课题的研究背景及意义.doc

1 目目 录录 摘要摘要 2 关键字关键字 2 ABSTRACT 3 KEY WORDS 3 1 项目的研究背景及意义项目的研究背景及意义 4 2 项目主要研究技术内容的国内外发展现状与趋势项目主要研究技术内容的国内外发展现状与趋势 7 3 系统简介系统简介 8 3 1 系统组成 8 3 2 系统工作原理 8 3 3 转动平台的电机调速 9 3 3 1系统方案的制定 9 3 3 2 硬件设计 10 3 3 3软件设计 12 3 3 4程序调试 15 3 4 上位机 3D 仿真及图像信号发生系统 15 3 4 1系统方案制定 15 3 4 2软件设计 16 3 4 3程序调试 17 4 主要技术经济指标和水平主要技术经济指标和水平 17 结束语结束语 18 2 摘要摘要 基于 Volumetric 3D 显示原理与 WPF 平台的 3D 旋转三角锥的真实立体影像 投射系统是采用 Volumetric 3D 显示原理 将上位机所处理的 Volumetric 3D 数字图像信号通过三角锥投影系统投射成真实影像 实现 Volumetric 3D 显示 效果 与传统 3D 显示相比 本系统具有裸眼 3D 显示效果 使观看者无需通过 佩戴 3D 眼镜就能达到 3D 显示目的 同时 本系统具有 360 度全息图像显示效 果 使观看者可以 360 度全方向观看图像 本系统采用 WPF 设计 3D 图像 使系 统可以方便的产生 3D 图像 经过简单学习 便可以自己设计 3D 模型 降低了 系统软件设计成本 关键字关键字 体三维 3D 影像 3D 处理 三角锥影像投影 直流电机转速 直流电机相位 3 Abstract The real projection system image of 3D Rotating cones based on the Volumetric 3D revelation principle and WPF platform is the true image protected by using Volumetric 3D revelation principle and combined with Volumetric 3D digital image signal which the host computer dealing with to achieve Volumetric 3D revelation principles Compared with conventional 3D display this system has the naked eye 3D display so the viewer is no need to wear 3D glasses and 3D display can be achieved At the same time this system has a 360 degree holographic image display with which the viewer can watch an Omni directional image of 360 degree The system is designed by using WPF 3D image which makes it easy to produce 3D images Through a simple learning one can design their own 3D model that reducing the cost of the system software design Key words Volumetric 3D 3D image 3D Processing Triangul cone 3D image DC Motor Speed Phase DC motor 4 1 项目的研究背景及意义项目的研究背景及意义 3D 是英文 Three Dimensions 的简称 中文是指三维 三个维度 三个 坐标 即有长 有宽 有高 换句话说 就是立体的 是相对于只有长和宽的 平面 2D 而言 我们本来就生活在三维的立体空间中 