灯光反射理论

灯光反射理论
灯光反射理论

01.概述

CGI技术是一门非常年轻而且发展迅速的科学。其它相关的还有许多技术也在很短的时间内迅速的壮大,用于模拟自然现象,但它们只限于解决某一方面的问题,对我们来说选择合适的技术来解决相应的问题比较困难。出于人们认识光与物质相互作用的方式,一些主要的技术脱颖而出,这其中最常用的是工作于物体表面的技术,另外就是CGI技术的到来。它的原理是向场景里发射光线来收集必要的信息,重建真实自然现象的一个关键问题是需要大量的信息。假设在我们所处的环境里,包括看不见的地方,有大量带有能量的光线穿过,它们在场景中哪怕是最狭小的地方以某种方式相互作用,这些光线的能量以不连续的形式存在(爱因斯坦光子说)。物体表面的原子会吸收光子使自已的能级升高,受到激发的不稳定原子会自发的地回到最低能级,并将减少的那部分能量以光子的形式释放出来,这些光子根据发射它原子的种类有特定的波长。打个比方吧,太阳光包含很多不同波长的电磁波,但这里面只有一小部分能被我们的眼睛所识别。人造光源一般都有特定的颜色,因为它们含有各自特定的元素。一个典型的钨极光源发出的光有一定的频率范围,这就是我们看到的橙色。同样,氖光源发出的光是绿色。

自然界的这种吸收和发出光能的现象无时无刻不在我们的身边出现。我们的眼睛扮演着摄像机的角色,收集和识别从四面八方射过来的光线的波长(颜色)和光子数量(强度)。我们看到的图像正是在空间的某一点处众多光线的静止状态。前面的内容仅仅从物理学的角度粗略的介绍了一下,但这样就足够了,我们没有必要考虑更深一层的物理知识。这些内容足已解释我们看到的真实世界,今后的学习制作过程也足够用了

02.用CGI技术重现生活中的例子

前面说过每个原子都会吸收和发射光线,物体的颜色决定于反射光线的波长和物质原子的种类。入射光线反射后向四面八方散射,但要根据入射光线方向反射(否则反射也不会进行),也许多物体不会直接在表面反射光线,像气体。光线会在大多数物质里传播,并被物质内部的原子吸收和反射掉。像下图中的蜡球,这种蜡物质吸收除了绿色和黄色之外的所有波长的光线(至少除黄绿色外的绝大多数光线),然后像大多数物体一样作为绿光的发射物体(除了黑洞之外)。你们可以看到当蜡球靠近光源后它显现出黄绿色。

。你们当中很多人可能都知道,在过去的几年中出现的很多光线跟踪渲染器都能模拟在“电脑产生的表面内部散射光线”,也叫做SSS(Sub Surface scattering)。很多渲染器都使用相似的原理,像GI中的采样方式,在某一点发射多条光线到场景中,这些光线经反射后携带了物体表面的颜色信息,以此来确采样点的颜色,典型的例子-Monte Carlo。不同的渲染器在保证图像质量不变的前提下有不同的缩短渲染时间的方式,因为有大量的光线信息需要收集。这之中有简单的采样点插值算法过滤器;也有智能化的能识别物体边缘尖锐部分的高级插值算法过滤器,它能在需要的地方放置合适的采样点;还有适用于动画的采样引擎。听起来这些算法都很高深,其实我们只要知道我们的工作是要找到合适的方法对付巨长的渲染时间就行了。我在95到96年第一次接触3D软件的时候试着用一个光源照亮一个镜面属性的球体,但失败了。当我用手电照射整个卧室的时候,卧室会有一点亮光,但在3D中除了聚光灯的圆锥范围内其它的地方一片黑暗。我想,为什么会这样呢?后来我知道了,因为所有的物体都是反光体,我们平时看到光大多数光线都是反射光线。

朋友们你们是否知道,Blinn和Phong这些表面Saders是怎样工作的吗?固有色,高光到底是什么呢?在很长的一段时间里,我只知道怎样使用它们,怎样用它们达到预期的效果,但我从不知道它们真正代表着什么。

上面提到过,所有的物体都会吸收和发出光线。一个全反射材质,也就是反射全部光线的材质,像表面镀了金属的玻璃,它表面的每一个点都包含了环境的信息。当光线在物体表面反射后一部分光线被吸收,反射光线变弱且被“染色”。因此过渡色就是物体表面除吸收的那一部分的带有表面颜色的反射光线。在现实中绝大多数表面都会有一定程度的粗糙度,我不是说肉眼可以看到的凹凸不平,而是微观上的表面粗糙。不同的Saders能够快速有效地模拟表面的粗糙方式。高光就是反射最多,光线聚集最强烈的那一部分表面产生的。地过渡色区域也会有小面积的高光,但随着表面和光源的距离拉大高光也渐渐地变的不明显了。这样的高光在现实世界并不存在,这是因为现实世界不存在3D软件中的理想光源(点光源和面光源)。现实世界中的光源总会有一定的形状,这样高光区会表现有一定的细节而且可以看到光源的形态。参考下图中的皮革,射到高光区的光线来自窗外的阳光,可以看到真实表面的细节是很复杂的。可以说高光区只是过渡色区域中反射较强的表面。像这样的反光表面只用一个简单的Sader是不可能实现的,我们必需用真正的光源来模拟窗外的光线。或许还要用反射模糊来模拟过渡色区域的光线散射,用一点过滤色模拟表面吸收不同的光线产生的颜色。这可能就是这几年来HDRI如此流行的缘故吧。HDRI不仅可以产生高质量的间接照明,还可以用渲染出真实的反射和高光区的精彩细节。

这是一幅勺子的照片,主光来自上方。勺子的中心有非常强烈的高光,有趣的是周围还有一圈圈的刮痕。每一圈刮痕可以看成在它边缘处反光的圆柱形凸痕。光线在它们之间反射,这样反射光线在某个方向上散射开来,也就是CGI里所谓反射的各向异性。

在这张图片中我们看到主光在高光区的中心形成一个十字。像打磨过的金属和毛发这类物质常发生这种现象,而且针对这种高光已经有不同的Shaders算法了。我要指出的是这些算法都必需能快速的产生各向异性的高光。如果想渲染出正确的高光就必需用真实的物体,或者至少用凹凸贴图模拟刮痕(这个Shaders用在CGI毛发上一点意义都没有,因为这种现象是由许多许多细小的圆柱体产生的)。我只发现在使用不透明贴图的时候这种Shaders才管用。

光线还可以表现出另一种特性。当光线与表面的夹角很小的时候光线趋向于在表面反射,但当光线跟表面接近垂直时趋向于穿透表面介质。这也是一种很重要的特性,叫做Fresnel(菲涅耳效应)光学纤维这种物质常发生这种现象。许多渲染器都支持这个特效。下面的图我们能很清楚地看到这个效应,在角度很小的情下况液晶屏反射很强烈,但垂直看时大多光线都穿过了塑料壳而被黑色的LCD吸收了。几乎所有的材质都或多或少的表现出这种特性,特别是透明物体(几乎所有的物体都是“透明”的,只不过这取决于物体原子吸收光线的多少罢了)。

好,我想到现在为止我已向你们介绍了光线的反射原理。我希望你们能在这里学到一些有用的东西。下面的是一些焦散(Caustics)和散射(Dispersion)的图片。还有一张图片,上面是一个物体和阴影,我想告诉你们的是这个透明物体的阴影和我的手一样也是不透明的,这是初学者对透明物体使用光线跟踪阴影时常犯的一个毛病。

如果你们有问题的话尽管问吧。请睁大眼睛随时留心你的身边,发觉周围不经意的小事,有时它也是美丽的。作为一个艺术家这样有助于提高你技术方面的理解。

01.反射的奥秘-第二部分

在第二部分中Philipp Zaufel用通俗的语言描述了BRDF(双向反射分布函数)--一个CG中最常用的用来描述材质反射行为的数学模型。

02.总论

BRDF-双向反射分布函数,是用来描述材质反射行为的函数,是一个数学模型。这篇小教程是为艺术工作者写的,而不程序员。有关BRDF的技术资料有很多,但我的目的是想让你们了解如何让它正确的工作,而不是大篇幅的罗列。BRDF在CG中无处不在。当你使用Phong,Blinn或者其它Shader的时候你就在使用BRDF模型。要是你用光线跟踪制作反射,阴影或者产生GI效果的时候,你也在无形中使用着BRDF模型。

