一种基于三维仿真的多媒体教室可调光设备管理系统的制作方法

1.本发明涉及调光设备管理技术领域，具体为一种基于三维仿真的多媒体教室可调光设备管理系统。


背景技术：

2.随着信息技术的发展，教育领域内也出现了大量高新技术产品、智能化产品，努力地实现教育的现代化，提升教师的教学效果。多媒体教室在这一大趋势下应运而生，并且充分得到了业界的认可，随着多媒体的教室的不断普及和应用，目前几乎所有的高校教学中都实现了新媒体教室，不过随之而来的问题也逐渐凸显出来。
3.多媒体教室把普通教室、视听教室与计算机机房所能实现的教学功能与效果融合在一起，是根据教育教学需要，将投影功能、放音放像功能和多媒体计算机辅助教学功能等集中在一起，各自发挥其作用而建立起来的教学系统。可是在实际使用过程中，由于屏幕本身的特殊性，使其对光线特别敏感，如果亮度过高，会对学生的双眼产生刺激，损害眼部健康；亮度过低，难以看清屏幕内容，影响教学效果，而且同样会对视力产生不好的影响。
4.在现有技术中，一般教室采取拉窗帘遮挡强光或者通过教师进行屏幕差不多的调节，缺乏可靠的科学根据和精准效果，因此，人们急需一种可以科学调光的多媒体教室，方便、灵活地应用多种媒体及各种教学软件实施媒体组合教学。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于三维仿真的多媒体教室可调光设备管理系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于三维仿真的多媒体教室可调光设备管理系统，该系统包括数据采集模块、眼球追踪模块、三维仿真模块、数据更新模块、数据处理模块、光线调节模块；
7.所述数据采集模块的输出端电性连接三维仿真模块、数据更新模块的输入端；所述眼球追踪模块的输出端电性连接三维仿真模块、数据更新模块的输入端；所述数据更新模块的输出端电性连接三维仿真模块、数据处理模块的输出端；所述数据处理模块的输出端电性连接光线调节模块的输入端；
8.所述数据采集模块用于采集多媒体教室关键点数据、环境光线数据；所述眼球追踪模块用于对人眼的瞳孔放大与缩小进行追踪记录；所述三维仿真模块用于对多媒体教室及教室内上课学生人眼的瞳孔进行建模；所述数据更新模块用于实时更新数据信息；所述数据处理模块用于对采集的数据进行处理，判断是否进行光线调节；所述光线调节模块用于对光线进行手动或自动调节；
9.根据上述技术方案，所述数据采集模块包括环境光线采集单元、设备采集单元；
10.所述环境光线采集单元用于对环境的光线进行采集并记录；所述设备采集单元用于采集多媒体教室中各设备的数据；
11.所述设备采集单元包括建筑实体、窗户以及内部的设备，标记黑板、课桌、讲台、多媒体屏幕等关键点位，所述环境光线采集单元采集窗户外面不同时间段的自然光强和自然光源方向，以及融合室内多个点光源的光强和方向，用于对三维仿真提供数据支持；
12.根据上述技术方案，所述眼球追踪模块包括瞳孔采集单元、瞳孔追踪单元；
13.所述瞳孔采集单元用于对瞳孔的初始状态数据进行采集；所述瞳孔追踪单元用于对瞳孔的变化数据进行采集记录；
14.所述瞳孔采集单元首先对正常光模式下的人眼瞳孔进行数据采集，确立正常光情况下瞳孔的变化范围，便于后期进行对比；所述瞳孔追踪单元用于当瞳孔反生变化时进行采集变化数据，来确定瞳孔是放大还是缩小，如何调节光的亮度值。
15.根据上述技术方案，所述三维仿真模块包括设备建模单元、人眼建模单元、场景创建单元；
16.所述设备建模单元用于对多媒体教室内部的设施设备进行建模；所述人眼建模单元用于对人眼瞳孔数据变化进行建模；所述场景创建单元用于根据环境光线变化进行建模；
17.所述设备建模单元、人眼建模单元包括绘制样条线、样条分析处理、图片处理、建模效果检查与分析、模型的优化；
18.所述场景创建单元包括早晨场景、中午场景、晚间场景；
19.在建模过程中，利用autocad、3ds max软件进行三维建模，同时进行多个场景模拟，因为早中晚的环境光线不同，且具有代表性，分别为早晨光线强度为一般等级；中午为高强度等级；晚上为低强度等级，将环境变化的因素加以考虑，结果更加精准。
20.根据上述技术方案，所述数据更新模块包括数据更新单元、数据替换单元；
21.所述数据更新单元用于对实时采集到的数据进行更新；所述数据替换单元用于将新的数据进行替换，保证数据的实时性；
22.所述数据更新模块根据实时数据进行不断数据更新，确保在第一时间内发现学生瞳孔的异常变化，以此来做到快速调节光线，减少对学生眼睛的损伤和增强教学效果的目的。
