CN106940752A - 基于视觉健康的教室灯光布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于视觉健康的教室灯光布局方法，步骤为：S1、计算出教室的面积，设置多个光源；S2、对照度测量的区域划分成正方形网格，通过四角布点法在矩形网格4个角点上测量照度；S3、通过极差计算方法计算出照度均匀度；S4、建立Matlab数学模型，生成模拟图像及模拟结果；S5、调整各光源的位置，进行三维重建，并得到新的模拟图像及模拟结果。本发明采用四角布点法和极差计算法测量照度及照度均匀度，并通过建模分析调整各光源的位置及光照强度，达到均匀的光照分布，从而满足视觉健康的要求。

Description

基于视觉健康的教室灯光布局方法

技术领域

本发明属于照明***技术领域，具体涉及一种基于视觉健康的教室灯光布局方法。

背景技术

随着社会的发展，人们对教育事业也越来越重视，但是学生的近视率也达到了历史的高峰。尽管导致学生近视的原因较多，但教室的灯光布局不合理、照明不均匀无疑是其中的重要因素。传统的教室灯光布局方式是采用均匀排布和使用同样强度的通用的光源，但经过Matlab编程模拟验证其课室的光照亮度是非常的不均匀的：中部非常亮，四周则偏暗。由此，传统教室灯光布局方式导致同一间教室上学的学生处于不同的照明环境，处在过亮和过暗区域的学生，其视觉健康受到很大的影响。

现在中小学普遍采用的教室灯光布局方式为均匀布局式，参见图1是以“长20m，宽15m，高4m，灯光距桌面高度为3m”的现有教室灯光均匀布局模型。建立Matlab数学模型，生成图2、图3的模拟图像结果。图3是图2的俯视图(x～y view)和侧面图(x～z、y～z view)(其中课室的长设为x，宽为y，高为z)。从模拟图像结果得出教室内光强分布严重不均：教室中部由于各点光源的交叉分布，光照强度远高于教室其他区域，最大光强达到了0.29，而教室前排、后排以及两边的地方只有很少的光线达到，最小光强只有0.06。

另外，现实当中光源照射涉及到入射角度和墙体反射等因素，这些因素都会对教室灯光布局有一定的影响。因此，结合入射角度和墙体反射两种因素，对教室灯光布局进行进一步的研究，研发一种基于视觉健康的教室灯光布局方法，对提高教室照明效果及保障学生视觉健康具有重要意义。

发明内容

鉴于以上所述，本发明要解决的技术问题为：提供一种基于视觉健康的教室灯光布局方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