我们的眼睛和身体感知到的这个世 界都是三维立体的 并且具有丰富的色彩 光泽 表面 材质等等外观质感 以及巧妙而错综复杂的内部结构和时空动态的运动关系 我们对这世界的任何 发现和创造的原始冲动都是三维的 虽然迄今为止还没有哪一种显示技术能够没有任何限制地提供所有的深度 暗示 但一般而言 三维显示技术既能提供反映视觉系统本身特点和感知特性 的生理深度暗示 又能提供来源于日常积累的感知经验和视觉记忆的心理深度 暗示 二维显示技术只提供单眼就能观察的心理深度暗示 认知学方面的研究 结果表明 视觉系统倾向于首先利用生理深度暗示 只有当这些深度暗示被移 除时 心理深度暗示才会起主要作用 因此 三维显示技术能提供更客观 更 自然的交流模式 有助于人们在综合运用各种深度暗示之后 获得真实 丰富 可靠的感知体验 是显示技术的必然发展趋势 三维显示大致分为四类 体视三维显示 stereoscopic 3D display 全息 三维显示 holographic 3D display 透视三维显示 Perspective 3D display 和 体三维显示 volumetric 3D display 1 5 体视三维显示 体视三维显示 双眼水平视差的产生是由于人的左 右眼有一定的空间间 隔 总是从左 右两个稍有不同的角度来观察物体 从而导致视网膜上的光学 影像略有差异 体视三维显示将模拟人的左 右眼看到的两个略有不同的二维 图像 称之为 体视对 stereopair 显示在同一个平面上 然后通过某种 分离方式使左 右视图分别只提供给左 右眼观察 这样 利用体视对所提供 的视差信息 人脑会自动地将对应的两幅二维平面图像融合成一幅三维立体图 像 经 双像单视 效应而获得立体感 不同的体视对产生和分离方式构成了 不同的体视三维显示技术 其观察方式和成像特点也有所不同 全息三维显示 全息三维显示 按照物理学的近距作用观点 人眼之所以能看见外界物体 5 其直接原因并不是因为物体的客观存在 而是由于物体散射或发射的光波到达 了人眼的视网膜 视神经细胞在接收物光波之后 会根据光的强弱 距离和颜 色等进行处理 从而识别物体的特征以便形成三维感知 光波的特征主要取决 于它的振幅 强弱 位相 同相面形状 和波长 颜色 只要能得到物体的光波 即便物体不在原处也能看到该物的逼真像 全息术根据上述成像理论 先利用 光的干涉原理 将物体散射或发射出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来 然后利用光的衍射原理 在一定条件下进行再现 透视三维显示 透视三维显示 透视三维显示利用光线追迹 投影转换和多边形生成等计 算机图形学技术来对深度信息进行编码 并添加阴影和遮挡等多种心理深度暗 示 将三维场景以透视形式显示在二维屏幕上 此时 三维图像实际上是只有 长宽两个维度的平面显示器上的二维图像 但它能够提供深度错觉 由于术语 三维 指的是被描述或显示的对象具有三个可测量维度 宽度 高度和深度 因此透视三维显示的图像也被称为 2 5 维图像 体三维显示 体三维显示 即本系统所设及技术 它通过适当方式来激励位于透明显示 体积内的物质 利用可见辐射的产生 吸收或散射而形成体素 voxel volumepixel 当体积内许多方位的物质都被激励之后 便能形成由许多分散 的体素构成的三维图像 它浮在真实三维空间即观察者所在的物质世界中 就 像是一个现实三维物体一样 能自动满足几乎所有的生理和心理深度暗示 可 多人 多角度 同时 裸眼观察 无需任何助视仪器 符合人类在视觉观察及 深度感知方面的自然生理习惯 体三维显示在提供洞察力方面具有显著优越性 这可以用深度感知理论进 行解释 1 双眼视差包括双眼水平视差和双眼垂直视差 前者使眼睛会聚以获得相 对于注视点的距离信息 后者能修改或补充由前者引起的立体感知 以便判定 绝对距离和形成整体知觉 透视三维显示不能提供双眼视差 其准确性要比能 提供双眼水平视差的体视三维显示低些 2 在观察体视三维显示场景时 会聚和调节不能匹配 因而响应时间最长 3 体三维显示包含所有视图 能提供包括运动视差 双眼水平视差和垂直 6 视差在内的全视差信息 会聚和调节匹配 由此产生的深度感能够有效消除不 