Natūralaus patalpos apšvietimo įtaka difuzinio ekrano vaizdo kontrastui

Įžanga

Sparčiai plintant modernioms vaizdų projektavimo priemonėms, vis svarbiau panaudoti jas efektyviai: ekrane pateikti geros kokybės vaizdą. Stiprėjant projektoriaus šviesos srautui, aiškėja tendencija demonstruoti vaizdus neužtemdytose patalpose. Tai pradėta taikyti dar tuo metu, kai projektorių šviesos srautai siekė vos 400 lm [1]. Šią tendenciją ypač skatina plačiai vartojami grafoprojektoriai, kurių šviesos srautas dažniausiai būna ne mažesnis kaip 2000 lm [2].

Naujas šuolis pateikiant informaciją ekrane įvyko, kai buvo sukurti skaitmeniniai projektoriai, kuriais galima rodyti viską, kas matoma kompiuterio ekrane. Šiuo metu labiausiai plinta 1500–2000 lm projektoriai. Jų savybės gerėja, kainos sparčiai mažėja [3, 4, 5].

Svarbiausias uždavinys – pateikti gerai matomą vaizdą. Vaizdo matomumas priklauso nuo rodomo objekto kampinio matmens bei nuo vaizdo skaisčio kontrasto. Projektorius gali rodyti labai kontrastingą vaizdą (juodų ir baltų vaizdo dalių skaisčio santykis gali būti nuo 200:1 iki 2000:1). Ekrane projektuojamo vaizdo kontrastas gerokai sumažėja dėl ekraną apšviečiančios pašalinės šviesos (pvz., dėl auditorijos dirbtinio ar natūralaus apšvietimo).

Auditorijos dirbtinio apšvietimo atveju pašalinė ekrano apšvieta dažniausiai nesiekia 200–400 lx. Tuo atveju matymo sąlygas galima įvertinti ir tiksliai prognozuoti, apskaičiavus vaizdo matomumą. Kur kas sunkiau prognozuoti natūralų apšvietimą.

Skaičiuotės metodika ir pradinės sąlygos

Ekrano vaizdo skaisčio kontrastas skaičiuojamas kaip santykinis objekto (L_o) ir fono (L_f) skaisčių skirtumas: K = |L_o–L_f|/L_f (kai vaizdas yra pozityvas) arba K = |L_o– L_f|/L_o (kai vaizdas yra negatyvas). Abiem atvejais lemiamą reikšmę turi skaisčių skirtumas L_o–L_f , kuris ir yra skaičiuojamasis projektoriaus skaistis, sukuriamas ekrane. Kadangi šiuo metu dažniausiai naudojami sklaidieji (difuziniai) ekranai, jų skaistis L = ρE/π, t. y. tiesiai proporcingas ekrano apšvietai E ir jo atspindžio faktoriui ρ. Vadinasi, šiuo atveju kontrastą galima pakeisti projektoriaus ir bendrojo apšvietimo apšvietų santykiu K = E_pr/E_f.

Projektorius sudaro ekrano apšvietą, kuri lygi projektoriaus šviesos srauto Φ_pr ir apšviečiamo ekrano ploto A santykiui. Auditorijos bei klasės matmenys dažniausiai yra 6×9 m. Toliau nagrinėjamos patalpos, kurių ilgis ne mažesnis kaip 9 m. Kaip žinoma, ekrano plotis turėtų būti lygus 1/6 atstumo iki tolimiausio žiūrovo. Šiuo atveju aktyvus ekrano plotis turėtų būti w = 9/6 = 1,5 m, o jo plotas A = 3w²/4 = 0,75×1,5² =1,69 m². Skaičiuodami tariame, kad vaizdo proporcijos ekrane yra tokios pat kaip ir standartinio kompiuterio vaizduoklio – 3:4. Vadinasi, projektorius sukuria apšvietą E = Φ_pr/A = Φ_pr/1,69.

Fono apšvieta priklauso nuo patalpos apšvietimo. Nagrinėjant dienos šviesos įtaką, reikia apskaičiuoti ekrano apšvietą dėl natūralios šoninių langų šviesos. Šiuo atveju pasinaudosime H. Higbie metodu, kurio šiuolaikinė interpretacija buvo pateikta anksčiau [6].