基于视觉健康的教室灯光布局方法，包括以下步骤：

S1、计算出教室的面积，设置多个光源；

S2、对照度测量的区域划分成正方形网格，通过四角布点法在矩形网格4个角点上测量照度；

S3、测得教室室内照度后，通过极差计算方法计算出照度均匀度；

S4、通过测得教室室内照度，建立Matlab数学模型，生成模拟图像及模拟结果；

S5、根据模拟图像及模拟结果，调整相应光源的位置及功率：

光源主要分布靠近教室四周边缘，且各光源非均匀分布，教室四周光源的功率大于教室中间的光源的功率，且四个角的光源的功率最大。

S6、进行三维重建，并得到新的模拟图像及模拟结果，直到得到均匀的光照分布。

优选方案中，所述步骤S2中四角布点法的照度计算式为：

式中M、N分别为纵、横向网格数，E_θ为测量区域四个角处的测点照度，E_θ是除E_θ外，四条边外边上的测点照度，E为四条外边以内的测点照度。

优选方案中，所述步骤S3中照度均匀度的极差计算式为：

U₁＝E_min/E_max

式中U₁为照度均匀度(极差)，E_min、E_max分别为最小和最大照度。

优选方案中，所述步骤S5中各光源的位置的布局趋向于四周，各光源的中间光源的光照强度进行增加。

相应的，本发明还提供了一种基于视觉健康的教室灯光布局分析装置，所述装置包括输入单元、划分单元、测试单元、模拟单元、调整单元，其中：

输入单元，测量教室的面积及尺寸，设置光源个数，将教室面积及尺寸、光源数量输入装置；

划分单元，用于将照度测量的区域划分成正方形网格，得出划分尺寸；

测试单元，用于对矩形网格的角点上测量的照度进行计算，得出照度均匀度；

模拟单元，通过测得教室室内照度，建立Matlab数学模型，生成模拟图像及模拟结果；

调整单元，用于模拟调整各光源的位置，进行三维重建，并得到新的模拟图像及模拟结果，直到得到均匀的光照分布。

本发明提供一种基于视觉健康的教室灯光布局方法，相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明采用四角布点法和极差计算法测量照度及照度均匀度，并通过建模分析调整各光源的位置及光照强度，达到均匀的光照分布；

光源主要分布靠近教室四周边缘，对提高光照的均匀度和强弱比起着主要作用，而并非像传统上的那样均匀分布，因此在光源的布局上应在课室四周分布多一些，中部光源数量可以少一些；

改变以往每个光源功率都一样的情况，在教室里使用可自动根据环境亮度调节亮度的光源，根据具体情况调整每个光源的亮度情况，其中四周的个光源需要亮一些，特别是四个角，而中间的个光源功率可以小一些。

另外，结合入射角度和墙体反射两种因素，进一步提高实际使用中教室照明效果，更好地保障了学生视觉健康。

附图说明

图1为现有教室灯光布局模型；

图2为现有教室灯光照明效果三维模拟图像；

图3为现有教室灯光照明效果不同矢状面二维模拟图像；

图4为网格四角布点示意图；

图5为实施本公开的实施例1中的光源分布示意图；

图6为实施本公开的实施例1中照明效果三维模拟图像；

图7为实施本公开的实施例1中照明效果不同矢状面二维模拟图像；

图8为实施本公开的实施例2中照明效果三维模拟图像；

图9为实施本公开的实施例2中照明效果不同矢状面二维模拟图像；

图10为考虑光源入射角度时光源分布示意图；

图11为考虑光源入射角度时照明效果三维模拟图像；

图12为考虑光源入射角度时照明效果不同矢状面二维模拟图像；

图13为光线反射光路图；

图14为室内各表面反射示意图；

图15为考虑墙体反射时照明效果三维模拟图像；

图16为考虑墙体反射时照明效果不同矢状面二维模拟图像；

图17为实施本公开的实施例3中增加前排光源光强的模拟图像。

图4中，○为场内测点；△为场边测点；□为四角测点。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本发明一较佳实施例所述的一种基于视觉健康的教室灯光布局方法，具体步骤：

S1、教室的面积为7.5×10m²，设置11个光源。

S2、参照图4，对照度测量的区域划分成正方形网格，通过四角布点法在矩形网格4个角点上测量照度，四角布点法照度计算式为：

式中M、N分别为纵、横向网格数，E_θ为测量区域四个角处的测点照度，E_θ是除E_θ外，四条边外边上的测点照度，E为四条外边以内的测点照度。

S3、测得教室室内照度后，通过极差计算方法计算出照度均匀度；

照度均匀度的极差计算式为：

U₁＝E_min/E_max

式中U₁为照度均匀度(极差)，E_min、E_max分别为最小和最大照度。

在采取进行的测量方法测得教室室内照度后，需要对相应的数据进行分析。其中光照强度可以直接通过各采样点光强得到，但是如果需要对教室进行一个总体分析的话，还需要分析照度均匀度。

S4、通过测得教室室内照度，建立Matlab数学模型，生成模拟图像及模拟结果。

S5、根据模拟图像及模拟结果，调整各光源的位置，进行三维重建，并得到新的模拟图像及模拟结果，最终为图5中各光源分布的位置，得到均匀的光照分布。

图5中，均匀分布方式为教室左右两侧壁间距6.5m设置两排光源，每排设置4个光源，且每排光源中间两光源间距为2.5m、边缘光源与内部光源间距为1.5m，两侧壁之间均匀分布3个间距为3.75m的光源，教室四周的光源距离左右两侧壁的间距为1m，教室四周的光源距离前后两侧壁的间距为1.25m。

