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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)簦瘹鉄暨@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?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！