一个BRDF模型描述了一种表面上入射和反射光线的关系。因此说简单点就是光线射到表面上,表面对光线产生作用。光线可以被反射(镜面的或漫射的),吸收,或两者都有。我们可以通过测量一种真实物体表面上的反射和入射光线来描述这种材质和它形成的BRDF,测量的结果可以用在CG程序中来产生有相同表面属性的材质。但大多数情况下会使用简化的,带可调节参数的模型来产生CG表面。这些反射模型可以是精确的,也可以是经验化的。这里我们关心的是精确的分析反射模型。因为它里面的参数或者说方程是基于真实世界的,并且为了能使材质叠加产生复杂的SHADERS,它们也使用在CGI中。像Robertson-Sandford和Beard-maxwell这些经验模型,它们用的是虚构的参数来构建简化的BRDF。下面我会提到一些高级的反射模型。像BTDF,BSDF,BDF 和BSSDF,这是为了澄清一个事实:一个BRDF只是依据表面属性,入射光角度(同它的参数)和视角来描述光线的反射。

BTDF-双向传输分布函数,描述了透明的表面属性,过程是通过矢量计算表面的两个方向(不是同一个计算过程)。BRDF和BTDF合起来就是BSDF,简称BDF--双向散射分布函数,描述表面上同一点处两个方向的半球的函数。这些就是高级(镜面)光线跟踪渲染的基础函数。BSSDF--双向表面散射反射分布函数,它的发明者就是发明光子贴图的那个人,Henrik Jensen。它描述了物体内部的光线散射。好莱坞,概论就这么多,下面我们一一介绍吧。

03.完美的漫射材质——Lambert

这是个非常简单的模型,而且距今已有200年的历史了。在CG场景中它无处不在。这个模型描述了一个完美的漫射表面。入射光在表面上向四周等量的散开,如果从不同的角度观察表面的话会看到同样的颜色(各向同性)。唯一不同的是入射的角度。入射击角为90度时表面亮,反之则暗。这种模型在生活中是很常见的,但生活中这种的完美的漫射表面非常少,这就是CG表面看不去是电脑产生的表面的原因。就因为它的速度相当快,而且非常普及,因此它成为实时渲染表面SHADER中最常见常用的一个。

Gourad Sading是实时渲染技术中的一员,因为它不是基于每像素计算的,而是基于顶点的计算方法,计算顶点色值后在各顶点间运用插值算法来形成多边形。(新一代的显卡都支持实时像素阴影渲染,并且这些成熟的模型都成为了今天的标准,但这不是今天我们讨论的话韪。)

这个模型大多数情况下在物理上是正确的,这意味着一些重要的物理规则被保留了。其中有一个就是反射光线的能量总和一定小于入射光线的能量。另一条是对不同颜色的吸收原则,比如说过渡色为黑色的物体吸收掉所有的入射光线,并不产生反射(过渡色——一个Lambert模型引申出的重要参数)。

https://www.360docs.net/doc/a13049752.html,mbert的例子

上图中的个球体都被赋予了Lambert材质。第1,2个是同一个球休的不同视角。图中红圈表示球上的同一个点。可以看到Lambert材质在不同的视角产生相同的颜色。第3,4个球体是同一个模型。它们反射的光线较前两个少,第三个是BRDF的典型模型——环境色(ambient)。它只是在整个图像中增加了另一种颜色来模拟环境的光照,但这种方法没什么大用,因为它只会让你的图像变的不真实。要模拟环境光的话试着多打几个灯或者干脆用GI。

05.简易的镜面反射模型————Phong,Blinn-Phong.

上面的图显示的是物理上真实的境面反射--高光。左边一个是Lambert,完美的漫射。红色的入射光线反射后被等量的向四周反射。第二个是完美的镜面反射,渲染器用这个原理来产生完美的镜面,像镜子等。第三个是反射模糊,反射光线由于表面的微小凹突在镜面反射的路线上产生了偏移。现在我们已经了解了许多描述表面上不同部分的模型,上面介绍的只是最简单的几个。还有一些描述不同类型镜面反射的模型(因为许多表面都有不规则的地方)。最简单的几个:1975年Phong Bui Tong发明的Phong模型,由于它的速度相当快,成为了CG表面镜面反射应用最多最广泛的模型。它不是物理上精确的模型,你可以设置高光的强度使发送的光线大于接收的光线,而这在现实中是不可能的。但因为CGI是一种艺术创作,那么这也是可行的。

下图中最左侧的球体是Phong模型,这种模型的一大优点是你可以跟其它的模型混合使用来达到不同的效果。最常见的就是把phong跟Lambert混合产生第二个球体的效果。注意我用了相同的灯光照亮球体(位置,强度)。混合后的结果是高光变亮了。这样做的优点是你可以调整模型中的不同参数(颜色,高光强度....)来达到真实的效果。右面的两张图显示了Phong的高光在入射角上和视角上都是独立的。这个三维图中的白色线框代表了蓝色垂直入射光线在红色板处反射的反射光线的方向和强度大小。入射点周围的半球是完美的Lambert漫射,而由于Phong高光的存在在顶部有一小部分的突起。实质上Phong高光就是在入射光方向上产生了较强的反射,加上入射点周围的高光区,再加上Lambert的漫射区形成了整个球体。当光线从另一个角度入射时只是反射角度依据入射角=反射角定理变化。

Blinn-Phong模型,也叫Blinn,是Phong模型最常见的变化类型。做为CG领域的先驱,Blinn改进了Phong模型的一些高光上的问题。Blinn模型混合了Lambert 的漫射部分和标准的高光,在速度上相当快,因此成为许多CG软件中的默认材质。此外它也集成在了大多数图形芯片中,用以产生实时快速的渲染。如下图:这两个球体使用相同的光照和相同的参数(Blinn和Phong高光的基本参数是相同的)。看上去上图中的Phong球和下图中的Blinn球没什么区别,除了Blinn球看上去更加柔和。但我们来看看不同角度下的反射值(图3,4),就能看到非常明显的区别。在入射角为90度的情况下反射就像是非常柔和的的Phong高光,但角度很小时高光的反射处明显被撕裂。这是因为这两个的BRDF模型的算法有微小的区别,但这有什么用呢?

下图说明了Phong和Blinn视觉上的不同。在入射角很小的情况下有个主要的区别。因此我为球体打了两个灯,一个从顶部,一个从底部,都与摄像机成90度角。第一个是Phong球,第二个是相同条件下的Blinn球。结果是由于球体上三角面的角度不同Phong的高光被扭曲了,但Blinn球保证了高光的完整性。好了,你可以根据你自己的需要选择Phong还是Blinn,我个人认为Phong高光更正确一些,但Blinn高光的可控性更好。因为它可预测,特别是在复杂的表面上,因此它被用做CG软件中最基本,也最快的BRDF模型。图中第3,4个球使用了光线跟踪的镜面反射,反射出了一个环境,同样是第一个用Phong,第二个用Blinn的BRDF模型。注意,许多渲染程序并不支持镜面反射渲染的BRDF模型,而是使用自己的聚焦算法。

你们可以看到Phong上相同的扭曲效果和Blinn球上清晰柔和的反射(渲染条件完全相同,唯一不同的是不同的渲染结果)。

06.背部反射:Minnaert,Hapkel/Lommel-Seelinger

到此我们已经了解了最基本的均匀漫射和高光反射部分的反射模型,但是Phong和Blinn只适用于遵守入射角=反射角原理的镜面反射。现实中的表面都会有各种各样的缺陷,因此光线会以不同的方式散射----SSS特效或称背部散射。

明显,背部散射就是表面在其背面反射光线。为达到这种效果出现了许多不同的模型,同时还与其它的模型混合来达到更加复杂的效果。最常见的一个是Minnaert模型。它使用与Lambert相同的算法,只是增加了一个使表面变暗的参数来降低正常反射方向上的亮度。下图中的第一个球就是Minnaert模型。它最初是用来描述月亮的BRDF的(基本Lambert反射加一点背部反射,世间少有)。Minnaert模型不允许有过大的背部散射值和边缘光照效果。但由于它是基于Lambert漫射的因此它的速度相当快。而Hapkel/Lommel-seelinger模型就有一点复杂了,但是你也可以改变背部和前部的散射量来产生更多的光线散射效果。这些模型很广泛的应用在表面上有微小毛发的材质和天鹅绒材质,这些材质会在其毛发的顶部产生边缘背部散射光线。第三个球体是Hapke/Lommel-Seelinger的一个变种,主要用来模拟带有绒毛的纤维。我在其背部打了一个蓝色的灯,以区别白色的过渡色。注意这些模型都加上了一些其它的参数,因为很少有渲染器能支持没有更改过的纯模型。

