便携式3D视觉实验演示装置

1、作品编号山东省第八届大学生物理科技创新大赛作品申报书 作品名称： 3D视觉原理实验演示装置 学校全称： 山东大学(威海) 申报者姓名： 袁震宇 陈学良 李晨 指导教师： 刘维新 类别：物理量的测试、分析仪器或装置（A类）物理实验教学的仪器或装置（B类）需用多媒体方式展示的无法拿到现场的作品（C类）山东省第八届大学生物理科技创新大赛组委会制2016年5月 说 明1申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求如实填写。2作品编号由大赛组委会统一填写。3作品的研究报告必须用中文撰写，并附于申报书后，一般不应少于2000字。4作品申报书和研究报告必须按规定时间由各校统一将电子稿件发到大赛组委会E-MAIL

2、邮箱。申报者情况申报者情况姓 名袁震宇性别男 出生年月1996.03学校全称山东大学（威海）专业空间科学与技术现学历本科年级2014学制4年通讯地址山东大学（威海）空间科学与物理学院联系电作者情况姓 名性别年龄学历所在单位陈学良女21本科山东大学（威海）李晨女20本科山东大学（威海）指导教师情况和意见指导教师情况姓名刘维新性别男年龄36职 称副研究员单位山东大学(威海)联系电作品的真实性以及作品的意义、水平等评价该作品是在光的衍射实验基础上提出的改进方案，情况属实。光的衍射实验是学生深入学习光衍射原理以及理解光的波形性的大学普物实验之一。通常

3、实验装置结构较复杂，需要精细调整，衍射条纹微小，因而难以带入课堂进行教学演示。本作品研制一种小型、易调整的便携式光衍射实验仪，采用不同光源、不同障碍物产生多种衍射花样，并由摄像头将衍射花样实时显示在屏幕上，方便在课堂上直观展示光的衍射现象，使课堂讲解和演示实验可以同步进行。该作品将物理实验与课堂多媒体技术结合起来，有助于普物教学。申报者所在学院审核意见年 月 日申报作品情况（由申报者本人填写）作品全称便携式3D视觉实验演示装置展示形式及实物尺寸软件； 实物及尺寸：作品设计的目的和基本思路（相关资料作为附件，例如研究报告、实验数据、外观图、鉴定证书和应用证书等）3D视觉在如今的电影、电子竞技、军

4、事作战等领域都有了广泛的应用，它综合了许多基本的光学原理。但是在教学当中，诸如3D电影放映的设备复杂，而且造价高昂，导致其无法在教学中普及。而模拟的实验装置对于我们直观理解3D技术当中的光学原理以及提高运用光学知识解释现象的能力都有巨大帮助。基于此我们以便携式和低成本为出发点，制作3D视觉原理模拟装置，能够满足课堂教学的需要，并在此基础上提出一些创新性的推广应用，如：实现两个摄像机画面的实时远距离无线传输后，可将其推广到3D航拍、医疗救援、反恐作战等场合，甚至将其与一个移动的平台结合，足不出户地进行虚拟的旅行。我们利用两个相同的单片机实现两个摄像机与两个投影仪分别连接，投影仪投影画面是摄像机实

5、时的画面，摄像机的相对位置大致为人双眼的相对位置，将加互相正交的线偏振片的投影仪投影到特制的屏幕上面，带上相应的3D眼镜（IMAX），可观察到3D效果。在此基础上，将两个投影仪前的线偏振片分别转动45°和135°，再在线偏振片前面加1/4玻片，使得投影仪出射的光变成左旋和右旋的圆偏振光，带上相应的3D眼镜（Reald）可看到3D效果。利用偏振原理在投影仪出光时，用红色与蓝色滤光片分别滤光，带上相应的红蓝滤光眼镜，可看到较为原始的失去本身彩色的3D效果。将电脑与单片机件使用无线设备连接，实现画面的无线实时传输。将单片机与摄像机部分进行透明封装，方便展示原理，同时方便携带。作品

6、的创新点、技术难点和实际应用情况创新点：1、该装置成本较电影院等使用的3D设备低廉，能够将现在主流的被动式的IMAX、RealD、杜比3D技术的基本原理直观的演示出来，将现代科技的前沿成果与课堂教学建立了紧密的联系。2、该装置，结构简单便于携带，同时其演示的原理涉及了光的偏振态，菲涅尔定律，马吕斯定律等光学的基本原理。同时又有交叉学科眼视光学关于人眼光学的基本原理，因此对于普及光学知识十分有意义。技术难点：1、对于用偏振原理实现的3D效果需要偏振角度要准确，在IMAX演示中要保证投影仪前的线偏振片严格的与眼镜的偏振方向一致。在RealD技术演示当中要精确确定1/4玻片的光轴方向，并使得它与线偏

