多投影显示系统
多投影显示系统（精选7篇）
多投影显示系统 第1篇
近年来,得益于图形硬件的发展、高性能的图形显示系统在军事仿真、工业控制、数字影院和会展行业等诸多领域得到广泛应用。用户对体验的要求越来越高,主要表现为超大显示尺寸、超高显示分辨率和强沉浸感。随着数字投影仪发展和多投影拼接技术的成熟[1,3,4],面向多投影的显示系统能够得到广泛应用[1]。
视频播放作为多投影显示系统的主要应用一直是研究的热点。对于数字影院这类应用,单机驱动的视频播放系统使用帧缓存拷贝的方法将播放的视频内容捕获至内存,并采用几何和颜色校正技术,将视频画面通过多投影无缝显示在大屏幕上[2]。对于超高分辨率视频播放,集群驱动的多投影视频播放系统处理能力强,能满足超高分辨率显示,得到广泛应用。国内外的研究小组和公司已开发出许多基于集群的多投影显示系统,例如普林斯顿大学开发的Display Wall[5,6,7]、芝加哥伊利诺斯大学EVL实验室的SAGE[8]、斯坦福大学的Chromium[9]、瑞典的Dataton公司的Watchout[10]以及浙江大学的多投影显示墙[11]。
已有集群驱动的视频播放系统通常由一个主控节点和多个受控节点组成,受控节点负责视频播放,主控节点负责系统播放进度的同步。实际应用中,集群内部分节点硬件或软件发生异常时,系统难以正常工作。图1列举了集群常见的两类问题:(1) 启动阶段,包括主控节点在内的部分节点处于失效状态,系统无法正常启动;(2) 运行期间,受控节点状态发生变化,包括陷入失效状态和从失效状态中恢复正常。
目前针对多投影视频播放系统的研究主要局限在系统性能、可伸缩性和多投影画面校正拼接,有关可靠性的分析十分少见[1]。对于集群驱动的大规模视频播放系统,随着节点数量增加,一方面出现失效节点的可能性变大,另一方面失效节点对整个系统的影响往往在可以承受范围之内。以2010年上海世博会为代表的许多重要应用场合,视频播放系统规模很大且需要长时间持续运转,因此,如何构建高可靠的视频播放系统,在支持面向多投影的超高分辨率视频播放同时,能够应对外部环境的突发变化是十分重要且有意义的工作。
集群可靠性涉及容错性、一致性、可恢复性、可伸缩性等许多方面[11]。针对视频播放这类应用,结合实际工程经验,总结了集群驱动的视频播放系统对于可靠性的需求:(1) 一致性。集群各个节点播放进度一致,多投影整体输出画面平滑、连贯;(2) 容错性。集群启动和运行期间,不会因为部分节点失效而陷入异常状态;(3) 可恢复性。失效节点从异常状态中恢复后,迅速与系统播放进度保持一致。
本文给出一种面向多投影视频播放的系统架构和集群管理。视频播放系统由集群驱动,包含一个Master节点和多个Slave节点;系统支持超高分辨率视频播放,多投影画面经过拼接校正在异形幕面无缝显示;系统采用帧同步刷新策略,同一时刻各个节点刷新相同系列号的视频帧。集群拥有自主管理能力,具体包括:(1) 集群内节点启动阶段动态确定身份,无需人工配置,同时避免了静态指定的Master节点失效时集群无法正常启动的情况;(2) 集群能迅速检测到失效Slave节点并进行相应处理;(3) 集群能迅速检测到从异常状态中恢复的节点,恢复节点与集群状态保持一致并正常工作。
1 系统整体架构
图2(a)给出多投影视频播放系统的硬件架构示意图:系统由集群驱动,包含一个Master节点和多个Slave节点,连接在局域网内。视频文件预先存放在各个节点,对于超高分辨率视频,可根据集群中节点个数和投影阵列,预先将完整视频切割成多个子视频保存在相应节点。集群内节点连接多个投影仪,经过拼接校正后的视频纹理通过多投影输出到显示表面。
图2(b)给出多投影视频播放系统软件模块的构成,包括视频播放模块、节点管理模块、帧同步模块和集群管理模块等4个模块。系统运行期间,Master节点和Slave节点执行相同的视频播放模块和节点管理模块;帧同步刷新模块和集群管理模块只在Master节点实际生效。
系统工作流程分为视频同步播放和集群自主管理两部分。各个节点视频播放模块和Master节点帧同步模块协同工作实现视频同步播放:视频播放模块负责视频解码、视频纹理生成与多投影校正;Master节点帧同步模块负责各个节点的帧同步刷新。各个节点的节点管理模块和Master节点集群管理模块协同工作实现集群自主管理:节点管理模块负责运行期间节点身份的动态确立并与Master节点集群管理模块保持周期性通信;Master节点管理模块负责监控集群内节点状态,并在节点状态发生变化时进行相应的处理。
2 视频同步播放
各个节点视频播放模块和Master节点帧同步模块协同工作完成视频同步播放。图3给出了视频同步播放的流程图。视频播放模块完成视频解码、纹理生成和多投影校正后,发送绘制完成信号给Master节点帧同步模块并在收到帧同步信号后交换缓存显示。本章后续部分将分别从媒体播放、多投影校正和帧同步刷新等3个部分给出视频同步播放的实现细节。
2.1 媒体播放
视频播放模块在DirectShow平台上开发实现媒体播放[13]。图4给出了媒体播放的具体流程:视频流和音频流载入内存并保存在缓冲队列内;再分别对视频流和音频流进行解码并缓存解码后的结果;根据帧时间戳和系统参考时间,对视频和音频进行同步;最后对视、音频进行渲染,生成的视频纹理用于后续多投影校正与帧同步刷新。上述各个阶段采用流水线并行处理的方法提高效率。
2.2 多投影校正
基于交互式编辑的多投影校正方法因其灵活性在实际多投影显示系统中得到广泛应用[10],图5给出编辑式多投影校正的一般流程。视频播放过程中,各个节点根据多投影校正结果,通过显卡图形流水线,采用Direct3D9中Vertex Shader和Pixel Shader, 实现多投影画面的拼接校正。图6所示照片为视频播放系统多投影画面经过校正后在异形幕面的实际显示效果,拍摄于2010年上海世博会世博会博物馆序厅吉祥世博城。
2.3 帧同步刷新
基于集群内节点计算和显示能力存在差异这一事实,为避免各个节点播放进度不一致导致多投影拼接画面的抖动,集群采用帧同步刷新机制,确保各个节点同步刷新相同序列号的视频帧,满足集群对于一致性要求。帧同步刷新的具体实施步骤如下:(1) 各个节点视频播放模块绘制线程完成绘制后,发送绘制完成消息给Master节点帧同步模块的同步线程并等待帧同步消息;(2) Master节点同步线程接收到来自所有节点的绘制完成消息后广播帧同步信号;(3) 各个节点绘制线程接受到帧同步信号后,交换缓存显示,并开始绘制下一视频帧。
各个节点绘制线程从发送绘制完成消息到收到帧同步消息这段时间处于阻塞状态,是帧同步刷新机制造成视频播放的额外负载,定义为帧同步时延,用于衡量帧同步刷新策略实施效率。时延可以分网络时延和等待时延:网络时延由绘制完成消息和帧同步消息两次网络数据包传输组成;等待时延的产生由于集群内各个节点性能存在差异,较快完成绘制的节点需要等待相对较慢的节点。
3 集群自主管理
集群自主管理涉及节点身份动态确认、节点状态监控、失效Slave节点处理和恢复节点处理等4个部分,本节后续部分将给出详细介绍。
3.1 节点身份动态确认
集群内节点在启动阶段动态确定身份,无需人工配置,同时避免了静态指定的Master节点失效时集群无法正常启动的情况。集群内节点由唯一的ID标识,节点身份确认标准如下:集群启动阶段,ID最小的有效节点确立为Master节点,其他节点为Slave节点;集群运行过程中,考虑到Master节点已经存在,新启动节点身份确立为Slave节点。