23.根据上述技术方案，所述数据处理模块包括计算单元、校验单元、可视化单元；
24.所述计算单元用于计算瞳孔的放大或缩小程度；所述校验单元用于判定瞳孔变化同外界环境光线与室内屏幕光线的关系；所述可视化单元用于进行学习效果监督；
25.所述可视化单元根据随机采集的人眼瞳孔数据进行分析，当人眼瞳孔数据出现无法识别、缺失等情况时，判断为该学生在课堂打瞌睡，无法识别到瞳孔的数据。
26.根据上述技术方案，所述计算单元的计算步骤如下：
27.s1、随机调取室内观看多媒体屏幕的学生的人眼瞳孔初始数据，每一横排调取一位，记下其边缘上的一个点坐标为(xi，yi，z)；
28.s2、采集步骤s1中调取学生的当前人眼瞳孔初始数据，记下其边缘上的与步骤s1同一点的当前坐标为(x
i新
，y
i新
，z)；
29.s3、根据公式：
[0030][0031]
计算得出瞳孔放大或缩小的直线距离d，在x
i新
＞xi时，表示瞳孔放大，反之，表示缩
小，当d超出阈值时，进行相应的光线调节；
[0032]
在建模过程中，以教室内墙角为坐标起点，教室宽为x轴，教室高为y轴，教室长度为z轴，建立三维直角坐标系，同时记下边缘点坐标，因为瞳孔在放大或缩小的过程中，学生人物本身没有发生移动，因此在这里默认为z没有发生改变，放大或缩小的瞳孔与原来瞳孔形成一个圆环，根据另两个坐标的变化即可求出瞳孔放大或缩小的直线距离，设置阈值，当直线距离超出一定阈值时，也就说明瞳孔放大或缩小到一定程度，需要进行相应的光线调节。
[0033]
根据上述技术方案，所述校验模块进行校验的步骤如下：
[0034]
s8-1、对d进行校验，是否超出阈值，并根据x
i新
与xi的关系，判断瞳孔放大或缩小；
[0035]
s8-2、对环境光线进行校验，采集相关数据，判断外界环境的亮度与室内屏幕亮度的大小关系，计算相应的屏幕亮度，若外界环境的亮度大于室内屏幕亮度，进入步骤s8-3，；若小于，进入步骤s8-4；
[0036]
s8-3、外界环境的亮度大于室内屏幕亮度时，室内屏幕相对较暗，瞳孔放大，应该调高亮度，根据公式：
[0037]
l0＝l1 k0d l2k2，k0＞0，k2＞0
[0038]
其中，l0为当前的亮度值，l1为未调节时屏幕的亮度值，l2为环境光线亮度值，k0、k2为影响系数；
[0039]
s8-4、外界环境的亮度小于室内屏幕亮度时，室内屏幕相对较亮，瞳孔缩小，应该调低亮度，根据公式：
[0040]
l0＝l1 k1d l2k3，k1＜0，k3＜0
[0041]
其中，k1、k3为影响系数。
[0042]
由于外界环境亮度的影响，会使室内屏幕的亮度在达到正常的使用情况下时仍然出现偏亮或偏暗的情况，因此根据影响系数将外界环境的影响添加到调节亮度值的公式当中，确保结果更加精准。
[0043]
根据上述技术方案，所述光线调节模块包括手动调节单元、自动调节单元；
[0044]
所述手动调节单元用于根据数据处理模块的调节结果进行手动调节；所述自动调节单元用于根据大数据进行自动光线调节
[0045]
根据上述技术方案，所述自动调节单元的调节步骤如下：
[0046]
s10-1、在每一次手动调节后，记录相关数据，建立用户行为习惯，在各种场景下进行的调节操作；
[0047]
s10-2、建立屏幕舒适函数模型，通过对不同场景下的用户调节亮度操作进行平均获得；
[0048]
s10-3、利用步骤s10-2的函数模型，自动控制亮度的简单调节。
[0049]
在步骤s10-1中，每一次手动调节后，会进行记录行为，包括调高亮度或调低亮度，分别记录此时的环境光线强度l
环
和瞳孔变化大小d
变
，形成分类集合{l
环高
、d
变高
、n
高
}、{l
环低
、d
变低
、n
低
}，每记录一次，n＝n 1；在步骤s10-2中，当记录次数n超过阈值时，利用函数公式
[0050]
即在需要调高状态下为
[0051]
在需要调低状态下为
[0052]
在自动控制模式下，当环境光线强度l
环
在手动调节的记录范围内时且提示一段时间内，并没有进行手动调节时，根据瞳孔变化大小d
变
，自动进行调高或调低亮度操作，数值为对应的l
新
。
