全景理论（精选十篇）
全景理论 篇1
一、沙因组织文化理论及其对大学文化研究的启示
沙因对文化的结构、要素、功能、演化过程及动力机制提出了独创性见解。大学是一个追求真理、探究高深学问的文化组织, 沙因的组织文化理论可以适用于解读大学组织文化, 可以为高校文化研究者提供一套科学、独特和深刻的方法论武器。
(一) 明确大学文化的研究重点
目前, 关于文化概念的定义众多, 大致可归纳为三种类型。第一种类型是针对“文化内容”, 重点表明文化的构成要素是什么, 典型的代表是泰勒的文化定义;第二种类型文化定义是针对“文化性质”, 它反映的是文化基本特征;第三种定义是关于“文化功能”, 它说明了文化在一个社会或组织中发挥的作用或扮演的角色[1]。沙因认为上述文化定义只是不同方面对文化的反映, 并没有深入到文化的实质。沙因将组织文化定义为:“一种基本假设的模型—由特定群体文化在处理外部适应与内部聚合问题的过程中发明、发现或发展出来的—由于运作效果好而被认可, 并传授给组织新成员以作为理解、思考和感受相关问题的正确方式。”[2]在沙因看来, 组织文化的概念实际上应该是在更深层次上组织所坚持和信守的基本假设和信条, 这些基本假设和信条是一个组织成员所共有的, 但他们以此支配行动时, 可能是无意识的。这些基本信条和假设内化到组织成员的内心, 在组织面对外部环境的生存问题和组织内部的整合问题时, 通过职员的行为表现出来。组织文化的基核是这些假设和信条, 而组织的人造符号则是组织最表面的东西。一般来说, 基本的文化假设模式包括对以下几种关系的认识:人性的本质;人际关系性质;真理和现实的本质;活动的本质;空间上的取向;时间上的取向[3]。
沙因对于文化概念的理解为我们揭示了一个不为研究者所注意的深层、甚至是潜意识的文化空间。其实, 西方不少学者如克罗伯、帕森斯、怀特、卡西尔等人就把文化定位在精神、观念的层次上, 以表明文化的内在性、深刻性。目前, 关于大学文化的研究结论之所以缺乏思想穿透力, 给人一种隔靴搔痒的感觉, 关键之处就在于研究者对文化的理解处于浅显水平。他们要么是从文化的构成要素诸如物质文化、制度文化、行为文化和精神文化入手, 简单地进行一下堆积式的介绍;要么是蜻蜓点水般地对学校文化的状态进行阐述, 抓不住问题的实质, 认为立几尊塑像、贴几个横幅、挂几幅照片、布置些仪式就可以营造浓郁的学校文化。沙因对文化概念的解读为研究者指明了组织文化研究的重心:组织成员共享的基本假设和哲学意念。这些基本假设虽然难以捉摸, 难以发现, 但却实实在在地对组织成员的行为模式发挥着作用, 决定着组织的效能和组织的文化力, 是文化研究者应该着重挖掘的文化宝藏。
(二) 理清大学文化研究的思路
基于对文化的理解, 沙因提出了文化的分层模型[4]。文化分层模型并非是沙因的首创。例如, 著名的管理学家霍夫斯塔德提出了文化的“洋葱模型”, 他把某一民族的文化比喻成一个洋葱, 从最外层到最内层分别是象征物、英雄人物性格、礼仪和价值观, 认为价值观是文化中最深邃、最难理解的部分, 也是文化的基石。沙因的文化分层无疑更加深刻。沙因提出的文化模式表明:默许的基本假设处于组织文化的核心地位, 反映了文化主体对人与环境的关系、人性的本质、人类活动的本质及其人际关系本质的理解, 是文化主体在长期的共同生活中所形成的哲学意念, 它是理解组织文化的基础;中间层次的价值观和行为规范是组织文化中基本假设的反映, 即是人们关于同“是什么”相区别的“应当是什么理解”。最外层是人造品和创造物, 它们构成了物质的和社会的环境。在这一层次上, 人们可以看到物理空间、群体输出的技术, 书面的和口头的语言、艺术作品和组织成员公开的行为模式。
沙因的文化模型指明了大学文化研究的系统思路。以往研究成果之所以显得零碎散乱, 缺乏整体性, 一个重要的原因就是缺乏对文化要素之间结构关系的清楚认识, 往往就制度谈制度文化, 就行为谈行为文化, 忽略了高校文化各要素之间的系统关联。高校文化的各个构成要素所处的地位、所发挥的作用是不同的, 各文化要素从不同层面有差别地表达着高校文化的总体特征, 同等层次和不同层次文化要素之间是处于一个有机的整体当中, 它们之间既存着相互影响、相互作用的辩证关系, 又都以各自的特点以不同的方式表征着高校文化的不同层面。
另一方面, 这个模型也表明, 研究高校文化可从比较容易入手的外层开始, 如校园布局、校徽、校内碑刻、国际和校际交流中的外赠礼品、故事等等, 因为这些人造物在一定程度上是学校价值观和深层假设的物像和表征。再者, 我们可以搜集体现价值观的校风、校训、大学精神、办学理念、校歌、管理典章, 以及具有学校精神烙印的英雄和名人等资料, 它们往往是高校核心价值观的表达载体;最后, 通过适当的研究方法来获得组织成员共享的基本假设和哲学意念, 这一步骤是以前高校文化研究者所没有能涉及的领域, 而它却是揭示组织文化最为关键、也是最为引人入胜的一步。在完成三个层次的文化分析之后, 还要对三者之间的关系特点、浅层次文化是否较好地体现了深层次文化的特点, 层次间是否存在着不协调和矛盾等现象进行分析, 以利于文化建设者采取适当措施来统整各层次文化现象之间出现的脱节现象, 最终形成文化合力, 提高大学文化强度。
(三) 提供大学文化研究的方法论
沙因将组织文化分为三个层次, 他还提出了“解读”各层文化的方法。
人造物。人工制品是一个文化中可见的、可触摸的和可听到的方面, 也是文化表面化的显示和表达。人造品对组织中的人和组织本身有什么意义, 组织和人造品之间如何联系, 沙因认为回答这些问题最好用“符号学”方法。符号学方法在处理组织文化表现出来的人造品时, 注意收集足够的有关组织内交往是怎样才能使别的组织成员理解的资料, 再从内部专业人员或者熟知组织历史的组织成员那里弄清楚附在可见行为或其他人造品上的意义。“如果人类学家在文化环境中有足够长的时间生活, 人造品的意义就会被逐渐弄清楚。同样组织内的人造品和组织行为都附带着组织发展或组织价值观的某种意义”[5], 这样我们就可以从组织文化的物质层面去了解或探究组织的核心价值, 而组织成员的行为正是靠这些价值准则有意或无意地指导的。
价值观。沙因并没有明确指出如何评估组织价值观的方法, 但他对组织价值观的两点分析为我们提供了分析组织价值观的有益启示。首先, 沙因并不认为管理者所提倡的所有价值观都能有效地转变为组织成员的价值系统, 区分组织“提倡的价值观”和组织成员实际上“信奉的价值观”是有必要的。对于整个群体而言, 只有共同分享到解决问题的成功结果时, 才能达到决策者达到的确信程度, 才会认同这种价值观, 特别那些与基本假设一致的价值观容易被组织成员认为是理所当然的。另一方面, 一些价值观在组织内部似乎是无法被证实和检验的。在这种情况下, 通过组织外在的文化环境———社会取得检验是可能的。即是说, 组织成员是否认同了组织管理者所倡导价值观可以通过在其与社会交往过程中进行检验。如:通过用人单位来评价毕业生是否具备母校倡导的价值观念是比较可靠的。
基本假设。对于这一层次的文化研究, 沙因主张使用定性研究方法。他认为文化不能通过问卷调查来评测, 因为并不知道应该问什么, 也不能确定回答的可信性和有效性。而且, 面对问卷调查, 被调查者说不出深层的价值观和基本假设。沙因在区分实验法和人类学方法的基础上, 提出了一个介于“中间道路”的文化“临床研究”方法:通过深入参与和观察, 通过与个人和小组面谈, 找出集体成员存在的明显共识, 诱使组织成员谈出集体内部的信息, 只有这样才能发现那些隐藏在组织行为和组织价值观下的深层次假设。临床研究方法的特点是, 它更够巧妙而迅速地识别那些与醒目的文化问题相关的以及凸现的文化假设, 经济易行。他提出了揭示组织文化的四个步骤:分析新成员“社会化”的过程和内容;分析人们对组织重要事件和关键事件的反应;分析信念、价值和“文化创建者”和“文化载体”的假定;与“局内人”一起联合探索和分析在访谈中未被揭示的, 或观察到的异常现象和令人困惑的特征[6]。
除此之外, 沙因还从领导学、社会学和组织心理学等多学科视角阐述了组织文化的功能、形成和演化机制, 对如何进行组织文化建设进行了全面分析, 并对组织文化研究中涉及的伦理问题进行了精辟的分析。我国高校文化研究若想摆脱虚幻和平庸的论调, 获得同行的认可, 并提出能在现实中可行的文化建设方案, 很大程度上要取决于研究者是否具备深厚的理论功底、科学的研究方法和跨学科的研究视角。根据研究目的和研究内容采用适当研究方法和研究技术路线, 才能“读”出大学文化的真谛。本文认为, 虽然沙因在分析各文化层次和文化演化时所持有的视角和所使用的方法未必完全适用于对大学文化的研究, 但他巧妙的思路、宽阔的学术视野和创造性的分析框架值得大学文化研究者学习和领会。
二、重绘大学文化研究的全景地图
根据沙因文化理论的启示, 我们力图描绘一幅文化研究的全景地图:它不仅包含了文化各个层面的全部要素, 而且还要标注文化研究的目的地, 注明文化研究的详细路径。有此图导引, 我们才能在引人入胜的文化征程中探索到别具一格的文化图景。
(一) 明确研究目的, 确定研究对象
研究高校文化的目的是什么?企业文化研究基本上是围绕提高管理效能而展开, 他们多采用功能主义的视角, 将组织文化看做是影响组织凝聚力和战斗力的重要因素。大学文化研究中, 一部分成果服务于高校管理, 探讨如何激发师生员工的积极性, 但主体是服务于育人。
沙因认为, 组织文化的功能是能够改变其成员的深层哲学假设, 让他们获得一套支撑言行的“意义”系统。因此, 判断高校文化状态以及其建设成效, 不在于纸面上的宣传, 而在于学生有没有在大学生涯中烙上母校的文化印迹, 有没有体现出该校的办学风格和精神风骨, 并将承载的大学精神和大学理念外化为自己的行为模式, 成为指导自己言行的文化“潜意识”。如果学生文化与高校管理者和教师所预想的文化目标有较大差距, 那不得不说这种文化建设是失败的。
(二) 选择研究视角, 优化研究方法
文化是一种极为复杂的现象。文化研究有来自于人类学、社会学和心理学等视角, 有定量和定性的方法。究竟是采用哪种研究方法, 这也是文化研究者长期争论的重要议题。塞克曼曾对文化研究采用何种方法有权威的综述[7]。他认为文化研究基本遵循“局内人”和“局外人”两种思路。“局内人”认为“组织就是文化”, 强调所获文化知识的情境特殊性, 致力于对文化整体性认识, 倾向于采取定性特别是人类学的研究方法;相反, “局外人”认为“组织有文化”, 研究者立足的基础是实证主义, 通过收集数据来建立普遍的法则, 把文化当做可控的组织变量。
事实上, 组织文化的揭示和研究方法从基于“阐释主义”的人种学田野研究到另一个极端纯粹实证研究, 在国内外研究中已有广泛的应用。至于两种研究方法各自优劣之处, 由于其它文献已有较多介绍, 本文不再一一赘述。本文认为, 之所以存在研究方法之争, 关键是将文化当做一个整体研究对象来对待, 而没有认识到文化要素的分层特点。如果使用沙因的文化分层模型来作为文化研究的基点, 这个问题就会迎刃而解。文化三个层次的要素由于特性不同, 所使用的研究方法和涉及的学科视角自然也会有所区别, 而这一点正是以往学者所忽略之处。定性研究可以深入地发现文化的深层意义, 因此它可以用来研究文化的基本假设;对于价值观和人造物层次的文化, 由于是可见的, 而且是易于理解的, 所以可以使用效率较高的定量研究方法。这样一来, 文化研究方法的争议就迎刃而解。
(三) 理清思路, 绘制大学文化研究地图
在上述分析的基础上, 本研究提出了一个探索高校文化的地图, 里面包括文化层次、文化要素、研究重点、研究视角、研究方法和研究手段等信息。
人造物是人化的符号世界。每一个人造物并非仅是冷冰冰的物理属性存在, 正如符号学大师索普尔所言, 符号都具有“能指”和“所指”的功能, 每一个符号都可以表征一段记忆, 代表一段历史, 或者是表达一份感情。每个校园人造物都融入了当初设计者的意图和目的, 都有一个有待校园人揭示的“隐喻”或是象征。这些校园符号所代表的意义是建立在校园人约定的基础之上, 是基于传统原因而代表某一事物的符号。因此, 要理解校园人造物的内涵, 我们要以符号学的视角, 通过访谈、田野研究等方法来获得校园人对每个人造物“所指”的理解、体悟, 最终达到对于符号背后意义的领悟。
价值观是大学所倡导的思想观念。沙因在书中曾使用哈佛大学教授阿吉里斯和舍恩在研究行为学时提出的“名义理论”和“现实理论”概念[8]。“名义理论”是组织主张的价值, 而“现实理论”则是组织成员实际认同的价值观。通过对我国高校大学文化形成与作用规律的探索和研究, 我们发现, 大学文化有“名义文化”与“现实文化”之分。各高校在历史发展进程中由校领导、知名校友、用人单位等根据办学实践需要提炼出的校训、校风、学风等, 这些文化往往代表着学校的文化追求, 但并不意味着学校已经达到了这些文化的要求, 我们把这类文化称为“名义文化”, 也可称之为“理想文化”。认同是组织文化的核心, 高校倡导的“理想文化”或是“名义文化”未必被组织所认同, 成为支配组织成员行为的价值系统, “名义文化”和“实存文化”存在着差距, 这种差距是文化建设者要努力加以修复的。因此, 为探寻组织成员的价值观, 本研究引入了心理学中的“认同”概念, 把认同作为对文化价值观得以落地生根的关键所在。
基本假设是反映了大学人的基本哲学假设。对于这一层次文化的研究, 必须要花更多的精力来进行定性的深入研究。本研究赞同沙因所使用的“临床诊断”的研究方法, 对文化基本假设的研究既不能采用定量的方法, 因为这对于揭示文化的深层次意义无所帮助;也不准备采用人类学家所倡导的“质”的研究, 因为这种方法激发不出被研究者暴露组织文化基本假设的动机。使用沙因的“临床诊断”研究方法和研究步骤不失为一种明智之举。
在上述资料收集、整理和分析基础上, 研究者还应分析三层次文化之间存在的互动关联, 分析大学文化的生成机制。以此为基础, 探索构建出能够有效鉴别各类型学校之间文化差异的模型。如果此模型能够有效地区别出不同类高校如工科类、师范类、艺术类之间学生群体的文化特性, 则对高校文化研究也是一大贡献。
摘要：文化是大学核心竞争力的构成要素, 大学文化研究构成了高等教育研究的重要领域。沙因教授曾对文化的本质、结构、要素、功能等提出了独创性见解, 这有利于大学文化研究者明确研究重点、理清研究思路和掌握研究方法。以沙因的文化理论为基础, 本研究提出了一个探索高校文化的地图, 该地图包括文化层次、研究重点、研究视角、研究方法和研究手段等信息, 统一了大学文化研究中的视角和方法之争。
关键词：大学文化,沙因,价值观
参考文献
[1]田玲.文化理论的分析与批判及其在大学文化研究中的应用[J].清华大学教育研究, 2004, (8) :13.