07.基于Lambert三角面的高级粗糙表面:Torrance,Sparrow,Cook,Blinn,Oren-Nayar

建立一个描述粗糙表面的数学模型的想法很早就有了。Torrance和Sparrow1967年设计出了一个以表面作为基准面的BRDF(早于Phong)。基面上分布有许多微小的三角面,用它们之间形成的角度来描述表面的粗糙程度。由于相邻三角面间形成的槽之间的角度正好相反,因此也叫它为V形槽。这个模型在物理上是正确的,因为它使用的是真实世界的参数来描述反射的分布,而且它具有波长独立性,意思就是说表面上的某一点因视角的不同而有不同的颜色。以后的几种模型都是基于这个基本模型而建立的。

之后Cook和Torrance在1982年迈出了重要的一步(有时称为Cook-Torrance模型,有时也称为Blinn-Cook-Torrance模型,因为它也把Blinn模型考虑进去了)。它是一种由Blinn和Torrance-Sparrow混合而成的模型,也是物理上精确的并而渲染速度上有所改进,其中之一是集成了更多的三角面分布函数。

Torrance-Sparrow,基于著名的高斯分布;内建基于Phong式分布的Cook-Torrance;Trowbridge-Reitz和Beckmann分布。不过这只是一小部分,重要的是集成了关于光线的计算信息,光线照射在三角面上,依据两个参数来反射。一个是著名的菲涅耳效应(简单的说就是反射量依据反射角和表面折射率--参见第一部分)。第二是基于自身的阴影投射和三角面遮罩的几何衰减因子,如下图。

Cook-Torrance这种常见模型主要是建立高光和模拟金属质感。有时也会混合Lambert的漫射部分,但由于它在物理上的正确性它不适用于艺术表现,而且它的速度也不是最快的一个。下图的第一个球体是Cook-Torrance高光,在表面粗糙度很小的情况下它跟Blinn高光的形态很相似。另一个常见的三角面模型是Oren-Nayar模型(实际上我们常用三角面模型是出于它的快速,而且它是Lambert漫射之外一个很好的选择)。它是Cook-Torrance模型的一个简易版,能建立漫射表和Blinn高光。我见过很多Oren-Nayar模型不同的应用方法,所以我很难解释它。这中间很多不使用遮罩和自身阴影投射,也不把波长计算算在其中。大多数情况下这个模型看起来像Lambert漫射加上视线正对处的暗淡,再加上一些背部散射。下图中的2,3号球是oren-Nayar模型的简单渲染,画圈的部位是同一点的不同视角,说明了反射值依据视角的不同而不同。我很喜欢这个模型,因为它比Lambert更具真实性。

下图中的1号球是另一种Oren-Nayar模型的应用。它看上去更像没有暗淡的lambert和背部散射的混合。不要问我它的算法是什么,它只是千万种经典模型中的一个变种。2号球体是复杂表面上的Oren Nayar漫射,带有尖锐的Blinn高光。3号球体使用相同的设置,只是漫射部分是Lambert,高光是Phong。

08.各向异性和序乱的模型:Ward, He, Schlick, Lewis, Lafortune等...

在上世纪90年代出现了大量的模型,而且有很多模型发展到了现在。这之中最流行的是He-Torrance-Sillion-Greenberg模型(1991--非常复杂,引入SSS特效,有着新型漫射部分叫直接漫射,基于物理真实和三角面),Schilick模型(1994--类似遮罩的三角面,漫射和高光部分一起计算,支持各向异性的新算法),Ward模型(1992--带有高斯分布的快速各向异性模型,物理上正确),Lewis模型(1993--也叫著名的经典cosine-lobe模型,物理上正确的Phong分布的扩展)和lafortune模型(1997--由于它是Lewis模型的普及,也叫普通版的cosine-lobe模型)。在一些3D软件中你可以看到它们的应用,但软件中不是用的它们的真名,因为软件的程序员只是用这些模型来达到他们特定的需求。这也是许多不同的模型存在的原因。举例来说,如果你安装了3ds max的第三方渲染插件和材

质包,以及一些带有BRDF模型的插件(像HairFX,MooDee shaders,Facialstudio),你会看到有20-30种不同的模型供你选择。再让我们来看看名向异性吧。到现在为止我们只介绍了各向同性模型,就是说反射值不随模型的旋转而发生变化。同样基本的三角面模型也是各向同性的,因为三角面的尺寸一样,且在表面上均匀分布。如果反射值随摄像机的角度旋转而不同也不能说明是各向异性的模型,就像我在第一部分里讲到的那样,各向异性是你在某一方向观察时表面上的凹凸和刮痕表现出同一性。来看看图片吧。

球1的高光是Ward模型。很像Blinn是吗,但我认为这个看上去要好点,因为高斯分布使得高光处有更多的细节,不像Blinn那么柔和。这个球只是有高光,但是当你使用物理上正确的镜面反射光线跟踪时你就明白我在说什么了。球2就是Ward模型的光线跟踪反射,球3是同样条件下的Blinn模型。球2我使用了各向异性的参数,还做了一段动画来看这个效果。有趣的是我也可以把Blinn模型弄成各向异性,这就是我所说的序乱的模型。你可以看到,Blinn模型上的各向异性有点问题,Blinn反射像平常那样柔和,但左下的那道细长高光表现的非常尖锐,这不像我想像中的那样。第三个球体是另个一种有趣的各向异性模型,它是finalshaders的distant fur,是3ds max的渲染插件finalrender stage-1的材质插件。它可以做为高级BRDF模型的很好的例子,它含有许多不同的基本BRDF 模型和一些扩展的功能,能方便的使用户创建他们想要的效果。

下图中的1号球是在绒绒的粗糙球体上使用了柔和的不均等色和Lambert漫射。在做成动画的时候不均等色也会使球体看上去模糊,像长绒毛一样。2号球使用非常尖锐的各向异性高光来模拟油油的表面。第3个球使用了自定义曲线来控制一个强大模型的光线反射分布。很遗憾这个类型的模型没有在大多数渲染器里得到支持,这种类型的著名模型有FALLOFF贴图和Zauner模型。我希望在渲染程序里能够很好的整合镜面反射衰减和各向异性分布的自定义曲线。4号球使用Zauner模型来产生模拟的SSS效果。看来我们已经接触到了SSS,好吧我们开始下一个话题吧。

09.高级渲染技巧和SSS模型:Kubelka-Munk,Hanrahan-Krueger,Jensen

首先,Kubelka-Munk和Hanrahan-Krueger模型跟高级渲染没什么关系。它们跟上面讲的模型一样,跟表面和摄像机有关,这两个又跟SSS特效有关。实际上它们是跟SSS特效最有关的模型,除了He模型之外。但它们只是处理表面的漫射部分,就是说它们不能真的计算表面下面的光线来达到实现真实物理属性的目的。这种技术需要新的渲染技术,像高级光线跟踪算法(MONTE CARLO)和光子贴图技术的支持。Kubelka-Munk模型是一个非常简单的用来描述表面上色素层的BRDF。它先考虑一层色素,下一步通过一个拥有众多参数的函数来模拟多层表面下的光线散射。就是说你可以指定表面的层数,漫射和散射行为,吸收光线的颜色和厚度。

下图的的1号球是Hanrahan-Krueger模型的动画。红色的过渡色是基本层,然会我在之上加了一层皮肤色的层,做成动画。第二个球是复杂表面上的Hanrahan-Krueger,打了背部散射的灯光来模拟毛发的细微模糊效果。这个模型模拟皮肤效果很好,特别是结合纹理贴图的时候。但注意它只是一个BRDF(R 表示反射),毕竟有它的局限性。三号球是使用了正确物理属性MONTE CARLO算法的SSS效果。这种效果很慢,你可以把它当做是加强的光线跟踪算法,因为要从表面上某一点发射出多条光线到场景中来收集必要的信息,这比只发射一条光线要慢很多。这也可以是一种序乱的Lambert光线跟踪算法,因为从这一点处的半球体射出的光线是随机的。我不肯定MONTE CARLO算法的光线跟踪渲染器是否考虑了BRDF模型,来达到多种效果的目的。典型的基于Lambert 的电脑图像看上去是死板的,这时典型的GI来到了,但这种算法渲染动画的速度太慢了。因此,Henrik Jensen,光子贴图的发明者(几乎所有的渲染器都集成

了这种特效)结合了这两种方法各自的优点,它使用了普及化的Hanrahan-Kruger作为散射部分(直接散射和漫射)和一种优化的漫射逼进算法作为多重散射的漫射部分(加上菲涅耳效应),他称他的这种快速SSS为BSSRDF宝贝。他成功了,看看Gollum,哈里波特,或其它一些大预算的电脑动画你就知道我的意思了。最后一个球体使用了Hanrahan-Kruger和低品质的MONTE CARLO的混合来加速SSS特效。

最后希望这篇讲解BRDF模型的文章讲到了你不知道的一些东西。如果你发现其中有不对的地方发EMAIL给我。

全文完

{高中试卷}高三生物一轮复习:反射活动的基本原理[仅供参考]

