Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Дальневосточный государственный университет

путей сообщения»

Кафедра «Вычислительная техника и компьютерная графика»

К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ

Заведующий кафедрой

__________Ю.В. Пономарчук

«____»_____________20___г.

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ ГОЛОГРАММ

Выпускная квалификационная работа

ВКР 09.03.01.ИВТ.12.00.943 – ПЗ

Студент 943 гр. А.И. Титов

Руководитель

доцент, к.ф.-м.н. Ю.В. Пономарчук

Нормоконтроль

доцент, к.т.н. Е.В. Буняева

Хабаровск 2017

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 Постановка задачи и обзор предметной области 6

1.1 Постановка задачи 6

1.2 Обзор технологий голографии 6

1.2.1 Амплитудно-фазовая голография 6

1.2.2 Технология «Псевдоголограмма на основе просветной пленки» 7

1.2.3 Технология «Призрак Пеппера» 9

1.2.4 Технология «голографической пирамиды» 10

1.2.4 Технология «Free Format» 11

1.2.5 Технология «голографии на тумане» 11

1.2.6 Технология голографии на основе вращающегося зеркала 13

1.2.7 Технология лазерной голографии 14

1.3 Сравнительный анализ технологий голографии 15

1.3.1 Результаты сравнительного анализа технологий голографии 15

1.4 Обзор программного обеспечения 16

1.4.1 САПР для разработки аппаратной части стенда 16

1.4.2 Программное обеспечение для создания объемной модели 18

2 Проектирование голографического стенда 22

2.1 Определение размеров экрана проектора 23

2.2 Выбор САПР для моделирования элементов конструкции 24

2.3 Проектирование модели голографической призмы 25

2.4 Проектирование модели короба 26

2.4.1 Проектирование основного модуля короба 27

2.4.2 Проектирование проецирующего модуля 29

2.4.3 Проектирование поддерживающих опор 31

2.4.4 Сборка компонентов модели 31

3 Реализация голографического стенда 32

3.1 Изготовление голографического стенда 32

3.1.1 Изготовление элементов стенда, состоящих из ДСП 32

3.1.2 Изготовление голографической призмы 34

3.1.3 Изготовление опор, соединяющих модули 35

3.1.4 Размещение элементов транспортировки стенда 35

3.1.5 Установка проектора в короб проецирующего модуля 36

3.1.6 Установка компьютера в короб основного модуля 36

3.2 Разработка программного модуля голографического стенда 37

3.2.1 Разработка модели логотипа ДВГУПС 37

3.2.2 Анимация вращения модели логотипа ДВГУПС 41

3.2.3 Создание видео для визуализации логотипа 44

4 Технико-экономическое обоснование 47

Заключение 50

Список использованных источников 51

ВВЕДЕНИЕ

С развитием вычислительной техники стали появляться новые возможности отображения моделей объектов. В настоящее время всё популярнее становится перспектива отображения или создания иллюзии того, что нематериальный объект материален. Это отражено в таких изобретениях как 3D-телевизоры и 3D-кинотеатры, а также очки и шлемы виртуальной реальности. Отдельную нишу в развитии данного подхода отображения объектов занимает голография. В футуристичном представлении голограмма – объемный нематериальный объект, кажущийся материальным без использования наблюдателем дополнительных устройств (очков или шлемов).

Целью выполнения выпускной квалификационной работы (ВКР) стало изготовление голографического стенда по заказу кафедры «Вычислительная техника и компьютерная графика», входящей в структуру Дальневосточного государственного университета путей сообщений (ДВГУПС).

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

– изучить технологии голографии;

– разработать модели голографического стенда в системе автоматизированного проектирования (САПР);

– изготовить голографический стенд;

– выполнить технико-экономическое обоснование проекта.

С практической точки зрения, голографический стенд должен выполнять следующие задачи:

– обучение студентов;

– привлечение абитуриентов;

– эффектную демонстрацию объемных моделей.

