交互式动态体三维显示关键技术

研究了交互式动态体三维显示的关键技术,包括三维数据体素化、体素激活、体空间生成和人机交互等,实现了体三维显示系统样机.其中,采用体立方栅格(BCC)采样策略以减少体素化生成的体显示数据,以数字微镜器件(DMD)作为空间光调制器(SLM),并针对DMD设计了二值切片的快速激活算法;分析了基于旋转螺旋面的体三维空间生成方法,并将基于隐马尔科夫模型(HMM)的动态手势控制应用于交互式体三维显示系统.针对原理样机设计的各组实验表明,BCC体素化策略减少了40%以上的体显示数据,基于DMD的切片快速激活算法使得在500mm×250mm半圆柱形成像空间内显示的三维图像刷新率达16Hz、并且可以选择任意视点裸眼观看,准确率超过93%、响应时间低于40ms的动态手势识别算法能够较好地实现实时交互式体三维显示.     

基于可编程GPU的快速体绘制技术

新一代的图形显示硬件集成了以图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)为核心的可编程顶点着色器和可编程像素着色器,为实现实时体绘制技术提供了硬件加速支持.该文首先分析了可编程GPU的绘制流水线、硬件体系结构和快速绘制原理.最后基于可编程GPU实现了医学体数据的快速最大密度投射体绘制方法.实验表明,采用GPU的可编程像素着色器进行体绘制所需要的时间明显地少与不用GPU的可编程像素着色器进行体绘制所需要的时间.     

真三维影像的编解码和几何校正方法研究

通过介绍真三维显示模型,解释了基于可视体素的显示技术.针对LED真三维显示分辨率较低的问题,采用光投影阵列的真三维显示方案,结合真三维显示固有的连续图像的特性,研究了真三维编解码算法,建立了基于光线追踪的几何校正模型.实验证明,该方法可构建实用的高分辨率真三维显示器,同时能够展示准确的物体.     

基于NXP LPC1768 系列的超声波精确定位的研究

针对现代应用需要,研究了超声波二维定位技术,提出了以NXP LPC1768为主控平台的超声波精确定位方案,并给出了硬件、软件设计及核心程序。这种定位技术数据处理难度低、定位精度高,适用于低成本自动控制系统。     

微型数字式太阳敏感器的原理实验

对一种基于新型光线引入器和有源像素传感器(APS) CMOS图像传感器的微型数字式太阳敏感器进行了设计和原理实验研究.介绍了系统的工作原理、光线引入器的结构特点和APS CMOS图像传感器的特点,进行了系统误差分析与实验.实验结果表明太阳敏感器的角度估算精度在±10°视场角内为 0.16°. 对太阳敏感器的实验研究和屏阵列光线引入器的结构设计与使用性能的初步探讨说明大面阵CMOS图像传感器和新型光线引入器有助于太阳敏感器的微型化和高精度化.     

电子显微镜成像质量与样品倾斜角度关系的数值化评价

提出用计算图像点扩散函数的等效面积(归一化点扩散函数值大于等于0 7071时所对应的自变量定义域的面积)的方法来评价电镜图像质量,用此方法对一组实际的用于三维重构的超高压电镜图像的质量进行了分析,从计算值上得出电子显微镜成像质量与样品倾斜角度的关系.在样品单轴旋转的条件下,随着样品倾斜角度的增加,电镜图像质量下降;倾斜角度大于60°时,图像质量急剧下降.30°、60°和70°时的点扩散函数的等效面积分别是0°时的2 5、4 5和11 7倍.这种镜像质量随样品倾斜角度(尤其是角度大于60°)增加而变差的效应,将限制通过增大样品倾斜角度范围来提高三维重构分辨率的效果,同时表明电镜三维重构中样品的倾斜存在最佳的角度范围.     

直接电压放大功率驱动的步进电机细分驱动技术研究

基于电流矢量恒幅均匀旋转的步进电机细分技术,设计了直接电压放大功率驱动的细分驱动电路,采用软件生成表和人工修正相结合的方法,补偿了步距角与细分数的非线性关系.实现了步距角的均匀细分,细分角达到了每步0 025°.实验表明在负荷不大时,系统运行平稳而且细分精度高.     