Parinkta tokia langų išdėstymo geometrija (1 pav.), kuri būdinga vėliau statytų KTU rūmų auditorijoms. Nagrinėta trijų langų patalpa, nes ketvirtojo lango įtaka nagrinėjamo vaizdo kokybei labai maža.

Nagrinėtas langų šviesis M, esant skirtingam šviesiniam klimatui: nuo labai giedros iki labai apniukusios dienos (1 lentelė). Galima insoliacija skaičiuotėje neįvertinta.

Skaičiuotei pasirinkti du variantai: a) netemdomas nė vienas langas ir b) užtemdomas arčiausiai ekrano esantis langas. Pastarasis variantas patrauklus tuo, kad šviesesnę dieną panaikinama ypač didelė artimiausio lango įtaka ekrano vaizdo kontrastui.

Ekrano orientacija nagrinėta irgi dvejopa: a) klasikinis atvejis, kai ekranas kabinamas ar statomas prieš stebėtojus tradicinės lentos plokštumoje (priekinėje sienoje) ir b) kabinamas ar statomas prie išorinės (langų) sienos, pasuktas apie 30º kampu priekinės sienos atžvilgiu. Pirmąjį variantą galima vadinti klasikiniu, nes pradžioje ekranizuojant mokymo procesą buvo bandoma pakeisti klasės lentą ekranu. Antrasis atvejis perspektyvus, nes ne tik lieka laisvos erdvės tradicinei lentai, bet dar tikimasi gauti ir didesnį vaizdo kontrastą.

Nagrinėti keturi skaitmeniniai projektoriai (2 lentelė).

Taikant MATLAB programą apskaičiuota 80 kontrasto pasiskirstymo priekinėje sienoje variantų (2 pav.).

Rezultatų aptarimas

Renkant ekranui vietą, reikia atsižvelgti ne tik į vaizdo kontrasto priklausomybę nuo natūralaus apšvietimo, bet ir į realias galimybes. Nustatyta [2], kad vaizdo kokybė gali būti laikoma patenkinama arba gera, kai jo kontrastas K ≥ 0,8.

Pirmasis variantas. Ekranas yra priekinės sienos viduryje (3 pav.). Šiuo atveju vaizdo kontrastas labai priklauso nuo šviesinio klimato, t. y. nuo langų šviesio (4 pav.).

Neužtemdžius nė vieno lango, kontrastas K ≥ 0,8 galimas tik naudojant 8 klm projektorių ir tik esant langų šviesiui M ≤ 15 klm/m². Mažesnės galios projektoriai neužtemdytoje patalpoje nenaudotini.

Užtemdžius pirmąjį langą, kontrastas gerokai padidėja. Tuo atveju 8 klm projektorių galima naudoti net labai giedrą dieną (esant šviesinio klimato A variantui). Gali būti taikomi ir mažesnės galios projektoriai, nors ir labiau ribotomis šviesinio klimato sąlygomis. Pavyzdžiui, 3,2 klm projektorius gali būti naudojamas, kai M ≤ 25 klm/m².

Šiuo metu populiarus 2 klm projektorius gali būti naudojamas tik užtemdžius pirmąjį langą ir tik esant visų likusių langų šviesiui M ≤ 10 klm/m². Labai apniukusią dieną (M ≤ 5 klm/m²) gali būti naudojamas net mažiausios galios 1,5 klm projektorius.

Antrasis variantas. Ekranas yra prie išorinės sienos, pasuktas 28º kampu priekinės sienos atžvilgiu (5 pav.). Apskaičiuoti rezultatai pateikti 6 paveiksle. Iš jo matome, kad 8 klm projektoriumi galima naudotis ir neužtemdžius pirmojo lango, kai M ≤ 20 klm/m².

Mažesnės galios projektoriai gali būti naudojami tik labai apniukusią dieną (M ≤ 5 klm/m²).