确定性 更好地传达有关物体的相对位置和相互空间关系的信息 进而降低发 生误判或错判的可能性 协助用户更快速地做出判断 所以其准确性和响应时 间都是最好的 与上述的面三维显示不同 体三维显示是在真实的物质空间内表达三维信 息 不再需要将三维数据映射到二维表面上 可同时从几乎所有角度来再现空 间信息 由此得到的三维图像同时具有水平视差和垂直视差 直接观看即可获 得三维效果 并且在各个方向上都具有连续视场 可从宽广的角度观察 多数 体三维显示配置满足 360 环视要求 观察者在运动过程中 仍能接收到维持 该图像三维外观所需的视觉暗示 可在离开图像任意可视距离处观看而不会丢 失三维感知 图像的真实三维性和视点的几乎不受限制性是体三维显示比面三 维显示优越的最主要表现 综上所述 体三维显示技术能满足 直接可视 全角度可视及群视 等一 系列要求 可以预见 其逐步完善将为那些需要多用户同时观看实时数据的任 务提供有效的可视化方案 根据成像空间构成方式的不同 可以把真三维立体显示技术分为静态成像 技术和动态体扫描技术两种 静态体成像技术的成像空间是一个静止不动的立 体空间 而动态体扫描技术的成像空间是一个依靠显示设备的周期性运动构成 的 静态成像技术 静态成像技术 在一个由特殊材料制造的透明立体空间里 一个激励源把 两束激光照到成像空间上 经过折射 两束光相交到一点 便形成了组成立体 图像的具有自身物理景深的最小单位 体素 每个体素点对应构成真实物体的 一个实际的点 当这两束激光束快速移动时 在成像空间中就形成了无数交叉 点 这样 无数个体素点就构成了具有真正物理景深的真三维立体图像 这就 是真三维立体显示的静态成像技术原理 动态体扫描技术 动态体扫描技术 动态体扫描技术是依靠显示设备的周期性运动构成成像 空间 例如屏幕的平移 旋转等运动来形成立体的成像空间 在该技术中 通 过一定方式把显示的立体图像用二维切片的方式投影到一个屏幕上 该屏幕同 时做高速的平移或旋转运动 由于人眼的视觉暂留 从而在人眼观察到的不是 7 离散的二维图片 而是由它们组成的三位立体图像 因此 使用这种技术的立 体系统可以实现图像的体三维显示 根据屏幕的运动方式可以将动态扫描显示 分为平移体扫描显示技术和旋转体扫描显示技术 近几年来 国外的一些国家如美国 德国和俄罗斯都有此相关方面的研究 美国和德国在体三维显示技术特别是球状显示技术上取得了相当的成果 美国 的耶鲁 麻省理工学院等大学一直在进行相关研究 其国内的几家公司也提出 了自己的原型化的系统 美国的 Johns Hopkins Hospital 和 Georgetown University 也开展了利用体三维显示技术进行癌症诊断方面的研究工作 德国 的 Technical University of Braunschweig 的飞行器导航和控制研究所也开发 了相应的原型化系统 可见西方国家对三维显示研究的重视程度 体三维立体显示技术是一种全新的三维显示技术 它克服了传统立体显示 技术需要借助辅助设备的缺陷 更具真实性 该技术的突破 将在虚拟现实和 仿真领域产生重大的影响 并能在很大程度上促进一些学科或研究的发展 2 项目主要研究技术内容的国内外发展现状与趋势项目主要研究技术内容的国内外发展现状与趋势 虚拟 3D 立体显示器对于大多数的人或许很陌生 但是早在 100 多年前就产 生了立体的动画 Sir Charles Wheatstone 在 1833 年就利用双眼视差法在两 张手绘的草图上创造出了世界上的第一组立体图像 Wheatstone 也是第一个利 用像差原理做出立体镜的人 后来 Sir David Brewster 1781 1868 也用两 个透镜做了一个立体镜 Prism stereoscope 日本的 SONY 公司于 1994 年开始在市场上试售 3D TV 而同一时期在 NHK 也试图推出立体的电视服务 日本 NHK 科技研究所等公司用两架液晶或 CRT 背 投机同时向多透镜平面分别投射左右眼立体重叠图像 制成了大屏幕的立体显 示器 德国 See Real Technologies 公司另辟蹊径 通过采用跟踪视角技术和亚 全息图技术研制出 20 英寸单色三维全息立体显示器 