[2][3][4][5][6][美]埃德加·H·沙因.企业文化与领导[M].朱明伟, 罗丽萍, 译.北京:友谊出版公司, 1981:7.17.17.18.127.
[7]Kilmann, R.H, Saxton, M.J&R.Serpa.Gaining Control of the Corporate Culture[M].San Francisco:Jossey Bass.
空间实验全景播放 篇2
多模态微波遥感器 太空演好戏
多模态微波遥感器是我国第一台实验性的微波遥感系统，也是神舟四号飞船有效载荷应用任务中的重头戏。
与可见光和红外遥感相比，微波遥感器有其独特的优越性，它不受云、雷、雨的限制，可以全天时、全天候工作，而且对土壤和植被具有一定的穿透能力。
三种微波遥感器即微波辐射计、雷达高度计和雷达散射计在这项研究中担任“主角”，在太空上演一出出好戏。
微波辐射计主要用于探测土壤温度、降水、大气水汽含量、积雪、土壤成分、海面温度；还可以得到植被生长情况，对农作物进行估产。
雷达高度计可获得海浪的有效波高、海洋环流等海洋动力学参数，对全球军事、自然灾害研究有十分重大的意义。
雷达散射计可以测量海面风速与风向，从而测到海面风场，可应用于海洋动力研究、海况预测及灾害监测等许多方面。
这项应用任务将为我国海洋卫星、气象卫星上的微波遥感有效载荷的研制，为全天候信息的获取打下坚实的基础。
看液滴在太空起舞
神舟四号飞船有效载荷实验中，首次在长时间稳定的微重力环境下进行空间微重力流体物理科学实验。这一实验如同在太空开一场别开生面的“舞会”。
在太空中，不同大小的液滴摆脱了地球引力、浮力的羁绊，像一个个自由的“舞者”；“舞场”经过精心的设计，是一个有连续温差的硅油液；“舞者”将经历从冷到热的变化，依靠因温差产生的界面张力，在“舞场”中翩翩起舞，跳出专业上称作热毛细迁移的独有太空“舞步”。研究人员将利用自行设计的仪器将每一个“舞者”的每一个“舞步”精确记录下来，并传输回地面进行研究。
中科院国家微重力实验室的研究人员介绍说，在未来的空间材料加工、晶体掺杂、空间焊接、电泳过程中以及航天员生保系统等都会遇到液滴或气泡的迁移问题。空间微重力流体物理实验将为寻找空间气体、液体排出或是定向移动的方法，提供相关的理论依据，建立基本的理论模型，解决太空生活的实际问题。
小白鼠娇生惯养
此次动物细胞的融合实验，采用的是小白鼠淋巴细胞和骨髓瘤细胞。据介绍，实验用的淋巴细胞是从纯种小白鼠的脾脏得到，这些纯种小白鼠，在饲养8周后，开始注入抗原进行免疫，三周为一周期，共注射四次抗体。这样，在小白鼠生长到17周到18周左右，在第三次注射抗原后5～7天内，从小白鼠尾静脉中取血，制备血清，血清中抗原达到一定量，就可以被用于细胞融合的解剖对象了。虽然这次实验只需要8只小白鼠，但为了完成这次实验，发射场的实验室内共有40只小白鼠等待献身，另外还有32只在上海备用。
在发射中心的新家，为保证它们的安全，发射场的战士们24小时为它们“站岗放哨”。
走进小白鼠生活的无菌实验室，马上会闻到一股怪怪的鱼腥味，令人不太习惯，但小白鼠的饲养条件格外讲究，它们生活在无菌环境中，所有笼子、笼具都经过消毒；它们的食物里富含各种维生素、矿物质等多种营养成分；它们在上海喝的是无菌水，在发射场喝的是农夫矿泉水。小白鼠自己也非常爱干净，它们会集中在笼子的一边排泄，让自己休息的另一边保持清洁，垫在笼子里的木屑也被它们拉到干净的一侧。令人惊讶的是，一只小白鼠的饲养费每个月只有5元。
据参试人员介绍，淋巴细胞可以产生抗体但不能繁殖，而骨髓瘤在体外可以无限繁殖，利用它们的各自优势进行细胞融合，将可以得到能够在体外产生单克隆抗体的杂交体，用以产生单克隆抗体。在地面，这两种细胞的地面融合率大约在10-4到10-5左右。神舟飞船在轨飞行时处于微重力的环境，进行细胞的融合，可以验证几年来进行的地基研究的结果，并力争在实验方法和技术上有所突破。
飞船高度精定位
天上飞行的飞船到底离我们有多远?为了配合多模态微波遥感器对地观测系统的实验，中国科学院首次进行了综合精密定轨实验，将在预定的定轨区域内的径向测量精度提高到2～3米，力争1米；这还将对国内低轨卫星轨道的精确测量工作起到促进作用。
这次的精密定轨实验主要采用三种方法进行，再结合动力学和几何学的方法，对观测资料进行处理，以精确确定飞船的运行轨道。
第一种方法是利用全球定位系统，测量仪器装在飞船内。这种方法可以实时获得飞船全球定位的观测数据，再经过进一步的计算，得出最终数据。
第二种方法是统一S波段测速测距系统，这是国际常规测轨手段之一，也是飞船上已有的手段。这种方法不受天气条件的影响，测速精度较高。
第三种方法是激光测距系统。科研人员在飞船的腹部装上激光反射镜，在飞船到达测控区内时，从地面发射出激光束，打到飞船的反射镜后反射回地面的接收设备，来测量飞船的在轨高度。这种方法在观测条件好的时候，可以获得厘米量级的测量精度，作为精密定轨的校验手段，来判断定轨结果的准确程度。
为载人派出“太空哨兵”
正如飞机的飞行安全会受到雷电、暴风、骤雨等大气天气条件的影响一样，飞船和航天员的运行安全也会受到太空中的“空间天气”的影响。
神舟四号飞船将国内现有的各种用于空间环境探测的仪器都纳入到空间环境监测系统中，装上了飞船，发挥其“太空哨兵”的作用，在飞船发射、运行、返回及留轨运行期间，进行实时空间环境监测，及时将“空间天气”情况通报给飞船控制管理人员，为未来载人打下基础。
空间环境的探测仪器包括安装在附加段的高能质子重离子探测器、高能电子探测器、低能粒子探测器；安装在返回舱的固体径迹探测器，以及在神舟二号和神舟三号上发挥过重要作用的大气密度探测器和大气成分探测器等。
植物苗倍受呵护
发射前夕，上海生命科学研究院植物生理生态研究所的科技人员，在发射基地的实验室里，按不同的时间段精心培育了8批次植物苗，这些植物苗分为两个品种。神舟四号飞船上用于植物融合的细胞就从它们之中提取。
为了养好这些植物苗，实验室中安装了电脑定时开关器，根据它们最适宜生长的湿度和温度，进行实时调控。
这些植物苗被栽培在专门的营养 土壤中，喝的是蒸馏水，经过六周的生长，就可以从中提取细胞了。植物苗分成两个品种，提取的一号细胞被去掉细胞壁，与二号细胞在空间融合。为使空间实验用细胞有更强的活力，直到发射前两天，才从其中的一批生长时间为6周的植物苗中提取细胞。
据参加该项目研究的科技人员介绍，之所以挑选这两种植物苗，是由于它们本身的细胞特征明显，并已经进行了大量深入的研究。从陆地的实验结果看，一号植物开的是粉花，二号植物开的是黄花，将两种植物细胞融合后，再生植株开出的是黄花，但形状却和一号植物相同。
由于细胞的密度是不同的，因此在地面上受重力影响细胞的融合是一个难题。在微重力条件下，重力的沉降现象消失了，从理论上讲细胞更容易组合。
融合后的细胞为细胞遗传物质的修饰提供了各种各样的可能性，尤其在生物制药上有更深远的意义。
电泳实验空间做
与细胞融合实验正好相反，在神舟四号上第一次进行的生物大分子和细胞的空间分离纯化实验，是将生物样品利用电泳的方法分离提纯。
神舟四号飞船发射前一周，“生物大分子和细胞的空间分离提纯化实验”进行了最后一次地面电泳实验研究。实验用生物样品与太空飞行使用的是同一批样品，经过电泳实验分离提纯后，在电场的作用下，细胞色素C分子与牛血红蛋白分子分离开，在透明的玻璃试管中分别呈现出淡黄色和淡粉色。
中国科学院上海生命科学研究院研究人员介绍，这次太空实验样品在太空连续分离时间设计为1小时。实验中，样品被分级收集并在太空中进行光电检测，检测仪器与陆地完全一致。
据介绍，电泳的基本原理就是离子在外加电场下的迁移现象。由于各种离子在同一电场中的迁移率不同，从而达到分离的目的。在陆地上进行的电泳实验，分子因重力影响而产生热扩散，使样品的分离效果大幅度降低。而在太空环境中的电泳实验，消除了重力的影响，样品的分离率大幅度提高。
上世纪80年代，美国、德国都做过不少空间电泳实验。NASA和麦道公司曾联合在航天飞机上进行过七八次空间电泳实验，结果表明，提纯纯度比地面高出5倍。用这种方法对一些高纯度的生物材料如氨基酸、多肽、蛋白质、核酸以及各种细胞的分离纯化，是生物医学和生物技术领域基础的应用技术。
我国首次在太空进行的电泳实验重在掌握空间电泳的基本技术和方法，主要目的是研究在微重力环境下有关电泳迁移率及各种影响因素而导致的动态过程稳定控制，分辨率控制以及空间制药分离纯化设备的设计技术等问题。
公用设备担重任
神舟四号有效载荷中的公用设备与神舟二号、神舟三号相比几乎完全一致，只是根据神舟四号飞船上不同有效载荷和不同需求作了局部的适应性修改。据介绍，由于有效载荷公用设备分系统是有效载荷的支持系统，承担了有效载荷供配电、数据管理和传输等极其重要的任务，因此公用设备是否正常工作将直接关系到有效载荷任务的成败。
在公用设备的系统设计中，对于主要数据通路和主要设备都采取双冗余备份，主设备万一出现故障，将进行系统重构，切换为备份设备工作，避免了单点失效，确保飞船上各项科学实验顺利进行。但从神舟二号和神舟三号在轨运行情况来看，公用设备具有很高的可靠性，主设备工作正常，到目前为止还从未使用备份设备工作。
公用设备分系统由有效载荷电源、数据管理、数据传输和微重力测量子系统组成，为有效载荷提供了多项服务。公用设备将飞船上分散的有效载荷连接起来，构成相对独立的有效载荷系统，为有效载荷供配电和提供二次电源，进行有效载荷数据采集、处理、存储和传输，指令分发，信息共享及运行管理，同时通过S波段高速数传信道将有效载荷的科学数据及工程参数由飞船传输到地面接收站。据参试人员介绍，早在设计神舟二号有效载荷的公用设备时，就充分考虑了公用设备既要尽可能地减少飞船系统技术状态的变化，又要适应各艘飞船有效载荷的变化。因此在公用设备的系统设计中采用了多项先进的国际标准。并首次在国内航天器上采用了先进的CCSDS高级在轨系统数据标准，并研制成功实现CCSDS标准的关键——高速多路复接器。高速多路复接器运用虚拟信道和分包遥测的概念，将各种不同速率、不同应用过程、不同性质的数据异步复接为符合CCSDS标准的串行位流数据通过S波段发射机传输下行。
公用设备中的固态大容量存储器用于存储和回放多模态微波遥感和GPS的数据。该设备实现了RS纠错编码、存储失效检测和旁路功能，具有很高的可靠性。公用设备采用QPSK调制方式的S波段发射机传输有效载荷的高速数据。
全景理论 篇3
关键词：RSA,安全,概览
作为信息安全领域每年最盛大的活动, RSA Conference已经有了18年的历史。RSA大会就像安全界的奥林匹克, 这里汇集了安全界最好的精英、研究机构、企业, 成为了安全发展趋势的风向标。虽然每年都会在欧洲、日本分别举行, 但其中最具影响力的, 还是在旧金山举办的RSA大会。绿盟科技作为少数两度参加RSA盛会的中国厂商, 将向国内同行全方位透视RSA Conference的前世今生。
大会起源
RSA是信息安全中一个非常著名的公钥加密算法, 1977年被发明, 以该算法的三位发明人Ron Rivest、Adi Shamir、Len Adleman的名字命名。该算法是目前IT系统中应用最为广泛的非对称算法。而RSA亦是美国一家著名的信息安全公司的名字, 目前是EMC旗下的一个分支。RSA conference自1991年开始由RSA公司主办, 最初作为密码专家的论坛, 用于分享在互联网安全方面的最新技术与知识。经过10多年的发展, 逐渐成为全方位覆盖信息安全各领域的专业盛会。
会议议程
RSA大会一般历经5天, 分为展会与会议两个大部分, 也在相隔一街的两个会展大厅进行。一边是逾期3天的市场气息较浓的厂商展览, 而另一边则是学术气息主导的会议。其会议部分的设置也相当专业, 分为:主题演讲 (Keynote) 、专业论坛 (Track Session) 、业内同行论坛 (Peer2Peer Session) 、创新沙盒 (Innovation Sandbox) 等。
(1) 主题演讲 (Keynote)
汇集了来自全球安全界一些重量级人物对于安全在技术、市场、热点问题方面的观点, 比如今年, Cisco CEO John Chambers、RSA总裁Arthur W.Coviello、Symantec CEO Enrique T.Salem、RSA实验室的首席科学家Ari Juels、McAfee总裁Dave Dewalt等都会进行演讲。
