哈尔滨工程大学演示实验(满分).doc

物理演示实验

物理演示实验自主设计方案

学 生 姓 名 宋梓瑚
学 生 学 号 2013201411
选 课 时 间 4月7日16时-18 时
联 系 电 话 18845612030
方 案 得 分
是否给与经费支持 □是 □否

哈尔滨工程大学物理演示实验制

填写说明及注意事项
一、方案书须逐项认真填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。
二、设计方案要能很好地展示物理原理，所设计方案要求合理、可行，要具有一定的创新性和新颖性。
三、凡是获得经费支持的学生，必须参加“物理演示实验仪器创新与设计大赛”
。

一、演示物理原理简介（可以配图说明）
本次物理演示实验仪器创新中，我的作品名称为《安装在可移动设备中的3D物理演示仪》。首先我将介绍一下我的3D物理演示仪的工作原理。
从全世界研究的领域，到目前为止，3D传输格式，有四种普遍使用的立体3D传输格式，分别称为frame sequential(帧连续)，frame packing(帧封装)，side-by-side(并排)，以及checkerboard(棋盘)。除此之外还有其它的传输格式，以下我们将集中讨论这四种主要的格式。
一，Frame sequential(帧连续)（这是本次物理演示实验仪器创新我将采用的主要方法）
Frame sequential，偶尔也被称为page-flip(翻页)，在某种层面上来说是最简单的3D格式。Frame sequential信号就是以120帧每秒速率发送的全解像度画面。各帧按顺序交替，因此显示设备接收到一个左眼帧，接下来一个右眼帧。不需要对信号进行任何解码操作，因为他只要能够接收120Hz信号即可。相应地，这种格式需要大量带宽，因为它在本质上是将一个全像度的信号以60帧每秒的速率分别发送到左眼和右眼。对于一个相应的2D信号来说，带宽翻了一番。

二，Frame packing(帧封装)
Frame packing和frame sequential很接近，但它们不是同一种东西。Frame packing将左眼图像和右眼图像同时发送给投影机，两幅图像之一在另一幅图像之上，两者之间有一个较小的间隔。本质上讲，信源发送一个巨大的、两倍高度的图像帧，而不是两个较小的图像帧。信号以24Hz或者60Hz传输。投影机必须能够将被封装的两幅图像分离并且顺序显示。
为什么不选用这种方法，由于发送像帧的原因，其所发送的的图像帧过于大，对于便携式设备来说如果储存的量过于巨大，最会带来内存清理，储存困难等问题。

三，Side-by-side(并排)
两个帧被压缩为其原始水平解像度的一半，然后合成一帧同时传输。对于1080p信号，每帧为1920×1080个像素。这将会是并排的两个960×1080帧。投影机会分离两个压缩帧，将其水平扩展回最初的1920×1080格式，然后依序显示。Side-by-side有隔行扫描和逐行扫描两种变体，其中隔行扫描变体使用较少的带宽，而逐行扫描变体则拥有更好的图像质量。两者各有利弊。
之所以不采用这种方法的原因是由于这种格式在压缩和随后的扩展过程中损失了一些分辨率。本质上，它为每只眼睛使用了一半的分辨率。所以在客户使用中会有一定程度的分辨率丢失。
四，Checkerboard(棋盘)
在这种格式中，用于左眼和右眼的两幅图像被交织，即每隔一个像素用于左眼或者右眼。看看国际象棋的棋盘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，而红色(或白色)的方格则是用于右眼的像素。电视机分离这两幅被交织的图像并且依序显示。最后的图像具有一半的解像度。
为什么不采用这种方法进行是由于，此种方法的应用性较为低。例如：在早期的电视机领域就是采用的这种办法，消费者发现他们的电视机不能兼容电视广播3D和蓝光3D格式，唯一解决办法是问题的解决方案是一台转换器，它能够将frame-packed(蓝光)3D或者side-by-side(DirecTV电视广播)3D格式转换成checkerboard 3D，然后显示在DLP电视机上。并且这种技术实施起来过于繁琐，需要，极大的工程量所以本次创新中我们不采用这种办法。