图7(a)给出节点身份确认的具体实施流程:(1) 广播请求:身份待定节点广播请求申请成为Master节点,告知集群内所有节点自身ID并等待反馈意见;(2) 处理请求:集群内节点收到来自其他节点申请成为Master的请求时,根据自身身份和ID,给出的反馈意见包括接受和拒绝两种:节点自身已确立为Master或节点ID小于发起请求的节点ID,则拒绝请求,否则接收请求;(3) 身份确认:当且仅当身份待定节点收到所有反馈意见都为接受时,节点身份为确认为Master,否则确认为Slave。图7(b)给出对应的伪代码。
3.2 节点状态监控
集群内节点状态包括有效和失效两类。硬件故障、应用程序崩溃等原因导致有效节点陷入失效状态;硬件修复、应用程序重新启动等原因使得失效节点恢复有效状态。节点状态检监控是集群自主管理关键技术之一,Master节点要求尽快检测到集群内节点状态的变化。Master节点维护一张记录集群内节点状态列表,并通过和各个节点周期性的网络通信,更新集群内节点状态。Master节点监控集群内节点状态基本步骤如下:(1) Master节点周期性广播状态监控消息;(2) 各个节点收到来自Master节点状态监控信息后立刻发送反馈;(3) Master节点根据反馈是否按时到达判定集群内节点状态。
图8(a)给出节点状态与反馈到达情况之间的关系:反馈按时到达是节点有效的充分条件,节点有效却不能保证反馈按时到达;节点失效是反馈超时的充分条件,反馈等待超时却不能断定节点失效。基于UDP协议的网络通信在数据包传输过程中的不确定性是造成上述情况的主要原因。 图8(b)给出Master节点判定集群内节点状态的方法:反馈按时到达的节点处于有效状态;反馈连续多次未按时到达节点处于失效状态。虽然网络丢包会导致有效节点被Master节点误认为处于失效状态,但在下一次反馈按时到达时,能够重新被认为处于有效状态。
Master节点监控集群内节点状态核心算法示意如下:
3.3 失效Slave节点处理
根据3.2节所述方法检测到的失效节点可能处于三种状态:(1) 正常状态,网络丢包等原因导致节点被Master节点认为处于失效状态;(2) 孤立状态,网络连接断开等原因导致节点无法和外界进行网络通信;(3) 崩溃状态,硬件异常等原因导致节点应用程序异常终止。Master节点无法确认检测到的失效节点处于何种状态,因此采用相同的处理方法。
图9给出了Master节点检测到到失效节点后的的处理流程:(1) 更新节点状态列表,将节点状态标记为失效;(2) 通知帧同步模块,放弃对于失效节点实施帧同步刷新策略。根据2.3节关于帧同步刷新策略描述,失效节点在被检测并处理前,Master节点帧同步线程会因为等待失效节点发送的绘制结束信息处于阻塞状态。因此,失效节点检测与处理的效率将对视频视播放的流畅性产生影响。
3.4 恢复节点处理
检测到失效节点从异常中恢复后,Master节点对恢复节点实施帧同步刷新策略前,需要同步恢复节点与系统的播放进度。基本步骤如下:(1) Master节点告知恢复节点系统当前播放的视频;(2) 恢复节点加载视频;(3) Master节点告知恢复节点系统当前播放的视频帧号;(4) 恢复节点实施播放寻址。
由于播放寻址需要花费一定时间,恢复节点完成播放寻址后播放进度会慢于集群内其他节点。为保证恢复节点播放进度与集群内其他节点保持一致,系统需要暂停播放等待恢复节点,从而影响视频播放流畅性。一个改进的方式是在恢复节点实施播放寻址时,充分考虑到可能耗费的时间,采用提前量预测的方法,寻址到系统当前播放帧后的若干帧,尽可能减少恢复节点完成播放寻址后与系统播放进度的差距。图10给出了恢复节点与系统同步播放进度的完整流程。
Master节点和恢复Slave节点协同工作实现恢复节点处理。Master节点处理恢复Slave节点核心算法如下:
4 实验结果
4.1 实验说明
本文实验部分视频播放系统由型号相同的PC集群构成,连接在1000Mbps局域网内。PC配置Intel Core2四核CPU,NVIDIA GeForce GT240显卡,2GB内存,Windows XP操作系统。播放的视频采用XVID编码,帧率为25帧每秒,各个节点解码视频分辨率为2048600,输出分辨率为3072768,采用几何校正和颜色校正的方法,对多投影画面进行拼接。视频能以满帧率流畅播放,实际绘制一帧所需时间在25ms左右,各个节点同步刷新相同序列号的视频帧,投影画面连贯、平滑。
4.2 帧同步刷新
根据2.3节描述,帧同步时延是衡量帧同步刷新策略实现效率的重要标准。实验测试由6台PC组成的集群在视频播放过程中,前4000帧内各个节点的帧同步时延。图11给出了各个节点帧同步时延随时间变化的折线图,折线上点为相邻连续100帧的帧同步时延平均值。从时序角度分析,各个节点帧同步时延浮动不大;纵向比较各个节点,同步时延有一定差别,原因在于硬件配置相同的各个节点在实际运行中效率存在差异,较快完成绘制工作的节点需要等待集群内其他节点从而导致较高的帧同步时延。总体上,帧同步刷新策略对视频播放造成的额外负载非常有限。
4.3 集群自主管理
根据3.3节描述,Slave节点失效检测与处理效率影响视频播放流畅性;根据3.4节描述,恢复节点检测与处理效率同样会影响视频播放流畅性。为量化视频播放流畅性所受影响,实验定义帧播放时延为视频帧实际播放时间相对于帧时间戳的延迟;定义系统帧播放时延为各个节点帧播放时延的平均值。帧播放时延易于测量且能很好反应视频观看体验。鉴于播放器具有自主调节功能,能充分利用固定帧率下绘制线程的闲置时间,帧播放时延会在产生后的若干帧内逐步消除。
实验从节点状态检测、Slave节点失效处理和恢复节点处理三个方面,测试集群自主管理实现效率。测试环境下,Master节点状态监控信息发送周期为10毫秒,反馈等待超时设置为10毫秒,连续3次等待反馈超时情况下认为该节点陷入失效状态;播放寻址过程实际耗时约为115ms,恢复节点处理过程中涉及的播放寻址提前量设定为3帧。测试结果参见表1。
实验表明,系统能迅速检测到状态发生变化的节点,且基本不受集群内节点数目影响;Slave节点对视频播放流畅性影响很小,且基本不受集群内节点数目影响;采取寻址提前量预测方法并选取合理的预测值,使得恢复节点完成播放寻址后与集群播放进度一致,能够避免视频播放流畅性受到影响且恢复节点迅速与系统播放进度保持一致。
4.4 应用实例
本文视频播放系统已成功应用于2010年上海世博会世博会博物馆序厅吉祥世博城。视频播放系统由18台PC组成的集群构成,连接在千兆局域网内。播放视频整体分辨率高达30K1K,预先切割成多个子视频保存在各个节点中。34台投影仪将校正后的拼接画面显示在360度环幕、180度飘幕和椭圆形顶幕上,彼此呼应产生强烈沉浸感和弥漫效果。图12为现场拍摄的效果图。在2010年上海世博会6个月展示过程中,出现过硬件故障导致PC无法启动,但集群自主管理能力使得系统能维持正常的运行,极大降低了不可预期的硬件错误对展示造成的影响,体现了系统容错性和高可靠性。
5 总结与展望
本文针对视频播放这类应用,分析系统对于可靠性的需求,提出一种面向多投影视频播放的系统架构与集群管理。视频播放系统由集群驱动,包含一个Master节点和多个Slave节点,节点身份在启动阶段动态确定。系统采用帧同步刷新策略,各个节点同步刷新相同序列号的视频帧。系统拥有自主管理能力,能迅速检测到节点状态变化并进行相应处理。系统不会因为部分Slave节点失效而陷入异常状态,从失效状态中恢复的节点能迅速与系统播放进度保持一致。实验结果和世博会博物馆应用实例表明,本文视频播放系统具备高可靠性且有很高的实用价值。未来,我们将基于已有技术和系统,研究运行期间Master节点失效的处理方法,进一步提高系统可靠性。
多投影显示系统 第2篇
关键词：等差分纬线多圆锥投影,MATLAB,投影变换,TFW