(2) 专业论坛 (Track Session)
RSA上各领域安全专家最为关心的版块, 专业论坛又细致的分为了10多个领域, 包括:应用与开发;安全商业;加密;企业安全服务;精选会议;治理 (Governance) -法律、治理 (Governance) -企业与政府;治理 (Governance) -风险与合规性;黑客与威胁;主机安全;热点问题;网络;物理安全;研究成果发布;战略与架构;
这样细致的领域细分研讨, 必然使得各领域专家都能够找到各自专注的方向。当你穿梭于各个分会场, 可能只会恨自己分身乏术。RSA 2009中, 物理安全 (Physical Security) 与安全治理-风险与合规性 (Governance Risk&Compliance) 两项, 是今年新增加的议题。这10多个领域, 总共240余个研讨中, 又被分成了高级、中级、未分级别三类。高级研讨的演讲者需要在这个领域具备10年以上的经验, 研讨中更多的讨论深度架构、代码、工具等内容, 涉及的内容也更具学术性, 很少涉及背景知识。而中级研讨会专注在引入一些概念, 定义, 介绍一些架构等, 演讲者也需要有5年以上的行业经验。而未分级的部分则往往介绍一些新兴的技术领域。
(3) 创新沙盒 (Innovation Sandbox)
RSA Conference的特色, 这个分会场利用一个下午的时间, 引入了10家新兴的小公司的创新技术。他们给我们带来了新的创意、新的概念。这里的技术无所谓大小优劣, 只要你够创意, 并有较好的市场或技术前景, 就可以在这里一显身手。而且最终的这10家候选企业, 也得到了一个直接面对业内专家、媒体以及他们最迫切需要的风险投资者。通过他们一个下午的展示、5-10分钟的演讲, 来阐述他们的创新与产品。最终打动专家组的公司, 会获得当年的Innovation Sandbox Award奖项。这也意味着这家公司找到了更好的发展机会。
(4) 同行论坛 (Peer2Peer Session)
这个论坛给了某些专业领域的同行近距离接触的机会。一般每个议题, 只有20多席的座位, 采用先到先得的方式, 使得关心此专题的人士可以有一个封闭的, 面对面的深入交流的机会。
除了这些公开的论坛, 更有一些小范围的特殊workshop讨论, 如女性安全从业者论坛, 使得活跃在信息安全行业中的聪颖的女性们能够接触RSA大会的机会一同聚会。这些workshop也使得在RSA大会的主框架上, 更点缀了很多有趣的环节。
全景拍摄的健将 篇4
通用电气E840s主要规格
此款相机打开后，前伸的三级镜头外部呈现为金属白和金属灰，并有不同的质感和亮度对比，整体观感亮丽时尚。相机前部面板简洁明快，只有对焦辅助灯和闪光灯，中间镶嵌着具有艺术感的GE花体和美术体标志，相机左下角有800万像素以及相机的型号标识，观感简约宜人。
相机背部面板设计简洁明快，左侧为2.7英寸的液晶屏幕，右侧为相机拍摄模式调整和相机拍摄参数调整的转盘，加上分布其间的三个小按钮，可以完成相机大部分功能的控制。这款相机背部的两个转盘和液晶屏幕布局均衡，当相机竖起来的时候，两个转盘看上去像卡通形象的两个大眼睛。
试用
此前使用数码相机进行全景拍摄，要么是单纯在相机内部裁剪画面，获得一张全景画幅比例的照片，这种方法是以降低画面的有效像素数为前提的；另一种全景拍摄的方法就是先用数码相机拍摄同一场景的多张照片，然后后期在电脑上使用影像处理软件进行拼接。这两种方法要么影响了所拍摄画面的质量，要么具有一定的技术难度。而通用E840s的推出无疑为普通用户拍摄全景画面提供了一个轻松自如的解决方案。
在使用通用E840s进行全景拍摄的时候，首先需要通过模式转盘将相机调到全景拍摄模式。这时候画面的中心对焦框下面就会出现1、2、3三个数字，1为黄色背景，表示当前拍摄的是全景照片的第一张素材。在按动快门拍摄之后，液晶屏幕会在画面右边1/5的面积内显示刚才拍摄的画面左边的半透明画面，2变为黄色背景，表示当前拍摄的是全景照片的第二张素材。这时候向左移动相机，使取景的画面的右面1/5与刚才拍摄的画面左边1/5正好重叠，找到全景画面的拼接点。以此类推，拍摄完成3张照片之后，相机内部软件会根据你拍摄时选择的拼接点，自动将拍摄的三张照片拼接在一起。
利用此款相机的全景拍摄功能，我们能够很容易地拍摄到全景照片，而且照片的数据量有很大的保障。但是在具体的拍摄中，要留意三张全景素材照片拼接点的吻合度，同时要注意画面的透视。通过试用拍摄，发现全景照片拍摄功能适合于中远景的拍摄，对于近景拍摄由于透视变形较大，素材照片拼接后效果不是很理想。
电子影像防抖
防抖技术早已经从专业相机领域进入到民用相机的应用中。这款相机虽然采用的不是光学防抖技术，但是电子防抖技术的应用仍然能够帮助用户在低照度下拍摄到清晰的影像。
面部识别
在面部识别技术被广泛应用的今天，GE公司在E840s上也采用了这种技术。面部识别技术的应用，可以有效防止人像拍摄中相机对焦的失误，提高拍摄的成功率。
噪点
此款相机采用的是800万像素的1/2.5英寸CCD，相比同类800万像素的相机，CCD的尺寸比较大，保证了所拍摄画面的清晰度。经过试拍，这款相机的感光度在ISO400的时候，噪点得到了有效控制，画面质量仍然能够接受；在感光度超过ISO800的时候，画面噪点增多，画质下降。
全景拍摄
这款相机具有独特的全景拍摄模式，它能够通过相机内置的软件将实时拍摄的3张照片拼接在一起，从而省去了后期在电脑中使用图像处理软件进行拼接的麻烦。
色彩
红军长征历史的全景回顾 篇5
红四方面军的长征,分为两步:第一步是1932年10月-12月,反第四次“围剿”失败,实施战略转移,即第一次长征。行军两个月,纵横鄂、豫、皖、川、陕5省,行程8000里,到达川陕边。又经过10个月工作,创建了川陕根据地。第二步是为迎接中央红军,1935年3月底离开川陕根据地,西渡嘉陵江(可算作第二次长征的开端)。7月与红一方面军会师,8月两军共同北上,准备创建川陕甘苏区。中经南下的反复。1936年7月与红二方面军会师,再次北上。10月三军会师于陕甘边的会宁、静宁地区,结束长征。红四方面军的第二次长征,历时19个月(1935年3月-1936年10月),三过雪山草地,特别艰苦,纵横川、康、青、甘、陕5省,行程1万余里,出发时10万人,1936年10月三大主力红军会师时,尚存3.5万人。但1937年西路军损失2.1万余人。
红二十五军的长征也分为两步:第一步(1934年11月-1935年7月)西征,走了两个月,在平汉路以西创建鄂豫陕苏区;再经过5个月的工作,苏区发展到两个县,人口约50万,耕地90多万亩；部队也从出发时的2980余人发展到3700余人。第二步(1935年7月-1935年9月)西征北上,与陕北红军会师。8月,红二十五军向西进入甘肃,随即北上,9月到达陕北延川县永坪镇,同陕甘红军会师,结束长征。红二十五军到达陕北时,军长为徐海东、政委为程子华(原政委吴焕先1935年8月牺牲),全军4500余人。与陕甘红军二十六、二十七军合编为红十五军团(军团长徐海东、政委程子华,副军团长兼参谋长刘志丹,政治部主任高岗),全军团共7000余人。红二十五军长征历时10个月(1934年11月-1935年9月,其中5个多月是根据地建设,真正长征行军是4个多月,分为前后两段,每段两个多月)。出发时2980余人,途经安徽、湖北、河南、陕西、甘肃5省,转战近1万里,长征结束时发展到4500余人。不仅没有像其他红军部队那样经过长征普遍严重减员,反而是扩大了队伍,并在鄂豫陕新根据地播下了革命的种子。红二十五军是在与中共中央长期失去联系的情况下,单独长征并先期到达陕北的一支红军,为其他红军主力到达陕北提供了落脚地。
红二军团1.4万余人1932年7月离开湘鄂西根据地开始西征(第一次长征)。先到鄂中大洪山地区,再到鄂西；1932年底恢复湘鄂边根据地;两个月转战7000里,减员三分之一,剩9000多人。1933年底再次转移;1934年中创建黔东根据地(从湘鄂西,经湘鄂边,到黔东)。红六军团1934年7月底离开湘赣苏区开始西征(长征先遣队),为中央红军的长征探路；转战湘桂黔边区两个多月,行程5000里；10月与红二军团在黔东会师；然后共同开辟和发展湘鄂川黔根据地。从1934年11月到1935年8月,红二、六军团在湘鄂川黔根据地转战10个月,消灭国民党军共计2万余人,钳制一部分追击中央红军的国民党军队,有力配合了中央红军的长征。1935年11月,贺龙、任弼时等率领红二、红六军团1.7万余人离开湘鄂川黔根据地,开始第二次长征。分为两个阶段:第一阶段(1935年11月—1936年3月),转战湘黔滇地区;第二阶段(1936年3月—1936年10月),再次北上,6月在西康甘孜与红四方面军会师,7月与红四方面军共同北上到陕甘苏区。10月红二、四方面军和红一方面军在甘肃会宁、静宁地区会师,结束长征。红二方面军的第二次长征,出发时1.7万余人,历时一年(1935年11月-1936年10月),纵横湘、黔、滇、康、川、甘、青、陕等八省,行程2万余里,保存了1.1万余人的有生力量,胜利到达陕甘边。
球形全景图像的自动拼接 篇6
近年来, 以图像绘制为基础的全景图虚拟实景技术成为计算机图形图像人员研究的热点。全景图虚拟现实技术的核心有两个。一是全景图像的拼接。即通过照片如何合成确定格式的全景图像。二是全景图的显示。拼接好的全景图像都有很大的变形, 不能直接观看, 要通过合适的程序处理和显示, 才能看到与现实一致的图像。其中全景图像的拼接是基础, 拼接的算法将对开发出来的软件的使用方法和易用性有直接的影响。
目前全景图技术可分为柱形全景、方形全景、球形全景。对于柱形全景的拼接, 有基于仿射变换[1]和基于透视变换[2]的两种算法, 柱形的算法较球形和方形的简单, 但缺点是最终得到的场景信息不完整。对于全方位的全景 (球形和方形) , 目前大多数全景制作软件所用的图像拼接方法为light field方法[3]、lumigraph方法[4]或者同心圆拼图法[5]。其中light field方法是由M.Levoy 和P.Hanrahan 提出的, lumigraph方法由S.Goertler 提出, 这两种方法把场景限制在立方体中, 表示比较复杂, 通过对自由空间进行密集采样来表示全景信息, 这一表示可以支持任意角度的观察, 但是需要巨大的数据量, 而且方法也复杂。而Heung-Yeung Shum 提出的同心圆拼图方法, 和light field、lumigraph 相比, 同心圆拼图法生成的文件较小。同心圆拼图法可以不用恢复几何和照片空间的模型, 用户可以在圆的范围内自由的移动。而这些方法需要的参数 (或条件) 非常多, 所以实现起来只能是半自动化, 一般制作过程中需要用户输入镜头参数, 并且要进行繁琐的对应点寻找的工作, 而这些工作使得非专业人士难以胜任, 使得全景图的制作成本不能降低。而本文将提出球面自寻匹配的拼接算法, 所有拼接的参数都由程序自动计算, 程序可以完全自动化地工作。
1 球面自寻匹配算法
球面自寻匹配拼接算法的计算过程是把多幅图像映射到一个合适的球面上, 自动调整每幅图像的插入点, 使得重合位置的差值图像灰度累积平均值最小, 然后球面的图像反映射成平面形式, 最终得到拼合图像。
先考察照片与球面像素的映射方式。如图1所示, 一幅拼接好的全景图像按经纬度映射到一个矩形纹理图像上的点, 经度映射成矩形的水平坐标, 纬度映射成垂直坐标。这样, 球面极坐标可以直接使用矩形纹理图像的水平垂直坐标。在这个纹理图像中, 最明显的变形就是水平方向的拉伸变形,
在赤道上几乎没有拉伸变形, 越接近南北极点, 变形就越厉害。
而右边的长宽比为2:1的经纬映射图像就是我们要拼接制作的结果, 它是由照片经过处理变形而成的。考虑鱼眼镜头得到的水平和垂直视角都超过180度的超广角照片 (如图2) 。
图2为一张视角为183度角的鱼眼照片。角鱼眼图像可以通过如下方式投影到一球面上, 可取得与前述经纬映射一样的效果:把图像按图3方式建立坐标系, 把图像中心像素定位在球面一点 (如与x轴正方向相交点) 作为纹理中心点, 取一个合适的距离r, 以r为半径的一圈像素对应球面上与纹理中心点向量垂直的圆的一圈像素, 如, 若取x轴正向交点为纹理中心点, r圆像素将对应球与YOZ平面交线圆的像素。而其他的点, 以角度与半径成正比的方法变换至球面上, 如图像上的P点, 半径为rp, 与U轴夹角为α, 则在球面上的位置如图4所示。
