哈爾濱工程大學(xué)演示實(shí)驗(yàn)(滿分).doc

物理演示實(shí)驗(yàn)物理演示實(shí)驗(yàn)自主設(shè)計(jì)方案學(xué) 生 姓 名 宋梓瑚 學(xué) 生 學(xué) 號(hào) 2013201411 選 課 時(shí) 間 4月7日16時(shí)-18 時(shí) 聯(lián) 系 電 話 18845612030 方 案 得 分 是否給與經(jīng)費(fèi)支持 是 否哈爾濱工程大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)制填寫(xiě)說(shuō)明及注意事項(xiàng) 一、方案書(shū)須逐項(xiàng)認(rèn)真填寫(xiě)，填寫(xiě)內(nèi)容必須實(shí)事求是，表達(dá)明確嚴(yán)謹(jǐn)。二、設(shè)計(jì)方案要能很好地展示物理原理，所設(shè)計(jì)方案要求合理、可行，要具有一定的創(chuàng)新性和新穎性。 三、凡是獲得經(jīng)費(fèi)支持的學(xué)生，必須參加“物理演示實(shí)驗(yàn)儀器創(chuàng)新與設(shè)計(jì)大賽”。一、演示物理原理簡(jiǎn)介（可以配圖說(shuō)明）本次物理演示實(shí)驗(yàn)儀器創(chuàng)新中，我的作品名稱(chēng)為安裝在可移動(dòng)設(shè)備中的3D物理演示儀。首先我將介紹一下我的3D物理演示儀的工作原理。從全世界研究的領(lǐng)域，到目前為止，3D傳輸格式，有四種普遍使用的立體3D傳輸格式，分別稱(chēng)為frame sequential(幀連續(xù))，frame packing(幀封裝)，side-by-side(并排)，以及checkerboard(棋盤(pán))。除此之外還有其它的傳輸格式，以下我們將集中討論這四種主要的格式。一，F(xiàn)rame sequential(幀連續(xù))（這是本次物理演示實(shí)驗(yàn)儀器創(chuàng)新我將采用的主要方法）Frame sequential，偶爾也被稱(chēng)為page-flip(翻頁(yè))，在某種層面上來(lái)說(shuō)是最簡(jiǎn)單的3D格式。Frame sequential信號(hào)就是以120幀每秒速率發(fā)送的全解像度畫(huà)面。各幀按順序交替，因此顯示設(shè)備接收到一個(gè)左眼幀，接下來(lái)一個(gè)右眼幀。不需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行任何解碼操作，因?yàn)樗灰軌蚪邮?20Hz信號(hào)即可。相應(yīng)地，這種格式需要大量帶寬，因?yàn)樗诒举|(zhì)上是將一個(gè)全像度的信號(hào)以60幀每秒的速率分別發(fā)送到左眼和右眼。對(duì)于一個(gè)相應(yīng)的2D信號(hào)來(lái)說(shuō)，帶寬翻了一番。二，F(xiàn)rame packing(幀封裝)Frame packing和frame sequential很接近，但它們不是同一種東西。Frame packing將左眼圖像和右眼圖像同時(shí)發(fā)送給投影機(jī)，兩幅圖像之一在另一幅圖像之上，兩者之間有一個(gè)較小的間隔。本質(zhì)上講，信源發(fā)送一個(gè)巨大的、兩倍高度的圖像幀，而不是兩個(gè)較小的圖像幀。信號(hào)以24Hz或者60Hz傳輸。投影機(jī)必須能夠?qū)⒈环庋b的兩幅圖像分離并且順序顯示。為什么不選用這種方法，由于發(fā)送像幀的原因，其所發(fā)送的的圖像幀過(guò)于大，對(duì)于便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)如果儲(chǔ)存的量過(guò)于巨大，最會(huì)帶來(lái)內(nèi)存清理，儲(chǔ)存困難等問(wèn)題。三，Side-by-side(并排)兩個(gè)幀被壓縮為其原始水平解像度的一半，然后合成一幀同時(shí)傳輸。對(duì)于1080p信號(hào)，每幀為19201080個(gè)像素。這將會(huì)是并排的兩個(gè)9601080幀。投影機(jī)會(huì)分離兩個(gè)壓縮幀，將其水平擴(kuò)展回最初的19201080格式，然后依序顯示。