该技术采用较大的像素间 距 这样就可以利用现有的 LCD 工艺技术 通过该公司的三维全息成像显示器 显示的三维图像 在尺寸和形状方面上所对应的全息图的数据量较小 不过现 8 有的计算机技术就能胜任全息图的数据处理 丹麦 RAMBOLL 公司于 2006 年开发了大型立体影像投影系统 Cheoptics360 XL 通过嵌入在倒金字塔型框架上的玻璃屏幕和投影仪构成的系统 能够使观 众用裸眼观看立体影像 并在 2006 年巴黎秋冬时装周新品发布会上 采用 Cheoptics360 XL 立体影像投影系统实现名模 Kate Moss 的 3D 立体影像服 装展示 这种特别的表现形式引起了当时不小的轰动 我国对立体显示技术的研究也已有 20 年的历史 1999 年在深圳高新技术 交易会上 国内有 4 家单位进行视频立体显示技术的展示 天津三维技术公司 天津长城电视机厂 中国科技开发院威海分院 深圳万历投资公司 这些厂家 产品的主要技术原理是把两架摄像机在不同视角拍摄的图像 存成上下两幅显 示 再佩戴左右切换的液晶眼镜观看 会形成有立体效果的影像 目前国内有 十几家地方电视台播出使用这种技术的立体电视节目 北京电视台几年前也曾 播出过 国内还有不少地方将这种技术用于影视厅 从以往国内几家从事立体 显示技术研究的公司看 一直存在着市场推广困难的问题 还没有产生任何市 场效应 这些因素在客观上限制了立体电视技术的发展 现在国内外的主流 3D 立体成像技术大部分采用显微透镜光栅屏幕或透镜屏 技术 通过摩尔纹干涉测量法精确对位 利用一组倾斜排列的凸透镜阵列 仅 在水平方向上发生的折射来为双眼提供不同的透视图像 来实现立体效果 在这个项目的开发和研制的过程中 有许多的公司采用了很高的设计成本 并且耗时很长 直接导致产品的使用价格过高 限制了产品推广和普及 随着 全球经济的增长 3D 立体显示系统的市场空间将更加广阔 3 系统简介系统简介 3 1 系统组成系统组成 以直流电机为核心的机械旋转平台 固定在旋转平台上与平台成 45 倾角 的平面反射镜 位于平台上方垂直向下放置的高速视频投影机 以及投影机连 接用于生成与处理影像的计算机 9 3 2 系统工作原理系统工作原理 在系统显示 3D 影像前 需要对计算机中生成的影像来进行分析 分析过程 如下 将计算机中的 3D 影像选取一个垂直方向上的旋转轴 依据旋转轴作为垂 直坐标 旋转轴与底部交点为顶点 将 3D 影像在水平面上以每一度为一个角分 辨率分割为 360 个部分 对每一个部分 用全景摄像机拍摄下其 0 到 90 的 外形 通过计算机及相关软件 将所拍摄到的 360 个图像进行合成 可以控制 每一张图像的投影时间和投影角度 对于相邻的两个图像而言 其夹角应恰好 为 1 当系统开始工作时 需要先启动机械旋转平台 对旋转平台进行调速 使 其达到 600RPM 的恒定转速 当转速恒定之后 投影机需要获得平台的相位信号 来保证投影的第一个图像与反射镜的相位一致 才能正确投影和反射出 3D 影像 当投影机正确投影出第一个图像后 投影机接下来投影的图像将与转动平台保 持相同的方向相同的速率转动 即当转动平台转动了一周 360 后 投影机中 的 360 个图像恰好投影完一次 利用人眼的视觉残留效果 产生投影图像连续 的感官效应 这种方法的缺点在于转速低时 视觉残留效果不明显 而且分辨率会比较 低 当转速过高时 对电机的负荷过大 计算机处理投影图像时的运算量也会 过大 因此我们对此方法进行了改进 将转动平台上的平面反射镜更改为透光性 能高的三棱锥 根据三棱锥的成像原理 当投影机从上方进行投影时 影像是 从三棱锥的三条棱向外投影出 这样 当三棱锥高速旋转时 其产生的影像更 新率是平面反射镜的三倍 即较低转速时依旧能达到高转速时的效果 3 3 转动平台的电机调速转动平台的电机调速 一般的采用模拟电路来进行电机转速调节的方法都比较复杂 而且测量范 围与精度不能兼顾 采样时间较长 难以测得瞬时转速 因此我们采用 PWM 控 制原理 同时结合霍尔传感器来采集电机转速 并经单片机检测后在显示器 上显示出转速值 而单片机则根据传感器输出的脉冲信号来分析转速的过程量 10 并超限自动报警 3 3 1 