由于照片中赤道的位置几乎不变形, 所以图3中的r值可以按如下方法估算:从两幅图像中赤道的位置取出行数为3-5行, 然后按图5的方法叠合:图像2从左向右移动, 在重合带处计算颜色灰度值的差值图像, 从左至右进行不同位置的比较, 取得一个重合带差值图像像素灰度值总和最小的位置, 然后按同样方法在图像2的右端叠合图像1。当右端重合带的差值图像灰度总和最小时, 右端的图像1位置也确定下来, 此时, 计算两个图像1的中心位置的像素距离, 此距离为4r0。由于照片拍摄时相机的位置有位移误差, 所以此方法估算的r值不会绝对准确, 但会接近准确值。根据笔者的经验, 拼合计算时可取:
0.8r0<r<1.2r0 (1)
进行扫描计算。即在 (1) 式范围内每隔一个Δr (如取Δr=0.01r0) , 按照下文的式 (2) (3) (5) (6) 计算, 最后记录和比较计算结果, 取结果为最小值时的参数条件。
如果为两幅鱼眼图像, 可以x轴的正负方向的两个交点作为纹理中心点, 把鱼眼图像向球面映射, 如果两幅鱼眼图像拍摄的时候光学中心相同, 方向相差180度, 而且曝光锁定, 则两图像在球面上重合处的像素的颜色正好相同。如果光学中心相同, 方向有误差, 则可调整其中一幅图像的纹理中心点的位置。如图6所示, 纹理中心点经过如下方法变化到Q点:赤道圆绕x轴旋转ξ角, 纹理中心点在此圆上再旋转η角。会存在一个合适的ξ、η角, 使两图像在重合处颜色灰度值相同。若相机除了纯旋转运动, 还有位移偏差, 则有可能无法找到一个新的纹理中心点使图像重合处完全相同, 这时, 可取图像相差最微小的位置。用一个重合位置的差值图像灰度累积平均值描述, 当其值为最小时图像的位置合适:
其中N代表重合带的平均灰度差。ΔDr、ΔDg、ΔDb为重合处像素的红、绿、蓝灰度差。λ为取值0或1的系数, 在重合位置取1, 非重合位置取0。θ、Φ见图1 (b) , 代表球体的经纬度。t为球面像素的高度与半径之比, 可根据经纬图像中像素所处的行数方便地计算,
再考察当纹理映射改为以Q为纹理中心点时, 经纬度为θΦ的点 (如图7) 在图6中对应纹理点的位置。纹理中心点移到Q后, 相当于把原坐标系旋转, 使新x轴与球交于Q点, 则A点在新坐标系中的坐标为:
其中R (ξ, η) 为旋转矩阵[6]:
其中ξ, η的取值范围为0<ξ<2π, η可限定为0<η<10°。
对照图3的纹理映射方式, 可由A′的坐标求得纹理极坐标:
综上所述, 全景图像的拼接过程为:先根据图5的方法估算r0值, 根据式 (1) 中r值的取值范围和式 (4) 中ξ、η的取值范围, 对每幅照片搜索寻找出合适的r、ξ, η。搜索寻找的计算过程为:对照片的每个可能的纹理中心点 (每对ξ, η值) , 都以低精度绘出一幅经纬映射图, 对于经纬映射图的每个像素 (每对θ、Φ) , 以式 (3) 转换坐标系, 然后以式 (5) (6) 寻找出照片中的对应像素, 复制填入。经纬映射图绘出后, 根据式 (2) 计算重合带的平均灰度差N。比较不同的条件下 (不同的r、ξ、η) 的平均灰度差值, N值最小的条件为所求, 以该条件再以高精度绘画一次经纬映射图, 该经纬映射图就是拼接好的全景图像。以上讨论的方法适用于球形全景, 对于柱形全景, 调整一些参数后也能适用。
以上理论在广州凌景数码科技有限公司的全景图软件LimnPano中得到了应用。LimnPano利用该算法拼接和运行的效果请参见文献[7]。
2 结 论
本文针对全景图制作的自动化, 提出球面自寻匹配的拼接算法。该算法中, 除读入照片本身外, 所有拼接的参数都由程序自动计算, 不需要用户输入任何参数或做其他复杂的工作, 只需读入原始图像, 程序就可以完全自动化地工作, 实现工作流程的傻瓜化, 从而使制作成本得以降低。该方法已在商业软件产品中得到应用和验证。
参考文献
[1]Richard Szeliski.Video mosaics for virtual environments[J].IEEE Computer Graphics and Applications, 1996, 16 (2) :22-30.
[2]Szeliski R, Kang S B.Direct Methods for Visual Scene Reconstruction[C].IEEE Workshop on Representation of Visual Scenes, Cambridge, MA, 1995:26-33.
[3]Levoy M Hanrahan P.Light field rendering.SIGGRAPH’96Proceed-ings, 1996:31-42.
[4]Gortler S J, et al.The Lumigrph[A].Computer graphics[C].Annual Conference Series ACM1996:43-54.
[5]Shum HY, He L W.Rendering with concentric mosaics[C].Computer Graphics, ACMSigraph’991999:299-306.
[6]DONALD HEARN, PAULINE BAKER M.计算机图形学[M].第二版.蔡士杰, 等译.北京:电子工业出版社, 2002, 5:332-333.
全景立体成像技术浅述 篇7
全景立体成像技术可为机器人导航、军事侦查、计算机视觉、虚拟现实等领域提供大视场场景的立体感知和重现功能,近年来发展快速,成为光电子学、计算机视觉和计算机图形学的研究热点。
全景成像(panoramic imaging,PI)是指利用特殊的成像装置从一个视点获取水平方向一周360°、垂直方向大到半球以上视场的多方向成像;而全景立体成像技术则是基于全景成像技术利用双目视觉原理获取全景立体信息,该立体图像对的视差反映了场景的深度信息[1]。本文就目前广泛应用的三种全景立体成像方法做一比较,更深入地介绍折反射全景成像技术的基本原理、系统构成及其关键技术等内容。
1 全景立体成像特性
全景成像是在一个视点对周围所有方向的场景成像,而立体成像需要两个或多个视点,在垂直于两视点连线的方向上获得的场景具有立体感,但在两视点连线方向上不会具有立体感[1]。
2 全景成像基本方法
目前,主要有三种实现全景成像的方法:图像拼接法、鱼眼镜头法和折反射全景成像法,这三种方法各有其优缺点和应用领域[2]。
2.1 图像拼接成像
使相机围绕其光心的垂直轴线旋转一周,进而对水平一周多个不同方向的场景成像,再将这些不同方向的场景图像进行拼接,获得一幅全景图像。该方法虽然成像分辨力高,但成像速度较慢、拼接算法复杂、不满足单一视点约束、一般只能拼接出圆柱面全景图像,而最大的不足是不能实时动态全景成像[3,4]。
另一种方法是利用面向不同方向的多个相机同步拍摄多幅图像,进而将同步采集的多幅图像进行融合拼接得到全景图像。但由于各个相机的物理特性限制,不同相机的光学中心不可能完全重合,因此该方法生成的图像也不能满足单一视点要求,且存在着成本高、系统复杂等缺点[4,5,6]。
2.2 鱼眼镜头成像
鱼眼镜头是一种超广角物镜,其焦距非常短(小于16mm),能获取接近或大于180°的全景视场[7,8]。该成像方式在获得大视场的同时会产生严重的桶形畸变且很难校正,且成像分辨率较低。高质量的鱼眼镜头通常需要采用10片以上的高质量光学材料结构,因此还具有系统复杂、造价成本昂贵等缺点。
2.3 折反射成像
折反射成像利用镜头前的反射镜扩大相机的视场从而获取实时全方位图像。这种成像方法,能够实现实时大视场成像,结构和几何计算简单,立体图像对应点匹配容易等优点,且成本较低,已成为目前研究的热点。
3 折反射全景成像
3.1 折反射全景成像基本原理
折反射全景成像是利用曲面反射镜把水平方向360°范围内物体的光线反射到成像传感器,从而一次性拍摄获得远大于普通相机视场范围的景象[9]。与图像拼接和鱼眼镜头技术相比,折反射全景成像技术能一次性实时获取360°图像,具有大于半球空间的视场、成像装置设计简单、成本低等优点。折反射全景成像系统主要由三部分组成[10]:感光元件(CCD或CMOS器件)、成像透镜(如常规成像透镜或远心透镜)和反射镜,如图1所示。由折反射全景成像系统获取的原始图像(即球形图)称为折反射全景图像,如图2的上图所示。但由于原始图像存在严重变形,不适合直接观察,需要把折反射全景图像变换为符合人眼视觉习惯的圆柱面投影图像,如图2的下图所示。
根据是否满足单视点约束,折反射全景成像系统分为单视点成像系统和非单视点成像系统。单视点成像的优势在于能将全景图变换成无畸变的平面透视图,且能保证成像系统使用一台相机一次捕获到所需要的信息,观察视角更大,一般的图像处理方法可以用来进行图像分析和处理[11]。
3.2 折反射全景成像反射镜面形式
折反射全景成像系统需要一个经过特殊加工的表面光滑的反射镜,将周围空间的光线汇集到反射镜上(分为凸面反射和凹面反射)。反射镜根据镜面线型的不同,又分为球面、双曲面、抛物面、圆锥面、椭球面等类型[12,13],如图3所示。
3.2.1 球形镜[14,15]
球形镜具有散光非常小、光学镜面设计加工简便、图像恢复软件算法简单、图像有用信息保留较多、可读性较高、柱面全景图像展开算法快速且为线性算法等优点。但不满足单一视点约束,不能转换为正常的透视图像。
3.2.2 双曲面镜[16,17]
双曲面镜散光小、可视范围广、满足单一视点约束、全景图像可以转变为正常的圆柱面图像等透视图像。相对于抛物面镜,价格较低、更具实用性,是目前首选的折反射全景成像镜面。但制作困难、系统设计过程中计算量较大、运算相对复杂,另一个较为严重的缺点是双曲面镜的焦点需要放置在摄像机的光心上,导致其设计不够灵活。
3.2.3 抛物面镜[18,19]
抛物面镜也满足单一视点约束、散光很小、视场角较大。但不满足小孔成像的基本条件,不能直接使用普通摄像机或相机成像,需要增加一个远心透镜,才能符合正射投影,也是一种比较理想的全景成像方式。但当视场角大于某一角度时,镜面的加工制作难度增大,难以达到工程实际应用精度。由于抛物面正交投影透镜的投影是直角,镜面与透镜间距离设计灵活且透镜还能消除镜面玻璃圆筒或半球的内部反射。
3.2.4 圆锥曲面镜[20,21]
圆锥曲面镜的加工制作易度仅次于球形镜。由于其垂直方向有反射,需要结合聚焦透镜以获取水平方向场景。其散光大,不能转变成正常的透视图像,且需要长焦距才能获得聚焦全景图像,还不满足单视点成像条件,但可以获得一定视场范围的全景图像,早期的全景视觉研究中,曾用于广角成像系统和视场增强方面。
3.2.5 椭球面镜
椭球面镜属于凹面镜,利用内反射原理,虽然水平方向视场与凸面镜相同,都可以达到360°,但垂直方向视场要比凸面镜小很多,所以在大范围视场信息的获取方面不占优势,研究相对也较少。
3.3 折反射成像映射原理
单视点全景成像系统,其所有入射光线的延长线都相交于同一视点,根据光路跟踪原理,对成像点进行光路跟踪和投影变换,可以建立单视点全景图像到柱面全景图像像素点间的坐标映射关系[9]。如图4所示。把图4(a)中的虚拟圆柱面沿与x轴正方向相交的一条母线展开,并以其左下角顶点为原点建立二维直角坐标系,可得图4(c)所示的柱面全景图像,图4(b)表示全景图像[9]。根据不同的反射镜面类型和参数,推算的像素坐标映射关系也不同。另外,成像系统焦距、位置以及分辨率对像素坐标映射关系也有影响。
3.4 折反射全景立体成像系统
利用两至三个折反射全景成像系统就可以实现全景立体成像。目前,使用两组折反射全景成像系统构成的立体成像系统装置结构主要有三种[22]:(1)水平方向上并列放置两组独立的全景成像装置,两组装置的轴线均垂直于水平方向,如图5(a)所示。系统结构简单,但设备间会有一定相互遮挡,进而影响该遮挡区域真实场景的成像;(2)垂直方向上同轴上下放置两组独立的全景成像设备,如图5(b)所示。虽然避免了第一种系统之间的相互遮挡,且立体图像对间存在良好的极线约束。但由于使用了两个成像设备,采集的立体图像对会引起曝光、颜色等方面的差别;(3)与第二种不同的是上下两组全景成像设备共用同一个相机,如图5(c)所示。该系统要求相机拍摄到的一个反射面中要有另一反射面的图像,即在一幅图像中同时获取两个全景图像,避免了前两种系统使用两个相机两次成像导致的缺陷,但成像分辨率不高。
