（光学工程专业论文）led体三维显示系统的研究和优化.pdf

摘要 显示技术是目前活力最为蓬勃的技术之一，因为它直接和我们最重要的感 觉一一视觉有关。而目前最为流行的平面显示技术在发展了一百年左右之后， 技术也日趋成熟，在轻薄度、屏幕大小、亮度、对比度和响应速度方面取得了 非常大的成果。同时，人们在欣赏到绚丽多彩的平面画面之后，也越来越不满 足于平面显示的限制，开始转而研究最新的三维显示技术。 目前的二维显示技术也可以显示三维物体，不过一般是采用一种叫做透视 法的技术。投影三维物体n - 维平面上后，虽然丢失了深度数据，但是由于经 验感知的存在，观察者仍旧可以感觉到三维图像的信息。但是这种丢失了一维 的图像始终不能满足观察者的需要，尤其是在三维制图，产品展示等交互式图 像需求方面。因此，最为符合人体视觉特征的体三维显示技术成为了非常具有 研究价值的一个课题。 本文从体三维显示技术的理论模型出发，利用主动发光式器件l e d 制成的 旋转屏幕，成功研制了基于平面屏旋转的体积扫掠型体三维显示系统。由此产 生的图像与客观世界的大部分三维物体具有很大一部分特征的相似性，同时在 原三维模型的还原上也具有很大的保真度。该显示系统在把三维模型光栅化之 后，能呈现所有点的具体三维位置信息，并允许多人在不同角度全视角进行观 察，还原了一个真实的三维图像。 文章从系统构建过程开始入手，详细的分析了体三维显示系统的各个特性。 并从系统的非实时性出发，研究了一个基于红外无线传输的平台用以实现三维 图像的实时显示。在成功加载压缩算法之后，系统理论可以达到2 6 3 h z 三维图 像刷新率，为下一代实时系统的研制奠定了一定的基础。 此外，为了解决体三维显示中心区域亮度过亮的问题，本文提出了三维空 间内的光照度不均匀校正方法，该方法利用柱坐标数据在笛卡儿直角坐标系下 经过光栅化，可以在小误差范围内实现像素的均匀化。为进一步完善体三维显 示系统的模型提供了一定的参考。 关键词显示器件，三维显示，体显示，仿真优化，无线传输 a b s t r a c t n o w a d a y s ，d i s p l a yt e c h n o l o g yi s o n eo ft h em o s ta c t i v a t e da n dh o tt e c h n o l o g y , b e c a u s ei ti sr e l a t e dt oo u rm o s ti m p o r t a n ts e n s e v i s i o n a f t e r1 0 0y e a r sd e v e l o po f t h ep o p u l a r2 dd i s p l a yt e c h n o l o g y , i th a sm a d eg r e a ts u c c e s so ft h i n n e s s ，s c a l e ， l u m i n a n c e ，c o n t r a s ta n dr e s p o n s es p e e d m e a n w h i l e ，p e o p l eb e g i nt ob ec r i t i c a lo f t h el i m i t a t i o n so ff l a td i s p l a ya n ds t a r tt or e s e a r c hn e w3 dd i s p l a yt e c h n o l o g y , t h o u g h2 dd i s p l a yg i v e su sn i c e l o o k i n gp i c t u r e s w ec a l lu s e2 dd i s p l a yd e v i c et os i m u l a t e3 do b j e c t sb y “p e r s p e c t i v e ”b y p r o j e c t i n g3 dt o2 d ，w es t i l lc a ns e n s e3 do b j e c t sb yf o r m e re x p e r i e n c ef r o m2 d i m a g e sw i t h o u tt h e i rd e p t hd a t a t h i sk i n do f3 dd i s p l a yo b v i o u s l yc o u l d n ts a t i s f y p e o p l e sr e q u e s te s p e c i a l l yi nt h e3 dc a