等差分纬线多圆锥投影是一种属于任意性质的多圆锥投影, 由我国地图工作者于1963年根据我国同周围的国家和地区的位置和形状关系自主设计的一种投影。使用这种投影制作世界地图时, 往往选取东经150°作为中央经线, 这样不仅能完整显示太平洋和各洲大陆, 还能使我国版图处于图上的相对居中位置[1,2]。因此该投影在中国大陆出版的各种世界地图专题图中被广泛应用, 取得了较好的效果。
等差分纬线多圆锥投影的性质为:投影后的纬线 (包括极点) 为同轴圆弧, 每个圆弧的圆心都位于中央经线上;中央经线的投影为一直线, 其他经线的投影为曲线, 并与中央经线对称, 且离中央经线越远, 其经线的间隔越成比例地递减;极点投影长度为赤道投影长度的一半。
由于等差分纬线多圆锥投影没有给出直接的投影公式, 所以用户在使用该投影时往往需要自己来设置一些参考点才能够进行曲线拟合[3], 求解出该投影的正反解变换公式。
MATLAB是一种集数学计算功能、图形化显示功能等多种功能于一体的高级科学计算软件, 能够高效快速地解决各种数学相关的科学问题, 因此MATLAB被广泛应用于不同领域[4]。本文将在MATLAB平台下进行等差分纬线多圆锥投影的正反解变换, 实现该投影下世界地图的矢量和栅格数据输出, 以使这些数据可以直接在地理信息系统软件ArcMap中读取和编辑, 方便用户直接使用。
1 等差分纬线多圆锥投影变换在MATLAB中的实现
1.1 投影变换使用的地图源数据
(1) 世界地图的.shp格式文件 (见图1) 。
(2) 像元行列比为1∶2的栅格世界地图 (81924096像素) (见图2) 。
1.2 投影变换使用的函数文件
以下均为在MATLAB软件平台下进行投影变换所用到的公式。这些公式可以在MATLAB软件中各自存储成一个.m类型的函数文件, 以方便其他文件调用。
(1) 正解变换公式: (xi, yi) =map_forward (long, lati)
式中, long为经度, 范围在-180~180之间;lati为纬度, 范围在-90-90之间;在经度值为long和纬度值为lati的条件下, xi, yi分别为经等差分纬线多圆锥投影正解变换[1,3,5,6]求得的x值和y值。若long和lati的值超过一定范围时, xi和yi均返回NaN值。
(2) 反解变换公式: (l o n g, l a t i) =map_inverse (xi, yi)
式中各个变量的定义和前面第2节 (1) 相同, 在x、y坐标值分别为xi和yi的条件下long和lati分别为经等差分纬线多圆锥投影反解变换[1,6]求得的经度值和纬度值。若xi和yi的值超过投影区域范围时, long和lati均返回NaN值。
(3) 经纬度转像元行列号的公式: (x, y) =image_position (long, lati, image)
式中long和lati的定义和前面第2节 (1) 相同, image为读入的图像矩阵, 在该函数的内部读取该图像的总行数imx和总列数imy。像元行列号x和y分别与long和lati的换算关系如下:
式中, [x]代表不超过x的最大正整数。
该式通过指定的经纬度转换成栅格数据所对应的像元的行列号, 把该行列号所在的像元值赋值给指定区域。因此该式主要用于栅格数据等差分纬线多圆锥投影的变换。
1.3 投影变换在MATLAB中的实现
(1) 矢量数据的投影变换。
以前面所述的.shp矢量世界地图为例, 设使用的矢量世界地图文件名为“world_map.shp”, 读取、转换、显示和输出中央经线为东经150°的等差分纬线多圆锥投影世界地图代码如下[7]:
读取shapefile文件。
读取属性长度。
在以上代码中, 第二行执行后的S变量实际上是一个数组, 且数组中的每一个元素都是结构体, 上面显示了几何类型、属性名称、X坐标和Y坐标等信息。通过嵌套循环语句逐个访问了每一个点的经纬度坐标, 并将变换后的X、Y坐标逐个赋值给S中原来的经纬度坐标。变换后还输出并保存为Shapefile格式文件。变换后的结果如图3所示。
(2) 栅格数据的投影变换。
以前面所述的栅格世界地图数据为例, 设使用的栅格世界地图文件名为“world_map.jpg”, 输出分辨率为50004000的中央经线为东经150°的等差分纬线多圆锥投影世界地图。实现这一操作的代码如下:
该代码首先是建立50004000的空白图像, 然后通过嵌套循环语句逐点扫描该空白图像, 把每一个像元的行列号 (i, j) 经一系列的变换转化成该投影下的x、y坐标, 利用反解变换求解对应的经纬度坐标, 之后读取经纬度坐标所对应的栅格世界地图图像所对应的行列号 (row, column) , 把世界地图中行列号为 (row, column) 的像元值赋值给50004000图像的行列号为 (i, j) 的像元。当循环语句结束后, 显示投影变换后的图像并保存。由于保存后的图像已缩小7000倍, 这样如果在ArcMap中直接打开该图像, 会导致数据显示不正确。但“GeoTiff”解决了这一瓶颈。tfw文件是TIFF文件坐标信息的文本文件, Arc Info、MicroStation、AutoCAD等软件均支持该格式的坐标信息文件。此文件定义了栅格图像素坐标与实际大地坐标的仿射关系[8,9]。一个.tfw格式的文件构成如下[10]:
第1行:A:地理x坐标中的像元分辨率
第2行:D:y轴旋转系数
第3行:B:x轴旋转系数
第4行:E:地理y坐标中的像元分辨率
第5行:C:左上角第1个像元中心的x坐标值
第6行:F:左上角第1个像元中心的y坐标值
各个参数的图解如图4所示。
由此保存分辨率为50004000的投影后的世界地图为TIF格式, 用记事本编写对应的tfw格式文件。最后在ArcMap中加载这个世界地图, 如图5所示。
2 结语
本文依托MATLAB软件在图形处理方面的优势, 综合利用等差分纬线多圆锥投影的正反解变换公式, 还利用了像素长宽比为2∶1的世界地图原始数据中经纬度与行列号的关系, 实现了矢量数据和栅格数据的等差分纬线多圆锥投影变换。此外本文以桌面GIS软件ArcMap为例, 使用了.tfw格式文件让输出后栅格数据等差分纬线多圆锥投影世界地图准确显示。本文中的投影变换呈现出如下特点。
(1) 输出后的矢量和栅格地图数据可以供用户在ArcMap、MapInfo等GIS软件中被直接加载, 方便用户进行编辑。
(2) 输出后的矢量和栅格地图数据具有准确性、可靠性。与文献[3]相比, 整个变换过程无需人工干预, 节省了人工计算配准点的繁重劳动, 减少了栅格地图数据地理配准中可能出现的误差。
参考文献
[1]董曼, 李胜乐.世界地图等差分纬线多圆锥投影的正反解变换[J].大地测量与地球动力学, 2008, 28 (2) :95-99.
[2]祝国瑞.地图学[M].武汉:武汉大学出版社, 2004.
[3]叶远智.栅格数据的等差分纬线多圆锥投影转换[J].测绘通报, 2012 (9) :68-70.
[4]刘正君.MATLAB科学计算宝典[M].北京:电子工业出版社, 2012.
[5]胡毓钜.地图投影[M].北京:测绘出版社, 1981.
[6]杨启和.地图投影变换原理和方法[M].北京:解放军出版社, 1989.
[7]苏金明, 王永利.MATLAB图形图像[M].北京:电子工业出版社, 2005.
[8]余建军, 蔡以雷, 洪景峰.一种利用数字线划图快速生产数字栅格地图的方法[J].测绘通报, 2009 (7) :51-54.
[9]王宪民.ArcGIS在栅格数据处理中的应用初探[J].测绘技术装备, 2005, 1 (7) :32-34.
