LED三維顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　本文利用發(fā)光二極管（LED）的高速發(fā)光特性，以旋轉(zhuǎn)的二維發(fā)光二極管陣列為顯示載體，實(shí)現(xiàn)顯示三維形體。文中還詳細(xì)介紹了LED三維顯示系統(tǒng)的工作原理、論述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、并給出實(shí)際顯示效果。

　　利用發(fā)光二極管（LED）的高速發(fā)光特性，以旋轉(zhuǎn)的二維發(fā)光二極管陣列為顯示載體顯示三維形體。受調(diào)制的離散二維圖像信息，因視覺暫留而形成深度效應(yīng)，將被整合感知為一幅連續(xù)的三維圖像，成功實(shí)現(xiàn)柱體空間內(nèi)的三維顯示。

　　引言

　　三維顯示是對(duì)客體固有三維信息進(jìn)行記錄、處理和再現(xiàn)的可視化過程。目前國(guó)外的體三維顯示研究主要有激光掃描雙紅外光子上變頻技術(shù)、基于高速聲光掃描器和旋轉(zhuǎn)螺旋屏的激光掃描系統(tǒng)，采用快速空間光調(diào)制器的螺旋屏投影系統(tǒng)等，而這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來較困難，而價(jià)格也較貴。本文利用發(fā)光二極管陣列實(shí)現(xiàn)了具有個(gè)體像素，空間尺寸為柱體內(nèi)的三維顯示，文中介紹了LED三維顯示系統(tǒng)的工作原理、論述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、并給出實(shí)際顯示效果。

　　LED（Light Emitting Diodes）顯示技術(shù)是指將光電、計(jì)算機(jī)以及控制等相關(guān)內(nèi)容綜合于一體的現(xiàn)代新技術(shù)。它與傳統(tǒng)的廣告宣傳緊密結(jié)合成為一種新的媒體宣傳工具，廣泛應(yīng)用于展覽中心、金融市場(chǎng)、體育場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)、碼頭、車站等公共場(chǎng)所的信息顯示和廣告宣傳。

　　1 LED三維顯示系統(tǒng)原理

　　研究表明，人眼視覺暫留時(shí)間約為50—200ms，即人類視覺對(duì)亮度改變的跟蹤會(huì)由于意識(shí)處理延時(shí)而滯后。當(dāng)實(shí)際光源閃爍頻率超過5Hz時(shí)，給人的感覺是連續(xù)發(fā)光體而非閃爍體?；谌搜垡曈X暫留特性，設(shè)計(jì)了如圖1所示的體三維顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

　　圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

　　當(dāng)發(fā)光二極管陣列屏在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，周期性地掃出一個(gè)柱體空間，陣列上的發(fā)光二極管旋轉(zhuǎn)后提供分散于三維空間中的體顯示介質(zhì)，從而形成虛擬的體像素。為了便于理解，我們可對(duì)其進(jìn)行空間分解，見圖2所示。

　　圖2：空間分解圖

　　圖2（a）-圖2（d）分別表示連續(xù)個(gè)單位時(shí)間間隔內(nèi)，左側(cè)發(fā)光二極管陣列顯示的二維信息，圖中黑點(diǎn)表示發(fā)光二極管處于發(fā)光狀態(tài)。由于視覺暫留，觀察者感知的不是上述圖2（a）-圖2（d）的離散二維圖像序列，而是一幅復(fù)合后的空間整體圖像，如圖2（e）示。

　　2 LED三維顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　由圖l可見，LED三維顯示系統(tǒng)包括LED顯示屏部分、電源及電機(jī)部分、無線輸電部分、紅外對(duì)管等部分，下面對(duì)這些組成部分進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

　　2.1 LED顯示屏

　　我們這里只是介紹原理，所以以8*16的低分辨率的LED顯示屏為例，高精度大型LED顯示屏的設(shè)計(jì)與此類似。

　　為了提高顯示屏旋轉(zhuǎn)時(shí)人眼對(duì)燈體的透視度，不采用將LED燈直接焊接在電路板上的方案，而是將LED的管腳直接串聯(lián)焊接起來，并將LED其中的一個(gè)管腳折彎90度，然后再將所有的LED燈的管腳焊接起來，形成鏤空的顯示屏，如下圖3所示。