7、振片配合产生圆偏振光而不能为椭圆偏振光；2、对于基于滤光原理的3D的演示，需要采用高质量的滤光片，如果滤光片质量太差会使3D效果大打折扣。3、对于荧屏，不能使用具有漫反射特点的普通的投影仪屏幕，要使得圆偏振光与线偏振光经过反射后偏振态保持不变。因此采用金属屏幕，即镀有铝粉的具有细小弯曲的形状。其他说明评审委员会意见组委会秘书处资格审查通过审查 未通过审查 审查人（签名）年 月 日评审小组成绩 小组内排名： 得 分： 组长（签名）年 月 日评审会终审建议特等奖 一等奖二等奖 三等奖未获奖 主任（签名） 年 月 日作品编号山东省第八届大学生物理科技创新大赛研究报告 作品名称： 3D视觉原理实验演示

8、装置 学校全称： 山东大学(威海) 申报者姓名： 袁震宇 陈学良 李晨 指导教师： 刘维新 类别：物理量的测试、分析仪器或装置（A类）物理实验教学的仪器或装置（B类）需用多媒体方式展示的无法拿到现场的作品（C类）一、研究背景及意义从1839年第一幅立体眼镜出现，1992年第一部3D电影爱情的力量上映已经有几十年了。如今3D视觉早已不再局限于电影中。不过作为视觉的代表，3D电影是最为普及的3D视觉技术，现今3D电影中的3D放映设备的档次也往往直接反映了该电影院的技术水平。主流的3D电影技术有IMAX、REALD和masterimage，这些设备的光学技术复杂，且进行了封装集成，即使能亲眼看到这些

9、设备，也将其无法很好的与光学原理相联系。因此，将其中关键的光学原理进行抽取，以最清晰的物理演示实验的方式，将各个光学元件在其中发挥的作用进行展示。这对于理解理解物理光学中各元件器件的作用，提高实验动手能力，了解3D视觉的产生机制有很大的学术意义，不仅如此，演示仪器自身的低成本、便于携带的优点，可以将其进行整合，推广到反恐、医疗、摄影测量、航拍等一些特定的场合。二、国内现状目前为止，与该装置设计最为近似的，是由兰州大学物理科学与技术学院制作的3D偏振演示实验装置。该装置实现的是对于照片的3D化演示。图1、3D偏振演示实验仪由于该装置只能对图片进行3D化，且图片需要事先拍好，左右眼的照片角度的确定

10、也不易实现。因此我们的装置省去很多该实验装置中的部件，并且由于是实时的投影，因此更容易调节两个摄像机的视角以达到更好的3D效果。相对于静态的图片的3D,我们的装置可以实现动态的3D，且结合了当今最为前沿的被动式3D视觉技术，对于普及前沿技术具有十分重要的意义。三、实验原理及依据1、实验原理1.1 3D与2D的区别2D是我们所熟知的，即所谓的平面，只包含了两个维度的坐标轴。而3D多了一个维度，即垂直于2D平面的坐标轴，可以理解为深度或者厚度。1.2 人眼感知3D的原理人之所以能够感知3D画面，是因为在双眼的配合下，能够感知上文提到的深度，它并非看见，而是看见的东西经大脑处理后人形成的感知，看见的

11、东西与照片是相同的，没有大脑的处理，他们就是2D的，大脑补充出的另外一维的原因主要由以下几个方面：1.2.1 眼肌的张弛感生活中有这样类似的体验，将手机竖直放在两眼中间几厘米的位置然后眼睛望向远方，将目光一点点移到近处，直到盯着这根手指。眼睛在此过程中肌肉由松弛逐渐变得紧张了。这份松弛感是大脑判断远近的因素之一，肌肉紧张的较近，肌肉松弛的较远。1.2.2 眼球的聚焦聚焦，一方面是“聚”，指的是双眼注视着一个物体是两个眼球的聚拢动作，随着这种聚拢动作而产半生的视觉行为成为“双眼视轴辐合”。聚拢动作越大，双眼的视轴辐合角度越大，电脑就判断出被试物体越近，反之越远。利用此特点，包括人在内的许多动物才

12、可以判断出物体的准确距离，这是捕猎等其他行为所必须的本领。当一个物理足够远时，双眼视轴接近平行，此时大脑就不能准确的判断出被视物体的距离，只能大体知道物体远近。而所谓的“焦”，可以理解为视觉焦点，由于双眼间存在一定的距离，所以当双眼把焦点放在统一个物体时，左右眼看到的图像有所差别，通过简单的测试，看同一物体时，交替的使用左右眼，很容易体会这一点。而且发现，左右眼看物体的差异，随着物体距离到人眼距离的缩短而增大。 图2、“聚”示意图 图3、“焦”示意图1.2.3 视差从不同的位置观察同一物体时所产生的差异称之为“视差”，包括静态视差和动态视差。入院处的棵树A与B，若A挡住了B，纳闷电脑则判断出A