真三维显示系统的构建及其成像效果分析

基于人眼的视觉暂留原理，从机械和电路两个方面构建了基于LED旋转屏的真三维显示系统，运用切面原理把空间体系里的三维图像转换成N份平面二维体系里的二维曲线；同时提出了新的扫描映射方法曲线网格离散化用于对图像和LED灯的位置关系的精确处理。通过硬件平台的实验，验证了不同转速带对真三维显示的影响。实验表明，存在最佳电机转速带使LED旋转真三维显示效果最佳，在转速饱和区之外图像显示效果将受到影响。     

基于DSP和FPGA的实时视频处理平台的设计与实现

基于高速数字信号处理器（DSP）和大规模现场可编程门阵列（FPGA）,成功地研制了小型化、低功耗的实时视频采集、处理和显示平台.其中的DSP负责图像处理,其外围的全部数字逻辑功能都集成在一片FPGA内,包括高速视频流FIFO、同步时序产生与控制、接口逻辑转换和对视频编/解码器进行设置的I2C控制核等.通过增大FIFO位宽、提高传输带宽,降低了占用EMIF总线的时间;利用数字延迟锁相环逻辑,提高了显示接口时序控制精度.系统软件由驱动层、管理层和应用层组成,使得硬件管理与算法程序设计彼此分离,并能协同工作.系统中的图像缓冲区采用了三帧的配置方案,使得该平台最终具有对PAL/NTSC两种制式的全分辨率彩色复合视频信号进行实时采集、显示和处理的能力.     

旋转弹丸马格努斯效应数值研究

用黎曼分解和Osher近似方法,计算了旋转和非旋转弹丸三维跨音速绕流场.将计算区域按分块网格和六面体的弹体贴体网格单元划分,为了提高相对流动变量离散中的数值精度,运用了改进的MUSCL格式.选取弹丸旋转频率为0和82赫兹,攻角分别为0°和10°,马赫数0.94,雷诺数为4.0×106条件为算例.获得在中等倾角下,旋转诱导边界层畸变产生了马格努斯效应和不对称涡结构,沿弹底周向压强分布变化和攻角的非线性效应,给出并讨论了弹丸马格努斯力和法向力系数数值结果,计算结果与实验数据吻合良好.     

多目标体素阵列的快速3D显示

<正> 本文提出一种物空间多目标体素的灰度线段表示法及象空间双动态屏幕技术,利用动态数据结构,得到一种在2D 屏幕上同时快速显示多个目标3D 图象的方法,并利用透明原理,实现了内、外目标间的透明显示。本方法可用于医学断层图象序列中多个目标的3D 显示。文中给出几种不同旋转角度 CT 断层图象序列中肝脏、肿瘤及血管等多目标的3D 显示结果。     

基于虚拟现实试验场景的驾驶模拟系统研发

为解决驾驶模拟系统视景显示中的显示画面粗糙及驾驶员视角固定等问题,采用3 Ds Max建立了垫江某汽车综合试验场三维高精度模型,并基于Unity 3D和HTC Vive搭建了虚拟现实显示系统,进行汽车试验场完整环境的渲染和VR显示.最后通过Labview RT和Carsim搭建了汽车动力学仿真平台,至此完成了基于VR的驾驶模拟系统构建的全部过程.仿真结果表明:基于虚拟现实试验场景所开发的驾驶模拟系统显示画面良好,且驾驶员具有较高的视场角及自由灵活的观察视角,有效提升了驾驶员沉浸感.     

基于深度卷积神经网络的三维模型识别

为了进一步提高三维模型的识别精度,提出了一种基于深度卷积神经网络的三维模型识别方法。将点云数据通过占用网格规范化计算转化为二值3D体素矩阵,通过附加正则化项的随机梯度下降算法提取体素矩阵的特征,再通过共享权重的旋转增强对训练集进行数据增广并以此对模型标签进行预测。实验结果表明,该算法在公开数据集ModelNet40及悉尼城市模型数据集上的识别精度均达到85%左右。与基于同类机器学习的三维模型识别算法相比,在相同训练数据集上该方法网络训练时间短,在相同测试数据集上模型识别准确率高,检索速度快。提出的体素占用网格模型的深度卷积神经网络,可以实现三维点云模型数据集及规范化体素模型数据集的识别和分类工作。     

一个基于多视图立体视觉的三维重建方法

研究了基于多视图立体视觉的三维重建方法.给定一组待重建物体的图像,利用传统的立体视觉技术计算每幅图像的深度信息;然后设计一个基于体素划分的模型融合方法,将图像的深度信息融合为一个完整的三维初始模型;随后,对初始模型进行全局的迭代优化,输出最终的重建模型.在构造体素网络图时,充分利用图像一致性度量建立体素之间的连接关系;在对模型迭代优化时,结合图像一致性度量和网格的光顺性准则.该方法能很好地处理纹理缺失的区域,获得完整的三维模型.实验结果证明:该方法能够重建高质量完整的三维模型.     