多投影显示系统 第3篇
《国家中长期教育改革和发展规划纲要》(2010—2020年)第五十九条指出“加快教育信息基础设施建设”，“到2020年，基本建成覆盖城乡各级各类学校的教育信息化体系，促进教育内容、教学手段和方法现代化”[1]。在此背景下，随着多媒体教室和多媒体设备在我国现代化教育建设中的广泛使用，电子白板等具备交互功能的显示系统已成为教育信息化的重要组成部分，逐渐被越来越多地应用到教学中。
然而，现代科技提供便捷的同时带来了巨大的健康安全隐患，尤其是用眼健康问题不容忽视。基于此，本文模拟学生教室上课状态，以互动式液晶投影和触控式平板显示(FPD)两种显示系统为研究对象，重点分析其在健康安全、系统性能等方面的差异性，具体测试项目如表1所示。文中所有试验分析数据依托国家数字音视频及多媒体产品质量监督检验中心评测平台测试获得。
2 蓝光能量
自20世纪70年代起，蓝光对眼睛的伤害就已引起医学界关注，随后几十年的大量医学研究证实，蓝光污染确实严重影响人类视力，研究历程如图1所示。经过深入的临床和基础研究，蓝光对眼部健康的损害机制逐渐明晰，数码视觉疲劳是造成眼部健康受损的主要原因之一。
蓝光主要是指波长介于400 nm与500 nm的光线，其辐射、照射后引起的光化学作用会导致视网膜损伤。如照射时间超过10 s将会产生高强度的损伤机理作用，常达到热损害机理的数倍之多。显示设备发出的光都含有蓝光波段，长时间观看显示设备对人眼损害较大。研究表明人眼在20岁才停止发育，因而眼睛仍处于发育状态的青少年如长时间观看显示设备，产生和累积的蓝光将导致其视力严重下降或产生其他病变。
蓝光能量(单位:W/sr)用于检测不同显示设备蓝光辐射能量的强弱，蓝光能量值越高，长时间观看对人眼损伤的可能性则越大。
以互动式液晶投影和触控式平板显示(FPD)两种显示系统为研究对象进行测试，选择全白场、全蓝场作为测试场景，2～6 m(间隔距离为0.5 m)为测试距离，获得各点测试结果整体分布如图2所示。
测试所得蓝光能量最大值分布详见表2，分析后可知，FPD的蓝光能量整体高于投影机，分别约为投影机蓝光能量的3倍、1.5倍和3倍。从蓝光能量越小，对人眼的损伤越少考虑，使用FPD对人眼造成损伤的概率是使用投影系统的2倍左右。
W/sr
3 闪烁
造成眼睛不舒适感的主要原因有眩光和闪烁两种，其中眩光来源于外部原因，主要指室内条件下阳光、照明装置等发出的光对显示设备造成的影响;而闪烁则主要指显示设备因输入信号或自身工作方式的刷新率而产生的观看影响。其中，刷新率是指屏幕上图像重复扫描的次数。刷新率越高，所显示的图像(画面)稳定性就越好。刷新过程所产生光谐波分量会造成闪烁。
相对而言，眩光更依赖环境条件影响，不符合本文的研究目的，因此选取闪烁作为研究指标，能更好地评价显示系统本身对舒适度的影响程度。
其中，闪烁能量是检测不同显示设备闪烁程度的具体指标，当亮度越高时，人眼对闪烁的冲击越不敏感;同时，闪烁能量越大，闪烁现象越严重，人眼疲劳感会变得越强，人眼越容易疲劳。
通过测量不同显示设备在2 m处的闪烁能量(以谐波分量与直流分量的比值表示)，从表3可以看出，两套FPD系统的闪烁能量远高于投影系统，FPD系统闪烁能量分别约是投影系统闪烁能量的11倍、2倍、27倍。由此可见，长期观看FPD系统相对投影系统更易发生由闪烁而产生的疲劳感。
W/sr
注:闪烁能量的可接受范围在20×10-4水平。
4 工作噪声
室内的噪声对人的身心健康会产生较大影响。有研究表明:
1)噪声级为30～40 dB是比较安静的正常环境;
2)超过50 dB就会使人有不舒适的感觉;
3)70 dB以上则会干扰谈话，造成心烦意乱，精神不集中，影响工作效率，甚至发生事故;
4)长期工作或生活在90 dB以上的噪声环境，会严重影响听力和导致其他疾病的发生。
根据GB/T 17249.1—1998《声学———低噪声工作场所设计》[2]中推荐的各种工作场所背景噪声级(详见表4)，教室环境条件的背景噪声级应处于30～40 d B(A)之间。
此外，GB 3096—2013《声环境质量标准》规定了环境噪声的限值，并将包括居民住宅、医疗卫生、文化教育、科研设计、行政办公等界定为需要保持安静的区域，即I类声环境功能区[3]，详见表5。其中，白天教室环境条件的环境噪声级规定为55 dB(A)。
d B(A)
工作噪声(单位:dB(A))是模拟真实场景条件，如距离和角度等。长期处于高工作噪声环境条件中，容易使人有不舒适感。更使得学生在课堂上接收的信息量降低，注意力受损，昏昏欲睡。为检验不同类型的显示系统在工作噪声方面的差异性，有必要通过工作噪声试验进行测试，对液晶投影机与平板显示系统工作噪声测试系统如图3和图4所示。
一般而言，工作噪声越大，所带来的不适感和烦躁感越强，进而对人体影响越大。经试验，不同显示设备在模拟教室环境中的工作噪声测试结果如图5、表6所示。
由表6可知，3 m处FPD系统工作噪声平均值为29.6 d B(A)，投影系统在ECO模式下工作噪声为30.8 dB(A)，此时环境底噪为29.1 dB(A)。两种显示系统的工作噪声差小于1 dB，人耳较难分辨，与底噪极为接近，均在可接受的理想范围内。人们一般认为电视机的工作噪声大于投影机，但本次测试结果不符合人们常规印象的原因在于，本次测试以模拟实际教学环境为主，投影机为倒装且距离地面1.8 m处，此时工作噪声在传播过程中已经衰减到不可察觉的程度。
5 亮度衰减
亮度衰减(单位:cd/m2)用于量化亮度的动态变化过程。本研究主要衡量两种条件下的亮度衰减:1)从2 m至6 m区间内(间隔为0.5 m)的全白场亮度值，详见图6;2)在同一距离条件下，不同亮度等级的信号输入时的亮度值，详见图7。
2 m和6 m条件，投影系统和FPD系统的亮度差分别为5.7 cd/m2,9.5 cd/m2,22.3 cd/m2,9.8 cd/m2，投影系统的亮度衰减最小。
100%,75%,50%,37%亮度电平输入条件下，投影机在75%,50%,37%亮度电平时分别为100%亮度电平时亮度的60.6%,24.9%,11.4%，投影系统的亮度平均衰减小于FPD系统，详细数据见表7。
cd/m2
6 对比度
对比度对视觉效果的影响非常关键，一般来说对比度越大，图像越清晰醒目，色彩也越鲜明艳丽;而对比度越小，会使整个画面显得晦暗。通常用一幅图像中明暗区域最亮的白色和最暗的黑色之间不同亮度层级来表示对比度大小，差异范围越大表示对比越大，差异范围越小表示对比越小，效果如图8所示。
对比度也常用来表示“看得清”的程度，对比度大小决定了学生是否能够看清老师书写的内容，在不同距离对比度决定了前排和后排的同学是否都能够看清。
对比度(单位:倍)是测试不同显示设备在各种不同测试图例条件下的白色与黑色比值，其中包括通断比(全白/全黑的对比度)和棋盘格对比度两种;不同的测试图可以从多个角度衡量对比度特性。
在2 m和6 m测试距离时衡量对比度，不同的测试图例输入条件下会对测试结果产生影响，因此选择黑白对比度和棋盘格对比度分别进行评价，测试结果详见图9、图10。
黑白对比度方面，投影系统远高于FPD系统;棋盘格对比度方面，FPD系统略优于投影系统。但实际应用中，画面对比度在50∶1以上即可，因此二者水平相当，互有进退。
7 视角
根据网络定义，可视角度(以下简称“视角”)就是人眼在观察物体时从物体两端(上、下或左、右)发出的光线在人眼光心处所成的夹角，因此将视角定义为视线与显示设备的垂直方向所形成的角度。可视角度越大，视野越开阔;显示设备的可视角度越大，观看者就能从更宽角度看清显示图像。垂直和水平视角示意如图11所示。