使用三个折反射全景成像设备构成的全景立体成像系统装置结构如图6所示。三个折反射全景成像系统A、B、C分别放置在等边三角形的三个顶点上,每个全景成像系统水平方向的视场都是360°,均可等分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域。全景立体图像对取自A、B、C三个系统的不同视场区域。视场区域AⅠ、BⅠ、CⅠ和AⅢ、BⅢ、CⅢ分别组成了完整的左右眼全景图像,而AⅡ、BⅡ、CⅡ为相互遮档的区域。该全景立体成像数据处理相对简单,能实现对动态景物的全景立体成像,但硬件结构较复杂,成本较高[23]。
3.5 折反射全景立体成像关键环节
3.5.1 摄像机标定
摄像机标定是立体成像必不可少的步骤,用来确定摄像机的内部参数(如焦距、镜头失真系数)和外部参数(如旋转矩阵和平移矢量),以便确定成像模型。而全景成像系统由于其特殊的成像方法,导致所获得的全景图像存在严重变形。三维空间点到全景图像上二维像点之间的映射关系不仅与全景成像系统中摄像机的参数有关,还取决于反射镜面类型以及与相机的位置关系等。因此,全景成像系统的摄像机标定与普通摄像机的标定不同。己有的折反射全景成像系统摄像机标定方法有以下三种:
(1)基于三维控制点的标定方法:利用控制点的三维坐标与二维图像坐标之间的关系来恢复摄像机的内外参数,该方法可以获得很高的精度[24,25,26]。
(2)自标定方法:利用多幅场景图像对应点之间的约束关系来标定摄像机。该方法不需要使用标定块,但必须获得图像间的对应点[27]。
(3)基于几何形状的标定方法:使用多条直线投影交点的性质来恢复摄像机内部参数。此类方法优点是不需要知道用于标定的空间直线之间以及这些直线与摄像机之间的相对位置,但只能标定摄像机的内部参数,不能标定外部参数[28,29]。
前两类方法实现困难,过程烦琐,且提出一种准确的寻找对应点的匹配方法非常困难。相比而言,基于几何形状的标定方法更为简单有效,它通过分析特定几何形状在全景图中的成像来获取摄像机参数以及相机与镜面的位置关系。
3.5.2 图像处理
由于需要使用投影变换将极点变换到无穷远处,且变换矩阵不唯一,因而这些算法往往不能得到理想的校正结果,并会使图像产生重采样效应,其主要表现为校正图像畸变、物体变形以及分辨率损失等,而成像系统获取的图像由于受到种种条件限制和随机干扰,会被噪声污染,扭曲图像如何恢复处理,以及全景图像压缩,另外后期图像在进行目标识别追踪等环节时,以上这些情况都需要利用相应的图像处理方法如图像去噪增强、边缘提取、极线采样校正等算法进行图像处理,以便得到图像质量更高、信息量更大的全景图像。
4 结束语
面向全景视频的距离测量方法 篇8
从真实场景的图像中测量距离已成为计算机视觉和图像处理的研究热点[1,2,3]。现有的基于图像的测量方法主要是面向单幅透视图像[1,2,3],其可测量范围受到相机视域FOV的限制。利用图像拼接技术构建待测场景的全景图像[4,5],可以克服基于单幅透视图像测量方法的视域受限的不足,大大扩展了可测量范围,使得在单幅图像中无法完全呈现的长距离线段也能够得以测量[6]。但是,基于全景图的测量方法,其测量范围却受限于单个固定的相机拍摄点,只能测量在拍摄点可见的全方位场景。全景视频技术[7,8,9]可以记录沿着相机拍摄路径的所有全方位的场景信息。通过构造全景视频,在单幅全景图像中无法完全呈现的长距离线段就能够完全呈现在全景视频中。在场景全景视频中进行测量,测量范围不再受相机单个固定拍摄点和视域的限制,从而极大地扩展了场景的可测量范围。
本文通过扩展面向全景图像的距离测量方法[6],提出基于场景全景视频的距离测量方法。这种测量方法的基本思想是,利用全景图像拼接技术[4,5,10]构建多帧有序全景图像的集合,生成场景的全景视频;采用结构与运动恢复技术[11,12,13]恢复相机运动参数(相机的位移和朝向);根据待测点反投射线[14]的不变性对场景进行交互式测量。此方法充分利用趋于成熟的全景图像拼接技术和结构与运动恢复技术(Structure And Motion Recovery),结合影射几何原理[14]将全景视频用于距离测量。通过软件原型PVMeasure,用户可以在场景的全景视频中进行交互式测量。在PVMeasure中,用户可以通过简单的鼠标、键盘操作,围绕视点进行水平和竖直方向上360度旋转以及视域的放大、缩小等来交互地选取待测点,也可以沿着相机的拍摄路径进行移动,选取不同的拍摄点进行测量。对于在单幅全景图中无法完全捕获的长距离线段,用户可以在不同帧中分别定位待测线段的起点和终点进行测量。确定待测线段的两个端点后,PVMeasure根据恢复的相机参数和参考平面自动计算出线段真实距离。据我们所知,这是第一次将全景视频用于测量真实距离的方法。
1 面向全景视频的距离测量
面向全景视频的距离测量方法有三个步骤:全景视频的生成,相机投影矩阵的恢复以及点坐标从射影空间到欧氏空间的转换。
为了在全景视频中进行测量,需要获取场景的全景视频。单个相机已经不能满足拍摄全景视频的要求,使用多相机装置对待测场景进行拍摄。这种装置由多个中心近似重合并且可以对场景进行同步拍摄的相机组成,如FlyCam[8]和Ladybug[9]。对于得到的场景视频每一帧中的图像,采用图像拼接方法和环境映射进行处理生成场景全景视频。得到的全景视频中记录了沿着相机拍摄路径的全方位的场景信息。
充分利用日益成熟的结构与运动恢复技术来高精度地恢复相机的运动参数。由于多相机装置中的各个相机的相对位置在拍摄过程中保持不变,恢复其中一个相机参数后,可以通过相对位置推算出其他各个相机的运动参数,有效地减少恢复相机的运动参数的计算量。
用户在PVMeasure中不论是旋转、缩放全景图,还是沿多相机装置的拍摄路径进行移动,每个场景点的反投影线[14]保持不变。因此,利用反投影线这一特性,将待测的场景点的反投影线和其所在的平面(参考平面)求交来计算此点的世界坐标。反投影线可以由图像拼接和结构与运动恢复过程所恢复的相机投影参数确定。
在PVMeasure中进行测量时,用户通过鼠标拖拽选择出待测量线段两端点所对应的图像点。待测线段的端点可位于同一个或不同的参考平面上,可以在同一帧内,也可以分别在不同的帧内。选定完待测线段起点和终点后,PVMeasure通过场景点的反投影线和参考平面,计算出线段两端点的世界坐标,最后根据L2-norm计算出待测线段的真实距离。
对于在单幅全景图中无法完全捕获的长距离线段,在PVMeasure中用户可以先在一帧中选择一个端点,然后用键盘沿着拍摄路径移动到另一帧选择另一个端点来进行测量,待测线段的端点可位于同一个或不同的参考平面上。
整个测量过程可分为离线和在线两个阶段。离线阶段包括全景视频的生成和相机投影矩阵的恢复;在线阶段即用户通过使用PVMeasure在全景视频中沿着相机拍摄轨迹对场景进行交互式测量。
1.1 全景视频的生成
基于全景视频的距离测量,需要构建场景的全景视频。已有很多方法来构建场景的全景视频,它们通常是将全景图片与拍摄路径关联生成全景视频。全景图片可以采用图像拼接方法获取。本文使用多相机装置拍摄场景,将每一帧的多幅图像用图像拼接算法进行处理生成全景图,最后把生成的多幅全景图通过环境映射渲染到PVMeasure生成全景视频。用户可以在PVMeasure中沿着相机拍摄路径浏览场景的全景视频。
为了获取场景的全景视频,我们使用多相机装置对待测场景进行拍摄。这种装置由多个中心近似重合并且可以对场景进行同步拍摄的相机组成,如FlyCam和Ladybug。这种装置在拍摄过程中保持焦距和相对位置不变。
设定一个坐标系F,多相机装置的所有相机的光心都在原点,用R
计算得到。其中纵横比α可以当成1,而中心点(cx,cy)等同于相片中心点[4,5]。
图像拼接方法[7]生成的全景图在垂直方向上只能提供有限的视域,图像拼接方法[4,5]生成的全景图能满足测量范围不受视域限制的要求。文献[5]方法基于SIFT特征匹配算法,对于图像的旋转、旋转、尺度缩放、亮度变化能够非常好的匹配,对视角变化、仿射变换、噪声比较鲁棒[10]。通过优化的SIFT算法甚至可以达到实时的要求。因此选择文献[5]方法来稳定高效地生成场景的全景图。图像拼接方法[5]是基于集束调整(bundle adjustment),集束调整基于一种全局优化思想,通过优化所有相机参数,使图像特征点在拼接过程的总匹配误差最小。集束调整在一个好的初始集下能够快速收敛并获得更优的解。这边,可以用文献[4]方法来获取准确的相机焦距初值来优化文献[5]图像拼接方法中的集束调整过程。
为了使用户能够进行交互式测量,需要把全景图渲染到PVMeasure。因为柱面和球面映射下,直线看起来会变弯,本文采用立方体映射。根据集束调整过程获得的相机参数,可以将全景图转成立方体环境映射图片,这些图片最后通过3D图形API在PVMeasure里被绘制出来。对每一帧重复以上的处理步骤,从而生成能够在PVMeasure中浏览的全景视频。
1.2 相机投影矩阵恢复
为了确定待测场景点的反投射线以进行距离测量,需要计算出多相机装置中每个相机在所有拍摄点的相机投影矩阵。由于多相机装置中的各个相机的焦距和相对位置在拍摄过程中是保持不变的,恢复其中一个相机(参考相机)运动参数后,可以通过相对位置推算出其他各个相机的运动参数,有效地减少恢复相机参数的计算量。基于结构和运动恢复相机跟踪技术[11,12,13]可以用来高精度恢复参考相机的运动参数。
基于结构和运动恢复相机跟踪方法可以分成实时和离线两类[11]。实时的方法实时处理在线视频,不能把视频系统当成整体离线处理,同时不能花太多时间去优化恢复出来的相机运动参数。基于结构和运动恢复的相机跟踪研究已经达到一定的成熟度,出现了商业软件boujou[15]。boujou可以离线处理视频系列,精确地恢复相机运动参数。准确的相机内参初值有助于恢复高精度的相机运动参数。本文的测量方法需要高精度地恢复相机参数,可以利用在生成全景视频过程中已经估算出来的相机内参作为已知参数,优化相机跟踪过程。我们用准确的已知不变的相机内参放进boujou去高精度地恢复参考相机的运动参数。为了提高相机运动参数恢复的精确度,boujou提供强大的操作比如加人工定标点和已知几何约束等。在实验过程中,我们发现高分辨率的视频可以进一步提高boujou恢复的相机运动参数的精度。
通过boujou,我们可以先设定一个世界坐标系W(包括单位长度)。分别用r表示参考相机,R
其中
相机之间的相对关系可以从R
1.3 交互式距离测量
获取全景视频每一帧的相机内外参数后,可以利用反投射线与参考平面求交来推算场景点的真实世界坐标。基于全景视频的交互式距离测量,还要考虑跨帧长距离线段测量的情况。设x表示用户在PVMeasure绘制的全景图中所选取的待测点,X为此点在世界坐标系中对应的场景点(文献[6]图1)。对于两个所选的待测点x1和x2,一旦它们对应的世界坐标点X1和X2被推导出来,则它们之间的距离可由L2-norm计算得到。这两个待测点可以在全景视频的同一帧中,也可以在不同的帧中。
在PVMeasure中测量跨越多帧的长距离线段时,当用户在第i帧中选择了其中的一个端点x1,并且沿着相机拍摄轨迹移动到第j帧以确定另一个端点x2时,如果x1对应的场景点在j帧也可见,这要求x1在第j帧中得到正确绘制,以提供友好的用户体验。由于x1对应的场景点X1的世界坐标在用户选定后就被计算出来,只需要确定在第j帧中摄到场景点X1的相机,然后根据相机的投影矩阵重新计算X1在第j帧图像的绘制坐标,就可以将其正确地绘制在PVMeasure中(图1(b)中X1在1/5距离帧正确地绘制)。
2 真实实验
为了验证本文方法,我们生成一段真实世界的全景视频,然后在PVMeasure中测量若干场景线段,再将测量所得的结果和真实值进行比较来验证测量方法的精确度。我们选择多相机装置里的一个相机作为参考相机,用boujou恢复出参考相机的运动参数。同时在boujou中设置世界坐标系W,选择地面作为世界坐标系W下的Y=0平面。一开始我们只能测量Y=0平面的线段,为了扩大可测量范围,在PVMeasure可以推导出其他与已知参考平面垂直的平面,更多的在此帧中不可见的参考平面可以在其他帧中推导出来。在图2(a)中,共测量了6条线段。测量结果如表1中所示。使用高分辨率的输入图像可以提高测量精度。
