针对目前视频源的分辨率与显示器支持的分辨率不对应, 导致无法在目标显示器上播放的问题, 提出一种实时视频流缩放系统的硬件结构设计。该系统基于双三次插值图像算法, 采用了流水线的设计思路对算法的浮点运算进行优化, 采用乒乓操作的思想避免了视频流输入与输出不同步的情况, 减少了计算延时, 易于FPGA的实现, 在提高系统运算速度的同时减少了对硬件资源的消耗, 并在VIVADO环境中对该设计进行测试验证, 实现了任意比例缩放。实验结果表明, 该图像缩放系统支持分辨率为3 840×2 160的实时图像缩放, 并以最低100×100的分辨率输出, 达到了预期的效果。

随着医疗显示技术的进步, 医疗内窥镜摄像系统已经由主流的2D(Two Dimensions)显示向3D(Three Dimensions)显示发展, 图像清晰度也从高清(High Definition, HD)向超高清(Ultra High Definition, UHD)转变。因此, 本文设计开发了一种基于FPGA的4K(3 840×2 160)裸眼立体显示系统。首先, 系统对双路3G-SDI图像采集并进行YUV到RGB的格式转换。其次, 使用Xilinx提供的VPSS核实现图像的缩放, 同时解决高速图像数据带宽与DDR3存储器带宽间的匹配问题。最后, 通过SBS(Side by Side)的拼接方式, 将满足立体图像输出格式的视频源通过立体显示器输出。该系统从前端立体图像的采集到后端立体图像的输出, 需要经过格式变换、缩放、缓存、同步以及拼接等多个处理过程。实验结果表明, 采用参考时钟为148.5 MHz的双路SDI输入, 经FPGA的实时处理后可实现分辨率为3 840×2 160、刷新率为60 Hz的SBS拼接格式图像, 该图像可直接驱动裸眼立体显示器。

在水的光学特性影响下, 为了对水下目标进行实时探测, 通过研究螳螂虾视觉偏振成像原理, 仿照其独特的复眼结构, 充分利用分振幅和基于孔径分割技术, 设计了一种新型的水下实时偏振成像系统。采用四通道阵列结构和双通道阵列相结合, 用圆偏振技术和线偏振技术对水下目标进行实时成像。通过Zemax软件实现该系统设计, 系统焦距为35 mm, F数为4, 工作波长为可见光波段486 nm～656 nm, 半视场角为±2.5°。设计结果表明: MTF>0.7(@60 lp/mm ), 系统弥散斑<9 μm, 畸变小于0.5%, 可满足成像要求。

随着硬盘(HDDs)面记录密度的增加,读写数据时磁头的飞行高度不断降低。磁头与磁片表面液体润滑膜的接触,会在表面形成半月板,或润滑剂回升,造成润滑剂转移。观测液体润滑膜的转移过程以及其在磁头上的动态变化特性,是研究润滑剂性能的重要方面。改进基于垂直物镜的椭圆偏振显微镜(VEM),提出一种旋转起偏器的方法获得膜厚与被测光强的线性关系,实现磁头表面润滑膜动态观察,并对现有显微镜尤其是照明系统进行改进。实验以非极性全氟聚醚(PFPE)润滑剂Z03覆盖的磁头为样品对椭圆偏振显微镜进行标定。以极性PFPE润滑剂Zdol4000作为样品,对其在磁头表面的去湿现象进行观察。结果证明显微镜横向分辨力约0.36 μm。该方法可用于纳米级液体薄膜的可视化观测。

针对磁头飞行导致液体润滑膜的转移研究以及润滑膜在磁头上的动态变化特性观测问题, 基于改进的垂直物镜的椭圆偏振显微镜, 提出起偏器相移方法的磁头表面润滑膜厚度计算模型, 实现了润滑膜厚度的测量。实验以非极性润滑剂Z03覆盖的磁头为样品对椭圆偏振显微镜进行标定, 以极性润滑剂Zdol4000作为样品, 对其在磁头表面的去湿现象进行观察。该方法测量精度可达0.37 nm, 分辨力约0.36 μm, 可为其他纳米级薄膜观测提供一定的技术参考。

根据一般条件下电磁场的边界条件，研究了两种介质分界面存在面电荷分布时的反射与透射，证明了这一条件下反射定律和折射定律仍然成立，推导得到存在面电荷分布时入射波平行分量和垂直分量的振幅反射系数和振幅透射系数，即修正的菲涅耳公式。由于不同界面的导电特性不同，两种介质界面的面电荷分布会影响界面的面电导率，修正后的菲涅耳公式与面电导率和自由空间阻抗有关。计算结果表明当面电荷密度或界面特性使面电导率发生较大变化时，振幅反射系数和振幅透射系数及反射率和透射率发生变化。