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物理演示實驗 物理演示實驗自主設(shè)計方案 學(xué) 生 姓 名 宋梓瑚 學(xué) 生 學(xué) 號 2013201411 選 課 時 間 4月7日16時-18 時 聯(lián) 系 電 話 18845612030 方 案 得 分 是否給與經(jīng)費支持 □是 □否 哈爾濱工程大學(xué)物理演示實驗制 填寫說明及注意事項 一、方案書須逐項認真填寫，填寫內(nèi)容必須實事求是，表達明確嚴謹。 二、設(shè)計方案要能很好地展示物理原理，所設(shè)計方案要求合理、可行，要具有一定的創(chuàng)新性和新穎性。 三、凡是獲得經(jīng)費支持的學(xué)生，必須參加“物理演示實驗儀器創(chuàng)新與設(shè)計大賽” 。 一、演示物理原理簡介（可以配圖說明） 本次物理演示實驗儀器創(chuàng)新中，我的作品名稱為《安裝在可移動設(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，分別稱為frame sequential(幀連續(xù))，frame packing(幀封裝)，side-by-side(并排)，以及checkerboard(棋盤)。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驗儀器創(chuàng)新我將采用的主要方法） Frame sequential，偶爾也被稱為page-flip(翻頁)，在某種層面上來說是最簡單的3D格式。Frame sequential信號就是以120幀每秒速率發(fā)送的全解像度畫面。各幀按順序交替，因此顯示設(shè)備接收到一個左眼幀，接下來一個右眼幀。不需要對信號進行任何解碼操作，因為他只要能夠接收120Hz信號即可。相應(yīng)地，這種格式需要大量帶寬，因為它在本質(zhì)上是將一個全像度的信號以60幀每秒的速率分別發(fā)送到左眼和右眼。對于一個相應(yīng)的2D信號來說，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發(fā)送給投影機，兩幅圖像之一在另一幅圖像之上，兩者之間有一個較小的間隔。本質(zhì)上講，信源發(fā)送一個巨大的、兩倍高度的圖像幀，而不是兩個較小的圖像幀。信號以24Hz或者60Hz傳輸。投影機必須能夠?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)送的的圖像幀過于大，對于便攜式設(shè)備來說如果儲存的量過于巨大，最會帶來內(nèi)存清理，儲存困難等問題。 三，Side-by-side(并排) 兩個幀被壓縮為其原始水平解像度的一半，然后合成一幀同時傳輸。對于1080p信號，每幀為19201080個像素。這將會是并排的兩個9601080幀。投影機會分離兩個壓縮幀，將其水平擴展回最初的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展過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。所以在客戶使用中會有一定程度的分辨率丟失。 四，Checkerboard(棋盤) 在這種格式中，用于左眼和右眼的兩幅圖像被交織，即每隔一個像素用于左眼或者右眼?？纯磭H象棋的棋盤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：在早期的電視機領(lǐng)域就是采用的這種辦法，消費者發(fā)現(xiàn)他們的電視機不能兼容電視廣播3D和藍光3D格式，唯一解決辦法是問題的解決方案是一臺轉(zhuǎn)換器，它能夠?qū)rame-packed(藍光)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電視機上。并且這種技術(shù)實施起來過于繁瑣，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、方案實施詳細技術(shù)路線（要求有配圖或者照片） 對于詳細的技術(shù)路數(shù)我將從以下幾方面進行闡述 一，實驗背景 1.1 實驗應(yīng)用 1.2 實驗基本依據(jù) 1.2.1 投影儀技術(shù) 1.2.2 3D技術(shù) 二，實驗方法 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，實驗材料與用具 3.1 實驗工具 3.2實驗材料 3.3實驗基礎(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單鏡頭實現(xiàn)的方式 一，實驗背景 1.1實驗應(yīng)用 由于在一些實驗中的具體過程同學(xué)們單方面從字面分析比較困難，而實驗儀器的攜帶還過于困難，所以我認為如果開發(fā)出在移動設(shè)備上的3D演示儀器，則會更加迅速的是同學(xué)們走進物理演示的真實場景，還有利于以后的大范圍推廣。在演示實驗過程中還有利于同學(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定物體形狀、尺寸的儀器。在中國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，其投射出的畫面可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)大小。在顯示面積較大的畫面時， 例如多媒體教學(xué)課件，投影儀是唯一經(jīng)濟可行的選擇。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，縮小機器體積。