d a n dp r o d u c te x h i b i t i o n ，b e c a u s et h e yh a v e l o s t1d i m e n s i o n a ld a t a s ot h ev o l u m e t r i cd i s p l a yt e c h n o l o g yw h i c hi sm o s ta c c o r d 、v i t hh u m a nv i s i o nb e g i n sm o r ea n dm o r ev a l u a b l et ob er e s e a r c h e d t h ep a p e ra n a l y z e dv o l u m e t r i c3 dd i s p l a y st h e o r ym o d e la n dd e v e l o p e dar o t a t i n g p l a n a rs c r e e nb a s e dv o l u m e t r i c3 dd i s p l a ys y s t e mb ye m i s s i v el e ds c r e e n t h e g e n e r a t e di m a g e sc h a r a c t e r i s t i c sh a das t r o n gr e s e m b l a n c et ot h er e a lw o r l da n d h i g hf i d e l i t yc o u l db ef o u n db e t w e e nt h eo r i g i n a lo b j e c ta n dt h ed i s p l a y e di m a g e t h es y s t e mc o u l dp e r f o r mar a s t e r i z a t i o no nt h eo r i g i n a l3 do b j e c tm o d e la n d d i s p l a ya l lt h ep i x e l si nt h e i re x a c t l yp o s i t i o n ，n ol i m i tv i e wa n g l ec o u l dl e tp e o p l e o b s e r v ei tf r e e l ya n dc a t c ht h ev i s i o no far e a l3 d i m a g e w i t ht h ed e v e l o pp r o c e s so f t h es y s t e m ，w ea n a l y z e de a c he l e m e n to fv o l u m e t r i c3 d d i s p l a yt e c h n o l o g yi nt h ep a p e nt o h a v ear e a l - t i m ed i s p l a y , w es u c c e s s f u l l y d e v e l o p e da ni n f r a - r e dw i r e l e s st r a n s m i s s i o np l a t f o r mt ob ei n t e g r a t e di nt h es y s t e m a f t e rh a v i n gad a t ac o m p r e s s i o na l g o r i t h mi nt h et r a n s m i s s i o ns y s t e m ，w ec o u l d d i s p l a y3 dd a t aw i t har e f r e s hr a t eo f2 6 3 h z i ti st h ef o u n d a t i o no fm a k i n gan e x t g e n e r m i o no f t h es y s t e mw h i c hi s j u s tb e i n gp r e s e n t e d f u r t h e r m o r e ，t os o l v ea no v e r - b r i g h tp r o b l e mi nt h ec e n t e ra r e ao ft h ed i s p l a y e d3 d s c e n e ，w eb r o u g h tf o r w a r dac