正常眼能区分物体上的两个点的最小视角约为1″，相对而言物体尺寸越小，离观看者距离越远，视角会越小。
实验过程中，视角(单位:度)是检测不同显示设备在不同距离的亮度可视角度，亮度可视角度为屏幕中心亮度减小到1/2时的水平可视角。视角大小决定教室不同位置的同学是否都能够看到同样的授课内容，视角越大对于学生而言越好。通过测量不同设备在不同距离的可视角度所得结果如图12所示，标注点颜色越深表示亮度越高。
上述结果显示，FPD显示系统的可视角则在40°～60°之间，而投影系统在不同距离、不同角度的亮度基本一致，在观看时全程无死角，其视角优势由投影机和漫反射投影幕共同作用产生。
8 能效指数
在选择实验指标时首先应区分功耗与能效两个概念。功耗是指功率的损耗，简而言之就是用电量。同等时间内功耗越高，用电量越高。但显示设备的功耗与其亮度、显示尺寸等因素都存在密切关联，因而仅用功耗来衡量显示设备的系统性能存在一定片面性。
能效指数充分考虑到了产品本身的性能和功耗之间的关系，即性能越高，功耗越小，能效指数越高。在绿色、节能、环保的大环境下，用能效指数高的产品自然是优先选择。另一方面，能效指数在长期来看也与显示设备寿命(或MTBF)存在一定关联性，同等尺寸、亮度条件下，能效指数越高，功耗会越小，其设备自身内散热也可能会越小，进而设备老化程度会延缓，自然而然设备寿命会相对较长。因此，以能效作为评判综合性能的考量指标更为科学合理，
因此，实验首先测量了不同显示设备在播放不同片源时的功耗，之后再计算其能效指数，详细数据如表8所示。分析数据可知，投影系统在能效指数方面比一般平板显示系统更具优势。
注:FPD为65 in(1 in=2.54 cm)，投影面积约为80 in。
8 结论
综合考量蓝光能量、闪烁、工作噪声、亮度衰减、对比度、视角、能效指数等指标，投影显示系统、平板显示系统的综合性能评价如表9、表10所示，其中“★★★★★”表示性能或评价最优，逐渐次之。
通过分析表9、表10可知:在教育领域实践环境下，投影系统综合评价以五颗星领先平板显示系统两颗星。
参考文献
[1]规划纲要工作小组办公室.国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)[EB/OL].[2016-03-20].http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/moe_838/201008/93704.html.
[2]国家技术监督局.声学---低噪声工作场所设计:GB/T17249.1-1998[S].[S.l.]:中国标准出版社,1998.
视标投影仪照明系统研究 第4篇
传统的眼科主觉验光过程中, 需要患者佩戴试镜架观察视力表灯箱上面的视标.随着社会的发展和科技的进步, 人类对验光的要求也越来越高, 仅靠视力表灯箱上面的几组E字符或C字符并不能准确全面地检查患者的视力, 基于此种情况, 视标投影仪和液晶视力表先后问世.
视标投影仪可以在投影屏上面投影出视功能检查过程中所需的全部视标, 这些视标可以适用于不同年龄段的人验光.该仪器不仅可以用于准确检测常见的屈光不正 (包括近视、远视、散光) , 而且可以检查一些不常见的视功能障碍 (包括斜视、隐斜视、立体视、双眼不等视、融像抑制等) .
液晶视力表本质上是一台可以显示各种视标的计算机, 与之相比, 视标投影仪具有两大优点:
(1) 视标投影仪的视标更科学、合理.如:可投影出偏振度大于98%的偏振光视标图案;可投影出所需波段的红绿视标;
(2) 视标投影仪功耗低、价格低.其功耗不超过50 VA, 而计算机的功耗和价格都较高. 由于此两大优势, 视标投影仪受到大部分用户的青睐.目前, 眼科医院和正规的眼镜店都使用综合验光仪与之配合使用, 进行准确全面的主觉验光.
1 仪器工作原理
视标投影仪工作原理简图如图1所示.光源通过照明系统和光阑后将分划板上面的视标照亮, 使分划板视标成为投影物镜组的幻灯片, 通过遥控器令步进电机驱动分划板和码盘转动, 实现了投影视标的切换[1].
2 照明系统的设计方案
投影仪投影出的视标图案均匀度、照度是该仪器设计的一个关键技术.根据视力表国家标准GB-11533-1989可知, 投影仪在投影板处 (5 m) 的照度应达200～700 lx, 照亮力求均匀、恒定、无反光、不炫目.
设光源的光通量为Φ0, 发散角为θ0, 照明系统的口径为D0, 分划板尺寸为ab.
方案1:光源位于照明光学系统的焦屏面上.如图2所示.
光源发出的光线经过汇聚透镜后平行出射, 均匀地投射到分划板上.设光源与汇聚透镜的距离为d1, 则分划板上的光通量为
方案2:采用焦距较短的透镜作为聚光镜, 将光源置于聚光镜物方焦点之前.
光源发出的光线经过汇聚透镜后汇聚投射到分划板上, 如图3所示.设光源与汇聚透镜的距离为d2 (d2<d1) , 则分划板上的光通量为
方案3:采用临界照明, 如图4所示.即光源经聚光镜后成像在分划板上[2].
设光源尺寸为cc, 聚光镜垂轴放大倍率为β, 设a<b, 令βc=a, 则
通过以上3种方案的分析和计算, 由于d2<d1, D2>ab, 所以Φ2>Φ1.可见, 减小光源与聚光镜的距离以增大物方孔径角, 或者将光源位于焦点之前以提高出射光线的汇聚度, 是提高光源光能的利用率的2个有效途径.
在方案3中, 设光源与汇聚透镜的距离为d3, 汇聚透镜的物方截距为l, 则有
当
光源发出的光可以全部进入聚光镜, 且经过聚光镜后出射汇聚光线, 在分划板面上形成边长为βc的实像, 其尺寸应大于ab, 此时光通量最大.
综上所述, Φ3>Φ2>Φ1, 即临界照明方式的光能利用率最高.但是由于光源的发光面上各点的发光强度不等, 因此, 这种照明方式的光线亮度不均匀, 这就需要考虑第4种设计方案.
二次成像是一种理想的照明方式, 其光路图如图5所示.
光源发出的光线经过聚光镜L1后汇聚于F2处, 形成光源像, F2是聚光镜L2的前焦点, 因而光源像的每一点经聚光镜L2后都以一束平行的光线照明分划板.
这种新型的投影仪照明系统克服了临界照明不均匀的缺点, 照明效果很好.
系统中采用44的高亮度LED发光模组作为光源[3], 其发散角为80°, 色温为6 500 K, 光通量为850 lm, 功率为10 VA.聚光镜有效通光口径为26 mm, 分划板单幅图案尺寸为11.27.5, 则可计算出光源到L1的距离d1为8.53 mm, 设光源与光源像尺寸相同, L1到分划板距离为40 mm, 则有
f2+d1+d2=40 (4)
可得f2=19.8, d2=11.67.
3 测量数据与结果
经过上面的分析以后, 对以上4种照明系统方案分别进行了实验验证, 其试验数据如表1所示:
以上数据在外界照度为3.8 lx的环境中测得.
根据以上方案分析和实验, 可以看出, 采用二次成像的照明方式作为视标投影仪的照明系统研制的视标投影仪投影图案照度和对比度均达到要求, 且明显优于其他照明系统.
4结论
文中在介绍视标投影仪研究现状和工作原理的基础上, 对4种照明系统进行了比较、计算和分析, 从原理上证明了二次成像系统是最佳照明方式, 从而设计了这种照明系统.使用这种系统后, 视标投影仪的照度和均匀度得到了明显的提高.此外, 此种照明方式也可应用于其他仪器中, 具有一定的推广实用价值.
参考文献
[1]Joseph M Geary, Introduction to lens design with ZE-MAX, Center for Applied Optics University of Alabamain Huntsville.Will mann-Bell, inc, 2002.