13、比较近，这就是静态视差。如果远处的物体由小变大，则大脑可判断出车在向自己靠近。1.3 3D视觉（电影）原理3D电影基本原理是利用1.2.2的眼聚焦中的“焦”的部分，将两幅大体相同略有差别的画面分别投到观众的左右眼中去，模拟双眼的视觉差别，由于大脑自动将两幅收集的画面信息进行组合，因此给人以立体感。将不同画面投影到人眼技术大致分为三种：1.3.1 线偏振制式以IMAX为代表的线偏振镜片，左眼水平偏振，右眼垂直偏振。用特殊方式设备在屏幕上放映出两个偏振方向的画面，有光学原理很容易知道，正交的线偏振光只能通过与其偏振方向一致的线偏振片。因而左右眼可得到各自不同的画面。同时由可知眼虽不能识别光的偏振，

14、但会感觉到亮度下降。因此，电影放映要求有足够的亮度。1.3.2 分时偏振制式包括X-PORD制式，其眼镜需要供电，通过电子信号同步，实现左右眼画面在极端周期内快速交替播放。另一种以REALD为代表，其眼镜采用圆偏振设计，放映机在极短周期内交替给出左右眼接收的每一帧画面。此技术采用圆偏振，即使歪头，对3D效果也不产生影响。1.2.3 杜比分色制式此方法为左右眼分别采用红绿或者红蓝滤光片滤光，使左右两眼分别识别出属于各自的画面，该制式若要达到很好的效果，对眼镜的要求很高，其成本也要高于其他眼镜。2、实验装置的搭建情况本组已基本完成了基于1.2实验原理的装置的搭建，相关成果如图（3）。本组通过两台光

15、学实验室中的普通光学摄像机在相聚几厘米的位置上获取图像，通过单片机，编写程序，实现了获取图像的实时投影，两台投影仪规格相同，置于屏幕前相同的位置，向屏幕垂直投影。在投影仪前放上相对左右眼眼镜偏振方向相同的偏振片，或者红蓝滤光的偏振片及滤光片，人正对着屏幕配戴眼镜即可观测到3D效果。 图4、实验装置2.2 改进计划2.2.1 3D效果最佳化的探究由于在实际中，光路的杂质、偏振度等都与理论情况有所差异，因此只要实现最佳的3D效果，需要有更多的实验。同样将光学部件在实验室中对其偏振效果进行更精密的测量，以此计算出更加的光路设计。2.2.2 图像传输的无线化本组实验起初使用了两台笔记本电脑进行实时投影

16、的挖制，这样不仅不方便携带，而且增加了制作成本。因而我们利用单片机代替电脑。下一步计划实现无线传输，这样可以使3D拍摄与3D观测同时不同地进行，实现足不出户就可身临其境的目标。2.2.3 推广应用基于3.2.2的无线化，另外加上本套系统低成本性，可以考虑将其推广到反恐侦查，单兵装备当中。现有的类似装备都有二维成像，而3D 更为逼真，更有利于此类特殊任务的执行。还可以推广到无人机航拍中去，直接获得3D画面，令观众有飞向天空俯瞰大地的感觉。2.2.4 装置的封装与美化由于装置有几个部件组成，有些部件可以封装在一起，更便于携带及使用。并考虑使用透明材料进行封装，既美观，又可以展示整台装置的内部原理。

17、四、解决的关键问题1、对于用偏振原理实现的3D效果需要偏振角度要准确，在IMAX演示中要保证投影仪前的线偏振片严格的与眼镜的偏振方向一致。在RealD技术演示当中要精确确定1/4玻片的光轴方向，并使得它与线偏振片配合产生圆偏振光而不能为椭圆偏振光；2、对于基于滤光原理的3D的演示，需要采用高质量的滤光片，如果滤光片质量太差会使3D效果大打折扣。3、对于荧屏，不能使用具有漫反射特点的普通的投影仪屏幕，要使得圆偏振光与线偏振光经过反射后偏振态保持不变。因此采用金属屏幕，即镀有铝粉的具有细小弯曲的形状。五、创新点或特色1、该装置成本较电影院等使用的3D设备低廉，能够将现在主流的被动式的IMAX、RealD、杜比3D技术的基本原理直观的演示出来，将现代科技的前沿成果与课堂教学建立了紧密的联系。2、该装置，结构简单便于携带，同时其演示的原理涉及了光的偏振态，菲涅尔定律，马吕斯定律等光学的基本原理。同时又有