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数学建模之观影的最佳位置
山东省茌平县第一中学 高二(9)班 李成真
指导老师 于海霞
摘要
当今这个时代,电影是一种喜闻乐见的大众艺术,人们喜欢在闲暇时
间走进影院,体验
其中的喜怒哀乐。而同时,作为一种消费,人们总是希望自己能坐在电影院的最佳位置
,使
得视觉,听觉得到最好的享受,本文章从看电影时观众的舒适度出发,对影院的座位设计进
行了探讨,而我也专门到电影院采集了相关的一些数据,比如大屏幕的长宽,地板倾角θ等,
通过查阅文
献,我了解到影院座位的舒适程度主要取决于视角α.和仰角β,视角是观众眼睛
到屏幕上下边缘的视线
的夹角, 越大越好; 仰角是观众眼睛到屏幕上边缘视线与水平线的
夹角,
太大使人的头部过分上仰, 引起不适,
一般要求仰角β不超过30。
之后,并通过非线性规划,自学了Matlab软件,利用其进行了计算。
【1】
在了解了这些
关键词
电影院 最佳位置 仰角 视角
Matlab
前言
电影是一种表演艺术、视觉艺术及听觉艺术,利用胶卷、录像
带
或数位媒体将影像和声音捕捉,再加上后期的编辑工作而成。电影艺
术诞生于1895年12
月28日。电影于1896年8月传入中国上海。随
着人们生活质量的提高,更高的生活品质成为人们的
追求,电影作为
一个雅俗共赏的消遣方式,越来越受到人们的关注,而中国的票房也
逐年升高,
除了引进的外国大片获得很高的票房,如《阿凡达》、《泰
坦尼克号》等,国产影片也令人刮目相看,《
泰囧》、《大闹天宫》、《私
人定制》等创造了一个又一个票房奇迹。从中我们看到电影在人们生
活中的重要性,也因此,为吸引观众,影院开始引入高科技,如3D
技术、
曲面屏幕、IMAX大屏,除此之外,在设计时影院也充分考虑
了观众看电影时的舒适度,对于影院的地
板倾角,前后排椅子之间的
距离,以及观众离屏幕的距离都进行了精心设计。可是尽管如此,不
同的位置看电影,感受肯定会有很大差异,根据这个想法,我们进行
了数学建模。
建模构想
看电影时的舒适感取决于视角α和仰角β,所以在选取最佳位置
时要综合考
虑两者,视角是观众眼睛到屏幕上下边缘的视线的夹角,
越大越好;
仰角是观众眼睛到屏幕上边缘视线与水平线的夹角, 太
大使人的头部过分上仰, 引起不适,一般要求
仰角β不超过30。所
以如果坐的太靠前,导致仰角太大,除了脖子会感到酸痛外,视野及
画面
感也不好,甚至会感到头晕。而坐的太靠后,又可能会觉得画面
不是那么的清晰,甚至被前面的观众挡住
视线,看不到屏幕的最下面。
所以,看电影挑选位置是一门学问。
设影院的屏幕高为h,上边
缘距离地面高为H,影院的地板线通
常与水平线有一个倾角θ,第一排和最后一排与屏幕水平距离分别为
d, D, 观众的平均座高为c (指眼睛到地面的距离), 为了得到这些
基本参数,我专
门来到电影院采集数据,询问了电影院工作人员,在
说明来意之后,她热心的为我解答甚至专门拿出了电
影院建设之初的
相关材料,而我也得知了参数h = 1.8, H= 5, d= 4.5, D=
19,c =
1.1(单位m )。地板线的倾角θ=
,并且查出电影院一般的中等
放映厅排数为19排,这样就可以求出每两排之间间距为
(19-4.5)18=0.8m
图一.询问工作人员关于影院参数的问题
本文从观众看电影的视角和仰角入手,列
出非线性方程,并力求使得
视角最大化,仰角最小化,从而可求出观影的最佳位置。
图二. 电影院座位图
基本假设:
1.每位观众坐下后眼睛到地面的距离相等。
2.忽略前排观众对后排观众的阻挡,每个人都可以完整的看到整个大
屏幕
3.本文中用到的电影院的各种数据是标准电影院,但不代表所有的放
映厅,因其规格不同。
4.不考虑曲面屏幕对视觉带来的影响。
模型的建立:
考虑到
看电影的每个人是离散的,因此,在知道电影院的座位一
共有22排后,就可以将看电影的最佳位置转变
为一个个离散的点。
除此之外,最佳位置一定位于最中央的一列上的某个位置,因此,可
以通过
求解哪一排的观影效果最好来确定最佳位置。这样问题就转化
为一个平面的几何问题,从而可以绘制出影
院放映厅内的剖面图,如
下图所示。且各未知量均标记在图上。
图三.放映厅剖面图
模型求解
为达到”视角尽可能大,
仰角尽可能小”的目的, 就在λ线(视
觉线)上选择合适的点使得角α尽量大, 但角β尽量小,
最佳位置就
是要在这两者之间找到一个契合点; 由于α的变化范围在0
o
-
90
o
之
间, α-β的范围在-90
o
-
90
o
之间, 所以α和α- β的大小可用正切
( tan)和反正切函数(
arctan)来衡量, 如图1所示, 即有:
tanβ
?