[2]全自动视标投影仪CCP-7000, http://www.zoneka.com/pro-display.asp ID=157.
多投影显示系统 第5篇
网络交通流分配问题是现代交通科学的重要研究分支。如果从Pigou[1]对道路拥挤效应的分析算起, 相关研究已有近90年的历史。目前基本的两个研究方向是静态交通流分配和动态交通流分配。静态交通流分配的研究日臻完善, 已广泛应用于实践;而动态方面的研究还有不少问题亟待解决。从应用的时间跨度长短来看, 静态研究一般以年为单位, 面向交通规划;而动态研究一般以分钟为单位, 面向实时交通管理与控制。在时间跨度谱上, 以小时或天为单位的交通流分配研究还没有受到普遍关注[2]。尽管静态分配模型也常以小时交通量为研究对象, 但是面向长期规划的研究目的使得方法的应用与分配结果都较粗, 不适用于短期的网络状态演化分析与交通管理措施和政策的影响分析。基于上述认识, 本文尝试利用投影动态系统理论对交通流分配问题进行建模, 希望能提供短期交通网络流量演化规律的理论分析基础和可行手段。
投影动态系统理论是由Dupuis和Nagurney[3]于1993首次提出, 随后Nagurney和Zhang[4,5,6]对该理论进行了进一步的发展。目前该理论已广泛应用于交通网络拥挤问题研究、供应链网络分析、移民问题研究以及金融网络分析等领域[5,6,7,8,9,10]。相关理论的近期发展可参阅文献[11], [12]。尽管一些现有研究也是利用投影动态理论对交通流分配问题进行分析, 但这些研究均从现有的基于用户均衡的交通流静态模型出发, 给出对应的投影动态系统。这些研究忽视了对网络中出行者的路径调整行为的细致分析, 虽然也揭示了网络流量演化的一些规律, 但是由于研究基于宏观网络层面路径的直接调整, 因而未能揭示网络中出行者局部阶段式路径调整策略, 也不能很好的刻画灵活的出行者信息反应行为。
利用投影动态系统理论对交通流分配问题进行建模, 不仅可从系统演化的角度对交通网络进行了刻画, 而且可以深化对出行者路径选择行为的认识。本文将从网络的基本组成元素节点和路段的状态量演化入手, 揭示出行者的局部阶段性行为策略可以最终涌现网络层面的行为特征。本文对投影动态系统与相应变分不等式的在系统处于均衡态时的等价性分析说明了这一点。投影动态系统建模的另一大优势是建模过程本身提供了系统演化轨迹模拟的简便方法。该方法也是求解网络均衡状态特征量的有效方法。本文对上述方法加以改进, 进一步刻画了出行者的行为特征。
1 网络交通演化的投影动态系统
考虑一个交通网络G (N, L) 。其中N为节点集合, L为路段集合。设网络中的路段均为单向。设网络中的起讫点对 (简称OD对) 集合为W. 设在当前考虑的网络状态下, 从节点n到OD对w∈W的终点的最短行程时间为πwn. 路段l∈L上的总流量为
假设出行者并不具备网络状态的完全信息, 也不具备利用网络完全信息做出长期的合理出行路径选择决策。但出行者会利用网络局部的路况信息和同类出行者总体的前期判断, 对个人的路径做出调整。假设出行者会不间断的对出行路径做出调整, 那么上面提出的路段流量f与节点的最短行程时间π都是时间的变量。如果考虑一个足够长的时间内的网络状态演化, 可期望出行者的路径调整行为最终可导致网络达到均衡状态, 即路段的流量与路段的实际行程时间不再变化。设τ与τ+1是出行者两次调整决策的相续时刻。
出行者利用局部信息对出行路线进行如下调整:网络中任取一路段l∈L, 该路段的起点表示为il∈N, 终点表示为jl∈N. 设在τ时刻路段的行程时间为cl (fl (τ) ) , 路段起点对应w∈W的最短行程时间为πwil (τ) , 路段终点对应w∈W的最短行程时间为πwjl (τ) 。设定上面给出的三个量是在τ+1时刻位于路段l起点处的出行者可知的局部信息。如果πwil (τ) 减去cl (fl (τ) ) 的差值大于πwjl (τ) , 因为出行者希望尽早到达目的地, 所以与上一时刻相比选择路段l的OD对w间的出行者将增加;反之, 减少。上述的路线调整策略可表示为
式中, δ是一个正数, 表示出行者对上一时刻信息做出反应的强度。δ的值越大, 则依据信息调整路线的出行者就越多;反之, 越少。考虑到路段流量的非负性, 式 (1) 可进一步修正为
除了路段流量的更新, 出行者的局部信息中节点的最短行程时间πwn, ∀n∈N也需加以更新。网络中任取一节点n∈N, 设定以节点n∈N为终点的路段集合为Fn, 而以节点n为起点的路段集合为En. 在τ时刻进入节点的与OD对w∈W相关的流量为
式中, λ是一个正数, 表示流量差异引起的对πwn, ∀n∈N值进行重估的强度。
在网络中由所有的路段流量fwl, ∀l, w和所有的节点最短行程时间πwn, ∀n, w构成网络的状态变量X. 而X的非负约束构成X的约束集Κ. 为了表述简洁, 用v表示与X同维的由πwil (τ) -cl (fl (τ) ) -πwjl (τ) , ∀l, w和
如果假设网络状态可以瞬时调整, 这种对时间的变化率可设定为
给定网络状态的初值X (0) =X0∈Κ. 由该网络状态初值出发, 依据式 (5) 的状态变化率, 可以得到网络状态的一个演化轨迹。由所有的可行初始网络状态与式 (5) 构成的微分方程系统就是一个投影动态系统, 表示为ODE (-v, Κ) 。考虑变量的具体取值后, 即得本文基于投影动态系统理论的交通流演化模型。
2 稳态时等价的变分不等式模型
对于一个投影动态系统, 当系统演化的轨迹在某处的变化率为0时, 我们称此处的系统状态为系统的稳定状态。如果设系统的稳定状态变量为X*. 根据投影动态系统的基本理论, 如果集合Κ是凸多面体, 则ODE (-v, Κ) 的稳态点X*与标准变分不等式VI (-v, Κ) 的解一致[5]。标准变分不等式VI (-v, Κ) 即为v (X*) T (X-X*) 0, ∀X∈Κ. 这里上标“T”表示向量的转置。
将对应于本文所建ODE (-v, Κ) 系统的VI (-v, Κ) 明确给出如下:
模型 (6) 与基于路段-节点的交通流分配变分不等式模型[13]在节点流量守恒条件满足时是等价的。即利用拉格朗日乘子将流量守恒条件
尽管限定条件后变分不等式模型 (6) 与一般基于路段-节点的交通流分配模型[13]等价, 但是模型 (6) 不仅提供了模型转化过程中出现的拉格朗日乘子的具体含义, 而且使得模型具有了处理网络流量供需不等时网络如何均衡的能力。而变分不等式模型 (6) 与对应投影动态系统的差异主要表现在变分不等式模型仅描述了网络均衡终态的特征, 而投影动态系统同时也描述了网络具体的均衡过程。因此, 相应的投影动态系统有更好的解释性和应用前景。
3 求解算法
对投影动态系统的模拟求解相当于解一个有初值的常微分方程组, 因此许多求解常微分方程组的方法可以利用。但是我们不打算采用这些方法, 如连续时间离散化的欧拉解法, 因为本文建模的过程不仅提供了求解相关问题的一个启发式方法, 而且还是一个可塑性很强的方法。具体的计算过程如下:
步骤1:初始化
给出网络状态初值X0∈Κ, 最大迭代次数τmax;令τ=0, μ=1且使数列{δτ}满足δ0:
步骤2:计算
设πwτ表示上一次执行步骤2后网络上OD对w间估计的最短行程时间或在初次执行步骤2时取网络状态初值。首先对所有的πwτ加以排序, 然后按照πwτ从大到小的顺序依次对与OD对w相关的路段流量和节点最短行程时间按式 (7) 计算。完成与一个OD对对应的变量计算以后, 即对路段的出行阻抗cl, ∀l加以更新, 然后依据新的路段出行阻抗, 对下一OD对相关的量加以计算, 直到最后一个OD对。