Пояснительная записка состоит из четырех разделов. В первом разделе представлена постановка задачи и обзор существующих технологий голографии, а также выполнено обоснование выбора наиболее перспективной из них для реализации. Во втором разделе описаны принципы работы стенда, методы необходимых расчетов и выполнено моделирование голографического стенда. В третьем разделе описана практическая реализация проекта стенда. В четвертом разделе выполнено технико-экономическое обоснование, указаны технические и ценовые различия разработанного голографического стенда от существующих аналогов.

1 Постановка задачи и обзор предметной области

1.1 Постановка задачи

Главной задачей выпускной квалификационной работы стало выполнение заказа, полученного от кафедры «Вычислительная техника и компьютерная графика», который заключается в проектировании и реализации стенда с возможностью отображения 3D-моделей на основе технологий голограммы. Стенд должен обладать следующими свойствами:

– возможностью отображения 3D-голограммы;

– возможностью транспортировки;

– сокрытием проецирующих 3D-голограмму элементов от глаз наблюдателя.

Целями применения голографического стенда сотрудниками кафедры являются:

– обучение студентов;

– привлечение абитуриентов;

– эффектная демонстрация объемных моделей на мероприятиях вуза и города.

1.2 Обзор технологий голографии

В настоящее время существуют различные технологии получения голограмм, отличающиеся окончательным результатом визуализации.

1.2.1 Амплитудно-фазовая голография

Термин, введённый Д. Габором в 1947 году, определяет голографию как набор технологий для точной записи, воспроизведения и переформирования волновых полей оптического электромагнитного излучения, особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные [9].

Физические принципы голографии Денниса Габора заключаются в следующем. Рассеянные объектом волны характеризуются амплитудой и фазой. Регистрация амплитуды волн не представляет затруднений; обычная фотографическая пленка регистрирует амплитуду, преобразуя её значения в соответствующее почернение фотографической эмульсии. Фазовые соотношения становятся доступными для регистрации с помощью интерференции, преобразующей фазовые соотношения в соответствующие амплитудные. Интерференция возникает, когда в некоторой области пространства складываются несколько электромагнитных волн, частоты которых с очень высокой степенью точности совпадают. Когда записывают голограмму, в определённой области пространства складывают две волны: одна из них идёт непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В этой же области размещают фотопластинку (или иной регистрирующий материал), в результате на этой пластинке возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картине интерференции) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует эту волну в волну, близкую к объектной. Таким образом, мы будем видеть (с той или иной степенью точности) такой же свет, какой отражался бы от объекта записи.

1.2.2 Технология «Псевдоголограмма на основе просветной пленки»

Псевдоголограмма – объемное изображение, полученное сочетанием одной или нескольких 3D-технологий, без возможности физического контакта с ним [19]. В отличие от голограммы, рассмотренной ранее, псевдоголограмма лишь иллюзия, построенная, как правило, на оптических свойствах частично-отражающих объектов.

Принцип работы псевдоголограммы на основе просветной пленки заключается в следующем (рисунок 1):

– проектор излучает свет от изображения на пленку под заданным углом;

– пленка преломляет световой поток проектора и направляет его на зрителя.

Рисунок 1 – Псевдоголограмма на основе просветной пленки

Одним из достоинств данной технологии является то, что наблюдатель не видит проектор. Соответственно, способ формирования изображения для него неочевиден, что способствует увеличению эффекта объема.

Просветная пленка состоит из массива микропризм и микролинз. Призма преломляет пучок света, линза его расфокусирует таким образом, что на выходе образуется параллельный пучок лучей, как представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 – Преобразование светового пучка в просветной пленке

Сравнительно плохая цветопередача и малые углы обзора, при которых не происходит критического искажения цвета, являются самым существенным недостатком данной технологии. Таким образом, угол обзора наблюдателя является слишком ограниченным.