在测量横跨多帧全景视频的长距离线段时,用户可以在PVMeasure中沿着相机拍摄路径移动到一个离待测线段端点较近的位置对端点进行准确定位,然后移动到另外位置选取另一个端点。两个端点可以在同一帧,也可以在不同帧。为了验证跨帧测量结果的准确性,我们将线段S7和S8的一端固定,另外一端分别在不同的帧里,将测量结果同S7和S8的两个端点都在同一帧里的测量结果进行比较。图3表明由于累记误差的存在,跨帧测量的相对误差比同一帧的相对误差大一些。
3 总结与展望
本文描述了一种面向全景视频的距离测量方法。该方法在面向全景图像测量方法的基础上进行扩展,将距离测量应用到全景视频中。相对于全景图像提供的单个固定拍摄点的全方位场景信息,全景视频提供所有在拍摄路径上可见的场景信息,使可测量范围不再受到单个固定拍摄点的限制,从而扩大了可测量范围。交互式全景视频测量软件原型PVMeasure基于该方法开发。在PVMeasure中,用户不但可以通过视域缩放、旋转等操作围绕拍摄点对场景进行任意角度的浏览,还可以沿拍摄路径前后移动,选择周围的可见场景进行测量。面向全景视频测量方法中,高精度地恢复相机参数是准确测量的关键,现有的趋于成熟的图像拼接技术和基于结构和运动恢复相机跟踪方法为本文测量方法的准确性提供保障。实验数据表明,这种方法在图像噪声值干扰的情况下仍具有较高的精确度,可满足大多数场合下的测量精度要求。
在今后的工作中,我们将进一步研究可测量范围并提高测量精度。相机跟踪过程中会恢复一系列场景点的世界坐标,尝试利用这些点的信息进一步扩展场景可测量范围。另一方面,通过优化图像拼接和相机投影矩阵恢复过程的研究,恢复高精度的相机参数以提高测量方法的精确度。最后,本文方法需要对拍摄的视频进行预处理即离线阶段的全景视频的生成和相机投影矩阵恢复,我们会尝试在全景视频中实时测量距离。
摘要：从真实场景的图像中测量距离已成为计算机视觉和图象处理的研究热点。现有的基于单幅透视图像的测量方法,其可测量范围受限于相机视域FOV(Field-of-View)。通过构建待测场景的全景图,扩展了待测场景的可测量范围,但是其测量范围受限于单个固定的相机拍摄点,只能测量在拍摄点可见的全方位场景。通过扩展基于全景图的距离测量方法,提出基于场景全景视频的距离测量方法,测量范围不再局限于单个固定的拍摄点。通过基于此方法开发的软件原型PVMeasure,用户可以在场景的全景视频中进行交互式测量。真实场景测量实验结果表明,方法具有良好的精确度,可满足大多数场合下的测量精度要求。
HDR垂直全景 篇9
通常全景图片是水平拍摄得到，如果垂直拍摄会得到什么结果呢？这种拍摄方式就是下文要介绍的垂直全景（Vertorama）——在垂直方向拍摄全景。垂直拍摄可能听起来不可思议，但它尤其适合展示室内场景。拿一座教堂来说，读者在观看垂直全景拍摄的照片时，会有一种身临其境的感受，能够看到人在现场第一时间所能看到的全部视角。
但是，拍摄垂直全景并不是轻而易举的：垂直方向的景物可能有比较大的动态范围，从上到下拍摄一组照片很可能无法记录下最亮及最暗部分的细节；（此外，垂直拍摄也要保证节点位置不动，否则会造成拼接失败——译者注）。如果将垂直全景（Vertorama）技术与高动态范围（HDR）摄影结合起来，我们就有机会真实再现甚至艺术化再现原有场景。本文将这种拍摄手法称之为“HDR垂直全景”。
下文将详细讲解HDR垂直全景拍摄及制作过程中的每一步。
面临的挑战
要拍摄HDR垂直全景，拍摄者需要将垂直全景技术和HDR摄影技术结合起来。这就意味着：在HDR垂直全景待拼接的每一部分素材（相机上仰、下俯拍摄，见图2-1）中，都包含一组包围曝光的照片（图2-2）以及由这组照片通过通道映射（tonmapping）而得到的HDR局部图片（图2-3）。这些HDR局部图片通过数码拼接而得到垂直全景（图2-4），经过裁切以及进一步后期制作后得到最终成品（图2-5）。所以，一张HDR垂直全景中都包含了数十张前期拍摄素材，拍摄者就可能面临以下问题：
1.需要精确拍摄的照片素材，并确保要拼接的相邻图片有很好的重合度。这里精确有两个含义：1）保持拍摄节点不动； 2）包围曝光时相机不能出现晃动。
2.拍摄需要在尽可能短的时间内完成。因为垂直方向的涵盖面较广，光影的细微变化都会反映在最终照片中。此外，一些场景中有移动物体，这也给拍摄带来了更大的挑战。
3.HDR垂直全景是一种近似墨卡托投影的“变形”视角呈现方式。正是由于此类图片是数码拼接的产物，拍摄者在取景器中是无法看到最终效果的。因此，HDR垂直全景的拍摄有赖于拍摄者的大胆创意以及丰富的拍摄经验。
4.许多值得拍HDR垂直全景的地方（例如教堂以及古城堡），现场光线都十分微弱而且不允许带三脚架进去。拍摄者可能不得不手持相机，以较低的快门速度进行包围曝光拍摄。
5.制作过程会带来很大的计算量，所以计算机需要足够好。
器材准备
拍摄过程中最主要的器材就是相机、镜头以及全景云台。
A.相机
如果使用三脚架完成拍摄过程，一台具备手动挡的相机就足以胜任。但如果是手持拍摄，具备以下功能的相机会让你事半功倍：
1.高连拍速度（High Fps）以及自动包围曝光（AEB）。这个功能能够让拍摄者在很短时间内完成包围曝光图像的采集并且将相机晃动以及景物移动引起的画面偏差降到最小。（足够好的光线条件下或足够高的ISO条件下——译者注）。
2.曝光锁定以及焦点锁定（AE/AF Lock）。一台具备曝光锁定以及焦点锁定的相机能够让拍摄者用更少的时间完成从上到下多组相同参数包围曝光图片的拍摄。
3.优质的高感成像。在一些不得不采用手持拍摄方式的弱光环境中，需要通过提高ISO来获取更高的快门速度，进而提高拍摄成功率。
4.足够的缓存及外部存储空间。由于HDR垂直全景需要经由多组包围曝光图片来合成，图片的数据量就成倍地增加了。图片在存储到外部存储卡上之前会先存储在相机缓存中，手持拍摄时又要非常迅速地完成HDR垂直全景中每部分的拍摄。如果因为缓存限制导致连拍速度下降，会极大地降低拍摄成功率。（拍摄时通常采用连拍模式，而许多相机在进行连拍时都有连续拍摄上限。例如佳能EOS 450D就只能连续拍摄10张Raw格式图片，折算成±2EV、2EV间隔的包围曝光也就只有三组。而一些高端的相机甚至具备±3EV、1EV间隔的包围拍摄模式——译者注。）
B.镜头
垂直全景不光要考虑垂直方向的景物，水平方向的视野也很重要。因此对镜头来说是越广越好。8-12毫米（等效35毫米焦距）的超广角镜是非常适合拍摄垂直全景的，这是因为，超广角镜头在水平方向上能够取得尽可能大的视场；短焦距即使是在大光圈下也有较大的景深，这样能够保证图像的清晰度；最后，根据焦距倒数折算率，广角镜的“安全快门”较低，这使得手持拍摄成为了可能。超广角镜的这三点优势，会让HDR垂直全景的拍摄事半功倍。
C.全景云台
全景云台不同于普通云台，它能够把镜头的节点固定在相机的旋转轴上，进而相机围绕镜头节点旋转拍摄。围绕节点旋转将能避免在图像拼接时出现“接缝”，实现“完美”拼接 。（为了照顾水平视野，相机应当以水平方式放置并且围绕水平轴旋转。因此，传统全景云台的竖直固定方式并不能很好地满足垂直全景的拍摄需求。因此作者自己动手制作了一种特殊云台——译者注）。用一些市面上能够买到的摄影周边器材搭建一个DIY全景云台，就能满足拍摄要求，并且坚固又廉价。一种可能的DIY全景云台如下：
这个DIY全景云台包括了：1、2是带有角度刻度的分度盘；3是一个小型滑轨（加长型快装板——译者注），为了适应不同镜头节点而设置 ；4、5是两个普通的云台连接座 ；6是一个L型快装板，能让相机旋转90度并居中固定在云台上；7是在L型快装板设置的挂钩，不用时通过挂钩连接在相机上，以防丢失。
拍摄过程
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正如前文所述，拍摄HDR垂直全景有两种方案：三脚架拍摄或者手持拍摄。通过上面的介绍，读者或许认为手持拍摄难度过大，其实不然，只要通过恰当的拍摄方式，都能很好地完成拍摄。
A.准备
这一步是要找到镜头的节点。找到节点，并且旋转轴通过节点，将能避免拼接失误。上图4中的1和2，就显示了相机在拍摄时当不围绕节点旋转，在相邻图像3，4的重合区出现的透视改变现象。不同的镜头节点不同，对于变焦镜，不同焦距的节点也不同。笔者建议拍摄者选用手头的超广角镜，并且始终在最小焦距端拍摄。
这里介绍一种寻找节点的快捷方法。设置两个前后相隔一定距离并且互相重合的杆子；将相机固定在加长快装板上；拍摄两张图，一张是相机偏左的位置拍摄，一张偏右拍摄。通过加长快装板上在云台连接座的前后位置，直到找到一点，使得前后景物在两张图片中始终互相重合，即不发生透视改变现象。做一个标记，确定节点位置，也方便下次重新拍摄时的安装。
节点找好之后，将云台由水平模式（图5-1）调节到垂直模式（图5-2），即可开始下一步拍摄，见图5。
B.相机设置
三脚架设置完毕后还需要对相机进行设置。主要设置如下：
1.焦点设置。焦点选择在拍摄点距最远景物之间的位置。（焦点设定在超焦距位置处——译者注）将相机光圈设置在最佳成像光圈，通常是f/8甚至更小，这样，景深很大，图片清晰度也能得到保证。焦点设定好之后，将镜头（或机身）的对焦设置到手动对焦挡，即锁焦。
2.白平衡的设置。如果能够根据现场光手动设置白平衡，拍摄的所有照片都能够较好地还原真实色彩。如果采取自动白平衡模式进行拍摄，则需要在后期手动调整白平衡。
3.设置反光镜预升，减小反光镜引起的机身抖动对图片质量的影响。微单相机不存在此问题。
4.使用快门线进行拍摄，能够将触发快门引起的震动减到最小。
5.单反相机在长曝光拍摄时需要人为遮住光学取景器，以消除现场光通过光学取景器对相机测光以及曝光产生的干扰。
C.曝光要领
确定拍摄场景相符合的曝光参数有很多种办法。笔者在这里选择手动测光模式，因为这种方式确定的曝光参数比较精确，调节起来灵活性也强。在确定曝光之前，记得要将相机的ISO值尽可能调低，并将光圈设定好，通常在f/8和f/16之间。需要注意的是，这种设定原则不是一成不变的，当曝光时间超过相机预设最大限度30秒时，就要灵活处理以上参数之间的关系了。但从图像品质出发，ISO越低越好。
对场景中最亮部分及最暗部分分别进行点测光，得到两组曝光参数，按照一个曝光序列，从最暗部分的曝光参数直到最亮的曝光参数，逐个拍摄图片。为了保险起见，拍摄时按照最亮部分减1EV到最暗部分加1EV作为曝光序列的边界点。
D.开始拍照
在进行了三脚架及相机设定，并确定曝光区间以后，拍摄者接下来应该尽量迅速及平稳地完成照片拍摄工作。笔者建议，在决定按下快门前，一定要再次检查三脚架设置及与相机的连接是否稳固，相机设定是否正确等等细节问题。
1.检查完毕后，将相机下俯，垂直对地，拍摄第一组对地面的照片。这张照片可能会把架子及摄影者的脚拍进去，不过没关系，这一步是为了给后期的拼接提供一些拼接素材。
2.等待合适的拍摄时机。等待很重要，垂直全景因为视野范围非常大，需要考虑的拍摄因素也较多，例如：来来往往的人流，光线的变化，每个拍摄区域的变化等等。
3.时机成熟后，按照从下往上的顺序逐个区域拍摄。对每一个区域都要按照从最暗部分加1EV到最亮部分减1EV的参数边界拍摄，每次间隔1EV。拍完一个区域，相机即上扬一定角度拍摄下一个区域。（上扬角度根据镜头不同而有所不同，要至少保证相邻图片重叠30%，超广角镜以30度为宜——译者注。）
下面以一个拍摄实例说明具体拍摄流程：
光圈设定好之后，假设画面中最亮部分测得快门数为1/1000秒，最暗处为1/15秒（最亮最暗相差6挡曝光），按照下面步骤开始拍摄。
1.从亮部减一挡作为曝光起点，即1/2000秒，间隔1EV逐步拍摄到暗部加1EV结束。接着是1/1000秒， 1/500秒，1/250秒，1/125秒，1/60秒，1/30秒，1/15秒，1/8秒。
2.在拍完一个区域后，相机应当上扬一定角度，保证与之前的拍摄区域有30%的重合区。