一般，模拟图像中的颜色的分配是跟其数值范围有关的，越偏向暖色调代表数值越大，相应地，越偏向冷色调代表数值越小；在黑白打印中颜色越深代表数值越大，相应地，颜色越浅代表数值越小。不过需要指出的是，图中的颜色只是为了使观察者容易区分其大小分布情况，但并非某一种颜色就代表某一个数值，不同的数值范围，其某一种颜色代表的数值也不一样

最终光源位置时，Matlab模拟其光照情况如图6及图7所示。测算出，光源2、3、5、7、9、10的相对光强为1，光源1、4、8、11的相对光强为2，光源6的相对光强0.5。分析得出，光照强弱比已经减少到1.6(0.64/0.4)，教室的照明更加的均匀。

调整各光源的位置中，光源主要分布靠近四周边缘，对提高光照的均匀度和强弱比起着主要作用，而并非像传统上的那样均匀分布。

实施例2

本实施例中基于视觉健康的教室灯光布局的方法及步骤与实施例1类似，只是增加考虑了光源入射角度的情况。

教室的面积及形状与实施例1的教室相同，当其光源分布与图5一样时，采用光的平方反比定律和余弦定律计算点光源的照度，Matlab模拟其光照情况如图8和图9所示。分析得出，当考虑到入射角度时，教室四周的光强明显变弱，中部也出现了一点凹陷，光照强弱比由原来的1.6变成了现状的1.69(0.44/0.26)。

究其原因，因为光的余弦定律中乘以了系数，越是远离光源的地方其光照强度衰减得越快，因此本来四周光线就比中部要弱，现在加大了这种趋势。

为了避免上述情况，应该把光源的布局趋向于四周，同时，为了避免中部凹陷，可将中间的光源光照强度进行增加。通过模拟调试，由图5的光源分布调整成了图10的光源分布。参见图11及图12，光照强弱比由1.69下降到1.53(0.43/0.28)，均匀度有所提高了。

实施例3

本实施例中基于视觉健康的教室灯光布局的方法及步骤与实施例1及实施例2类似，只是增加考虑了墙体反射的情况。

教室的面积及形状与实施例1及实施例2的教室相同，其光源分布与图10一样。图10中，分布方式为教室左右两侧壁间距6.5m设置两排光源，每排设置4个光源，且每排光源中间两光源间距为2.6m、边缘光源与内部光源间距为2.8m，两侧壁之间均匀分布3个间距为4.1m的光源，教室四周的光源距离左右两侧壁的间距为0.5m，教室四周的光源距离前后两侧壁的间距为0.9m。

为了简化分析，本实施例中教室模型如下：光源上有灯罩，忽略黑板和窗体对墙壁的占用面积，把教室四面墙体的反射看成是由前墙、侧墙和后墙反射组成，对顶棚、地面、课桌面、黑板暂时忽略；教室同样为普通教室，即长10m，宽7.5m，高4m，灯光距桌面高度为3m。同时在光的反射问题上，只考虑一次反射，不考虑多次反射的问题。

由《中小学校教室采光和照明卫生标准》可知室内各表面应采用高亮度低彩度的装修，房间各表面的反射比应按下表1的规定选取。

表1 室内各表面的反射比

表面名称	反射比	表面名称	反射比
				顶棚	0.70～0.80	侧墙、后墙	0.70～0.80
前墙	0.50～0.60	课桌面	0.25～0.45
				地面	0.20～0.40	黑板	0.15～0.20

本实施例中，设定其遵循光的反射定律，其光路如图13所示，其中光路a是原光线，光路b是经过墙体反射后衰减出来的光线。反射系数的选取上，本实施例中均选取最大值，即前墙为0.6，侧墙和后墙为0.8，如图14所示。