步骤3:收敛检查
如果式|fwl (τ+1) -fwl (τ) |εμ, |πwn (τ+1) -πwn (τ) |εμ, ∀l, n, w成立或者τ+1>τmax, 令μ:=μ+1, 并执行步骤4;否则令τ:=τ+1, 返回步骤2。
步骤4:收敛指标更新
如果μ大于m, 则令X*=X (τ+1) , 算法执行终止;否则, 令τ=0, X0=X (τ+1) , δ0=δμ和λ0=λμ, 返回步骤2计算。
下面对上述求解方法加以简单解释。考虑到流量与行程时间单位及量纲的差异, 在步骤1中对其分别设计了对应不同变量的变化强度系数δ和λ. 而强度系数的初值δ0和λ0的选取很大程度上反映对网络初始状态X0可靠性的估计。X0可靠性越高, 则δ0和λ0的值就应越接近于0;反之, 越接近于1。强度系数δ序列在δ0后的取值可按
4 应用分析
图1是一个具有24条路段的简单路网。假设路段阻抗函数的形式为
参数列{δτ}与{λτ}均设为{0.5, 1/2, 1/2, 1/3, 1/3, 1/3, }, 这里强度系数的初值δ0和λ0均取0.5。首先将终止指标ε分别设为0.1, 0.01, 0.001和0.0001后分别一次性执行算法, 部分计算结果见表2。表2中给出了网络系统达到稳态时, OD对 (1, 9) 间实际利用路径的流量与行程时间。
将终止指标ε分阶梯式的设为0.1, 0.01, 0.001和0.0001后, 序贯式模拟计算网络状态的演化轨迹。将各阶段求出的稳态点用OD对 (1, 9) 间实际利用路径的流量与行程时间的形式给出, 见表3。与表2比较, 由于采用阶梯式的收敛计算, 系统达到稳态的调整次数明显下降。如以0.001为最终的收敛指标, 一次性求解需1095次迭代, 而将收敛指标分为0.1, 0.01和0.001三阶段后相继计算的话, 总的迭代次数为62+161+277=500次。这里计算网络均衡状态所需迭代次数的下降说明选取可靠的网络状态初值和保持一定的状态量调整的变化强度是关键。这些算法的设计也同时是对实际出行者路线调整的行为的模拟。
图2给出了在收敛指标设为0.01条件下非阶梯式模拟时路段9和3上流量的演化轨迹。从图中可以看出, 路段流量在均衡态流量附近在上下波动, 随着出行者对信息反应强度的减弱, 流量值趋于稳定。
图3比较了两种策略下路段9上流量的演化轨迹。在模拟时刻τ62时, 两种策略的演化轨迹重合。而当τ=63时, 阶梯式策略以当前网络状态为初值, 调整出行者对信息反应强度, 从而加剧了路段上流量的波动, 但带来的好处是系统更快的接近了稳态。
5 结论
本文利用投影动态系统理论对一般交通流分配问题进行了建模。建模方法可以较好的描述实际出行者的交通路线选择行为。所建的投影动态系统在系统处于稳态时可以等价于一个变分不等式。该变分不等式又可通过限制条件转化为常用的基于节点-路段交通流分配模型。
本文设计的投影动态系统演化轨迹离散模拟方法, 不仅对出行者的行为加以灵活地描述, 而且可以快速有效的得到系统的稳态状态量值。
本文的研究工作是利用投影动态系统理论对交通网络流演化问题建模的一次有益尝试, 但是还有不少有待深入研究的地方。例如求解算法中相关的参数如何合理选取, 路段延误为随机变量函数时如何处理, 以及对一些交通管理措施的影响如何利用相关的投影动态系统进行具体分析等。但从本文的应用分析可以看出, 相关研究有很大的实用价值。期待相关研究的进一步发展。
参考文献
[1] Pigou A C. The economics of welfare[M]. London:Macmillan, 1920.
[2] Bell M G H, Lida Y.Transportation network analysis[M]. New York:Wiley, 1997.
[3]Dupuis P, Nagurney A.Dynamical systems andvariational inequalities[J].Annals of OperationsResearch, 1993, 44 (1) :9~42.
[4]Zhang D, Nagurney A.On the stability of projecteddynamical systems[J].Journal of OptimizationTheory and Applications, 1995, 85 (1) :97~124.
[5] Nagurney A, Zhang D. Projected dynamical systems and variational inequalities with applications[M]. Boston:Kluwer Academic Publishers, 1996.
[6]Nagurney A, Zhang D.Projected dynamical systemsin the formulation, stability analysis, andcomputation of fixed-demand traffic networkequilibria[J].Transportation science, 1997, 31 (2) :147~158.
[7]Zhang D, Nagurney A.Formulation, stability, andcomputation of traffic network equilibria as projecteddynamical systems[J].Journal of OptimizationTheory and Applications, 1997, 93 (2) :417~444.
[8]Nagurney A, Pan J.Evolution variational inequalitiesand projected dynamical systems with application tohuman migration[J].Mathematical and ComputerModeling, 2006, 43 (1) :646~657.
[9]Dong J, Zhang D, Nagurney A.A projected dynamicalsystems model of general financial equilibrium withstability analysis[J].Mathematical and computermodeling, 1996, 24 (2) :35~44.
[10]Cojocaru M G, et al.Projected dynamical systemsand evolutionary variational inequalities via Hilbertspaces with applications[J].Journal of OptimizationTheory and Applications, 2005, 27 (3) :1~15.
[11]Cojocaru M G, Daniele P, Nagurney A.Projecteddynamical systems and evolutionary variationalinequalities, applications, and a computationalprocedure[C]//Chinchuluun A, et al.Paretooptimality, game theory and equilibria.Berlin:Springer, 2008:387~406.