20XX年高中测试 高 中 试 题 试 卷 科目: 年级: 考点: 监考老师: 日期:

第三章动物稳态维持的生理基础 第一、二节神经冲动的产生和传导反射活动的基本原理 1.(20XX·徐州模拟)在用脊蛙(去除脑保留脊髓的蛙)进行反射弧分析的实验中,破坏缩腿反射弧在左后肢的部分结构,观察双侧后肢对刺激的收缩反应,结果如下表: 上述结果表明,反射弧的被破坏部分可能是() ①感受器和传入神经②感受器和效应器③感受器④传入神经和效应器⑤传入 神经和传出神经 A.②或④或⑤ B. ②或③或④ C.②或③或⑤D.①或②或⑤ 解析:根据表格中在破坏前刺激此脊蛙的左或右后肢,左、右后肢都要收缩,说明左、右后肢都有感受器、传入神经、传出神经、效应器,且左或右后肢的反射弧间能交叉连接。破坏缩腿反射弧在左后肢的部分结构后,刺激左后肢,左、右后肢都不收缩,说明破坏部位可能是感受器或传入神经;刺激右后肢,左后肢不收缩而右后肢收缩,说明破坏部位可能是传出神经或效应器,综合两个实验可知,破坏部位可能是感受器和传出神经或感受器和效应器或传入神经和传出神经或传入神经和效应器。 答案:A 2.(20XX·宁夏高考)下列对于神经兴奋的叙述,错误的是() A.兴奋部位细胞膜两侧的电位表现为膜内为正、膜外为负 B.神经细胞兴奋时细胞膜对Na+通透性增大 C.兴奋在反射弧中以神经冲动的方式双向传递 D.细胞膜内外K+、Na+分布不均匀是神经纤维兴奋传导的基础 解析:本题主要考查神经兴奋的产生及传导的特点。受到一定强度的刺激时,钠离子通

道打开,导致Na+大量内流,所以由外正内负转变为外负内正;兴奋在神经元之间的传递是通过突触完成的,只能单向传递,在神经纤维上可以(不一定)双向传导。 答案:C 3.(20XX·山东高考)如图表示枪乌贼离体神经纤维在Na+浓度不同的两种海水中受刺激后的膜电位变化情况。下列描述错误的是() A.曲线a代表正常海水中膜电位的变化 B.两种海水中神经纤维的静息电位相同 C.低Na+海水中神经纤维静息时,膜内Na+浓度高于膜外 D.正常海水中神经纤维受刺激时,膜外Na+浓度高于膜内 解析:神经元细胞膜受到一定强度的刺激后,钠离子通道打开,钠离子大量内流导致膜电位由“外正内负”变为“外负内正”,所以a可以表示正常电位变化;静息电位由图可知是相同的,均为“外正内负”。 答案:C 4.(新题快递)如图表示一个神经元在一次兴奋后,将兴奋传递给另一个神经元的过程。下面相关叙述正确的是() A.a处和c处的动作电位是同步发生的 B.从图可看出c处先产生兴奋再传到a处引起兴奋 C.a处产生的动作电位表现为内负外正 D. 兴奋由a→b→c的传递过程中的信号变化为电信号→化学信号→电信号 解析:兴奋在两个神经元之间传递是通过突触实现的,从突触前神经元传到突触后神经元,前后是不同步的,信号变化为电信号→化学信号→电信号。 答案:D 5.(20XX·江苏名校联考)如图表示刺激强度逐渐增加(S1~S8)时下一个神经元膜电位的变化规律,下列叙述正确的是()

反射波法基本测试原理与波形分析

一. 反射波法基本测试原理与波形分析 1.广义波阻抗及波阻抗界面 设桩身某段为一分析单元,其桩身介质密度、弹性波波速、截面面积分别用ρ,C ,A 表示,则令 Z =ρCA (7-1) 称Z 为广义波阻抗。当桩身的几何尺寸或材料的物理性质发生变化时,则相应的ρ、C 、A 发生变化,其变化发生处称为波阻抗界面。界面上下的波阻抗比值为 2 2211121A C A C Z Z n ρρ== (7-2) 称n 为波阻抗比。 2.应力波在波阻抗界面处的反射与透射 设一维平面应力波沿桩身传播,当到达一与传播方向垂 直的某波阻抗界面(如图7-2所示)时。根据应力波理论,由连续性条件和牛顿第三定律有 V I +V R =V T (7-3) A 1(σI +σR )=A 2σT (7-4) 式中,V 、σ分别表示质点振动的速度和产生的应力,下标I 、R 、T 分别表示入射波、反射波和透射波。 由波阵面的动量守恒条件导得 σI =-ρ1C 1V I σR =ρ1C 1 V R σT =-ρ2C 2V T 代入式(7-4),得 ρ1C 1A 1(V I -V R )=ρ2C 2A 2V T (7-5) 联立式(7-3)和(7-5),求得 V R =-FV I (7-6a ) V T =nTV I (7-6b ) 式中 n n F +-=11 称为反射系数 (7-7a ) n T +=12 称为透射系数 (7-7b ) 式(7-6)是反射波法中利用反射波与入射波的速度量的相位关系进行分析的重要关系式。 3.桩身不同性况下应力波速度量的反射、透射与入射的关系 (1)桩身完好,桩底支承条件一般。此时,仅在桩底存在界面,速度波沿桩身的传播情况如图7-3所示。 因为ρ1C 1A 1>ρ2C 2A 2,所以n = Z 1/Z 2>1,代入式(7-7)得 F <0,(T 恒>0) 由式(7-6)可知,在桩底处,速度量的反射波与入射波同号,体现在V (t )时程曲线上,则为波峰相同(同向)。典型的完好桩的实测波形如图7-4。 由图7-3、图7-4分析可得激振信号从触发到返回桩顶所需的时间t 1、纵波波速C 、桩长L 三者之间的关系为 Z 1=ρ1C 1A 1 Z 2=ρ2C 2A 2 图7-2 应力波的反射与透射

关于SI信号完整性,你应该了解以下几点

关于SI信号完整性,你应该了解以下几点 1、什么是信号完整性(Singnal Integrity)?信号完整性(Singnal Integrity)是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。信号具有良好的信号完整性(Singnal Integrity)是指当在需要的时候,具有所必须达到的电压电平数值。主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。常见信号完整性问题及解决方法:问题可能原因解决方法其他解决方法过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源直流电压电平不好线上负载过大以交流负载替换直流负载在接收端端接,重新布线或检查地平面过大的串扰线间耦合过大使用上升时间缓慢的发送驱动器使用能提供更大驱动电流的驱动源时延太大传输线距离太长替换或重新布线, 检查串行端接头使用阻抗匹配的驱动源, 变更布线策略振荡阻抗不匹配在发送端串接阻尼电阻 2、什么是串扰(crosstalk)?串扰(crosstalk)是指在两个不同的电性能之间的相互作用。产生串扰(crosstalk)被称为Aggressor,而另一个收到干扰的被称为Victim。通常,一个网络既是Aggressor(入侵者),又是Victim(受害者)。振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象(伴有地平面回路),串扰则是由同一PCB板上的两条信号线与地平面引起的,故也称为三线系统。串扰是两条信号线之间的耦合,信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流,而感性耦合引发耦合电压。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。 3、什么是电磁兼容(EMI)?电磁干扰(Ectromagnetioc Interference),或者电磁兼容性(EMI),是从一个传输线(transmission line)(例如电缆、导线或封装的管脚)得到的具有天线特性的结果。印制电路板、集成电路和许多电缆发射并影响电磁兼容性(EMI)的问题。FCC定义了对于一定的频率的最大发射的水平(例如应用于飞行控制器领域)。 4、在时域(time domain)和频域(frequency domain)之间又什么不同?时域(time domain)是一个波形的示波器观察,它通常用于找出管脚到管脚的延时(delays)、偏移(skew)、过冲(overshoot)、下冲(undershoot)以及设置时间(setting times)。频域