o r r e c t i o na l g o r i t h mf o rt h e3 ds p a c ew h i c hp e r f o r m sa r a s t e r i z a t i o ni nc a r t e s i a nc o o r d i n a t e sf o r t h e d i s p l a y d a t aw i t h c y l i n d r i c a l c o o r d i n a t e sw i t l las m a l le r r o r , i tw o u l dp r o v i d eag o o dr e f e r e n c ef o rp e r f e c t v o l u m e t r i c3 dd i s p l a yt h e o r ym o d e l k e y w o r d sd i s p l a yd e v i c e s ，3 dd i s p l a y , v o l u m e t r i cd i s p l a y , s i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o n ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o n 浙江大学硕士学位论文 1 1 三维显示概述 第一章绪论 视觉是人类感知世界的最重要的方式。眼睛是心灵的窗户，它比其他感官 都要重要，是人类获取信息的主要来源，因此对视觉的研究是有积极的意义的。 现实生活中，世界里的各种物质形态都是在三维空间中客观存在的，因此人眼 看到的物体都是以三维的形式存在。 其实单只眼睛看到的景象是以二维形式投影到视网膜成像，然后刺激视网 膜细胞在大脑中形成了一幅二维图像。那么为什么我们能看到三维立体感昵? 那是因为在视觉观察活动中，视觉系统通过眼睛与大脑的交互作用将感知到的 图像信息通过视觉神经传送给大脑【l 】并根据以往的经验知识，在双眼视差、运 动视差和调节等多种深度暗示【2 l 的基础上，有选择地抽取视觉信息的主要特征 来与大脑中存储的模式进行比较，经推断而做出本能的解释 3 , 4 , 5 5 】。深度暗示具 有互补性和可加性，每种暗示各自独立且有不同的权重，视觉的综合感知结果 是所有可用的深度暗示数目的加权线性函数【5 1 。暗示的数目越多，则越有利于 对空间深度的判断，越能集中地传达出自然的空间感。 在已经到来的2 l 世纪的信息时代，对于日益庞大的各种信息来说，如何将 客观世界的三维信息转换成数字、符号、文字、图形及图像等适当形式的视觉 信息，来供人们观看、分析和利用是一个非常具有研究价值的课题。目前随着 各种二维显示技术的发展，各种成熟的二维图像显示层出不穷，尤其是制造技 术的成熟以及各种液晶、等离子等平板显示技术的成熟和产业化，大大地推动 了显示产业的发展，从而也带动了一些新必的显示技术研究，例如三维显示。 目前已经存在的一些通过二维屏幕展现三维图像的技术已经非常成熟。他 们通过o p e n g l 或者d i r e c t 3 d 等图形渲染技术，利用g p u 的加速运算来实现 三维投影的效果，广泛应用于工程制图、广告、电影和游戏等领域。但是它们 还并不是真正的三维显示，它们只提供单眼就能观察的心理深度暗示。认知学 方面的研究结果表明，视觉系统倾向予首先利用生理深度暗示，只有当这些深 度暗示被移除时，心理深度暗示才会起主要作用【6 】。因此，三维显示技术相比 浙江大学硕士学位论文 于二维显示技术能提供更符合人们观察习惯的交流方式，有助于人们在综合运 用各种深度暗示之后，通过大脑的计算感知而获得真实、丰富、可靠的视觉体 验，是将来显示技术发展的必然趋势。 三维显示大致分为四类：体视三维显示( s t e r e o s c o p i c3 dd i s p l a y ) 、全息三维 显示( h o l o g r a p h i c3 dd i s p l a y ) 、透视三维显示( p e r s p e c t i v e3 dd i s p l a y ) 和体三维显 示( v o l u m e t r i e3 dd i s p l a y ) ”】。下面将介绍这几类显示的主要技术方式，并对其 优缺点进行分析。 1 体视三维显示 众所周知，双眼水平视差的产生是由于人的左、右眼有一定的空间间隔， 由于左右眼总是从左右两个稍有不同的角度来观察物体，从而导致视网膜上形 成两幅略有差异的光学影像。