Užtemdžius pirmąjį langą, rezultatai pasikeičia iš esmės. Šiuo atveju be jokių apribojimų galima naudoti 3,2 klm ir galingesnius projektorius. Vidutinės galios 2,0 klm projektorių jau galima naudoti ir giedrą dieną (M ≤ 30 klm/m²). Net ir 1,5 klm projektorius tinka, kai M ≤ 25 klm/m².

Be to, iš kreivių matome, kad 8 klm projektoriaus vaizdo kontrastas neužtemdytoje auditorijoje prilygsta 1,5 klm projektoriaus vaizdo kontrastui, kai užtemdytas pirmasis langas.

Ekonominis įvertinimas. Gauti rezultatai rodo, kad didžiausią įtaką vaizdo kontrastui turi pirmojo lango užtemdymas. Kadangi šiuo metu projektorių kaina beveik proporcinga jų šviesos srautui (santykinė kaina sudaro apie 4–5 Lt/lm), galima teigti, kad pirmąjį langą užtemdyti ekonomiškai naudinga, nes sudaroma galimybė naudoti mažesnės galios pigesnius projektorius. Kadangi jie yra portatyvūs, tai labiausiai tinka mokymui.

Mokymo projektorius. Šiuo metu mokymo reikalams patraukliausias yra nedidelės galios 2 klm projektorius. Jis gana portatyvus, jo santykinė kaina (Lt/lm) palyginti neaukšta; ir nuolat sparčiai mažėja. Analizuodami šio projektoriaus naudojimo galimybes, jo skaičiuotės rezultatus pateiksime atskirai (7 pav.).

Matome, kad šis projektorius naudotinas tik užtemdžius pirmąjį langą. Kai ekranas yra prieš stebėtojus priekinėje sienoje, projektorių tikslinga naudoti tik apniukusią dieną (M ≤ 10 klm/m²). Kai ekranas yra prie išorinės sienos ir pasuktas apie 30º kampu, gana geros kokybės vaizdą galima rodyti net giedrą dieną (M ≤ 30 klm/m²).

Išvados

1. Esant natūraliai šviesai tik galingiausi projektoriai (≥8 klm) tinka rodyti neužtemdytose auditorijose, kai langų šviesis ne didesnis kaip 10 klm/m² , t. y. esant apniukusiai dienai.
2. Ypač didelę įtaką vaizdo kontrastui turi pirmojo lango užtemdymas. Užtemdžius pirmąjį langą, vaizdo kontrastas, gautas 2 klm projektoriumi, prilygsta kontrastui, gautam 8 klm projektoriumi, kai pirmasis langas neužtemdytas.
3. Užtemdžius pirmąjį langą, tikslinga ekraną statyti šalia jo, t. y. prie išorinės sienos, ir pasukti jį apie 30º kampu priekinės sienos atžvilgiu.
4. Minėtomis sąlygomis galima naudoti mažos galios projektorių, kurio šviesos srautas Φ ≥ 2 klm ir esant net M ≤ 10 klm/m² , t. y. esant giedrai dienai.
5. Norint naudoti mažos galios portatyviausią projektorių, geroms vaizdo matymo sąlygoms sudaryti reikia papildomų priemonių.

Literatūra

1. Масёкас С., Масёкене К. Статическая экранизация учебного процесса. – Каунас: КПИ, 1982. – 88 с.
2. Masiokas S., Šabanienė B. Grafoprojektoriaus skaidrės matomumo optimizavimo klausimu//Elektrotechnika. – Kaunas: Technologija, 2000. – Nr. 24 (33). – P. 86–90.
3. http://www.kas.lt/XGA_2.htm
4. http://www.projectorcentral.com
5. http://www.pricegrabber.com
6. Barauskas R., Masiokas S., Pakėnas V. Apšvieta nuo pakrypusios stačiakampės plokštumos//Elektronika ir elektrotechnika. – Kaunas: Technologija, 2003. – Nr. 2(44). – P. 35–37.

S. Masiokas, V. Pakėnas. Natūralaus patalpos apšvietimo įtaka difuzinio ekrano vaizdo kontrastui // Elektronika ir elektrotechnika. – Kaunas: Technologija, 2005. − Nr. 2(58). − P. 70−73.