H?L
x
?
?
?
?arctan
L?h?H
x
(L + h > H 时为正)
令:f(x)=tanβ F(x)=α
因此可得到目标函数:
f(x)?
H?L
x
F(x)?arctan
H?LL?h?H
?arctan()
xx
约束条件为:
影院中每排据屏幕的距离x 可表示为:
x?d?0.8(n?1)(n?Z
?
且1?n?m)
其中:
L表示观众眼睛到水平面的距离, n表示影院中座位的排数。
对于这个多目标问题, 用“主目标优化法”对模型进行求解。
进一步分析, 人们看电影时,
视角大时能达到更好的观看效果, 而
通过调整颈部的扭转角度,也就是仰角,只要角度不太大,
是不会给
人们的身体带来较大的不适感, 特别是电影内容比较精彩时,
人们
会更忽略颈部的轻微不适感。一般情况下, 当仰角不超过30
o
时,
短
时间内人们是不会感觉不舒适的。也就是说,
视角大给人们带来的满
足感比仰角小给人们带来的舒适感更为重要。所以F(x) 为主要目标,
f( x ) 降为约束条件, 那么问题转化为一个非线性规划
[2]
那么,F(x)约束条件为:
H?LL?h?H
?arctan()
xx
?
x?d?0
.8(n?1)(n?Z
?
1?n?m)
?
S.T.
?
f(
x)?tan30
o
(1)
?
L?(x?d)tan
?
?c
?
F(x)?arctan
将式(1
)的约束条件带入F(x)可得:
F(x)=
arctan
5?LL?1.8?5
?arctan<
br>xx
?
x?4.5?0.8(n?1)(n?Z
?
1?n?22)?
?
5?L
S.T.
?
?tan30
o
?x
o
?
L?(x?4.5)tan10?1.1
?
运用MATLAB
[3- 5]
软件解出最优解为:,
F(x)=13.084
o
即:α=13.084
o
。此时x =
6.9m。
由X=4.5+0.8(n-1),得n=4
因此最佳位置位于第四排的中间位置。
结果分析
模型的结果表明,
坐在第4排最中央位置看电影效果最好, 也即
是所谓的最佳位置,
在第4排之前和之后看电影的效果都会略有下降,
出现这一结果的原因主要是因为在前面3排时,
虽然视角比较大, 但
仰角也比较大并且还超过了30
o
, 而在后面几排,
虽然仰角较小, 但
视角也很小, 因此效果也不是很好。所以这一结果对整体效果来说是
非常
合理的。此模型还可以用于大型场合的座位安排与设计, 如会
场、演播厅、体育场等。诚然,
本文考虑影院座位设计问题时, 还未
能包含相关参数的误差等问题, 而且
所得出的结果也只是试用符合
这些参数的电影院等场所,值得进一步将影院座位设计问题转化为非
线性随机互补问题, 以研究其解的存在性、适用性、稳定性和灵敏度
分析。从而,
可以将该建模方法用于相似问题的解决。
总而言之,本文通过数学建模的方法得出看电影时的最佳位置
,
为人们更舒适的享受生活提供了准确的数据以及更精确的结果。
参考文献
[1] 周人忠. 电影院建筑设计[M] . 北京: 中国建筑工业出版社,
1986.
[2] 蔡锁章. 数学建模[M]. 北京: 中国林业出版社, 2003
[3].唐冲.基于Matlab的非线性规划问题的求解.计算机与数字工程,2013,7
[4] 王沫然. MATLAB6. 0与科学计算[M ]. 北京: 电子工业出版社,
2001.
[5] 徐瑞, 黄兆东, 阎凤玉. MATLAB 科学计算与工程分析[M ] .
北京: 科学出版社, 2008.
参考书目:
Matlab数学计算范例教程 石博强
腾贵法等著