第三章第二节反射活动的基本原理

第三章动物稳态维持的生理基础 第二节反射活动的基本原理 课前导学 知识回顾 1.人体神经调节的基本方式是________,它是在中枢神经系统(脑和脊髓)的参与下,人和动物体对体内和外界环境的各种刺激发生的规律性反应。分为_________和__________两种类型。 2.反射弧是完成_______________的结构基础。 3.兴奋在神经纤维上以___________形式传导,传导的方向是__________,与_________________的方向一致。新知预习 4.写出反射弧模式图中标号结构的名称 5.突触的结构 A._________ 突触 B._________ C._________ 其他结构:D._________、E.______、F._________、G.________。 6.反射中枢担负着对传入的神经冲动进行_______、_______、________的功能,是整个反射弧的____________。 ①二元反射弧:最简单,中枢由传入与传出神经元的________和___________构成,如_____反射的反射弧。 ②三元反射弧:在传入神经元与传出神经元之间增加了一个___________,如____反射的反射弧。 ③具有多个中间神经元的反射弧:绝大多数反射弧属于此类,中间神经元越________,反射中枢分析和综合能力就越强。 课中探究 探究点一:反射弧的构成和反射中枢 归纳提升 1.一个完整的反射活动必须保证反射弧的五个环节完整,所以仅靠一个神经元是不能完成的,至少需要2个神经元(1个感觉神经元和1个运动神经元)。 2.反射弧中传入神经和传出神经的判断: ①根据是否具有神经节:有神经节的是传入神经。 ②根据脊髓灰质中的突触结构:神经递质只能从突触前膜释放,作用于突触后膜。 ③根据脊髓灰质结构判断:与前角(膨大部分)相连的为传出神经,与后角(狭窄部分)相连的为传入神经。3.反射弧中任何一个环节中断,反射即不能发生,必须保证反射弧结构的完整性。特别需要注意的是,如果仅仅是感受器受损,刺激传入神经,效应器也会有应答反应,但这不属于反射。“吃糖感觉到甜”也不属于反射。 精讲精练 【例1】反射和反射弧的关系是() A.反射活动可以不通过反射弧实现

信号完整性研究反射现象

信号完整性研究:反射现象 前面讲过,对于数字信号的方波而言,含有丰富的高频谐波分量,边沿越陡峭,高频成分越多。而pcb上的走线对于高频信号而言相当于传输线,信号在传输线中传播时,如果遇到特性阻抗不连续,就会发生反射。反射可能发生在传输线的末端,拐角,过孔,元件引脚,线宽变化,T型引线等处。总之,无论什么原因引起了传输线的阻抗发生突变,就会有部分信号沿传输线反射回源端。 反射形成机理很复杂,这包含了很多电磁领域的复杂的知识,本文不准备深入讨论,如果你真的很想知道,可以给我留言,我专门讲解。 工程中重要的是反射量的大小。表征这一现象的最好的量化方法就是使用反射系数。反射系数是指反射信号与入射信号幅值之比,其大小为:(Z2-Z1)/ (Z2+Z1)。Z1是第一个区域的特性阻抗,Z2是第二个区域的特性阻抗。当信号从第一个区域传输到第二个区域时,交界处发生阻抗突变,因而形成反射。举个例子看看反射能有多大,假设Z1=50欧姆,Z2=75欧姆,根据公式得到反射系数为:(75-50)/(75+50)=20%。如果入射信号幅度是3.3v,反射电压达到了 3.3*20%=0.66v。对于数字信号而言,这是一个很大的值。你必须非常注意他的影响。

实际电路板上的反射可能非常复杂,反射回来的信号还会再次反射回去,方向与发射信号相同,到达阻抗突变处又再次反射回源端,从而形成多次反射,一般的资料上都用反弹图来表示。多次的反弹是导致信号振铃的根本原因,相当于在信号上叠加了一个噪声。为了电路板能正确工作,你必须想办法控制这个噪声的大小,噪声预算是设计高性能电路板的一个非常重要的步骤。 信号完整性:信号反射 时间:2009-04-17 21:12来源:未知作者:于博士点击: 3212次 信号沿传输线向前传播时,每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗,这个阻抗可能是传输线本身的,也可能是中途或末端其他元件的。对于信号来说,它不会区分到底是什么,信号所感受到的只有阻抗。如果信号感受到的阻抗是恒定的,那么他就会正常向前传播,只要感受到的阻抗发生变化,不论是

反射基本原理

如果信号沿互连线传播时所受到的瞬态阻抗发生变化,则一部分信号将被反射回源端,另一部分发生失真并继续传播,这正是单一网络中多数信号完整性问题产生的主要原因。 信号只要遇到瞬态阻抗突变,反射就会发生。通常反射可能发生在线末端,或者是互连线拓扑结构发生改变的地方,如拐角、过孔、T型结构、接插件等处。因此设计互连线的目的就是尽可能保持信号受到的阻抗恒定。 只要瞬态阻抗发生了改变,部分信号将沿着与原传播方向相反的方向反射,而另一部分将继续传播,但幅度有所改变。将瞬态阻抗发生改变的地方称为阻抗突变,或简称突变。 反射信号的量值由瞬态阻抗的变化量决定,如图所示。如果第一个区域瞬态阻抗是Z1,第二个区域是Z2,则反射信号与入射信号幅值之比为: V re/V in = (Z2-Z1)/(Z2+Z1)=ρ V re-反射电压; V in -入射电压; Z1-信号最初所在区域1的瞬态阻抗; Z2-信号进入区域2时的瞬态阻抗; ρ-反射系数。 两个区域的阻抗差异越大,反射信号量就越大。 例如,1V信号沿特性阻抗为50欧姆的传输线传播,开始所受到的瞬态阻抗为50欧姆,当它进入特性阻抗为75欧姆的区域时,反射系数为: (75-50)/(75+50)=0.2,反射电压为1V×0.2=0.2V。 下面讨论反射产生的机理。 在突变交界面处,无论是从区域1还是从区域2看过去,交界面两侧的电压和电流都必须是相同的。 边界处不可能出现电压不连续,否则此处会有一个无限大电场;也不可能出现电流不连续,否则会有一个无限大的磁场。 为了维持分界面两侧的电压和电流相等,就需要满足关系式V1=V2,I1=I2。而I1=V1/Z1,I2=V2/Z2,同时成立,显然,当两个区域的阻抗不同时,这些关系式绝不可能同时成立。 为了使整个系统协调稳定,区域1中产生了一个反射回源端的电压。它的唯一目的就是吸收入射信号和传输信号之间不匹配的电压和电流,如图所示。

信号完整性之初识信号反射

信号完整性之初识信号反射 版本号更改描述更改人日期 1.0 第一次撰稿 eco 2013-10-19 E-mial:zhongweidianzikeji@https://www.360docs.net/doc/a13049752.html, QQ:2970904654 反射产生的原因 在《和信号完整性有关的几个概念》中我们已经简单的介绍了“反射”这厮。在下认为 “信号反射”在电路中是不可避免的,不论是高速电路还是低速电路。而我们只能用一些办 法去优化电路,去优化PCB的布局布线,从而降低反射的大小或者在信号反射时避免对电 路的操作。 为什么信号反射无法完全消除,在高速和低速电路中都会存在,在下鄙见如下: V = 3x10^8 / sqrξ 式1 其中:V是带状线中信号传播的速度(m/s),3x10^8是光速(m/s),ξ是介电常数。 由式1可知,信号的传播速度只与物质的介电常数有关,在基材相同的情况下,不论在 高速电路中还是在低速电路中信号都会以相同的速度传播。在基材为FR4的电路板中,介 电常数ξ一般为4左右,由式1我们可以计算出信号的传播速度V = 3x10^8 / sqr(4) = 1.5x10^8 m/s,转换单位后约为6in/ns,这就是为什么很多资料上喊信号在FR4材料中的传 播速度为6in/ns(注:1mil = 0.0254mm; 1inch = 25.4mm。对于这个单位转化,感兴趣 的人一定要自己计算计算,享受过程可以让你更快乐更智慧哦)。1.5x10^8 m/s(6in/ns) 速度极快了吧,设想山间小溪,小溪中的水流以1.5x10^8 m/s流动,流动中突遇一石头便 会荡起无数涟漪,迸射无数水花。溪中这块石头意味着阻抗失配。综上所述,我们姑且把这 水流现象近似看作电路中的信号反射。 为了给大家一个直观的感受,在下从网上找了两张图片,见图1、图2。很多时候有些 东西是说不清道不明的,关键看大家如何去想,如何去悟。我建议大家应该看着这个水流冥 想一下。 图1 这就是电流

反射活动的基本原理人脑的高级功能教案-中图版高中生物必修3检测练习

第二、三节反射活动的基本原理人脑的高级功能 1.理解反射弧的构成。(重难点) 2.掌握突触和实触传递。(重点) 3.说明反射中枢的类型。 4.概述人脑的高级功能,区别大脑皮层功能区。(重点) 反射弧的构成与反射中枢 1.反射弧的构成 (1)神经调节的基本方式:反射。 (2)结构基础——反射弧 (3)反射的一般过程 感受器接受刺激并产生神经冲动,神经冲动沿着传入神经纤维传到神经中枢,然后经传出神经纤维传到效应器,从而引起机体产生某一运动。 2.反射中枢 (1)反射中枢的作用 分析、归纳和整理神经冲动,是反射弧的核心。 (2)反射中枢的组成 ①二元反射弧:最简单,由传入与传出神经元的突触联系和传出神经元的胞体构成,如膝跳反射的反射弧。 ②三元反射弧:在传入神经元和传出神经元之间增加了一个中间神经元,如缩手反射的反射弧。 ③具多个中间神经元的反射弧:绝大多数反射弧属于此类,中间神经元越精细复杂,反射中枢分析综合能力就越强。

