第5講數(shù)碼影像【注釋】數(shù)碼影像總計(jì)2學(xué)時(shí)。第1學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容：包括攝影與攝像、圖像傳感器與智能處理；第2學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容：包括薄膜晶體管-液晶顯示和有機(jī)發(fā)光二極管OLED。一、教學(xué)內(nèi)容本次課主要講授以下內(nèi)容：數(shù)碼影像與智能手機(jī)圖像傳感與智能處理薄膜晶體管液晶顯示有機(jī)發(fā)光二極管OLED二、教學(xué)目標(biāo)1)知識(shí)層面 了解數(shù)碼影像的發(fā)展歷程及我國(guó)在數(shù)碼發(fā)展中扮演的角色，學(xué)習(xí)基本概念與時(shí)代背景，對(duì)數(shù)碼相關(guān)背景及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了解。同時(shí)介紹我國(guó)在液晶顯示和有機(jī)發(fā)光二極管OLED顯示的超越之路。2）能力層面以波義耳與史密斯合作發(fā)明電荷耦合裝置的故事為例，引導(dǎo)學(xué)生思考團(tuán)隊(duì)協(xié)作的作用。針對(duì)電荷耦合器件CCD的發(fā)明體現(xiàn)出合作的價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生思考合作在科學(xué)研究中的重要作用，樹立合作意識(shí)，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。生產(chǎn)工藝能力，不能僅靠理論研究與技術(shù)研發(fā)，而是在生產(chǎn)線上不斷解決問(wèn)題過(guò)程中逐漸積累的。技術(shù)轉(zhuǎn)移的實(shí)質(zhì)不是硬件系統(tǒng)或一條生產(chǎn)線，真正寶貴的財(cái)富是以工藝經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的知識(shí)和技能。3）價(jià)值層面以京東方為例，讓學(xué)生意識(shí)到憂患意識(shí)的重要性。京東方創(chuàng)始人王東升在自主解決問(wèn)題的挑戰(zhàn)和學(xué)習(xí)中，內(nèi)化為自己經(jīng)驗(yàn)與能力。源自北京電子管廠遭遇技術(shù)替代毀滅的慘痛經(jīng)歷，王東升對(duì)于替代危機(jī)的擔(dān)憂和焦慮，隨時(shí)保持高度警覺(jué)，磨礪自己的產(chǎn)業(yè)遇見，努力去解決替代危機(jī)。以華為、OPPO，鏡頭、影像處理方面，逐漸走向全球領(lǐng)先的故事。三、本節(jié)概要首先，從影像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)切入，將影像系統(tǒng)與人類比，介紹了鏡頭、圖像傳感器和圖像引擎的作用。又詳細(xì)介紹了鏡頭及其相應(yīng)的性能指標(biāo)，也即光圈與焦距。數(shù)碼影像的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)是從分辨率開始，雙攝鏡頭擴(kuò)展到多攝鏡頭，引入ToF鏡頭支持人像模式、立體成像、AR攝影，然后引入潛望式鏡頭實(shí)現(xiàn)光學(xué)變焦與超高數(shù)碼變焦。人工智能技術(shù)的加持，智能防抖、情景識(shí)別等，使得數(shù)碼影像的自動(dòng)化程度大大提高，并且還能獲得更好的攝影效果。顯示屏是人機(jī)交互的窗口。它是智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)、電視機(jī)的核心部件，也是現(xiàn)代汽車、高鐵、飛機(jī)駕駛艙，甚至智能家居等各種設(shè)備的操控界面。液晶顯示技術(shù)，最初起源于美國(guó)，不過(guò)其產(chǎn)品僅僅在一些特殊場(chǎng)景獲得了應(yīng)用。隨后，日本企業(yè)，從美國(guó)獲得了專利許可，通過(guò)電子手表、計(jì)算器、微型電視等消費(fèi)類小產(chǎn)品應(yīng)用中，完成了液晶顯示的技術(shù)積累，終于迎來(lái)了“筆記本電腦”這一殺手級(jí)應(yīng)用，足以支撐其完成“掛壁電視”的遠(yuǎn)大目標(biāo)。