Side-by-side有隔行掃描和逐行掃描兩種變體，其中隔行掃描變體使用較少的帶寬，而逐行掃描變體則擁有更好的圖像質(zhì)量。兩者各有利弊。之所以不采用這種方法的原因是由于這種格式在壓縮和隨后的擴(kuò)展過(guò)程中損失了一些分辨率。本質(zhì)上，它為每只眼睛使用了一半的分辨率。所以在客戶(hù)使用中會(huì)有一定程度的分辨率丟失。四，Checkerboard(棋盤(pán))在這種格式中，用于左眼和右眼的兩幅圖像被交織，即每隔一個(gè)像素用于左眼或者右眼?？纯磭?guó)際象棋的棋盤(pán)然后把上面的方格想象成像素。黑色的方格是用于左眼的像素，而紅色(或白色)的方格則是用于右眼的像素。電視機(jī)分離這兩幅被交織的圖像并且依序顯示。最后的圖像具有一半的解像度。為什么不采用這種方法進(jìn)行是由于，此種方法的應(yīng)用性較為低。例如：在早期的電視機(jī)領(lǐng)域就是采用的這種辦法，消費(fèi)者發(fā)現(xiàn)他們的電視機(jī)不能兼容電視廣播3D和藍(lán)光3D格式，唯一解決辦法是問(wèn)題的解決方案是一臺(tái)轉(zhuǎn)換器，它能夠?qū)rame-packed(藍(lán)光)3D或者side-by-side(DirecTV電視廣播)3D格式轉(zhuǎn)換成checkerboard 3D，然后顯示在DLP電視機(jī)上。并且這種技術(shù)實(shí)施起來(lái)過(guò)于繁瑣，需要，極大的工程量所以本次創(chuàng)新中我們不采用這種辦法。 二、方案實(shí)施詳細(xì)技術(shù)路線（要求有配圖或者照片）對(duì)于詳細(xì)的技術(shù)路數(shù)我將從以下幾方面進(jìn)行闡述一，實(shí)驗(yàn)背景 1.1 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用 1.2 實(shí)驗(yàn)基本依據(jù) 1.2.1 投影儀技術(shù) 1.2.2 3D技術(shù)二，實(shí)驗(yàn)方法 2.1 投影儀的基本構(gòu)造方法 2.2 如何在投影儀的基礎(chǔ)上改造成3D投影儀三，實(shí)驗(yàn)材料與用具 3.1 實(shí)驗(yàn)工具 3.2實(shí)驗(yàn)材料 3.3實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)備四，具體技術(shù)線路與電子焊接線路 4.1 雙鏡頭 4.1.1便攜式設(shè)備中小型投影儀搭建 4.1.2構(gòu)造兩個(gè)雙鏡頭 4.2 單鏡頭 4.2.1 基本技術(shù)支持 4.2.2單鏡頭實(shí)現(xiàn)的方式 一，實(shí)驗(yàn)背景1.1實(shí)驗(yàn)應(yīng)用由于在一些實(shí)驗(yàn)中的具體過(guò)程同學(xué)們單方面從字面分析比較困難，而實(shí)驗(yàn)儀器的攜帶還過(guò)于困難，所以我認(rèn)為如果開(kāi)發(fā)出在移動(dòng)設(shè)備上的3D演示儀器，則會(huì)更加迅速的是同學(xué)們走進(jìn)物理演示的真實(shí)場(chǎng)景，還有利于以后的大范圍推廣。在演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還有利于同學(xué)們更加良好的理解3D技術(shù)。 投影儀的定義為：以精確的放大倍率將物體放大投影在投影屏上測(cè)定物體形狀、尺寸的儀器。在中國(guó)投影與一般用于文稿的演示和電影的放映等等。投影儀的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)播放器材受物理影響屏幕較小、分辨率不清晰等問(wèn)題。投影儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商務(wù)、教學(xué)、家庭影音等領(lǐng)域，其投射出的畫(huà)面可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)大小。在顯示面積較大的畫(huà)面時(shí)，例如多媒體教學(xué)課件，投影儀是唯一經(jīng)濟(jì)可行的選擇。投影儀不受顯示屏幕的制約，因此，可以在追求大屏幕、高質(zhì)量顯示效果的同時(shí)，縮小機(jī)器體積。小型化、微型化是投影儀未來(lái)的發(fā)展目標(biāo)。 