3.所有区域都拍完后，不要拆掉相机，应当在回放屏中逐一检查拍摄历史，看有没有遗漏或者失误的地方。
后期制作
后期制作需要好几个步骤，如果你是以Raw格式拍摄的，需要用相关软件将Raw转化为合适的文件格式。另外，根据拍摄时ISO的不同，还需要进行数码降噪处理。这些都是进行后期制作前需要完成的工作。
A.合成垂直全景
素材图像准备好后，就应该进行图像合成以及拼接了。这里包含两步操作：1.每一个拍摄区域不同曝光的图像合成为一张HDR图片。2.将这些HDR图片合成为最终的HDR垂直全景。理论上步骤1和步骤2可以互换，不过先1后2在操作上会更加简单。
在步骤1中，拍摄者需要把不同曝光的图片拖入HDR合成软件，然后进行合成及调整，最后存储为32位的HDR格式图片。（鉴于合成软件的不同，存储为16位Tiff格式文件亦可——译者注）注意，要将第一次调整完的参数存储下来，然后批量应用到后续的区域HDR图片中以保证一致性。步骤1完成后，我们就得到了关于每个区域的HDR图片。
步骤2中，我们知道许多软件都能完成图像拼接，这里介绍Photoshop的Photomerge拼接功能。见下图：
进入Photoshop后，选择“文件→自动→Photomerge”。弹出的窗口中（见图8），下拉菜单1中你可以选择源图像来源，4是Browse能够单独导入电脑中的图片，5能够让你导入当前在Photoshop中打开的图像文件。在拼接模式选择中选择“Cylindrical”模式，全部勾选3种选项能够得到更好品质的图像。点击Ok，就开始自动拼接了！
当拼接完成后在Photoshop面板中就能看得到最后结果。一般来讲，图像分层输出并且边缘是不规则的。这时只需要合并所有图层即可（图层→合并图层），然后根据图像的朝向旋转到合适的位置（图像→旋转图像）。
B.矫正变形
由于拍摄时不可能做到绝对对称，因此Photoshop输出的原始全景图通常都会出现各种变形。这种变形可以通过形变工具（快捷键Ctrl+T，右键选择变形）来修复。这里的修复侧重于展宽图像的中间部分以及缩窄顶部与底部。应用变形，并且进行裁剪后得到一种对称式构图的图像。到这一步就完成了HDR垂直全景的制作。这幅图像应该涵盖了从上到下的视角以及从亮到暗的全部细节。剩下的就是进一步后期处理让这幅画面更加出彩，这属于Photoshop后期处理的范畴，处理方式也因人而异，本文在此不再赘述。
如果想学习更多关于HDR垂直全景的实用技巧，可以去看我的新书：A Practical Guide to HDR Vertorama Photography，网址是：http：//farbspiel‐photo.com/pcs/hdr‐vertoramaphotography 这里有更详细的关于构图、技巧以及手持拍摄的相关资料，能够帮你得到更加绚烂的HDR垂直全景作品！
“细胞的结构和功能”考点全景透视 篇10
细胞是生命活动的基本单位, 其结构与生产生活、生物工程等科学技术息息相关。“细胞的结构和功能”是历年来高考的高频考点之一, “结构”、“功能”及“信息”是串联本考点的三根主线, 高考中多以细胞结构的模式图为载体, 对细胞膜的结构和功能, 各种细胞器的形态结构、分布规律和生理功能以及细胞核的结构和功能进行多角度立体考查。
预计2013高考中本专题内容仍为考查重点。而将细胞膜的研究的最新科技作为背景来考查细胞膜的应用, 是高考趋势之一。物质的跨膜运输与农业生产中植物吸收营养物质的关系, 是常考的热点。实验探究的考查则侧重于对实验设计的考查, 要求学生运用实验设计的方法, 来解决一些实际问题。
二、核心考点梳理
考点一、细胞膜的结构和功能
1.细胞膜的制备:常利用哺乳动物的红细胞, 让其吸水涨破, 来获得较纯的细胞膜。
2.细胞膜的结构特点:具有一定的流动性。
3.细胞膜的功能特性:具有一定的选择透过性。
4.细胞膜的成分、结构、功能之间的关系如下图所示。
考点二、细胞质的结构及功能
2.细胞器的归纳整合
3.叶绿体与线粒体的比较
4.细胞质基质、线粒体基质和叶绿体基质的比较
考点三、细胞核的结构与功能
1.结构: (1) 核膜:双层膜, 具有核孔, 使细胞核保持相对独立性, 实现核质间的物质交换、信息交流。 (2) 核仁:与核糖体的形成及某种RNA的合成有关。 (3) 染色质 (体) 组成:DNA和蛋白质。
2.功能:是遗传信息库, 是细胞遗传和代谢的控制中心。
考点四、细胞的生物膜系统
1.概念
核膜、细胞膜以及细胞器膜, 在结构和功能上是密切统一整体, 它们形成的结构体系, 叫做生物膜系统。
2.细胞内的生物膜在结构上的联系
(1) 直接联系:内质网膜向外与细胞膜直接相连, 向内与外层核膜直接相连, 这种连接有利于细胞内外的物质交换。在代谢旺盛时, 内质网膜还与线粒体外膜直接相连, 这种连接有利于内质网上的耗能过程。 (2) 间接联系:内质网膜“出芽”形成小泡, 小泡移至高尔基体与高尔基体膜融合, 这种联系使蛋白质类物质由内质网运至高尔基体;高尔基体膜“出芽”形成小泡, 小泡外移与细胞膜融合, 再由细胞膜通过外排将蛋白质类物质由高尔基体经细胞膜分泌到细胞外。
3.细胞内的生物膜在功能上的联系
以分泌蛋白的合成与分泌为例:
(1) 氨基酸在粗面型内质网上的核糖体中形成多肽链。 (2) 多肽链在内质网腔进行加工 (包括折叠、组装、加糖基团等) , 通过“出芽”形成的小泡送达高尔基体。 (3) 不成熟的蛋白质在高尔基体被加工成为成熟的蛋白质, 通过“出芽”形成的小泡送达细胞膜。 (4) 细胞膜以胞吐形式将成熟的分泌蛋白分泌出去。
考点五、物质跨膜运输的方式和特点
提示:在整个分泌蛋白的合成与分泌过程中, 其通过的生物膜层数为零层。
注意:大分子物质如蛋白质分子等在进出细胞时, 不能以跨膜方式运输, 而是以胞吞或胞吐的方式实现的。
考点六、用高倍显微镜观察线粒体和叶绿体
1.实验材料:新鲜的苔藓叶、口腔上皮细胞。观察叶绿体, 最好选用细胞内叶绿体数量较少体积较大的植物细胞。观察线粒体要选择无色的细胞。
2.实验原理:植物绿色部位的细胞内含有叶绿体, 可以在显微镜下直接观察。叶绿体在细胞内不是静止的, 它不仅会随着光照强度的变化而改变方向, 还可以随着细胞质的流动而运动。线粒体无色, 可以用健那绿染色。健那绿是一种活细胞染色剂, 线粒体在健那绿染液中可以维持数小时的活性。通过染色可以看到被染成蓝绿色的线粒体的形态和分布。
3.实验过程:
观察叶绿体:制作苔藓叶片临时装片→低倍镜下找到叶片细胞→高倍镜下观察。
观察线粒体:取材→染色→制片→低倍镜下找到口腔上皮细胞→高倍镜下观察。
4.注意事项:
(1) 选择苔藓或黑藻叶片是因为他们的叶片较薄, 有些部位的细胞是单层的, 可以直接放在显微镜下观察, 如果用菠菜等其他材料, 撕取的表皮上一定要带有些叶肉细胞, 因为叶表皮细胞没有叶绿体。
(2) 制好的植物细胞临时装片要保持有水的状态, 否则会影响细胞的活性;加盖玻片时一定要缓慢盖上盖玻片, 以免装片中有气泡。
(3) 在刮取口腔上皮细胞时, 要先漱口。刮时不能太用力, 避免刮伤。
(4) 强光下, 叶绿体以其椭球体的侧面朝向光源;而在弱光下, 则以其椭球体的正面朝向光源, 以充分接受光照。在用强光照射时, 灯泡不能离装片太近, 否则, 叶绿体会被强光灼伤而解体。
三、高频易错考点剖析
1.对于细胞类型的判定的易错点例举
(1) 认为没有细胞核的细胞是原核细胞。哺乳动物成熟的红细胞虽没有细胞核, 但最初有真正的细胞核, 属于真核细胞。
(2) 能够进行光合作用的细胞一定含叶绿体, 没有叶绿体的一定是动物细胞。蓝藻细胞没有叶绿体也进行光合作用;根细胞没有叶绿体, 但它是植物细胞等。
(3) 具有细胞壁的细胞一定是植物细胞。其实, 细菌、酵母菌等也有细胞壁。
(4) 有中心体的细胞一定是动物细胞。低等植物细胞也有中心体。
(5) 有液泡的细胞是植物细胞。某些低等原生动物 (如草履虫的伸缩泡) 相当于液泡的一种形式, 某些真菌如酵母菌也有液泡。
2.常见的原核生物及与之易混淆的真核生物
3.“流动性”与“选择透过性”、“全透性”三者概念的比较与认识的误区
(1) 细胞膜才有流动性, 细胞壁才有全透性。所有生物膜都有流动性, 死细胞的细胞膜失去选择透过性, 也变成全透性。
(2) 核膜没有选择透过性。活细胞的所有生物膜都有选择透过性, 核膜是生物膜的一种。
(3) 无法区分流动性和选择透过性。流动性是结构特点, 选择透过性是功能特性。变形虫的变形运动、胞吞 (吐) 、细胞融合、原生质体融合等依靠膜的流动性, 而被动运输和主动运输体现的是膜的选择透过性。
4.关注活跃在试题中的“特殊”细胞
运用细胞结构与功能相适应的观点分析结构类型不同的细胞, 其功能不尽相同, 这是由它们的结构特点决定的。注意一些特殊细胞的结构特点, 这是高考命题常见的材料。
(1) 根尖分生区细胞没有的细胞器:叶绿体、中心体、液泡。
(2) 蛔虫在人体肠道内寄生, 只进行无氧呼吸, 自然也无线粒体。
(3) 哺乳动物成熟的红细胞只有细胞膜, 没有核膜和细胞器膜。
(1) 哺乳动物成熟的红细胞没有核膜和细胞器膜, 所以实验室常用作提取纯度较高的细胞膜的实验材料;
(2) 哺乳动物成熟的红细胞无核, 也没有一般的细胞器如核糖体、线粒体等, 所以自身不能合成蛋白质, 呼吸作用方式是无氧呼吸, 不能进行细胞分裂, 而且寿命较短;
(3) 红细胞数目的增多源于造血干细胞的增殖分化;
(4) 红细胞中含有血红蛋白, 在氧浓度高的地方容易与氧结合, 在氧浓度低的地方容易与氧分离, 使红细胞具有运输氧的功能;
(5) 红细胞在低渗溶液中会因吸水而涨破, 在高渗溶液会因失水而皱缩。
(4) 需氧型细菌等原核生物细胞内无线粒体, 不等于说原核细胞不能进行有氧呼吸, 其有氧呼吸主要在细胞膜上进行。
(5) 蓝藻属原核生物, 无叶绿体, 但能进行光合作用, 完成光合作用的场所是细胞质。
(6) 精子不具有分裂能力, 仅有极少的细胞质在尾部。
(7) 神经细胞具突起, 不具有分裂能力。
四、典例剖析
例1. (多选) 细胞内很多化学反应都是在生物膜上进行的, 如图表示真核细胞中4种生物膜上发生的化学变化示意图, 相关叙述不正确的是 ()
A. (1) 是高尔基体膜
B. (2) 与细胞板的形成有关
C. (3) 是叶绿体内膜
D. (4) 中蛋白质的含量较多
知能定位:
此题考查的是几种生物膜的功能和其膜上分布的化学成分, 属于分析推理层次。解答本题的关键是对图要能判断准确, 懂得图中提供的信息。
解析:
肽链是氨基酸在核糖体中经脱水缩合形成的, 其在内质网上形成一定空间结构, 也就是蛋白质, 然后经过高尔基体的再加工和包装等, A错。细胞板逐渐形成细胞壁, 纤维素由许多葡萄糖连接而成, 是构成细胞壁的成分之一, B对。吸收光能的色素分布在类囊体的薄膜上, 可以将水分解成氧和[H], C错。有氧呼吸的第三个阶段是在线粒体内膜上进行的, 线粒体内膜含有比外膜更多的蛋白质, 所以承担着更复杂的生化反应, 存在于线粒体内膜中的蛋白质主要是载体蛋白、合成酶等。
答案:
AC
例2.下列有关动植物细胞结构的比较不正确的是 ()
A.胆固醇是动物细胞膜的重要成分, 而植物细胞膜中没有
B.液泡主要存在于植物细胞中, 中心体见于动物和某些低等植物细胞中
C.植物细胞在细胞膜的外面还有一层细胞壁, 而动物细胞没有
D.动植物细胞间信息交流都必须依赖于细胞膜表面的受体
知能定位:
知能定位:本题考查动植物细胞的结构及细胞的功能, 属于分析判断层次。解答本题的关键是熟悉动植物细胞的结构和功能。
解析:
动物细胞有胆固醇而植物细胞没有;液泡主要存在植物细胞中, 中心体存在动物细胞和低等植物细胞中;植物细胞有细胞壁, 动物细胞没有细胞壁;植物细胞可通过胞间连丝进行信息交流。
答案:
D
例3. (2011年重庆卷-5) 下图为某种植物幼苗 (大小、长势相同) 均分为甲、乙两组后, 在两种不同浓度的KNO3溶液中培养时鲜重的变化情况 (其它条件相同且不变) 。下列有关叙述, 错误的是 ( )
A.3h时, 两组幼苗均已出现萎蔫现象, 直接原因是蒸腾作用和根细胞失水
B.6h时, 甲组幼苗因根系开始吸收K+、NO3-, 吸水能力增强, 使鲜重逐渐提高
C.12h后, 若继续培养, 甲组幼苗的鲜重可能超过处理前, 乙组幼苗将死亡
D.实验表明, 该植物幼苗对水分和矿质元素的吸收是两个相对独立的过程