[合作探讨] 探讨1:观察膝跳反射和缩手反射示意图,并探讨以下问题: 膝跳反射 缩手反射 (1)膝跳反射、缩手反射分别是由几个神经元完成的,由此你将得出什么结论? 提示:2、3。不同的反射需要的神经元数目不同,一般来说,反射活动越复杂,需要的神经元越多。 (2)上述两种反射弧中的传入神经分别是哪个数字序号? 提示:①、①。 探讨2:给狗喂食会引起唾液分泌,但铃声刺激不会。若每次在铃声后即给狗喂食,这样多次结合后,狗一听到铃声就会分泌唾液。 (1)食物引起味觉属于反射吗? 提示:不属于。 (2)铃声引起唾液分泌的反射弧与食物引起唾液分泌的反射弧相同吗?为什么? 提示:不相同。铃声引起唾液分泌的神经中枢在大脑皮层,食物引起唾液分泌是非条件反射,是先天就有的,神经中枢在大脑皮层以下,这两种反射的感受器和传入神经也不相同。 [归纳总结] 1.反射弧中传入神经和传出神经的判断

PCB SI信号完整性之反射仿真.

一、IBIS模型的获取 a) 直接找芯片供应商 b) 从网上下载 i.到Google网站直接搜索某个型号的IBIS模型; ii. 到器件厂商的官方网站下载; iii.从专门提供IBIS模型的网站搜索下载。 c) 仿真器件的SPICE 模型或直接测量 二、IBIS模型的转化过程 将模型的IBIS格式转化为DML格式,可以使用Allegro自带的Model Integrity.一般有两种方式打开此软件: 1、在SPECCTRAQuest下,点击Tools->Model Integrity; 2、在Allegro目录下,Model Integrity作为单独的软件存在,只要点下即可。 然后,选择File->Open,打开已经获得的IBIS模型,可同时打开多个芯片的IBIS模型,其界面如下图所示: 只要打开IBIS模型,在输出窗口的Parse Messages里,会自动显示关于此模型的错误和警告信息,具体如下图所示:

此界面的右下角,如下图所示的方框,可在方框里输入提示错误的行,然后点击左边的,则跳转到该行,进行修改。对于警告信息,可以不用理会,现在绝大多数的IBIS模型都或多或少有警告信息。 如果想观察模型的波形,可如下图所示进行操作。也可在选中任一IOCell模型,直接点快捷按钮。具体操作如下图所示: 之后,出现的波形如下图所示:

当模型的语法错误修改完毕后,可右击该模型,选择IBIS to DML,如下图所示: 若此步可以完成,说明成功转化为DML格式。 保存转化为DML格式的方件,最好把需要用到的DML文件放在同一文件夹里。此时,可以关闭Model Integrity. 三、IBIS模型的注意事项 1、确认IBIS模型里PIN的名称与原理图及PCB图的PIN名称一致,特别是对于PGA封装的IC。例如HI3520芯片,原理图上有一PIN为AM9,而其IBIS模型的名称为AM09,则命名不一致。这种情况可以转化为DML格式,但在后续仿真中,其模型不能正确被加载。

信号完整性名词解释

信号完整性名词解释 1、什么是信号完整性(Singnal Integrity)? 信号完整性(Singnal Integrity)是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。信号具有良好的信号完整性(Singnal Integrity)是指当在需要的时候,具有所必须达到的电压电平数值。主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。常见信号完整性问题及解决方法: 问题可能原因解决方法其他解决方法 过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源 直流电压电平不好线上负载过大以交流负载替换直流负载在接收端端接,重新布线或检查地平面 过大的串扰线间耦合过大使用上升时间缓慢的发送驱动器使用能提供更大驱动电流的驱动源 时延太大传输线距离太长替换或重新布线, 检查串行端接头使用阻抗匹配的驱动源, 变更布线策略 振荡阻抗不匹配在发送端串接阻尼电阻 2、什么是串扰(crosstalk)? 串扰(crosstalk)是指在两个不同的电性能之间的相互作用。产生串扰(crosstalk)被称为Aggressor,而另一个收到干扰的被称为Victim。通常,一个网络既是Aggressor(入侵者),又是Victim(受害者)。振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象(伴有地平面回路),串扰则是由同一PCB板上的两条信号线与地平面引起的,故也称为三线系统。串扰是两条信号线之间的耦合,信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流,而感性耦合引发耦合电压。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。 3、什么是电磁兼容(EMI)? 电磁干扰(Ectromagnetioc Interference),或者电磁兼容性(EMI),是从一个传输线(transmission line)(例如电缆、导线或封装的管脚)得到的具有天线特性的结果。印制电路板、集成电路和许多电缆发射并影响电磁兼容性(EMI)的问题。FCC定义了对于一定的频率的最大发射的水平(例如应用于飞行控制器领域)。 4、在时域(time domain)和频域(frequency domain)之间又什么不同? 时域(time domain)是一个波形的示波器观察,它通常用于找出管脚到管脚的延时(delays)、偏移(skew)、过冲(overshoot)、下冲(undershoot)以及设置时间(setting times)。频域(frequency domain)是一个波形的频谱分析议的观察,它通常用于波形与频谱分析议的观察、它通常用

【很好】信号完整性基础之反射

信号完整性基础之反射 反射是引起SI的一个最基本因素,信号在传输线传播过程中,一旦它所感受到的传输线瞬时阻抗发生变化,那么就必将有发射发生。 反射是由于传输线瞬时阻抗变化而引起的 下面就从理论角度来分析一下反射的机理、反射系数和传输系数的计算 配个简易图来加以说明 图中褐色的为电路板上的大面积铺铜层(GND或者PWR),它是信号的返回路径。绿色和红色是传输线,S1比较宽,S2较窄,很明显在S1和S2的交接处出现了阻抗不连续,根据阻抗计算公式应该是Rs1

在分界面的右边一点点S2中有:Rs2=V2/I2 (2) 其中的V1、V2分别为分界面两侧的电压,I1和I2为分界面两侧的电压 由上面的电压和电流连续性得知:V1=V2,I1=I2 (3) 分析上面的三组方程,如果没有反射,他们是不可能同时成立的 因为Rs1和Rs2是不相等的 所以可以判定在分界面必定存在反射回源端的信号 反射电压设为Vf,反射电流为If 进入S2的电压为Vt,电流为It(称他们为传输电压和传输电流) 信号电压为Vi,电流为Ii(称之为输入电压,从分界面看) 电压关系有:Vi+Vf=Vt 电流关系有:Ii-If=It 这又是很关键的两个关系式 因为Vi/Ii=Rs1 Vf/If=Rs1 Vt/It=Rs2 把这三个关系式代入到上面的两个电压和电流关系方程中可以得到 Vi/Rs1-Vf/Rs1=Vt/Rs2=(Vi+Vf)/Rs2 (Vi-Vf)/Rs1=(Vi+Vf)/Rs2反射系数X定义为反射电压和输入电压的比值,即Vf/Vi 可求的X=(Rs2-Rs1)/(Rs1+Rs2) 传输系数Y定义为传输电压和输入电压的比值,即Vt/Vi 经过X式小变形即可求得 可求的Y=2Rs2/(Rs1+Rs2)