　　圖3：鏤空顯示屏

　　LED顯示屏的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。圖中左端為三極管，三極管除了可以當(dāng)做交流信號(hào)放大器之外，也可以做為開關(guān)之用，這里用來控制LED陽極（圖3 中的 H1到H8）。中間部分為所選單片機(jī)，同樣，這里我們只是做原理介紹，所以可簡(jiǎn)單選擇常用的89C52單片機(jī)。最右端為74HC1385譯碼器，用來控制點(diǎn)陣屏的陰極（圖3中的H11到H26）。當(dāng)做大的LED顯示屏?xí)r，可適當(dāng)增加三極管和74HC1385譯碼器即可。

　　圖4：顯示屏的驅(qū)動(dòng)電路

　　圖5：電源電路

　　2.2 電源及電機(jī)

　　電源的選擇應(yīng)該根據(jù)用電設(shè)備的電氣參數(shù)來選擇，此處電源輸出分為兩部分，一部分給直流電機(jī)供電，另外一部分則給無線輸電供電，這兩部分的電壓要求分別是12V、5V。所以這里采用線性電源，見圖5所示。

　　對(duì)于電機(jī)的選擇，若選用步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，一旦發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)有很嚴(yán)重的失步，而且步進(jìn)電機(jī)隨著轉(zhuǎn)速的提高力矩會(huì)變小，所以這里選用直流電機(jī)。不過，直流電機(jī)的選用要符合顯示屏的最低轉(zhuǎn)速，也就是說在人眼的視覺暫留的時(shí)間內(nèi)一定要轉(zhuǎn)完一周，而且要求電機(jī)的力矩盡量大，于是可選用了12V RS-360SH直流電機(jī)。

　　2.3 無線輸電

　　由于不方便在電機(jī)上部放置電池，所以上部顯示屏的供電采用由下面的電源向上無線輸電，其電路圖如圖6所示。

　　圖6：無線輸電電路

　　2. 4 紅外對(duì)管

　　由于該系統(tǒng)采用的是直流電機(jī)，不能實(shí)時(shí)定位，所以我們就要給LED顯示屏一個(gè)坐標(biāo)，用來給顯示屏自我定位，因?yàn)殡姍C(jī)上下部分靠的較近，所以我們就采用易于控制的光電對(duì)管TCRT5000，其控制電路如圖7所示。

　　圖7：TCRT5000控制電路

　　3 顯示效果

　　我們選擇與轉(zhuǎn)軸不共面的斜向直線、繞軸勻速上升的螺旋線、以轉(zhuǎn)軸為幾何對(duì)稱中心的立方體線框圖為實(shí)驗(yàn)顯示對(duì)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，待顯對(duì)象出現(xiàn)在預(yù)定體積空間內(nèi)，觀察者無論從水平360度范圍內(nèi)的哪一角度平視，還是從系統(tǒng)上方俯視或側(cè)視，均可看到不同角度及高度的三維信息。圖8和圖9是顯示的兩種3D圖形：正方體和高腳杯，限于篇幅不再列舉其他的3D圖形。

　　圖8：3D圖形-正方體

　　圖9：3D圖形-高腳杯

　　4 總結(jié)

　　空間顯示在真實(shí)空間中產(chǎn)生體素或虛體素，眾多分散的體素和虛體素構(gòu)成三維圖像被人眼所接收，形成立體視覺。形成的三維圖像宛若浮在真實(shí)的三維空間中，可多人、多角度、同時(shí)、裸眼觀察，無需任何助視儀器。大顯示空間的空間三維顯示系統(tǒng)需要海量的數(shù)據(jù)吞吐和高超速的空間尋址，而LED擁有高響應(yīng)速度近朗伯體發(fā)光等優(yōu)良的特性，采用LED作為屏幕介質(zhì)是實(shí)現(xiàn)大空間的空間三維顯示不二選擇。