而韓國(guó)三星、LG則采取“反周期投資”等策略，超越日本成為液晶顯示產(chǎn)業(yè)的引領(lǐng)者。我國(guó)京東方歷經(jīng)二十幾年的努力從技術(shù)引進(jìn)到自主建線，奮力拼搏，在TFT-LCD顯示領(lǐng)域已經(jīng)成為全球第一，帶動(dòng)了華星光電、深圳天馬等一批企業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)群體突破。同時(shí)在OLED、MicroLED等新領(lǐng)域，我國(guó)企業(yè)正在迎頭趕上。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，電視機(jī)正在發(fā)生重大變化，更多傳感器與AI功能融入電視，也即“智慧屏”，開始走入大眾家庭?！叭f(wàn)物皆顯示”很好地詮釋了顯示技術(shù)在未來(lái)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要地位。四、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)1）CCD圖像傳感器CCD，全稱電荷耦合器件，它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，其作用是將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。CCD原理結(jié)構(gòu)，從上往下看，第一層是微透鏡，第二層是彩色濾光片（CF），第三層是感光層。數(shù)碼相機(jī)成像的核心是其感光層，為了擴(kuò)展CCD傳感器的采光率，必須擴(kuò)展單一像素的受光面積，但是提高采光率的辦法也容易使畫質(zhì)下降。1969年美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室首次研制成功CMOS圖像傳感器，但是由于其成像質(zhì)量差等缺點(diǎn)，多年來(lái)占市場(chǎng)主導(dǎo)地位的還是CCD圖像傳感器。然而CMOS圖像傳感器，與主流CMOS集成電路工藝兼容，能夠?qū)D像的采集單元與信號(hào)處理單元集成在同一塊芯片，是一款典型的數(shù)?；旌霞呻娐贰MOS圖像傳感器的發(fā)展使數(shù)碼影像躍上新臺(tái)階?！咀⑨尅緾CD早期由于航天工程的需求推動(dòng)，技術(shù)持續(xù)積累，為后期民用化推廣奠定了基礎(chǔ)。2）薄膜晶體管液晶顯示和有機(jī)發(fā)光二極管威廉姆斯開展液晶實(shí)驗(yàn)時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)液晶的褶皺效果，他意識(shí)到可以將液晶用于制作顯示屏，并將其創(chuàng)意申請(qǐng)為專利。海爾邁耶和他的小組相繼發(fā)現(xiàn)了“動(dòng)態(tài)散射”和“相變”等一系列液晶的電光效應(yīng)。當(dāng)美國(guó)企業(yè)進(jìn)行早期的液晶顯示技術(shù)研究時(shí)，許多日本企業(yè)就開始跟蹤研究，從電子表、計(jì)算器、手表電視的應(yīng)用中完成了技術(shù)積累，最終迎來(lái)了筆記本電腦這一殺手級(jí)應(yīng)用，終于實(shí)現(xiàn)了液晶研究的夢(mèng)想：掛壁電視。【注釋】蘊(yùn)含的教育意義，遠(yuǎn)大理想與腳踏實(shí)地相結(jié)合。與原有技術(shù)相比，OLED除具有自發(fā)光、無(wú)延遲、無(wú)限對(duì)比度、極致超薄、柔性顯示等物理特性外，OLED技術(shù)還具有極限視角畫面不失真的天然優(yōu)勢(shì)，也就是非常廣闊的可視角度。3）我國(guó)顯示技術(shù)的發(fā)展2018年京東方成為全球最大的液晶電視、平板電腦與筆記本電腦顯示屏的供應(yīng)商。我國(guó)TFT-LCD（薄膜晶體管液晶顯示）產(chǎn)業(yè)通過(guò)再轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)了超越之路。