反射波法基本测试原理与波形分析

一. 反射波法基本测试原理与波形分析 1.广义波阻抗及波阻抗界面 设桩身某段为一分析单元,其桩身介质密度、弹性波波速、截面面积分别用ρ,C ,A 表示,则令 Z =ρCA (7-1) 称Z 为广义波阻抗。当桩身的几何尺寸或材料的物理性质发生变化时,则相应的ρ、C 、A 发生变化,其变化发生处称为波阻抗界面。界面上下的波阻抗比值为 2 2211121A C A C Z Z n ρρ== (7-2) 称n 为波阻抗比。 2.应力波在波阻抗界面处的反射与透射 设一维平面应力波沿桩身传播,当到达一与传播方向垂 直的某波阻抗界面(如图7-2所示)时。根据应力波理论,由连续性条件与牛顿第三定律有 V I +V R =V T (7-3) A 1(σI +σR )=A 2σT (7-4) 式中,V 、σ分别表示质点振动的速度与产生的应力,下标I 、R 、T 分别表示入射波、反射波与透射波。 由波阵面的动量守恒条件导得 σI =-ρ1C 1V I σR =ρ1C 1 V R σT =-ρ2C 2V T 代入式(7-4),得 ρ1C 1A 1(V I -V R )=ρ2C 2A 2V T (7-5) 联立式(7-3)与(7-5),求得 V R =-FV I (7-6a) V T =nTV I (7-6b) 式中 n n F +-= 11 称为反射系数 (7-7a) n T +=12 称为透射系数 (7-7b) 式(7-6)就是反射波法中利用反射波与入射波的速度量的相位关系进行分析的重要关系式。 3.桩身不同性况下应力波速度量的反射、透射与入射的关系 (1)桩身完好,桩底支承条件一般。此时,仅在桩底存在界面,速度波沿桩身的传播情况如图7-3所示。 因为ρ1C 1A 1>ρ2C 2A 2,所以n = Z 1/Z 2>1,代入式(7-7)得 F <0,(T 恒>0) 由式(7-6)可知,在桩底处,速度量的反射波与入射波同号,体现在V (t )时程曲线上,则为波峰相同(同向)。典型的完好桩的实测波形如图7-4。 由图7-3、图7-4分析可得激振信号从触发到返回桩顶所需的时间t 1、纵波波速C 、桩长L 三者之间的关系为 1 2t L C = (7-8) Z 1=ρ1C 1A 1 Z 2=ρ2C 2A 2 图7-2 应力波的反射与透射

高速信号与信号完整性分解

什么是高速数字信号? 高速数字信号由信号的边沿速度决定,一般认为上升时间小于4倍信号传输延迟时可视为高速信号,而高频信号是针对信号频率而言的。高速电路涉及信号分析、传输线、模拟电路的知识。错误的概念是:8KHz帧信号为低速信号。多高的频率才算高速信号? 当信号的上升/下降沿时间< 3~6倍信号传输时间时,即认为是高速信号. 对于数字电路,关键是看信号的边沿陡峭程度,即信号的上升、下降时间,信号从10%上升到90%的时间小 于6倍导线延时,就是高速信号! 即使8KHz的方波信号,只要边沿足够陡峭,一样是高速信号,在布线时需要使用传输线理论。 信号完整性研究:什么是信号完整性? 时间:2009-03-11 20:18来源:sig007 作者:于博士点击:1813次 信号完整性主要是指信号在信号线上传输的质量,当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收芯片管脚时,该电路就有很好的信号完整性。当信号不能正常响应或者信号质量不能使系统长期稳定工作时,就出现了信号完整性问题,信号完整性主要表现在延迟、反射、串扰、时序、振荡等几个方面。一般认为,当系统工作在50MHz时,就会产生信号完整性问题,而随着系统和器件频率的不断攀升,信号完整性的问题也就愈发突出。元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等 这些问题都会引起信号完整性问题,导致系统工作不稳定,甚至完全不能正常工作。 1、什么是信号完整性(Singnal Integrity)? 信号完整性(Singnal Integrity)是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。信号具有良好的信号完整性(Singnal Integrity)是指当在需要的时候,具有所必须达到的电压电平数值。主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。常见信号完整性问题及解决方法: 问题可能原因解决方法其他解决方法 过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源 直流电压电平不好线上负载过大以交流负载替换直流负载在接收端端接,重新布线或检查地平面

反射活动的基本原理

第二节反射活动的基本原理 高班姓名: 学习导航 1.评述反射的结构基础是反射弧。 [重点] 2.说明突触的结构以及细胞间兴奋的传递过程。 [重、难点] 3.举例说出常见的反射活动和反射中枢的类型。 一、反射 1.种类:非条件反射:动物通过遗传获得的生来就有的反射。 条件反射:动物通过后天学习逐渐形成的后天性反射。 2.反射弧:反射的结构基础,包括、、、、 【练一练】 在一个以肌肉为效应器的反射弧中,如传出神经遭到破坏,而其他部分正常,当感受器受到刺激后将表现为() A.既有感觉又能运动 B.失去感觉同时肌肉无收缩反应 C.有感觉但肌肉无收缩反应 D.失去感觉但能运动 二、兴奋在神经元之间的传递: 探究活动: 材料:教材34页探究活动 分析讨论: 1、什么影响了2号蛙心的心率? 2、若要重复该实验,你认为需要注意哪些环节? 3、、实验结果说明了什么问题? 1、突触的结构阅读教材回答问题 (1)什么是突触小体? (2)神经递质的作用?存在位置? (3)突触的结构? 小组活动:模拟制作突触

工具:纸板、胶水等 任务:模拟制作一个突触结构,并用笔标出各部分结构的名称 做好后请小组派代表进行展示 2、兴奋在突触中的传递 试着写出突触传递的过程: 突触传递过程中的信号变化: 信号 信号 信号 【练一练】 以下是兴奋传导的结构简图 如果在A 点受到刺激,哪几个点能测到电位的变化?如此可说明什么问题? 3、突触传递特点 ⑴ 传递 原因:神经递质只能由 释放,作用于 ⑵ 原因:在突触信号的传导需要时间,神经递质的 , 和作用都需要时间 【练一练】 下列有关突触结构和功能的叙述,错误的是 A .突触前膜与后膜之间有间隙 B .兴奋由电信号转变成化学信号,再转变成电信号 C .兴奋在突触处只能由前膜传向后膜 D .突触前后两个神经元的兴奋是同步的 三、反射中枢 1、反射弧分类: 反射弧、三元反射弧、 反射弧 2、反射中枢作用:对传入的神经冲动进行 、 以及 。 兴奋

信号完整性的一些基本概念汇总

信号完整性 什么是电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)? (Electromagnetic Interference),有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络。在高速PCB及系统设计中,高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源,能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。 自从电子系统降噪技术在70年代中期出现以来,主要由于美国联邦通讯委员会在1990年和欧盟在1992提出了对商业数码产品的有关规章,这些规章要求各个公司确保它们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。 什么是信号完整性(signal integrity)? 信号完整性是指信号在信号线上的质量。信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候,具有所必需达到的电压电平数值。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的,而是板级设计中多种因素共同引起的。 什么是反射(reflection)? 反射就是在传输线上的回波。信号功率(电压和电流)的一部分传输到线上并达到负载处,但是有一部分被反射了。如果源端与负载端具有相同的阻抗,反射就不会发生了。 源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射,负载将一部分电压反射回源端。如果负载阻抗小于源阻抗,反射电压为负,反之,如果负载阻抗大于源阻抗,反射电压为正。布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素的变化均会导致此类反射。 什么是串扰(crosstalk)? 串扰是两条信号线之间的耦合,信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流,而感性耦合引发耦合电压。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。 什么是过冲(overshoot)和下冲(undershoot)? 过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指最高电压而对于下降沿是指最低电压。下冲是指下一个谷值或峰值。过分的过冲能够引起保护二极管工作,导致过早地失效。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误(误操作)。 什么是振荡(ringing)和环绕振荡(rounding)? 振荡的现象是反复出现过冲和下冲。信号的振荡和环绕振荡由线上过度的电感和电容引起,振荡属于欠阻尼状态而环绕振荡属于过阻尼状态。信号完整性问题通常发生在周期信号中,如时钟等,振荡和环绕振荡同反射一样也是由多种因素引起的,振荡可以通过适当的端接予以减小,但是不可能完全消除。

信号完整性:信号反射

信号完整性:信号反射 时间:2009-04-17 21:12来源:未知作者:于博士 信号沿传输线向前传播时,每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗,这个阻抗可能是传输线本身的,也可能是中途或末端其他元件的。对于信号来说,它不会区分到底是什么,信号所感受到的只有阻抗。如果信号感受到的阻抗是恒定的,那么他就会正常向前传播,只要感受到的阻抗发生变化,不论是什么引起的(可能是中途遇到的电阻,电容,电感,过孔,PCB转角,接插件),信号都会发生反射。 那么有多少被反射回传输线的起点?衡量信号反射量的重要指标是反射系数,表示反射电压和原传输信号电压的比值。反射系数定义为:。 其中:为变化前的阻抗,为变化后的阻抗。假设PCB线条的特性阻抗为50欧姆,传输过程中遇到一个100欧姆的贴片电阻,暂时不考虑寄生电容电感 的影响,把电阻看成理想的纯电阻,那么反射系数为:,信号 有1/3被反射回源端。如果传输信号的电压是3.3V电压,反射电压就是1.1V。 纯电阻性负载的反射是研究反射现象的基础,阻性负载的变化无非是以下四种情况:阻抗增加有限值、减小有限值、开路(阻抗变为无穷大)、短路(阻抗突然变为0)。 阻抗增加有限值: 反射电压上面的例子已经计算过了。这时,信号反射点处就会有两个电压成分,一部分是从源端传来的3.3V电压,另一部分是在反射电压1.1V,那么反射点处的电压为二者之和,即4.4V。 阻抗减小有限值: 仍按上面的例子,PCB线条的特性阻抗为50欧姆,如果遇到的电阻是30欧 姆,则反射系数为,反射系数为负值,说明反射电压为负电 压,值为。此时反射点电压为3.3V+(-0.825V)=2.475V。 开路: 开路相当于阻抗无穷大,反射系数按公式计算为1。即反射电压3.3V。反射点处电压为6.6V。可见,在这种极端情况下,反射点处电压翻倍了。 短路: 短路时阻抗为0,电压一定为0。按公式计算反射系数为-1,说明反射电压为-3.3V,因此反射点电压为0。 计算非常简单,重要的是必须知道,由于反射现象的存在,信号传播路径中阻抗发生变化的点,其电压不再是原来传输的电压。这种反射电压会改变信号的