二、方案实施详细技术路线（要求有配图或者照片）
对于详细的技术路数我将从以下几方面进行阐述
一，实验背景
1.1 实验应用
1.2 实验基本依据
1.2.1 投影仪技术
1.2.2 3D技术

二，实验方法
2.1 投影仪的基本构造方法
2.2 如何在投影仪的基础上改造成3D投影仪

三，实验材料与用具
3.1 实验工具
3.2实验材料
3.3实验基础设备

四，具体技术线路与电子焊接线路
4.1 双镜头
4.1.1便携式设备中小型投影仪搭建
4.1.2构造两个双镜头
4.2 单镜头
4.2.1 基本技术支持
4.2.2单镜头实现的方式

一，实验背景

1.1实验应用
由于在一些实验中的具体过程同学们单方面从字面分析比较困难，而实验仪器的携带还过于困难，所以我认为如果开发出在移动设备上的3D演示仪器，则会更加迅速的是同学们走进物理演示的真实场景，还有利于以后的大范围推广。在演示实验过程中还有利于同学们更加良好的理解3D技术。
投影仪的定义为：以精确的放大倍率将物体放大投影在投影屏上测定物体形状、尺寸的仪器。在中国投影与一般用于文稿的演示和电影的放映等等。投影仪的出现解决了传统播放器材受物理影响屏幕较小、分辨率不清晰等问题。投影仪已经广泛应用于商务、教学、家庭影音等领域，其投射出的画面可以根据需要调节大小。在显示面积较大的画面时，
例如多媒体教学课件，投影仪是唯一经济可行的选择。投影仪不受显示屏幕的制约，因此，可以在追求大屏幕、高质量显示效果的同时，缩小机器体积。小型化、微型化是投影仪未来的发展目标。
1.2实验基本依据
1.2.1 投影仪技术
投影仪中经常使用的普通光源一般有高压汞灯、金属卤化物灯、卤素灯，氙气灯这四种，光学元件在投影仪中占有极其重要的部分。而照明元件则是这一切的基础，照明系统可以称作投影仪的心脏，因为它是投影仪的工作基础。
投影仪的电气系统指的是投影仪中的电路控制系统简单来说，就是电气控制系统就是把电信号转化成光学信号，然后经过成像处理，最终投影在屏幕上，如果说光学元件中的成像系统是投影仪的大脑，那么电气控制系统就是投影仪的四肢，是一切工作的实际执行者。
1.2.2 3D技术
Frame sequential(帧连续)Frame sequential，偶尔也被称为page-flip(翻页)，在某种层面上来说是最简单的3D格式。Frame sequential信号就是以120帧每秒速率发送的全解像度画面。各帧按顺序交替，因此显示设备接收到一个左眼帧，接下来一个右眼帧。不需要对信号进行任何解码操作，因为他只要能够接收120Hz信号即可。相应地，这种格式需要大量带宽，因为它在本质上是将一个全像度的信号以60帧每秒的速率分别发送到左眼和右眼。对于一个相应的2D信号来说，带宽翻了一番。