京東方通過(guò)海外收購(gòu)解決進(jìn)入TFT-LCD工業(yè)所面臨的技術(shù)來(lái)源、專利障礙、起步市場(chǎng)和核心技術(shù)人員等戰(zhàn)略問(wèn)題，并在建設(shè)中鍛造一支具備量產(chǎn)能力的中國(guó)工程師隊(duì)伍。早在1996年，我國(guó)的清華大學(xué)就成立了OLED項(xiàng)目組，設(shè)計(jì)安裝了OLED蒸鍍?cè)O(shè)備，建成了OLED超凈實(shí)驗(yàn)室，由此開始OLED技術(shù)研究與人才培養(yǎng)。2001年，為了加快OLED的產(chǎn)業(yè)化工作，成立了北京維信諾科技有限公司。經(jīng)過(guò)多年的努力為我國(guó)OLED關(guān)鍵技術(shù)研究與早期的產(chǎn)業(yè)化做出了重要貢獻(xiàn)。五、教學(xué)思路與進(jìn)程1）課程教學(xué)設(shè)計(jì)思路本科一年級(jí)新生對(duì)于電子信息工程專業(yè)的認(rèn)知不足，也缺乏相應(yīng)的知識(shí)基礎(chǔ)。由于剛經(jīng)歷高中大量的考試，難免會(huì)帶有應(yīng)試的思維，同時(shí)走進(jìn)大學(xué)也有求變的心理。移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，面臨信息超載。隨著前4講教學(xué)推進(jìn)，學(xué)生對(duì)本門課程的教學(xué)方式有了一定了解，但需要繼續(xù)強(qiáng)化這種教學(xué)模式，使學(xué)生逐漸找到適合自己的學(xué)習(xí)方法，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。然而，這正是為專業(yè)發(fā)展打基礎(chǔ)、強(qiáng)根本的雛形時(shí)期，應(yīng)最大程度上激發(fā)學(xué)生的好奇心、學(xué)習(xí)興趣和科研潛力。因此，在教學(xué)過(guò)程中不能簡(jiǎn)單的說(shuō)教，而是通過(guò)以歷史的脈絡(luò)串聯(lián)起故事，并在講述故事的過(guò)程中將道理蘊(yùn)含其中，注重培養(yǎng)思維，進(jìn)而達(dá)到趣味性與專業(yè)性和系統(tǒng)性的相統(tǒng)一。本節(jié)課故事很多，還包括波義耳與斯密斯發(fā)明CCD、液晶之父德熱納、京東方創(chuàng)始人王東升和OLED發(fā)明者鄧青云等。下面以3個(gè)課程重點(diǎn)為例介紹教學(xué)設(shè)計(jì)，具體描述如下：通過(guò)波義耳與史密斯合作發(fā)明電荷耦合裝置的故事為例，引導(dǎo)學(xué)生思考團(tuán)隊(duì)協(xié)作的作用。而且，對(duì)CCD的原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)介紹，加深學(xué)生對(duì)CCD的理解。通過(guò)京東方創(chuàng)始人王東升在自主解決問(wèn)題的挑戰(zhàn)和學(xué)習(xí)中，內(nèi)化為自己經(jīng)驗(yàn)與能力。源自北京電子管廠遭遇技術(shù)替代毀滅的慘痛經(jīng)歷，王東升對(duì)于替代危機(jī)的擔(dān)憂和焦慮，隨時(shí)保持高度警覺(jué)，磨礪自己的產(chǎn)業(yè)遇見，努力去解決替代危機(jī)。讓學(xué)生意識(shí)到憂患意識(shí)的重要性。在課后思考題中，追問(wèn)“京東方的發(fā)展歷程中，為什么說(shuō)自主建設(shè)第五代線是極其重要的戰(zhàn)略決策”，引導(dǎo)學(xué)生思考什么才是技術(shù)轉(zhuǎn)移的實(shí)質(zhì)。推薦閱讀北京大學(xué)路風(fēng)教授《光變：一個(gè)企業(yè)及其工業(yè)史》。通過(guò)介紹液晶產(chǎn)業(yè)日本率先獲得成功，韓國(guó)液晶產(chǎn)業(yè)超越日本，以及中國(guó)的超越之路幫助學(xué)生樹立信心。在課后思考題中，追問(wèn)“韓國(guó)液晶產(chǎn)業(yè)超越日本，有哪些經(jīng)驗(yàn)值得借鑒？”以引導(dǎo)學(xué)生思考吸收優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)的重