1.2.3 Технология «Призрак Пеппера»

Технология «Призрак Пеппера» была придумана иллюзионистом Джоном Генри Пеппером [19]. В настоящее время с развитием технологий и способов проецирования изображения технология слегка эволюционировала, однако принцип остался неизменным.

С помощью технологии призрака Пеппера был организован концерт, на котором выступало два исполнителя. Один из них Снуп Дог – реальный человек, другой Тупак Шакур – виртуальная голограмма (рисунок 3) [19].

Рисунок 3 – Сцена с проецируемой голограммой и реальным объектом

На полу был размещен экран, который отражал изображение, получаемое с помощью размещенного выше проектора. Под углом 45 градусов относительно экрана располагалась специальная полупрозрачная пленка. При этом на сцене было полностью убрано освещение, оставлено только минимально-необходимое. Зритель видел мнимого Тупака в отражении на пленке и, одновременно, реального Снуп Дога сквозь пленку.

Очевидно, что для реализации данной технологии используется простейший закон оптики: отраженный и падающий лучи лежат в плоскости, содержащей перпендикуляр к отражающей поверхности в точке падения, и угол падения равен углу отражения [10].

1.2.4 Технология голографической пирамиды

Принцип работы голографической пирамиды схож с технологией призрака Пеппера. Основное отличие заключается в том, что для голографической пирамиды нет необходимости в использовании отражающего экрана [19]. Кроме того, для этой технологии характерна возможность отображения голограммы с нескольких сторон одновременно, что увеличивает эффект её объема. Голографические пирамиды как правило компактны, а также отличаются некоторой гибкостью в проектировании конструкции и способах её расположения относительно наблюдателя (рисунок 4).

Рисунок 4 – Голографическая пирамида

Чаще всего данная технология применяется в сфере рекламы, а также для демонстраций объемных моделей объектов с целью обучения, привлечения внимания. Сама призма изготовлена из стекла или оргстекла и обычно обработана специальным покрытием для лучшего отражения. Частичное отражение создает очень натуралистичный эффект того, что внутри призмы заключен какой-либо объект. Также имеется возможность заключить внутри пирамиды физический объект и взаимодействовать с ним мнимыми голографическими эффектами.

1.2.4 Технология «Free Format»

Принцип технологии Free Format прост и заключается в следующем (рисунок 5) [19]:

– перпендикулярно линии обзора наблюдателя располагается экран, состоящий из сетки с мелкой ячейкой из тонких лесок;

– за экраном устанавливается проектор.

Таким образом, наблюдатель одновременно видит сквозь пленку, а также изображение на пленке, рассеиваемое нитями экрана.

Недостатком метода является то, зритель видит объектив проектора сквозь экран, который становится менее заметным в концертных залах, где проектор воспринимается как один из осветительных приборов. Другой недостаток заключается в том, что полного эффекта объема можно добиться только тогда, когда экран наблюдается с расстояния, достаточного для того, чтобы не различать его образующие нити.

Рисунок 5 – Технология Free format

1.2.5 Технология «голографии на тумане»

Принцип технологии «голографии на тумане» заключается в следующем: с помощью ультразвуковых генераторов из воды создается туман, который направляется массивом вентиляторов в сторону зрительного контакта наблюдателя; проектор, установленный вне зоны видимости наблюдателя, проецирует изображение на стену тумана, которая, в свою очередь, рассеивает световой поток (рисунок 6) [19].

Рисунок 6 – Голография на тумане

Несмотря на то, что изображение, получаемое данной технологией, выглядит наиболее искаженным и нечетким из-за сложности формирования, вызванной физическими свойствами тумана, она является наиболее интерактивной. Наблюдатель буквально может потрогать голограмму.

Также данную технологию часто применяют в лазерных шоу, где вместо тумана используют распыленную воду, а в качестве проектора – лазер. Она особенно популярна при организации городских праздников, когда есть возможность использовать фонтаны в качестве водораспылителей (рисунок 7).

Рисунок 7 – Голограмма на распыленной воде

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов ВКР