Java中类反射机制基本原理

Java中的类反射机制 一、反射的概念 反射的概念是由Smith在1982年首次提出的,主要是指程序可以访问、检测和修改它本身状态或行为的一种能力。这一概念的提出很快引发了计算机科学领域关于应用反射性的研究。它首先被程序语言的设计领域所采用,并在Lisp和面向对象方面取得了成绩。其中LEAD/LEAD++ 、Open C++ 、Meta Xa和Open Java等就是基于反射机制的语言。最近,反射机制也被应用到了视窗系统、操作系统和文件系统中。 反射本身并不是一个新概念,它可能会使我们联想到光学中的反射概念,尽管计算机科学赋予了反射概念新的含义,但是,从现象上来说,它们确实有某些相通之处,这些有助于我们的理解。在计算机科学领域,反射是指一类应用,它们能够自描述和自控制。也就是说,这类应用通过采用某种机制来实现对自己行为的描述(self-representation)和监测(examination),并能根据自身行为的状态和结果,调整或修改应用所描述行为的状态和相关的语义。可以看出,同一般的反射概念相比,计算机科学领域的反射不单单指反射本身,还包括对反射结果所采取的措施。所有采用反射机制的系统(即反射系统)都希望使系统的实现更开放。可以说,实现了反射机制的系统都具有开放性,但具有开放性的系统并不一定采用了反射机制,开放性是反射系统的必要条件。一般来说,反射系统除了满足开放性条件外还必须满足原因连接(Causally-connected)。所谓原因连接是指对反射系统自描述的改变能够立即反映到系统底层的实际状态和行为上的情况,反之亦然。开放性和原因连接是反射系统的两大基本要素。 Java中,反射是一种强大的工具。它使您能够创建灵活的代码,这些代码可以在运行时装配,无需在组件之间进行源代表链接。反射允许我们在编写与执行时,使我们的程序代码能够接入装载到JVM中的类的内部信息,而不是源代码中选定的类协作的代码。这使反射成为构建灵活的应用的主要工具。但需注意的是:如果使用不当,反射的成本很高。 二、Java类反射 Reflection 是Java 程序开发语言的特征之一,它允许运行中的Java 程序对自身进行检查,或者说“自审”,并能直接操作程序的内部属性。Java 的这一能力在实际应用中也许用得不是很多,但是在其它的程序设计语言中根本就不存在这一特性。例如,Pascal、C 或者C++ 中就没有办法在程序中获得函数定义相关的信息。 1.检测类 1.1 reflection的工作机制 考虑下面这个简单的例子,让我们看看reflection 是如何工作的。 import https://www.360docs.net/doc/a13049752.html,ng.reflect.*; public class DumpMethods { public static void main(String args[]) { try { Class c = Class.forName(args[0]); Method m[] = c.getDeclaredMethods(); for (int i = 0; i < m.length; i++) System.out.println(m[i].toString()); } catch (Throwable e) { System.err.println(e); }

2019-2020年高中生物《反射活动的基本原理》教案3 中图版必修3

2019-2020年高中生物《反射活动的基本原理》教案3 中图版必修3

教材内容解读 要点1 培养基 (1)培养基按照物理性质可分为液体培养基和固体培养基。在液体培养基中加入凝固剂琼脂后,制成琼脂固体培养基。微生物在固体培养基表面生长,可以形成肉眼可见的菌落。根据菌落的特征可以判断是哪一种菌。 (2)各种培养基一般都含有水、碳源、氮源和无机盐四种营养物质。满足微生物生长还需要适宜的pH、氧气的要求(根据微生物的需求提供有氧或无氧环境)、特殊营养物质等。 碳源:能为微生物的代谢提供碳元素的物质。如CO2、NaHCO3等无机碳源;糖类、蛋白质、脂肪等有机碳源。异养微生物只能利用有机碳源。单质碳不能作为碳源。 氮源:能为微生物的代谢提供氮元素的物质。如N2、NH3、NO3-、NH4+、蛋白质、氨基酸等。只有固氮微生物才能利用N2。 要点2 无菌技术 (1)获得纯净培养物的关键是防止外来杂菌的入侵,要注意以下几个方面: ①对实验操作的空间、操作者的衣着和手,进行清洁和消毒。 ②将用于微生物培养的器皿、接种用具和培养基等器具进行灭菌。 ③为避免周围环境中微生物的污染,实验操作应在酒精灯火焰附近进行。 ④实验操作时应避免已经灭菌处理的材料用具与周围的物品相接触。 (2)消毒与灭菌的区别 消毒指使用较为温和的物理或化学方法仅杀死物体表面或内部一部分对人体有害的微生物(不包括芽孢和孢子)。消毒方法常用煮沸消毒法,还有化学药剂(如酒精、氯气、石炭酸

等)消毒、红外线消毒。 灭菌则是指使用强烈的理化因素杀死物体内外所有的微生物,包括芽孢和孢子。灭菌方法有灼烧灭菌、干热灭菌、高压蒸汽灭菌。 要点3 制作牛肉膏蛋白胨固体培养基 (1)方法步骤:计算、称量、溶化、灭菌、倒平板。 (2)倒平板操作的步骤: ①将灭过菌的培养皿放在火焰旁的桌面上,右手拿装有培养基的锥形瓶,左手拔出棉塞。 ②右手拿锥形瓶,将瓶口迅速通过火焰。 ③用左手的拇指和食指将培养皿打开一条稍大于瓶口的缝隙,右手将锥形瓶中的培养基(约10~20mL)倒入培养皿,左手立即盖上培养皿的皿盖。 ④等待平板冷却凝固,大约需5~10min。然后,将平板倒过来放置,使培养皿盖在下、皿底在上。 要点4 纯化大肠杆菌 (1)微生物接种的方法最常用的是平板划线法和稀释涂布平板法。 (2)平板划线法是通过接种环在琼脂固体培养基表面连续划线的操作。 (3)稀释涂布平板法是将菌液进行一系列的梯度稀释,然后将不同稀释度的菌液分别涂布到琼脂固体培养基的表面,进行培养。分为系列稀释操作和涂布平板操作两步。 (4)用平板划线法和稀释涂布平板法接种的目的是:使聚集在一起的微生物分散成单个细胞,从而能在培养基表面形成单个的菌落,以便于纯化菌种。 (5)平板划线法操作步骤: ①将接种环放在火焰上灼烧,直到接种环烧红。 ②在火焰旁冷却接种环,并打开棉塞。 ③将试管口通过火焰。 ④将已冷却的接种环伸入菌液中蘸取一环菌液。 ⑤将试管通过火焰,并塞上棉塞。 ⑥左手将皿盖打开一条缝隙,右手将沾有菌种的接种环迅速伸入平板内,划三至五条平行线,盖上皿盖。注意不要划破培养皿。 ⑦灼烧接种环,待其冷却后,从第一区域划线的末端开始往第二区域内划线。重复以上操作,在三、四、五区域内划线。注意不要将最后一区的划线与第一区相连。 ⑧将平板倒置放入培养箱中培养。 (6)涂布平板操作的步骤: ①将涂布器浸在盛有酒精的烧杯中。 ②取少量菌液,滴加到培养基表面。 ③将沾有少量酒精的涂布器在火焰上引燃,待酒精燃尽后,冷却8~10s。 ④用涂布器将菌液均匀地涂布在培养基表面。 要点5 菌种的保存 (1)对于频繁使用的菌种,可以采用临时保藏的方法。 ①临时保藏方法 将菌种接种到试管的固体斜面培养基上,在合适的温度下培养。当菌落长成后,将试管放入4℃的冰箱中保藏。以后每3~6个月,都要重新将菌种从旧的培养基上转移到新鲜的培养基上。 ②缺点:这种方法保存的时间不长,菌种容易被污染或产生变异。 (2)对于需要长期保存的菌种,可以采用甘油管藏的方法。 在3mL的甘油瓶中,装入1mL甘油后灭菌。将1mL培养的菌液转移到甘油瓶中,与甘油

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