体视三维显示的原理是模拟人的左、右眼看到的 两个略有不同的二维图像，称之为“体视对( s t e r e op a i r ) ”，将之显示在同一个平 面上，然后通过某种分离方式使左、右视图形成两幅图片分别只提供给左、右 眼观察 5 5 】。这样，利用体视对所提供的视差信息，人脑会自动地将对应的两幅 二维平面图像通过一定的计算方式融合成一幅三维立体图像，而获得立体感。 不同的体视对产生和分离方式构成了不同的体视三维显示技术，其观察方式和 成像特点也有很大的不同。 大多数体视显示需要借助于一些辅助观察工具才能获得三维感知，主要有 互补色、时序和偏振三种方式，也有利用色散效应，将彩图的不同色彩转换为 不同视觉深度的棱镜或光栅方式f7 1 。这也是体视三维显示的限制所在。 2 全息三维显示 在物理学中，近距作用观点说明了人眼之所以能看见外界物体，其直接原 因并不是因为物体的客观存在，而是由于物体对光源的散射或发射的光波到达 了人眼的视网膜。作为视觉感知的主要感官之一的视神经细胞在接收物光波之 后，会根据光的强弱、距离和颜色等进行处理，然后传输给大脑从而识别物体 浙江大学硕士学位论文 的特征以便形成三维感知【55 1 。光波的特征主要取决于它的振幅( 强弱) 、位相( 同 相面形状) 和波长( 颜色) 。因此我们判断，只要能得到物体的光波，即便物体不 在原处也能看至该物的逼真像f 1 4 j 。 根据上述成像理论，先利用光的干涉原理，将物体散射或发射出的特定光 波以干涉条纹的形式记录下来，然后利用光的衍射原理，在定条件下进行再 现原物体的像就称为全息术。 全息三维显示是全息术应用的一个重要方面。因为再现像光波保留了原来 物光波的的所有信息包括全部振幅和位相信息，所以当人眼迎着再现像光波观 察全息图时就如同通过一个二维视窗去观察原来的真实物体样，再现像与 原物有着完全相同的三维特性。所以人们在观察全息像时会得到与观察原物 时完全相同的视觉效果，可以利用双眼视差、运动视差、调节和会聚等多种视 觉深度暗示，这个就是全息三维显示的依据。 3 透视三维显示 透视三维显示其实并不是真正的三维显示，它是剥用多种计算机图形学技 术，包括光线追迹、投影转换和多边形生成等来对深度信息进行编码转换，并 添加阴影和遮挡等多种心理深度暗示，将三维场景以透视形式显示在二维屏幕 上1 5 5 】。此时，三维图像的本质实际上是一副二维图像，但是它能够提供深度错 觉。由于术语“三维”指的是被描述或显示的对象具有三个可测量维度：宽度、 高度和深度，因此透视三维显示的图像在丢失深度信息的情况下有时候也称为 伪3 d 。 由于平面显示器无法直接表达纵深信息，只能通过降低其维数的方法来显 示三维图像。为了对三维物体作透视投影，先要在三维空间中给定一个投影平 面和一个视点。所有经过物体的、从视点发出的射线和投影平面的交点形成了 物体的透视投影。这个就是计算透视投影的方法。 透视三维显示只能通过单眼深度暗示提供部分三维图像信息，并且缺乏运 动视差以及双眼深度暗示。对视觉认知学的研究中我们可以知道，双眼暗示中 浙江大学预士学位论文 的会聚和双眼视差能比单眼暗示提供更为精确的距离信息。虽然单眼暗示能被 用于距离估算，但往往会比双眼观察时缺少估计物体的距离和尺寸，而且这种 限制并非完全是因为感知偏差而导致的结果，而是因为大脑计算三维空间信息 所依赖的感知信息只能由双眼暗示提供，它们并不存在于单眼暗示中 6 l 。因此， 透视三维显示只能适用于那些对估计精度要求不高的场合比如娱乐或电影、游 戏等方面，整体感知能力的提高是以牺牲细节为代价的。 4 体三维显示 体三维显示0 7 也称为空间加载显示。它是通过适当方式来激励位于透明显 示体积内的物质，利用可见辐射的产生、吸收或散射而形成体素。当体积内许 多方位的物质都被激励之后，便能形成由许多分散的体素在三维空间内构成三 维图像【5 5 】。体三维显示的图像浮在真实三维空间中，就像是一个现实的三维物 体一样，符合人观察普通三维图像的任何特点，能自动满足几乎所有的生理和 心理深度暗示，可多人、多角度、同时、裸眼观察，无需任何助视仪器或观察 设备，是种较为自然的显示技术。 类似于全息三维显示，体三维显示提供的视觉场景也是透明的，在观察者 视线上，不同深度的平面会互相重叠，而不具有深度检测功能从而导致的平面 信息混淆。这对于一些不需要看到物体内部结构或者需要在物体之间引入遮挡 的场合而言是个缺陷，可能会导致某些视点看到的图像信息混杂、空间关系难 以感知或者完全错误。但是在一些需要移除遮挡的分析性场合下，这种效应却 是非常有益甚至是理想的。比如在医学成像领域中，为了更好地显示病理结构， 要求被研究的对象组织按照原貌被显示在对应的生理位置上，即显示在其正确 的三维位置上，彼此之间不能有任何遮挡。