[0053]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：利用数据采集模块对环境数据和多媒体教室的设备数据进行了采集，为三维仿真建模提供了数据支持；利用眼球追踪模块对人眼瞳孔的变化实现追踪，在调节亮度方面，根据人眼的变化来调节，更加适应于实际生活；利用三维仿真模块进行建模，能够更好地贴近实验数据，确保调节的结果精准度；利用数据更新模块进行实时的数据更新与替换，保证了数据的实时性与准确性，使其能够及时地进行调节，保证调节的时效性；利用数据处理模块进行计算调节亮度的准确数值，能够根据当前情况的反馈建立方程模型，计算得出最佳的亮度值，进行手动调节；利用光线调节模块，根据手动调节结果建立自动调节模型，在调高或者调低的情况下，建立一个平均亮度值，在瞳孔发生变化时，根据相应变化，直接调节至该平均亮度值，保证在没有时间或忘记进行手动调节的时候可以自动进行适应。
附图说明
[0054]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0055]
图1是本发明一种基于三维仿真的多媒体教室可调光设备管理系统的模块结构示意图；
[0056]
图2是本发明一种基于三维仿真的多媒体教室可调光设备管理系统的计算单元步骤示意图；
[0057]
图3是本发明一种基于三维仿真的多媒体教室可调光设备管理系统的系统流程图；
具体实施方式
[0058]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
请参阅图1-3，本发明提供技术方案：在图1中，一种基于三维仿真的多媒体教室可调光设备管理系统，该系统包括数据采集模块、眼球追踪模块、三维仿真模块、数据更新模块、数据处理模块、光线调节模块；
[0060]
所述数据采集模块的输出端电性连接三维仿真模块、数据更新模块的输入端；所述眼球追踪模块的输出端电性连接三维仿真模块、数据更新模块的输入端；所述数据更新模块的输出端电性连接三维仿真模块、数据处理模块的输出端；所述数据处理模块的输出
端电性连接光线调节模块的输入端；
[0061]
所述数据采集模块用于采集多媒体教室关键点数据、环境光线数据；所述眼球追踪模块用于对人眼的瞳孔放大与缩小进行追踪记录；所述三维仿真模块用于对多媒体教室及教室内上课学生人眼的瞳孔进行建模；所述数据更新模块用于实时更新数据信息；所述数据处理模块用于对采集的数据进行处理，判断是否进行光线调节；所述光线调节模块用于对光线进行手动或自动调节；
[0062]
所述数据采集模块包括环境光线采集单元、设备采集单元；
[0063]
所述环境光线采集单元用于对环境的光线进行采集并记录；所述设备采集单元用于采集多媒体教室中各设备的数据；
[0064]
所述设备采集单元包括建筑实体、窗户以及内部的设备，标记黑板、课桌、讲台、多媒体屏幕等关键点位，所述环境光线采集单元采集窗户外面不同时间段的自然光强和自然光源方向，以及融合室内多个点光源的光强和方向，用于对三维仿真提供数据支持；
[0065]
所述眼球追踪模块包括瞳孔采集单元、瞳孔追踪单元；
[0066]
所述瞳孔采集单元用于对瞳孔的初始状态数据进行采集；所述瞳孔追踪单元用于对瞳孔的变化数据进行采集记录；
[0067]
所述瞳孔采集单元首先对正常光模式下的人眼瞳孔进行数据采集，确立正常光情况下瞳孔的变化范围，便于后期进行对比；所述瞳孔追踪单元用于当瞳孔反生变化时进行采集变化数据，来确定瞳孔是放大还是缩小，如何调节光的亮度值。
[0068]
所述三维仿真模块包括设备建模单元、人眼建模单元、场景创建单元；
[0069]
所述设备建模单元用于对多媒体教室内部的设施设备进行建模；所述人眼建模单元用于对人眼瞳孔数据变化进行建模；所述场景创建单元用于根据环境光线变化进行建模；
[0070]
所述设备建模单元、人眼建模单元包括绘制样条线、样条分析处理、图片处理、建模效果检查与分析、模型的优化；
[0071]
所述场景创建单元包括早晨场景、中午场景、晚间场景；
[0072]
根据上述技术方案，所述数据更新模块包括数据更新单元、数据替换单元；
[0073]
所述数据更新单元用于对实时采集到的数据进行更新；所述数据替换单元用于将新的数据进行替换，保证数据的实时性；
[0074]
所述数据更新模块根据实时数据进行不断数据更新，确保在第一时间内发现学生瞳孔的异常变化，以此来做到快速调节光线，减少对学生眼睛的损伤和增强教学效果的目的。
[0075]
所述数据处理模块包括计算单元、校验单元、可视化单元；
[0076]
所述计算单元用于计算瞳孔的放大或缩小程度；所述校验单元用于判定瞳孔变化同外界环境光线与室内屏幕光线的关系；所述可视化单元用于进行学习效果监督；
[0077]
在图2中，所述计算单元的计算步骤如下：