基于Cesium 的地下三维管网3D Tiles 模型构建与可视化

Cesium作为目前日益流行的开源三维地图引擎,在各领域都有着广泛的应用前景.但目前原生Cesium不具备渲染地下管网模型可视化的条件.基于Cesium提出了一种利用shapefile二维地下管网数据自动构建三维地下管网3D Tiles模型的建模方法并完成了模型的可视化展示.具体步骤是首先将二维shapefile数据分级处理构建四叉树结构关系,通过迭代遍历各级的单块二维数据,将点、线要素分别进行逐瓦片的模型变换矩阵计算和模型构建,将点要素封装为i3dm模型,线要素封装为b3dm模型,得到3D Tiles地下管网模型;然后基于Cesium二次开发实现数据模型对接、地表透明化、裙摆关闭、摄像机地下视角等功能,完成模型的可视化展示.本方法使用辽宁省盖州市北海新区管网shapefile实例数据进行测试.结果 表明,二维地下管网shapefile数据能够快速生成3D Tiles模型,实现良好的地下三维模型可视化展示,为后续Cesium地下空间相关研究工作提供技术支持和方法参考,有助于完善B/S架构的地下空间三维可视化管理系统,支持数字孪生城市建设.     

Display technique based on surface plasmon resonant effect

In a surface plasmon resonant （SPR） configuration, real part in refraction coefficient of modulation layer material is monotonic with resonant wave length, while imaginary part is monotonic with resonant magnitude. Based on the fact above, a new type of display is proposed and designed. Firstly, a display pixel with either controllable color or controllable brightness is discussed, and then a display pixel with both controllable color and brightness is proposed in detail. At last, an SPR display with 8×8 pixels is developed and simulated. The results show that color and brightness of each display pixel in an SPR display can be tuned directly, with no need of synthesizing three basic colors, traditionally. Moreover, the display has many merits, such as high color resolution, high contrast, high brightness, fast response, etc. Yet practical usage of SPR display demands deeper study on properties of modulation layer material and fabrication techniques.     

基于三维网格单元的等值面梯度抽取法

针对三维网格等值面抽取中存在的二义性问题,提出三维网格单元等值面梯度抽取法.本算法利用梯度在三维网格单元外表面计算等值点,勾勒等值面轮廓,而后以添加网格内等值点方式明确等值面在网格内部凹凸方向,提出映射后Delaunay三角面片提取法,在二维空间完成等值面抽取.为减少计算及绘制所需存储空间,采用调整步长及合并阈值的方法控制输出三角面片数量.实验结果证明,该算法可一次性抽取等值面准确轮廓,克服了Marching Cubes算法的二义性,生成面片可真实描述三维网格内部等值面走势,通过调整参数保证了等值面精度,降低了存储代价.     

人眼的色适应对荧光屏显示色貌的影响

用双眼不对称匹配法研究人眼在观察计算机视觉显示终端彩色监视器荧光屏时,视觉系统对复杂背景的色适应及其对荧光屏显示色貌的影响.研究结果表明,背景的平均颜色和目标与背景的色差及亮度差对色适应引起的色位移有显著的影响.在定量估计人眼对复杂背景的色适应引起的色貌变化时,可以把视觉系统看作一个积分响应灵敏度取决于背景颜色和亮度平均值的信息处理系统。     

基于混合上下文熵模型的点云几何编码算法

针对三维点云存在的大量空域冗余信息，提出一种基于混合上下文熵模型的点云几何编码算法框架.通过多层感知机与Resnet网络分别对基于八叉树结构的点云和基于体素结构的点云特征进行上下文特征提取，并使用选择单元对上下文信息进行裁剪、选择和融合，使网络能够针对当前编码体素建立更加准确的概率模型，从而提高三维点云的压缩效果.同时，针对模型复杂度高的问题提出并行多尺度自回归进行概率估计的方案，大大降低了编解码时间.实验结果表明：点云几何编码算法能够有效降低每个体素所占的比特数并且整个编码过程无损；与G-PCC编码算法相比，压缩后比特率下降了14.27%.