二，实验方法
2.1投影仪基本构造方法
便携式3D投影仪是基于投影仪技术的一种创新。所以将基本投影仪的结构弄清楚。

从投影机产品的构成来看，它包括了核心投影成像部件、光学引擎、电气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机产品的核心，在整个投影机产品的成本构成中占有非常重要的部分，其地位颇似计算机中的处理器。
2 .2 如何在投影仪的基础上改造成3D投影
在一个偏振光系统中，来自一台或者多台投影的光线通过一个偏振滤波器，使得所有的光波在同一方向上振荡。观众佩戴的眼镜上的特殊滤镜，仅允许属于某只眼镜的光线通过。如果你曾经见过百叶窗，你就已经明白了这个概念——从某个角度你能够清楚地看出窗外，而从其它角度你的视线会被遮掩。为两只眼睛使用不同的偏振方向，使得两幅分离的图像可以被投射，一幅图像用于一只眼睛，从而产生深度感。
上述的表示为我的物理仪器改造提供方便，我想是这样实现我的想法。如下阐述：
（1）对于双镜头：保留基本的高压泵灯金属卤化物灯，积分器照明系统和偏光转换元件，在分色板镜上进行分块，用两块镜板进行分镜，然后分别连接各自的棱镜，液晶面板，投射透镜（我认为既然是将其简化，防尘玻璃可以取消）
（2）对于单镜头：由于我们用的是帧连续法，我是这样120帧每秒速率发送的全解像度画面，我们可以提高频率，将频率提高到240帧每秒速率。在单频率的方面我们播放左眼的画面，在双频率的时候播放右眼的画面，这样我们会直接观看到3D效果。

三，实验材料与用具
3.1 实验工具
冲击钻
螺丝刀
热风枪
开孔器
电烙铁
老虎钳
3.2实验材料
焊锡
热缩管
导线
DIY投影仪套件
膨胀螺栓
偏振片
3.3实验基础设备
金属幕布
HDMI视频线
VGA视频线
电脑
音响系统
四，具体技术线路与电子焊接线路
4.1 双镜头
4.1.1便携式设备中小型投影仪搭建
对于投影仪的搭建主要是由于句话物理原理“凸透镜成像”。投影机就是通过调整镜头与投影源之间的距离，来改变投射影像大小的。
还要注意的就是一定要简洁明了，因为一定设备上没有空间，我们主要是要节约空间，别且对于3D视频有一定处理方式。如果不考虑大小，只用于教学中播放，我们可以如下如所做

对于3D效果：
4.1.2构造两个双镜头

4.2 单镜头
4.2.1 基本技术支持
Frame sequential信号就是以120帧每秒速率发送的全解像度画面。各帧按顺序交替，因此显示设备接收到一个左眼帧，接下来一个右眼帧。不需要对信号进行任何解码操作，因为他只要能够接收120Hz信号即可。相应地，这种格式需要大量带宽，因为它在本质上是将一个全像度的信号以60帧每秒的速率分别发送到左眼和右眼
4.2.2单镜头实现的方式

就是改变一下我们播放画面的频率和方式。

三、本方案创新之处
（1）由于在一些实验中的具体过程同学们单方面从字面分析比较困难，而实验仪器的携带还过于困难，所以我认为如果开发出在移动设备上的3D演示仪器，则会更加迅速的是同学们走进物理演示的真实场景，还有利于以后的大范围推广。在演示实验过程中还有利于同学们更加良好的理解3D技术。

(2)帮助同学在演示实验中，更好的理解投影仪的定义为：以精确的放大倍率将物体放大投影在投影屏上测定物体形状、尺寸的仪器。在中国投影与一般用于文稿的演示和电影的放映等等。投影仪的出现解决了传统播放器材受物理影响屏幕较小、分辨率不清晰等问题。投影仪已经广泛应用于商务、教学、家庭影音等领域，其投射出的画面可以根据需要调节大小。在显示面积较大的画面时，

（3）多媒体教学课件，投影仪是唯一经济可行的选择。投影仪不受显示屏幕的制约，因此，可以在追求大屏幕、高质量显示效果的同时，缩小机器体积。小型化、微型化是投影仪未来的发展目标

四、是否打算参加立项并参加“物理演示实验仪器创新与设计大赛”（如不参加请简要说明原因）
□申请立项参加比赛 □不申请立项
课程感受及改进意见
这次演示实验使我更深刻地认识到我们日常生活和物理的联系
是如此密切以至于没有物理学的发展就没有人类文明的进步，
两者的相辅相成是那样的显现。总之精彩的演示实验激发了学
习物理的乐趣，也扩展了以前狭隘的知识面，值得留念！