体图像包含全视差信息，所以当遮 挡引起混淆时，医生只需改变视角从一个新的角度来观察就能利用新感知的信 息来辅助判别，进而消除不同深度的混淆。 根据前文对体视三维显示、全息三维显示、透视三维显示和体三维显示的 介绍可知，四种三维显示技术各有特色和优缺点，因自身原理及显示方式不同 而带来的影响会随着实际应用情形的不同而变化。因此，在三维显示系统的设 4 浙江大学硕士学位论文 计过程中，应该根据具体的应用场合和显示要求来选择或评价显示技术。 体视三维显示、全息三维显示和透视三维显示都是基于在一个二维表面上 记录和表达三维信息的显示技术，可被归类为面三维显示【1 9 1 。由于它们的显示 特点所限，需要克服一系列技术问题：体视三维显示的视点个数是分立有限的， 无法在大范围内使视觉场景随用户位置的变化而变化，并且体视对的动态计算 负担和较低的位鼍跟踪精度限制了运动视差的实时性和有效性；全息三维显示 能满足直视和群视要求，但视角受限，为了实现全角度可视，需要分步制作全 息图并进行合成拼接，这种过程非常复杂并且要求很高的带宽，目前硬件结构 无法方便的实现；透视三维显示在深度判断过程中会出现不确定性，这种偏差 很难通过对大脑视觉的训练而消除 5 5 1 。 与上述的面三维显示不同，体三维显示是把三维信息图像在真实的三维物 质空间内表达，不再需要将三维数据投影到二维表面上，可同时从几乎所有角 度来再现空间信息，并且在各个方向上都具有连续视场，多数体三维显示配置 满足3 6 0 。环视要求，由此得到的三维图像同时具有三维方向上的所有视差包 括水平视差和垂直视差，直接观看即可获得三维效果。图像的真实三维性和视 点几乎不受限制并且符合人体视觉观察的生理习惯是体三维显示比面三维显示 技术优越的最主要的特点。 综上所述，体三维显示技术能满足“直接可视、全角度可视及群视”等一 系列要求。所以，在那些需要多用户同时观看实时数掘的任务中，它可以提供 有效的可视化方案。为此，我们主要集中在体三维显示领域的研究，着重介绍 现有的体显示各种实现方案，并进行深入的比较分析。 1 2 体三维显示特点 体三维显示历史悠久，人们很早就提出体显示概念并进行初步尝试，但受 到当时经济水平以及科学技术的限制，尤其是缺乏必要的强大计算系统来处理 数据，因此早期的体显示仅仅停留于原理或概念的探讨上。七十年代中期，低 成本计算系统的出现使大量的三维数据处理问题得到了部分解决，但高质量的 浙江大学硕士学位论文 电子芯片和机械器件的缺乏，使得系统精度受到限制，所以数据的输出与图像 的显示很难同步。一直到九十年代中后期，体显示领域才有了较大进展。然而， 绝大多数方案还是仅仅停留在实验阶段，无法产品化。虽然在2 0 0 2 年有了进入 基本应用的小体积、静态显示的早期商业产品，但这离实现真正的三维空间显 示即我们理想的三维显示还有很长的距离。其中的原因除了与当前科学技术发 展程度的限制有关外，还与各种方案本身有关。 根据图像空间形成方式的不同，体显示分为体积静止型显示( s t a t i cv o l u m e d i s p l a y ) $ n 体积扫掠型, _ 显示( s w e p tv o l u m ed i s p l a y ) i 融i 类【55 1 。前者是通过显示介质 的填充或静止排布来形成三维图像空间，后者则通过一个活动表面的扫掠，即 平移或旋转来形成【2 0 1 。 体积静止型显示如前文所述通过适当的方式来激励静止体积内的显示介 质，菇以高于人眼闪烁融台频率的速度进行刷新，通过在每一个指定的空间位 置产生体素，由此构成真实地加载于三维实空间内的体图像。1 9 1 2 年，e l u z y 预测了可以通过使用两个波长不同的光源来激励位于透明体积内的光活性介 质，以便在两波束的交汇处取得双频两步上转换( t w o - f r e q u e n c y , t w o - s 印 u p c o n v e r s i o n ) 效应而产生荧光埘。此后，这种效应在汞蒸汽中被真正观察到【2 3 2 4 1 ，并于】9 5 2 被尝试用于成像领域，体积静止型的体显示由此开始。该技术 主要分基于光活性介质、基于无源矩阵和有源矩阵三种方式。 体积扫掠型显示是利用一个二维表面的周期性运动，把预先处理的原始三 维信息按时序快速显示在该表面所扫掠的一些空间位置处，再以高于人限f = i j 烁 融合频率的速度进行刷新，由此而构成真实地加载于三维实空间内的再现图像 9 剽。它分基于平面屏移动的体积扫掠型显示和基于平面屏旋转的体积扫掠型显 示以及基于曲面屏旋转的体积扫掠型显示三种方式，本文主要是讨论基于平面 屏旋转的体积扫掠型显示。 