系统方案的制定系统方案的制定 直流电机控制系统主要是以 C8051单片机为核心组成的控制系统 本系统 中的电机转速与电机两端的电压成比例 而电机两端的电压与控制波形的占空 比成正比 因此 由 MCU 内部的可编程计数器阵列输出 PWM 波 以调整电机 两端电压与控制波形的占空比 从而实现调速 本系统通过霍尔传感器来实现 对直流电机转速的实时监测 系统的设计任务包括硬件和软件两大部分 其中 硬件设计包括方案选定 电路原理图设计 PCB 绘制 线路调试 软件设计包 括内存空间的分配 直流电机控制应用程序模块的设计 程序调试 软件仿 真等 3 3 2 硬件设计硬件设计 C8051是完全集成的混合信号系统级 MCU 芯片 具有64个数字 I O 引脚 片内含有 VDD 监视器 看门狗定时器和时钟振荡器 是真正能独立工作的片上 系统 并能快捷准确地完成信号采集和调节 同时也方便软件编程 干扰防制 以及前向通道的结构优化 本单片机控制系统与外部连接可实时接收到外部信号 以进行对外部设备 的控制 这种闭环系统可以较准确的实现设计要求 从而制定出一个合理的 方案 图1所示是电机测控系统框图 键盘输入单元 单片机控制单元 电机控制单元 显示单元传感器单元 电源单元 图图1 1 电机测控系统框图 电机测控系统框图 11 本系统先由单片机发出控制信号给驱动电机 同时通过传感器检测电机的 转速信号并传送给单片机 单片机再通过软件将测速信号与给定转速进行比较 从而决定电机转速 同时将当前电机转速值送 LED 显示 此外 也可以通过 设置键盘来设定电机转速 系统中的转速检测装置由霍尔传感器组成 并通过 A D 转换将转速转换为电压信号 再以脉冲形式传给单片机 这种设计方法具 有频率响应高 响应频率达20 kHz 以上 输出幅值不变 抗电磁干扰能力强等 特点 其中霍尔传感器输入为脉冲信号 十分容易与微处理器相连接 也便 于实现信号的分析处理 单片机的 T0口可对该脉冲信号进行计数 设计时 可通过单片机的 P0 1 P0 5 五个接口来完成键盘的输入 P1 6口可完成鸣叫和报警 P2 0接电机 P2 1 P2 4接显示器的位选 P0口 为显示器段选码 其硬件连接电路如图2所示 图图2 2 硬件连接电路图 硬件连接电路图 本系统的脉冲宽度调制 Pulse Width Modulation 原理是 脉冲宽度调制 波由一列占空比不同的矩形脉冲构成 其占空比与信号的瞬时采样值成比例 该系统由一个比较器和一个周期为 Ts 的锯齿波发生器组成 脉冲信号如果大于 12 锯齿波信号 比较器输出正常数 A 否则输出0 图3所示为脉冲宽度调制系统 的调制原理和波形图 图图 3 脉宽调制过程 脉宽调制过程 设样本 k 为均匀脉冲信号 它的第 k 个矩形脉冲可以表示为 其中 x t 是离散化信号 Ts 是采样周期 0是未调制宽度 m 是调制指数 现假设脉冲幅度为 A 中心在 t kTs 处 k 在相邻脉冲间变化缓慢 那么 其 Xp t 可表示为 其中 为电机角速度 结合式 2 可见 脉冲宽度 信号可由信号 x t 加上一个直流成分以及相位调制波构成 因此 脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调 C8051单片机 有2个12位的电压方式 DAC 每个 DAC 的输出摆幅为0 V VREF 对应的输入码 范围是0 x000 0 xFFF 通过交叉开关配置可将 CEX0 CEX4 配置到 P2 端口 这 样 改变 PWM 的占空比就可以调整电机速度 LED 显示采用动态扫描方式 并用单片机 I O 接口扩展输出 再由三极 管驱动各显示器的位选端并放大电流 独立式按键采用查询方式 按键输入均 采用低有效 上拉电阻可用于保证在按键断开使其 I O 口为高电平 单片机的 I O P0 1 0 5 引脚所扩展的5个按键分别定义为 设置 启动 移位 开始 1功能 硬件电路确定以后 电机转速控制的主要功能将依赖于软件来实现 13 3 3 3 软件设计软件设计 本系统的软件程序的设计可分为5个步骤 分别是综合分析并确定算法 设计程序流程图 合理选择和分配内存单元 以及工作寄存器 编写程序 上机调试运行程序 