小型化、微型化是投影儀未來的發(fā)展目標(biāo)。 1.2實驗基本依據(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)可以稱作投影儀的心臟，因為它是投影儀的工作基礎(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)簡單來說，就是電氣控制系統(tǒng)就是把電信號轉(zhuǎn)化成光學(xué)信號，然后經(jīng)過成像處理，最終投影在屏幕上，如果說光學(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，偶爾也被稱為page-flip(翻頁)，在某種層面上來說是最簡單的3D格式。Frame sequential信號就是以120幀每秒速率發(fā)送的全解像度畫面。各幀按順序交替，因此顯示設(shè)備接收到一個左眼幀，接下來一個右眼幀。不需要對信號進行任何解碼操作，因為他只要能夠接收120Hz信號即可。相應(yīng)地，這種格式需要大量帶寬，因為它在本質(zhì)上是將一個全像度的信號以60幀每秒的速率分別發(fā)送到左眼和右眼。對于一個相應(yīng)的2D信號來說，帶寬翻了一番。 二，實驗方法 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。 從投影機產(chǎn)品的構(gòu)成來看，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產(chǎn)品的核心，在整個投影機產(chǎn)品的成本構(gòu)成中占有非常重要的部分，其地位頗似計算機中的處理器。 2 .2 如何在投影儀的基礎(chǔ)上改造成3D投影 在一個偏振光系統(tǒng)中，來自一臺或者多臺投影的光線通過一個偏振濾波器，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。如果你曾經(jīng)見過百葉窗，你就已經(jīng)明白了這個概念——從某個角度你能夠清楚地看出窗外，而從其它角度你的視線會被遮掩。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，我想是這樣實現(xiàn)我的想法。如下闡述： （1）對于雙鏡頭：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，在分色板鏡上進行分塊，用兩塊鏡板進行分鏡，然后分別連接各自的棱鏡，液晶面板，投射透鏡（我認為既然是將其簡化，防塵玻璃可以取消） （2）對于單鏡頭：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面，在雙頻率的時候播放右眼的畫面，這樣我們會直接觀看到3D效果。 三，實驗材料與用具 3.1 實驗工具 沖擊鉆 螺絲刀 熱風(fēng)槍 開孔器 電烙鐵 老虎鉗 3.2實驗材料 焊錫 熱縮管 導(dǎo)線 DIY投影儀套件 膨脹螺栓 偏振片 3.3實驗基礎(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”。投影機就是通過調(diào)整鏡頭與投影源之間的距離，來改變投射影像大小的。 還要注意的就是一定要簡潔明了，因為一定設(shè)備上沒有空間，我們主要是要節(jié)約空間，別且對于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 對于3D效果： 4.1.2構(gòu)造兩個雙鏡頭 4.2 單鏡頭 4.2.1 基本技術(shù)支持 Frame sequential信號就是以120幀每秒速率發(fā)送的全解像度畫面。各幀按順序交替，因此顯示設(shè)備接收到一個左眼幀，接下來一個右眼幀。不需要對信號進行任何解碼操作，因為他只要能夠接收120Hz信號即可。相應(yīng)地，這種格式需要大量帶寬，因為它在本質(zhì)上是將一個全像度的信號以60幀每秒的速率分別發(fā)送到左眼和右眼 4.2.2單鏡頭實現(xiàn)的方式 就是改變一下我們播放畫面的頻率和方式。 三、本方案創(chuàng)新之處 （1）由于在一些實驗中的具體過程同學(xué)們單方面從字面分析比較困難，而實驗儀器的攜帶還過于困難，所以我認為如果開發(fā)出在移動設(shè)備上的3D演示儀器，則會更加迅速的是同學(xué)們走進物理演示的真實場景，還有利于以后的大范圍推廣。在演示實驗過程中還有利于同學(xué)們更加良好的理解3D技術(shù)。 (2)幫助同學(xué)在演示實驗中，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定物體形狀、尺寸的儀器。在中國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，其投射出的畫面可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)大小。在顯示面積較大的畫面時， （3）多媒體教學(xué)課件，投影儀是唯一經(jīng)濟可行的選擇。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，縮小機器體積。小型化、微型化是投影儀未來的發(fā)展目標(biāo) 四、是否打算參加立項并參加“物理演示實驗儀器創(chuàng)新與設(shè)計大賽”（如不參加請簡要說明原因） □申請立項參加比賽 □不申請立項 課程感受及改進意見 這次演示實驗使我更深刻地認識到我們?nèi)粘Ｉ詈臀锢淼穆?lián)系 是如此密切以至于沒有物理學(xué)的發(fā)展就沒有人類文明的進步， 兩者的相輔相成是那樣的顯現(xiàn)?？傊实难菔緦嶒灱ぐl(fā)了學(xué) 習(xí)物理的樂趣，也擴展了以前狹隘的知識面，值得留念！