1.2實(shí)驗(yàn)基本依據(jù) 1.2.1 投影儀技術(shù) 投影儀中經(jīng)常使用的普通光源一般有高壓汞燈、金屬鹵化物燈、鹵素?zé)?，氙氣燈這四種，光學(xué)元件在投影儀中占有極其重要的部分。而照明元件則是這一切的基礎(chǔ)，照明系統(tǒng)可以稱(chēng)作投影儀的心臟，因?yàn)樗峭队皟x的工作基礎(chǔ)。 投影儀的電氣系統(tǒng)指的是投影儀中的電路控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是電氣控制系統(tǒng)就是把電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光學(xué)信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)成像處理，最終投影在屏幕上，如果說(shuō)光學(xué)元件中的成像系統(tǒng)是投影儀的大腦，那么電氣控制系統(tǒng)就是投影儀的四肢，是一切工作的實(shí)際執(zhí)行者。 1.2.2 3D技術(shù) Frame sequential(幀連續(xù))Frame sequential，偶爾也被稱(chēng)為page-flip(翻頁(yè))，在某種層面上來(lái)說(shuō)是最簡(jiǎn)單的3D格式。Frame sequential信號(hào)就是以120幀每秒速率發(fā)送的全解像度畫(huà)面。各幀按順序交替，因此顯示設(shè)備接收到一個(gè)左眼幀，接下來(lái)一個(gè)右眼幀。不需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行任何解碼操作，因?yàn)樗灰軌蚪邮?20Hz信號(hào)即可。相應(yīng)地，這種格式需要大量帶寬，因?yàn)樗诒举|(zhì)上是將一個(gè)全像度的信號(hào)以60幀每秒的速率分別發(fā)送到左眼和右眼。對(duì)于一個(gè)相應(yīng)的2D信號(hào)來(lái)說(shuō)，帶寬翻了一番。 二，實(shí)驗(yàn)方法 2.1投影儀基本構(gòu)造方法 便攜式3D投影儀是基于投影儀技術(shù)的一種創(chuàng)新。所以將基本投影儀的結(jié)構(gòu)弄清楚。 從投影機(jī)產(chǎn)品的構(gòu)成來(lái)看，它包括了核心投影成像部件、光學(xué)引擎、電氣控制和接口三大主要部分。其中的核心投影成像部件是投影機(jī)產(chǎn)品的核心，在整個(gè)投影機(jī)產(chǎn)品的成本構(gòu)成中占有非常重要的部分，其地位頗似計(jì)算機(jī)中的處理器。 2 .2 如何在投影儀的基礎(chǔ)上改造成3D投影 在一個(gè)偏振光系統(tǒng)中，來(lái)自一臺(tái)或者多臺(tái)投影的光線通過(guò)一個(gè)偏振濾波器，使得所有的光波在同一方向上振蕩。觀眾佩戴的眼鏡上的特殊濾鏡，僅允許屬于某只眼鏡的光線通過(guò)。如果你曾經(jīng)見(jiàn)過(guò)百葉窗，你就已經(jīng)明白了這個(gè)概念從某個(gè)角度你能夠清楚地看出窗外，而從其它角度你的視線會(huì)被遮掩。為兩只眼睛使用不同的偏振方向，使得兩幅分離的圖像可以被投射，一幅圖像用于一只眼睛，從而產(chǎn)生深度感。 上述的表示為我的物理儀器改造提供方便，我想是這樣實(shí)現(xiàn)我的想法。如下闡述： （1）對(duì)于雙鏡頭：保留基本的高壓泵燈金屬鹵化物燈，積分器照明系統(tǒng)和偏光轉(zhuǎn)換元件，在分色板鏡上進(jìn)行分塊，用兩塊鏡板進(jìn)行分鏡，然后分別連接各自的棱鏡，液晶面板，投射透鏡（我認(rèn)為既然是將其簡(jiǎn)化，防塵玻璃可以取消） （2）對(duì)于單鏡頭：由于我們用的是幀連續(xù)法，我是這樣120幀每秒速率發(fā)送的全解像度畫(huà)面，我們可以提高頻率，將頻率提高到240幀每秒速率。在單頻率的方面我們播放左眼的畫(huà)面，在雙頻率的時(shí)候播放右眼的畫(huà)面，這樣我們會(huì)直接觀看到3D效果。