知能定位:
本题考查细胞吸水和失水有关的知识, 及细胞重量变化与细胞吸水和失水的关系。
解析:
3h后, 两组幼苗重量均已低于初始萎蔫鲜重水平即发生了萎蔫, 一方面是因为蒸腾作用散失了水分, 另一方面是因放在浓度较大的KNO3溶液中, 根细胞吸水的能力很弱, 甚至失水。根系从一开始就通过主动运输吸收K+、NO3-, 6h后鲜重增加说明根细胞吸收的水分比蒸腾作用散失的水分多, 根细胞内离子浓度高于外界溶液浓度应在6h前就开始了, 只不过根细胞吸收的水分比蒸腾作用散失的水分少, 所以鲜重还是在减少。12h后, 由于甲组根系不断通过主动运输吸收K+、NO3-, 从而保持根细胞内外浓度差, 使其吸水量大于蒸腾量而有可能超过处理前的鲜重量, 而乙组放在比根细胞浓度大很多的KNO3溶液中, 根细胞通过渗透作用和蒸腾作用不断大量失水造成严重萎蔫最后死亡。通过以上分析可知吸收离子与吸收水分是两个相对独立的过程。
答案:
B
拓展:
细胞吸水能力和失水能力大小的判别:细胞在发生质壁分离的过程中, 由于不断的失水使得细胞液的浓度越来越大, 所以细胞失水的能力越来越小, 但是, 细胞吸水的能力越来越大, 虽然细胞还是处在失水状态。相反, 在细胞发生质壁分离复原的过程中由于细胞不断的吸水, 使得细胞液的浓度逐渐减小, 所以细胞吸水的能力逐渐减弱, 但是, 细胞失水的能力逐渐增强。
例4. (2012年安徽卷-2) 蛙的神经元内、外Na+浓度分别是15mmol/L和120mmol/L。在膜电位由内负外正转变为内正外负过程中有Na+流入细胞, 膜电位恢复过程中有Na+排出细胞。下列判断正确的是 ( )
A.Na+流入是被动运输, 排出是主动运输
B.Na+流入是主动运输, 排出是被动运输
C.Na+流入和排出都是被动运输
D.Na+流入和排出都是主动运输
知能定位:
本题以神经元内外Na+浓度、电位变化切入, 通过动作电位和静息电位产生机制, 考查物质跨膜运输方式。
解析:
Na+流入细胞是由高浓度流入低浓度, 故为被动运输;Na+排出细胞是由低浓度流入高浓度, 故为主动运输。
答案:
A
例5. (2012年江苏卷-4) 下列关于真核细胞结构的叙述, 错误的是 ()
A.细胞器在细胞质中的分布与细胞的功能相适应
B.线粒体是细胞内物质氧化和能量转换的主要场所
C.由rRNA和蛋白质组成的核糖体具有特定空间结构
D.高尔基体是细胞内蛋白质合成、加工和运输的场所
知能定位:
本题考查细胞器的知识, 涉及线粒体、核糖体等细胞器的结构和功能, 属于了解层次。
解析:
细胞器有不同的功能, 它们的分布与细胞的功能相适应, A正确;线粒体是有氧呼吸的主要场所, B正确;核糖体是合成蛋白质的细胞器, 它具有特定的空间结构, C正确;蛋白质的合成在核糖体上, 而不是高尔基体, D错误。
答案:
D
例6. (2012年北京卷-31) 科学家为了研究蛋白A的功能, 选用细胞膜中缺乏此蛋白的非洲爪蟾卵母细胞进行实验, 处理及结果见下表。
(1) 将Ⅰ组卵母细胞放入低渗溶液后, 水分子经自由扩散 (渗透) 穿过膜的______进入卵母细胞。
(2) 将蛋白A的mRNA注入卵母细胞一定时间后, 该mRNA______的蛋白质进入细胞膜, 使细胞在低渗溶液中体积______。
(3) 与Ⅱ组细胞相比, Ⅲ组细胞对水的通透性______, 说明HgC12对蛋白A的功能有______作用。比较Ⅲ、Ⅳ组的结果, 表明试剂M能够使蛋白A的功能。推测HgC12没有改变蛋白A的氨基酸序列, 而是破坏了蛋白A的______。
(4) 已知抗利尿激素通过与细胞膜上的______结合, 可促进蛋白A插入肾小管上皮细胞膜中, 从而加快肾小管上皮细胞对原尿中水分子的______。
(5) 综合上述结果, 可以得出______的推论。
解析:
(1) 考查生物膜的结构和自由扩散。自由扩散不需要载体蛋白的协助, 所以水穿过膜, 就是穿越了磷脂双分子层。
(2) 考查翻译和水分进出细胞。mRNA是翻译的模板。根据实验Ⅱ可知, 蛋白A可以提高水的通透速率, 因此细胞在低渗溶液会吸水而膨胀。
(3) 考查实验分析能力。从实验结果可知:与Ⅱ组细胞相比, Ⅲ组细胞对水的通透性降低, 说明HgC12对蛋白A的功能有抑制作用;与Ⅲ组细胞相比, Ⅳ组细胞对水的通透性升高, 但是没有恢复到Ⅱ组的水平, 说明试剂M能够使蛋白A的功能部分恢复, 最终可以推测HgC12没有改变蛋白A的氨基酸序列, 而是破坏了蛋白A的空间结构。
(4) 考查水盐平衡调节, 见答案。
(5) 考查实验分析能力, 从实验结果可知, 蛋白A可以提高水通透速率, 因此可推断蛋白A是水通道蛋白。
答案:
(1) 磷脂双分子层 (2) 翻译迅速增大 (3) 明显降低抑制部分恢复空间结构 (4) 受体重吸收 (5) 蛋白A是水通道蛋白
例7.下图表示吞噬细胞内溶酶体的产生和作用过程, 溶酶体的消化作用存在胞吞和自噬两种途径。请据图回答下列问题。
(1) 与溶酶体的产生直接相关的细胞器是______, 该过程体现了生物膜_____的特点。
(2) 吞噬细胞能识别病原体, 依赖于细胞膜上的_____ (物质) 。溶酶体能消化病原体的原因是_____。
(3) 胞吞作用与主动运输相比较, 相同点是_____, 不同点是_____。
(4) 留在细胞内的残余体多为脂褐质, 其数量随着个体的衰老而增多。存在大量脂褐质的细胞可能还具备的特征有_____。
(1) 细胞核体积变大 (2) 细胞间的黏着性下降 (3) 细胞体积变小 (4) 细胞运输功能降低
(5) 分析下列资料, 可以得出的结论是_____ (答出两条) 。
a.某些病原体进入细胞后未被溶酶体杀死, 原因是这些病原体能破坏溶酶体内的酸性环境;
b.如果溶酶体酶进入细胞质基质的中性环境中, 溶酶体酶将失去活性;
c.如果溶酶体酶进入核膜残缺的细胞核内, 则可降解细胞核内的物质。
知能定位:
本题以图像为信息载体, 综合考查细胞器的结构和功能、生物膜系统, 属于分析推理层次。解题的关键是清楚各细胞器的结构和功能以及它们之间的关系。
解析:
(1) 从图中可以看到高尔基体向外分泌囊泡形成溶酶体, 在这一过程中可以体现生物膜在结构上具有 (一定的) 流动性。
(2) 在细胞膜上有一些糖蛋白或受体具有识别、免疫的功能, 能够识别外来病原体, 进而将其吞噬消灭掉;溶酶体内部含有多种水解酶, 能够分解消化病原体。
(3) 胞吞作用与主动运输都消耗能量, 但主动运输需要载体蛋白的帮助而胞吞作用不需要载体蛋白的帮助。
(4) 存在大量脂褐质的细胞可能是一些衰老的细胞, 其可能还具备的特征有:细胞核体积变大, 细胞体积变小, 细胞运输功能降低。
(5) a.某些病原体进入细胞后未被溶酶体杀死, 原因是这些病原体能破坏溶酶体内的酸性环境;b.如果溶酶体酶进入细胞质基质的中性环境中, 溶酶体酶将失去活性, 两者说明溶酶体酶在酸性环境中起作用。c.如果溶酶体酶进入核膜残缺的细胞核内, 则可降解细胞核内的物质, 说明细胞核内为酸性环境。
答案:
(1) 高尔基体具有 (一定的) 流动性 (2) 受体 (或糖蛋白) 内部含有多种水解酶 (3) 都需要消耗能量胞吞作用不需要载体蛋白质而主动运输需要 (4) (1) (3) (4) (5) 溶酶体酶在酸性环境中起作用 (或酶的催化作用需要适宜pH) ;细胞核内为酸性环境 (其他合理答案也可)
五、跟踪训练
1.关于细胞器的说法, 正确的是 ( )
A.植物细胞的核糖体和高尔基体都能进行脱水缩合反应
B.所有细胞器都含有蛋白质和磷脂
C.有液泡的植物细胞都能发生质壁分离
D.叶绿体和线粒体都能产生[H], 两者的作用不完全相同, 前者用来氧化三碳化合物, 后者用来氧化氧气。
2.下列关于人体细胞结构和功能的叙述, 正确的是 ( )
A.抗体从合成到分泌不经过高尔基体
B.细胞质基质不能为细胞代谢提供ATP
C.人的红细胞成熟后, 仍继续合成血红蛋白
D.高尔基体膜具有流动性, 主要由磷脂和蛋白质组成
3.下图是细胞膜的亚显微结构模式图, (1) ～ (3) 表示构成细胞膜的物质。下列关于细胞膜结构和功能的叙述中, 正确的是 ( )
A.a过程与膜内外物质的浓度无关
B.b可表示细胞分泌胰岛素的过程
C. (1) 与细胞间识别和免疫密切相关
D. (2) 和 (3) 构成了细胞膜的基本骨架
4.碘是合成甲状腺激素的原料, 其在甲状腺细胞内的浓度高于内环境。131I是一种人工放射性同位素, 是核电站泄露的核辐射源之一。口服一定剂量131I可以治疗甲状腺功能亢进。据此分析, 下列表述不正确的是 ( )
A.甲状腺细胞受损会导致下丘脑和垂体细胞分泌激素的量增加
B.131I能破坏部分甲状腺细胞使甲亢患者甲状腺激素分泌减少
C.131I辐射可能诱发突变而增加细胞癌变几率
D.甲状腺细胞吸收碘需要载体但不消耗ATP
5.有关下图所示四种不同生物的叙述, 正确的是 ( )
A.甲、乙两种细胞的细胞壁都可用纤维素酶完全分解
B.乙为低等植物细胞, 细胞中的核糖体和叶绿体均含RNA
C.丙的遗传物质是单链RNA, 其突变率远高于DNA病毒
D.丁细胞的有氧呼吸被抑制会影响脂溶性小分子物质的运输
6.下图为动物肌肉细胞细胞膜对部分物质的转运过程。下列叙述中, 与图中信息不相符的是 ( )
A.甲侧为细胞外, 乙侧为细胞内
B.Na+既可顺浓度梯度运输也可逆浓度梯度运输
C.葡萄糖跨膜运输的直接驱动力不是ATP
D.葡萄糖与甘油跨膜运输的方式相同
7.某同学为探究膜的通透性而设计了如图所示的渗透装置, 开始时烧杯内的液面和长颈漏斗内的液面相平。在长颈漏斗内液面上升的过程中 ( )
A.液面上升的速率先加快后减慢最终维持稳定
B.水分子通过半透膜从蔗糖溶液向清水扩散的速率逐渐减慢
C.当半透膜两侧液体浓度相等时, 水分子不再通过半透膜扩散
D.当半透膜两侧水分子进出速率相等时, 长颈漏斗内液面最高
8.下列关于细胞结构的叙述, 正确的是 ( )
A.溶酶体的形成说明了经高尔基体加工的蛋白质可以被送到细胞内
B.破坏线粒体内膜后, 有氧呼吸过程还能产生大量ATP
C.叶绿体中的色素主要分布在类囊体腔内
D.细胞膜内外两侧结合的蛋白质种类是一样的
9.将脉胞菌培养在加有3 H标记的胆碱培养基中, 使其线粒体膜带有放射性标记, 然后收集放射性标记的细胞, 再转入无同位素标记的培养基中继续培养, 分别在不同培养时间收集菌体。而后, 通过放射自显影检查经过不同时期培养的细胞中同位素的分布。结果证明新线粒体是 ( )
A.通过分裂增殖的
B.由其他膜重新装配而来
C.重新合成的
D.通过复制产生的
10.HIV能通过细胞表面的CD4 (一种受体蛋白) 识别T细胞, 如果给AIDS患者大量注射用CD4修饰过的红细胞, 红细胞也会被HIV识别、入侵。HIV在红细胞内无法增殖, 因此红细胞成为HIV的“陷阱细胞”, 这为治疗AIDS提供了新的思路。据材料分析, 下列叙述正确的是 ( )
A.红细胞可作为“陷阱细胞”与其结构有关
B.T细胞与红细胞发育、成熟的场所相同
C.禽流感病毒也能通过CD4识别T细胞
D.入侵到红细胞的HIV, 会被红细胞内的溶酶体杀死
11.图1表示小肠上皮细胞亚显微结构示意图;图2表示膜蛋白的功能。请据图回答下列问题。
(1) 该细胞不同表面执行不同的功能, 且具有高度的极性。从质膜的成分分析, 出现这一现象的原因是_____。
(2) 膜蛋白A要消耗主要由图中的_______ (结构) 产生的ATP, 以_______方式吸收葡萄糖。细胞面向肠腔侧形成很多微绒毛, 以增多细胞膜上_______数量, 进而可以高效地吸收来自肠腔的葡萄糖等物质。
(3) 通过膜蛋白B可将相邻的两个细胞_______, 以保证肠腔中的物质只能从微绒毛处吸收。
(4) 细胞膜表面还存在水解二糖的膜蛋白D, 说明膜蛋白还具有_______功能。
(5) 以连线的方式表示图1和图2中膜蛋白之间的关系。
膜蛋白A 连结蛋白
膜蛋白B 受体
膜蛋白C 运输蛋白
膜蛋白D 酶
参考答案:
1.A 2.D 3.C 4.D 5.C 6.D7.D 8.A 9.A 10.A
11. (1) 细胞膜蛋白质不同 (或膜蛋白质结构不同)
(2) 线粒体主动运输载体蛋白 (膜蛋白A)
(3) 紧密连在一起
(4) 生物催化 (或催化)
