投影仪时所得到的投影区域的平均照度值即可视作当前的环境照度，即EAL=155。打开投影仪时投影区域的平均照度为694 lx。将其作比，其结果即为对比度，对比度系数约为4.47，虽然较之前的投影效果有所下降，但总体还是在可以接受的范围。通过DIALux仿真，得到了从3个摄像机位观察投影区域和黑板区域的图片，如图12所示。

从图12可以直观地观察到投影的黑白棋盘格除最右端有些泛白，其他大部分区域都能较好地呈现投影效果，同时黑板区域的照明得到明显地加强。从表9可知，通过添加局部照明灯，使得黑板区域的平均照度维持在500 lx左右，符合GB 7793—2010。

图12 摄像机位观察投影区域和黑板区域效果图Fig.12 Rendering sketch: watching at the positon of the camera

为进一步验证当前的照明条件是否能满足同步课堂教师所需要的光照条件，根据教师的活动范围，如图13所示在DIALux软件中添加教师模型，并在教师面部添加计算面，因垂直照度用来模拟照射在人的面部和身体上的光，对摄像机、摄影机和视看者能提供最佳辨认度，并影响照射目标的立体感。故模拟计算教师面部的垂直照度结果，用以分析教师面部照明是否能够满足远程同步课堂视频录制的要求。统一眩光指数(UGR)是预测和评定室内工作环境不舒适眩光状况的指标，通过模拟计算当前光照条件下的统一眩光指数，用以分析教师自身的视觉需求和视觉舒适度。经过计算，得出教师面部的垂直照度结果如表10所示。

表10 教师面部垂直照度结果

根据表10的结果可知，教师面部的平均照度结果为669 lx。根据李锦等[16]的研究成果，在照度为500～1 000 lx的视觉感受最佳，能够减少对视觉功能的损伤，缓解视觉疲劳。同时，测得当前光照环境，教师平行视角下，以及向下扫过的90°视角内的UGR(135°～360°内的UGR)如图14所示。

参照表11中给出的眩光标准分类，从图14中可以看出，在当前照明条件下，教师在上课过程中完成在黑板板书到面向学生授课的过程中，仅在两个极限角度上受到轻微不适眩光的影响。同时，LED光源是典型的冷光源，发出的光为冷光色。总体而言，教师上课时能有一个较好地视觉舒适度。

图13 教师模型Fig.13 Model of the teacher

图14 统一眩光指数Fig.14 UGR

眩光指数眩光标准分类10勉强感到眩光16可以接受的眩光19眩光临界值22不舒适的眩光28不能忍受的眩光

由以上分析可知，当前的照明条件，既满足了黑板区域的照明需求，同时教师面部的照明也得到有效地加强，能够在实时录播情况下，有效解决了教师面部和投影区域照明互为掣肘的问题。

3 总结

本文借助了DIALux软件对同步课堂的灯光系统设计方法进行了探讨。首先，建立了符合相关国家标准的同步课堂三维模型，对教室灯光进行合理布局。其次，通过软件的仿真计算来探究投影仪与环境亮度之间的关系，找到适合当前环境照度的投影仪亮度的下限。最后，在保证投影区域光环境的前提下，对讲台区域添加局部照明灯用以补充教师及讲台区域照明，并通过DIALux计算分析验证了设计方案的合理性。

未来我们需要深入开展的工作包括同步课堂教室灯光系统优化的自动化方法，以及基于投影内容的灯光系统的精细化设计等。