面投影微立体光刻系统的开发和研究 第6篇
微尺寸的机械在医药、工业等方面有着巨大的应用潜能,要实现微尺寸器件的加工,我们面临的挑战就是开发微加工技术,现有的微加工技术像MEMS、LIGA等技术需要使用大量的掩膜进行重复的曝光过程,这样既费时又费力,并且不能制作高深宽比的器件[1]。由快速成型技术发展而来的微立体光刻技术可以满足快速制造高深宽比的复杂微器件的要求。微立体光刻技术可以分为线扫描微立体光刻和面投影微立体光刻技术。线扫描微立体光刻技术由Ikuta和Kirowatari[2]最先提出,使会聚光束依照计数机切片的薄层数据逐点扫描完成一层的制造,一层制造完后,以同样的方式固化下一层新的薄层,连续扫描直至三维模型的制成。此种方法的加工速度慢。
液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)和数字微反射镜(Digital Micromirror Divce,DMDTM)技术的出现,面投影微立体光刻技术得到了迅速的发展。1997年Bertsch等人开发了一套面投影微立体光刻机,利用LCD作为动态掩模发生器,光束经过LCD掩模整形获得与待聚合树脂层形状一致的光束,通过一次照射将光束投影到树脂表面完成一层的制造。LCD具有分辨率低、对比度低等缺点,限制了LCD动态掩模微立体光刻技术的进一步发展[3]。
DMD具有高分辨率、高光学效率、高频对比度等特点,并且控制灵敏,紫外光对铝制镜片没有损伤,与LCD掩模相比,具有明显的优势。本文将介绍新开发的基于数字微反射镜(DMD)动态掩模微立体光刻系统,第一次介绍使用LED(light emitting diode,LED)模组作为光源,采用掺杂氧化硅颗粒的树脂作为新的固化材料,由于材料的粘度较大,为此设计新的树脂槽和涂覆装置。为了验证系统的性能,对实验系统一些重要参数进行了测量。
1 面投影微立体光系统
1.1 系统装置
本实验中,我们利用数字微镜(DMD)做为动态掩模发生器,开发制造多功能材料三维复杂结构器件的系统。微立体光刻系统的示意图如图1所示,主要器件包括:1)LED模组光源,由深圳鹏运发有限公司生产,功率30W,波长范围400-405nm;2)准直系统,由一个投影仪中拆下的废旧透镜组和一块平凸透镜组成,平凸透镜的焦距90mm,半径65mm;3)DMD,由美国Texas Instruments公司生产,规格1024x768,每个微镜的尺寸为13.68µm13.68µm;4)直线驱动器,型号OMEC-2BG,由日本SIGMA KOKI公司生产,行程为20mm,分辨率为1;5)投影镜头:APO-RodagonD,75mm,f/4;6)树脂槽和树脂涂覆系统;7)CCD,用于监控固化过程;8)基于LABVIEW开发的系统的控制软件,用于控制实验中掩模的产生、树脂的涂覆、监控树脂固化等。
1.2 光源
目前微立体光刻系统中绝大多数都是采用激光器[4]或者汞灯[5]作为光源。激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干等优点,但是其缺点是,大功率的激光器很昂贵,这样会增加预算,还有激光是高斯光,所以其均匀性差,在成像时会出现斑点[6]。尽管目前汞灯价格便宜,在光刻系统中使用较多,但是,从表面看来汞灯固化光源产生的UV光亮度和热量高,其实光源光谱很宽,真正用于固化的某紫外光谱段只占其中的一部分能量,固化效率低,并且很大一部分是红外辐射,容易使热敏工件变形。
本文实验系统中采用新型的LED模组作为光源,LED模组由深圳鹏运发有限公司生产,功率为30W,波长范围400-405nm。与激光器和汞灯相比,LED模组价格便宜,体积小,光色纯,效率高。
微立体光刻系统中,像平面的光照均匀度直接影响加工的精确度。为了在像平面获得相对均匀的光强,实验中利用废旧透镜组和一块平凸透镜组成准直系统,利用光学软件优化准直光路。利用CCD在像平面上采集到灰度图像,描绘出一维方向对应像素点的灰度值,如图2所示,像平面光强相对均匀。
1.3 实验材料
光敏树脂由单体1,6-hexanedioldiacrylate(HDDA,[H2C=CHCO2(CH2)3-]2)、光引发剂Bis(2,4,6-trimenthylbenzoy1)–phenylphosphineoxide(Ingacure 819)组成,两者混合质量比为98%:2%,先将光吸收剂溶解在单体中,再将平均至直径为30nm的氧化硅颗粒混合到树脂中,组成复合材料,使用ARE-310搅拌机(日本Thinky公司生产)进行搅拌并脱泡。随着氧化硅颗粒的增加,复合材料的粘度不断增加。复合材料的粘度随加入氧化硅质量比的变化关系如图3所示,
1.4 树脂槽和涂覆系统
实验中使用的复合材料中,氧化硅颗粒的质量占复合物总质量的20%,从图2中可以看出,这时复合材料的粘度为322pa.s,使用这样的复合材料作为固化材料,当加工完一层升降台下降后,树脂不可能在重力的作用下变平整。设计如图1中的树脂槽和图4中的涂覆系统,
加工之前,先将直线驱动器位置初始化,左面的与直线驱动杆相连的衬底到树脂槽上表面的距离恰好是一个加工层厚,右面直线驱动杆相连的衬底到树脂槽上表面的距离较大,在树脂槽中分别加入树脂,DMD整形后的图形经投影镜头会聚投影到树脂表面上,引起树脂固化,当第一层树脂固化完毕后,左面的驱动杆向下移动距离等于一个层厚,右面驱动直杆向上运动一个层厚距离,控制刮刀从右向左移动,将右面凸出的树脂涂覆到左面树脂槽中。刮刀与树脂槽面之间是弹性接触,保证树脂层的涂覆均匀。直线驱动的运动以及刮刀的运动都是由计算机控制,自动化完成。
2 测量与结果
2.1 光学系统分辨率测量
我们利用数字微反射镜DMD产生不同空间频率的光栅,将CCD放在像平面上接收经过投影镜头的光强图像,使用MATLAB软件绘制一维方向的光强图,如图5所示。由于使用CCD的像素的限制,在空间频率较高时,MTF的值测量不准确,我们参考厂家提供的参数。测量得到的投影镜头的MTF曲线如图6所示。当DMD产生1个像素宽、一个像素间隔的光栅时,即掩模图形的空间分辨率为每毫米37个线对,根据图6,这个空间频率的MTF为0.48。
2.2 树脂工作曲线的测量
在微立体光刻中,光敏树脂对紫外光的吸收遵循Beer-Lambert定律,即,紫外光的能量密度I随穿透深度的增加呈指数衰减,即:
I0为树脂表面的光强密度,I(z)为离树脂液面为Z深度处的光强密度,Dp为光在树脂中的穿透深度。当光强密度低于临界值,树脂将不能固化。
当树脂固化深度为Cd时,需要的光能量密度为E0=I0 t,Ec是树脂的固化光能量密度阈值,则树脂固化深度可以用下列公式来表示:
此公式描述的是一定曝光量下树脂的固化深度,如果以ln E为横坐标,Cd为纵坐标,那么光固化方程为一条直线,直线的斜率为Dp,直线与ln E的交点为Ec。只要测量出一系列的固化深度与对应的曝光量,即可求出Dp的值。根据测量的结果得到复合材料的工作曲线如图7。用最小二乘法拟合得到直线的斜率以及与横坐标的交点,穿透深度Dp=59.2µm,曝光阈值Ec=86.5mj/cm2。
根据WU(吴东岷)[10]中提出的加工横向分辨率由光学系统的分辨率和树脂的特性共同决定,在使用此复合材料作为固化材料时,单层固化厚度小于60µm,加工横向分辨率可以达到14µm。
2.3 初步加工实例
使用开发的微立体光刻系统进行三维实体的加工,初步加工结果如图8所示,齿轮的内径400µm,外径为700µm,层厚为60µm。
3 结论
本文介绍了作者所在实验室开发的面投影微立体光刻系统,实验中采用的新光源可以达到实验的要求,设计的新树脂槽和涂覆系统使得面投影微立体光刻系统可以用于粘度大的材料固化成型。通过测量光学系统的分辨率和树脂的工作曲线,确定系统的加工分辨率可以达到14。利用该系统,成功地制作了微齿轮。
参考文献
[1]M.Y.Ha,J.W.Choi,and S.H.Lee,Mass production of 3-D microstructures using projection microstereolithography[J].Journal of mechanical science and technology.2008,22:514-521.
[2]K.Ikuta and k.kirowatari,real three dimensional micro fabrication using stereo-lithography and metal molding,proc.Of the IEEE MEMS93,fort Lauderdale,new york,USA.(1993)42-47.
[3]A.Bertsh,S.Zissi,J.Y.Jezequel,S.corbel and J.C.Andre.microstereolithography using a liquid crystal display an dynamic mask generator,microsyst.technol.3(2)(1997)42-47.
[4]X zhang,X.N.Jiang,C.Sun,micro-stereolithography of polymeric and ceramic microstructures[J].Sensors and Actutors,1999,77:149-156.
[5]I.B.Park,Y.M.Ha,S.H.Lee,Cross-section segmentation for improving the shape accuracy of microstructure arry in projection microstereolithography[J].2010,46:151-161.
最小的新一代激光扫描微投影系统 第7篇
从瑞士联邦理工大学转移出来的一个高新技术公司发明了世界上最小的新一代激光扫描微投影技术系统。这个技术特点是只用单个微型光电子机械系统 (MOEMS) , 其微光镜可以高频地双向转动, 把单一的激光从左到右、从上到下地打到视屏上。由于高频 (70KHz) , 肉眼看起来就是稳定的图像。此技术可以高效低廉地用来替代传统多面镜、LED (发光二极管) 阵列和外部磁镜组装解决方案, 把传统的投影设备体积大大减小, 同时提高投影的清晰度和亮度。
这种微型光电子机械系统目前独一无二, 非常前沿, 可以很方便地嵌入手机、相机和电脑笔记本, 作为可移动的投影仪。不管投影到何处, 图面都是清晰的。这种技术也可以用在汽车电子系统中, 把重要信息通过高速激光扫描投影到驾驶员的视野中。和已经出笼的新一代汽车电子设备所能提供的相似功能相比, 具有高亮度和高图像分辨率, 所投影的信息或图像在前车窗任何一个位置都很清晰。
多投影显示系统
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