三，實(shí)驗(yàn)材料與用具 3.1 實(shí)驗(yàn)工具 沖擊鉆 螺絲刀 熱風(fēng)槍 開(kāi)孔器 電烙鐵 老虎鉗 3.2實(shí)驗(yàn)材料 焊錫 熱縮管 導(dǎo)線 DIY投影儀套件 膨脹螺栓 偏振片 3.3實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)備 金屬幕布 HDMI視頻線 VGA視頻線 電腦 音響系統(tǒng)四，具體技術(shù)線路與電子焊接線路 4.1 雙鏡頭 4.1.1便攜式設(shè)備中小型投影儀搭建 對(duì)于投影儀的搭建主要是由于句話物理原理“凸透鏡成像”。投影機(jī)就是通過(guò)調(diào)整鏡頭與投影源之間的距離，來(lái)改變投射影像大小的。 還要注意的就是一定要簡(jiǎn)潔明了，因?yàn)橐欢ㄔO(shè)備上沒(méi)有空間，我們主要是要節(jié)約空間，別且對(duì)于3D視頻有一定處理方式。如果不考慮大小，只用于教學(xué)中播放，我們可以如下如所做對(duì)于3D效果： 4.1.2構(gòu)造兩個(gè)雙鏡頭 4.2 單鏡頭 4.2.1 基本技術(shù)支持 Frame sequential信號(hào)就是以120幀每秒速率發(fā)送的全解像度畫(huà)面。各幀按順序交替，因此顯示設(shè)備接收到一個(gè)左眼幀，接下來(lái)一個(gè)右眼幀。不需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行任何解碼操作，因?yàn)樗灰軌蚪邮?20Hz信號(hào)即可。相應(yīng)地，這種格式需要大量帶寬，因?yàn)樗诒举|(zhì)上是將一個(gè)全像度的信號(hào)以60幀每秒的速率分別發(fā)送到左眼和右眼 4.2.2單鏡頭實(shí)現(xiàn)的方式 就是改變一下我們播放畫(huà)面的頻率和方式。 三、本方案創(chuàng)新之處 （1）由于在一些實(shí)驗(yàn)中的具體過(guò)程同學(xué)們單方面從字面分析比較困難，而實(shí)驗(yàn)儀器的攜帶還過(guò)于困難，所以我認(rèn)為如果開(kāi)發(fā)出在移動(dòng)設(shè)備上的3D演示儀器，則會(huì)更加迅速的是同學(xué)們走進(jìn)物理演示的真實(shí)場(chǎng)景，還有利于以后的大范圍推廣。在演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還有利于同學(xué)們更加良好的理解3D技術(shù)。 (2)幫助同學(xué)在演示實(shí)驗(yàn)中，更好的理解投影儀的定義為：以精確的放大倍率將物體放大投影在投影屏上測(cè)定物體形狀、尺寸的儀器。在中國(guó)投影與一般用于文稿的演示和電影的放映等等。投影儀的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)播放器材受物理影響屏幕較小、分辨率不清晰等問(wèn)題。投影儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商務(wù)、教學(xué)、家庭影音等領(lǐng)域，其投射出的畫(huà)面可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)大小。在顯示面積較大的畫(huà)面時(shí)， （3）多媒體教學(xué)課件，投影儀是唯一經(jīng)濟(jì)可行的選擇。投影儀不受顯示屏幕的制約，因此，可以在追求大屏幕、高質(zhì)量顯示效果的同時(shí)，縮小機(jī)器體積。小型化、微型化是投影儀未來(lái)的發(fā)展目標(biāo)四、是否打算參加立項(xiàng)并參加“物理演示實(shí)驗(yàn)儀器創(chuàng)新與設(shè)計(jì)大賽”（如不參加請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明原因）申請(qǐng)立項(xiàng)參加比賽 不申請(qǐng)立項(xiàng)課程感受及改進(jìn)意見(jiàn)這次演示實(shí)驗(yàn)使我更深刻地認(rèn)識(shí)到我們?nèi)粘Ｉ詈臀锢淼穆?lián)系是如此密切以至于沒(méi)有物理學(xué)的發(fā)展就沒(méi)有人類(lèi)文明的進(jìn)步，兩者的相輔相成是那樣的顯現(xiàn)。總之精彩的演示實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)習(xí)物理的樂(lè)趣，也擴(kuò)展了以前狹隘的知識(shí)面，值得留念！