通过Matlab模拟其光照情况可知，图15虽然颜色分布没有图11那么均匀，但其数值是趋于均匀的。

至于为什么颜色会差别那么大，由于Matlab在数据差别比较小的情况下，颜色的分配细致化了。由图16(b)和图16(a)中得出，其最弱处为0.65，最强处为0.81，光照强弱比是1.25(0.81/0.65)。当考虑墙体的反射时，其数值是比原来增强很多的，这是因为四幅墙的叠加。可见，当四面墙壁的反射系数相当接近时，对教室光照均匀度影响并不大，在设计灯光的布局时，可以忽略不计。

而当四面反射系数有较大的差异时，可以进行提高该墙体附近的光照强度。如图16所示，教室四周光强没出现对称性，教室前排的光照强度比后排的要低，是因为前墙的反射系数较小所致，此时可以进行增加前排两盏灯的光强，使得教室的光照均匀度越加趋于均匀，如图17所示。

相应的，本实施例还提供了一种基于视觉健康的教室灯光布局分析装置，所述装置包括输入单元、划分单元、测试单元、模拟单元、调整单元，其中：

输入单元，测量教室的面积及尺寸，设置光源个数，将教室面积及尺寸、光源数量输入装置；

划分单元，用于将照度测量的区域划分成正方形网格，得出划分尺寸；

测试单元，用于对矩形网格的角点上测量的照度进行计算，得出照度均匀度；

模拟单元，通过测得教室室内照度，建立Matlab数学模型，生成模拟图像及模拟结果；

调整单元，用于模拟调整各光源的位置，进行三维重建，并得到新的模拟图像及模拟结果，直到得到均匀的光照分布。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (5)

1.基于视觉健康的教室灯光布局方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、计算出教室的面积，设置多个光源；

S2、对照度测量的区域划分成正方形网格，通过四角布点法在矩形网格4个角点上测量照度；

S3、测得教室室内照度后，通过极差计算方法计算出照度均匀度；

S4、通过测得教室室内照度，建立Matlab数学模型，生成模拟图像及模拟结果；

S5、根据模拟图像及模拟结果，调整相应光源的位置及功率；

S6、进行三维重建，并得到新的模拟图像及模拟结果，直到得到均匀的光照分布。

2.根据权利要求1所述的基于视觉健康的教室灯光布局方法，其特征在于：所述步骤S2中四角布点法的照度计算式为：

$E_{AV}=\frac{1}{4MN}({\mathrm{\ΣE}}_{\mathrm{\θ}}+2{\mathrm{\ΣE}}_0+4\mathrm{\Σ}E)$

式中M、N分别为纵、横向网格数，E_θ为测量区域四个角处的测点照度，E_θ是除E_θ外，四条边外边上的测点照度，E为四条外边以内的测点照度。

3.根据权利要求1所述的基于视觉健康的教室灯光布局方法，其特征在于：所述步骤S3中照度均匀度的极差计算式为：

U₁＝E_min/E_max

式中U₁为照度均匀度(极差)，E_min、E_max分别为最小和最大照度。

4.根据权利要求1所述的基于视觉健康的教室灯光布局方法，其特征在于：所述步骤S5中各光源的位置的布局趋向于四周，各光源的中间光源的光照强度进行增加。

5.一种基于视觉健康的教室灯光布局分析装置，其特征在于：所述基于视觉健康的教室灯光布局分析装置包括输入单元、划分单元、测试单元、模拟单元、调整单元，其中：

输入单元，测量教室的面积及尺寸，设置光源个数，将教室面积及尺寸、光源数量输入装置；

划分单元，用于将照度测量的区域划分成正方形网格，得出划分尺寸；

测试单元，用于对矩形网格的角点上测量的照度进行计算，得出照度均匀度；

模拟单元，通过测得教室室内照度，建立Matlab数学模型，生成模拟图像及模拟结果；

调整单元，用于模拟调整各光源的位置，进行三维重建，并得到新的模拟图像及模拟结果，直到得到均匀的光照分布。