[0078]
s1、随机调取室内观看多媒体屏幕的学生的人眼瞳孔初始数据，每一横排调取一位，记下其边缘上的一个点坐标为(xi，yi，z)；
[0079]
s2、采集步骤s1中调取学生的当前人眼瞳孔初始数据，记下其边缘上的与步骤s1同一点的当前坐标为(x
i新
，y
i新
，z)；
[0080]
s3、根据公式：
[0081][0082]
计算得出瞳孔放大或缩小的直线距离d，在x
i新
＞xi时，表示瞳孔放大，反之，表示缩小，当d超出阈值时，进行相应的光线调节；
[0083]
在本实施例中，设置场景为早上8点，光线亮，以教室内墙角为坐标起点，教室宽为x轴，教室高为y轴，教室长度为z轴，建立三维仿真模型，调取其中一位学生的瞳孔初始数据坐标为(200，120，300)，当前的瞳孔数据为(202，121，300)，计算得出
[0084]
所述校验模块进行校验的步骤如下：
[0085]
s8-1、对d进行校验，是否超出阈值，并根据x
i新
与xi的关系，判断瞳孔放大或缩小；
[0086]
s8-2、对环境光线进行校验，采集相关数据，判断外界环境的亮度与室内屏幕亮度的大小关系，计算相应的屏幕亮度，若外界环境的亮度大于室内屏幕亮度，进入步骤s8-3，；若小于，进入步骤s8-4；
[0087]
s8-3、外界环境的亮度大于室内屏幕亮度时，室内屏幕相对较暗，瞳孔放大，应该调高亮度，根据公式：
[0088]
l0＝l1 k0d l2k2，k0＞0，k2＞0
[0089]
其中，l0为当前的亮度值，l1为未调节时屏幕的亮度值，l2为环境光线亮度值，k0、k2为影响系数；
[0090]
s8-4、外界环境的亮度小于室内屏幕亮度时，室内屏幕相对较亮，瞳孔缩小，应该调低亮度，根据公式：
[0091]
l0＝l1 k1d l2k3，k1＜0，k3＜0
[0092]
其中，k1、k3为影响系数。
[0093]
在本实施例中，设置阈值为2，因为202＞200；因此表示瞳孔放大，亮度值
[0094]
所述光线调节模块包括手动调节单元、自动调节单元；
[0095]
所述手动调节单元用于根据数据处理模块的调节结果进行手动调节；所述自动调节单元用于根据大数据进行自动光线调节
[0096]
所述自动调节单元的调节步骤如下：
[0097]
s10-1、在每一次手动调节后，记录相关数据，建立用户行为习惯，在各种场景下进行的调节操作；
[0098]
s10-2、建立屏幕舒适函数模型，通过对不同场景下的用户调节亮度操作进行平均获得；
[0099]
s10-3、利用步骤s10-2的函数模型，自动控制亮度的简单调节。
[0100]
在步骤s10-1中，每一次手动调节后，会进行记录行为，包括调高亮度或调低亮度，分别记录此时的环境光线强度l
环
和瞳孔变化大小d
变
，形成分类集合{l
环高
、d
变高
、n
高
}、{l
环低
、d
变低
、n
低
}，每记录一次，n＝n 1；在步骤s10-2中，当记录次数n超过阈值时，利用函数公式
[0101]
即在需要调高状态下为
[0102]
在需要调低状态下为
[0103]
在自动控制模式下，当环境光线强度l
环
在手动调节的记录范围内时，根据瞳孔变化大小d
变
，进行调高或调低亮度操作，数值为对应的l
新
。
[0104]
在本实施例中，设置n＝20，在调高亮度与调低亮度操作各进行20次后，利用函数公式分别计算得出平均值：
[0105][0106][0107]
在进行提示后，一段时间内没有进行手动调节，系统将自动进行自动调节，调节亮度值为l
高
或l
低
。
[0108]
本发明的工作原理：利用数据采集模块对环境数据和多媒体教室的设备数据进行采集，为三维仿真建模提供了数据支持；利用眼球追踪模块对人眼瞳孔的变化实现追踪，根据人眼变化调节亮度，同时也为三维仿真建模提供了数据支持；利用三维仿真模块进行建模，实现多重场景，多种瞳孔变化下的调节亮度操作；利用数据更新模块进行实时的数据更新与替换，保证了数据的实时性与准确性；利用数据处理模块进行计算调节亮度的准确数值，能够根据当前情况的反馈建立方程模型，计算得出最佳的亮度值，进行手动调节；利用光线调节模块，根据手动调节结果建立自动调节模型，实现自动调节模式，在无法进行手动调节时，可以进行自动适应。
[0109]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0110]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。