应用软件的设计可采用模块化结构设计 其优点是每个模块的程序结构相 对简单 且任务明确 易于编写 调试和修改 其次是程序可读性好 对 程序的修改可局部进行 而其他部分可以保持不变 这样便于功能扩充和版 本升级 另外 对于使用频繁的子程序 可以建立子程序库 以便于多个 模块调用 最后是便于分工合作 多个程序员可同时进行程序的编写和调试 工作 故可加快软件研制进度 本程序采用8051单片机的 C 语言编程来实现 在系统的程序设计中 可采用模块化编程实现 整个软件由主程序模块 转速测量模块 时钟模块 数据通信模块 动态 显示模块等组成 各模块均采用结构化程序设计思想设计 因而具有较强的通 用性 而采用模块化程序结构则可使软件易于调试 维护和移植 系统软件可根据硬件电路的功能与 AT89C51各管脚的连接情况对软件进行 设计 以便明确各引脚所要完成的功能 从而方便进行程序设计和内存地址的 分配 最终完成程序模块化设计 本系统为直流电机测控系统 根据系统性能要求 除复位电路外 还应 该设置一些功能键 包括启动键 设置键 确定键 移位键 加1键等 由于本系统中的单片机 还有闲置的 I O 口线 而系统要求所设置的按键数量也不多 因此 可以采 用独立式按键结构 根据直流电机控制系统的结构 该电机转速控制系统为一简单的应用系统 可以采用顺序的设计方法 这种设计由主程序和若干个中断服务程序构成 整个电机转速测控系统可分成六大模块 每个模块完成一定的功能 图4所示 是根据电路图确定的程序设计模块图 14 主程序模块 键 盘 输 入 扫 描 模 块 LED 显 示 模 块 转 速 超 限 报 警 模 块 转 速 检 测 模 块 蜂 鸣 器 报 警 模 块 数 制 转 换 模 块 图图 4 直流电机控制软件设计模块图直流电机控制软件设计模块图 其中主程序模块主要设置主程序的起始地址 中断服务程序的起始地址 有关内存单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等 其主程序流程图如图5 所示 开始 关电机 参数初始化 仪表自检 定时器 外部中断初始化 液晶显示初始化 位选段最低位 调用显示子程序 转速是否超限报警Y 是否控制输出 N 键盘扫描 PWM输出Y N 图图5 主程序流程图主程序流程图 15 对于定时器 T1 1s 子程序的设计 其实在单片机中 定时功能既可以 由硬件 定时 计数器 实现 也可以通过软件定时程序来实现 软件延时程序 要占用 CPU 的时间 因而会降低 CPU 的利用率 而硬件定时则通过单片机内的 定时器来定时 而且 定时器启动以后可与 CPU 并行工作 故不占用 CPU 的 时间 从而可使 CPU 具有较高的工作效率 本系统采用硬件定时和软件定时并用的方式 即用 T1溢出中断功能来实 现10 ms 定时 而通过软件延时程序实现1 ms 定时 其中 T1定时器中断服务 程序的功能主要实现转速值的读入 检测与缓存处理 对于定时器 T1的计数初值计算 由于本系统采用的是6 MHz 的时钟频率 所以 一个机器周期时间是2 s 这样 根据 T1定时器产生500 s 的定时 便可以计算出计数初值 本文设计的转速测控系统的工作方式寄存器 TMOD 00010000B T1定时器 以工作方式2来完成定时 3 3 4 程序调试程序调试 程序调试可在伟福仿真软件上进行编制 该软件支持脱机运行 纯软件 环境可模拟单步 跟踪 全速 断点 源文件仿真 汇编等 并可支持多文 件混合编程 仿真调试后的目标程序可以固化到 EPROM 然后用专门的程序烧 写器对89C51单片机进行程序烧写 在使用系统时 我们需要将电机的转速调到720RPM 并保持在恒速 以保证 投影的图像与电机的相位一致 3 4 上位机上位机 3D 仿真及图像信号发生系统仿真及图像信号发生系统 3 4 1 系统方案制定系统方案制定 上位机3D 仿真及图像信号发生系统用于在上位机中对3D 图形进行虚拟仿真 并由三角锥失真变换 产生可用于投影的数字图像信号 通过显卡输出至投影 系统 产生3D 图像 6 本系统采用 Microsoft 公司的 NET 平台作为系统开发平台 编写及调试程 16 序为 Microsoft 公司为 NET 平台