基于平面屏移动的体积扫掠型显示主要代表是1 9 9 6 年，c c ，t s a o 提出的 “m o v i n gs c r e e np r o j e c t i o n ”方法跚。它将二维图像序列清晰地聚焦到一个总是 处于运动状态的目标表面，建立了基于平面屏往复式移动的显示实验装置，并 显示了十分简单的三维图像，证明了该方法的可行性。但是实践证明，由于商 浙江大学硕士学位论文 频机械驱动系统的限制，很难使屏幕扫掠的图像空间达到可使用的尺度。因此， 这种系统运作机理限制了目标屏的移动幅度，导致这种基于平面屏移动的体积 扫掠型方案无法推广。 基于平面屏旋转的体积扫掠型显示的主要代表是1 9 7 9 年，e pb e r l i n 的专 利中提到的如图1 1 ( a ) 所示的体显示设想【2 7 1 。以及2 0 0 2 年，a c t u a l i t ys y s t e m s 公司( h t t p ：w w w a c t u a l i t y s y s t e m s t o m ) 推出的一个小尺度的体显示系统 p e r s p e c t a t m3 ds y s t e m ，如图1 - 2 所示。 e p b e r l i n 提出了计算机控制图像数据，经过固定电子装置和轴向安装的红 外对管传送图像数据并存储在随l e d 屏快速旋转的显示电子装置内，通过时序 寻址的方式来显示不同的二维图像得以再现三维图像。这一设想引入了将三维 数据从体显示器外部传输到体显示器内部的光连接线路，因此是富有创新性的。 然而，在当时的技术背景限制条件下不可能建立实验装置。 图1 - l ( a ) 显示原理 图1 - l ( b ) 显示结果 e p _ b e r l i n 的这种体最示方案也可称为“基于有源矩阵的体积扫掠型显示”， 与“基于有源矩阵的体积静止型显示”相b 匕，优点在于大大减少了发光元件的 数目，有望实现大尺度、高分辨率的体显示，体素密度能满足具体应用要求； 浙江大学硕士学位论文 屏幕的高速旋转保证了矩阵像素及外围电气连接都不会被看见，只有可视的体 素会被用户接收并感知；图像空间内的光学特性相对均匀，无需考虑边界处的 折射效应。缺点在于旋转半径不同的l e d 具有不同的线速度。这种差异可能会 导致体素布局不均匀【5 5 】。同时机械运动噪声带来的像素抖动也不可忽视。 图卜2 ( a ) p e r s p e c t a t m3 ds y s t e m图卜2 ( b ) 显示效果 而p e r s p e c t a t m3 ds y s t e m 则是基于二维投影屏旋转的体积扫掠型显示。它采 用目前流行的基于d m d t m 技术的三片式投影引擎，d m d 具有方向灵活的特点， 帧频约5k h z ，它将图像数据按时序投射到旋转的中继光学系统，由之将二维 图像序列投影放大到同步旋转的目标屏幕上。为了确保投影图像总能清晰聚焦 在旋转屏幕上，采用了包含倾斜光学器件的离轴投影方案。为了优化图像质量， 系统需要设计能降低轴向色彩偏移和场曲的投影透镜，并采用较多的外围光学 元件，同时在软件中对图像失真进行预校正f 5 鄂。 这种“基于二维投影屏旋转的体积扫掠型显示”与前面的“基于二维l e d 屏旋转的体积扫掠型显示”相比，其主要缺点在于：二维图像序列通过光学投 影而得以在屏幕上显示，需要很好的协调控制各部件之间的位置和转速关系才 能保证其投影尺寸恒定和聚焦清晰，对应的硬件配置要求较高、数据处理和软 件控制都是极为复杂的。并且，因缺乏高帧频的空间光调制器而难以进一步发 展。 因此本文决定采用基于二维l e d 屏旋转的体积扫掠型显示模型来建立三维 显示系统 浙江大学硕士学位论文 1 3 无线传输系统 在a c t u a l i t ys y s t e m s 公司的体显示系统p e r s p e c t a t m3 ds y s t e m 中，利用了以 太网传输技术来传输大量的三维数据，达到了千兆的传输速率。但是由于它采 用了目前最先进的硬件和软件处理系统，把处理模块都集成在了显示系统之内， 因此用有线网即可完成传输任务。在本文设计的系统中，采用个人电脑作为处 理平台，因此为了实现实时性，由于转动屏幕的限制，必须把三维显示数据通 过无线网络传输到显示系统上。 简单的来讲，网络就是在一定的区域内两个或两个以上的计算机以一定的方 式连接，以供用户共享文件、程序、数据等资源【5 6 1 。i n t e m e t ，即全球信息网( w o r l d w i d ew e b ，简称w w w ) ，是基于超文本( h y p e r t e x 0 的信息检索工具，它通过超 链接把世界各地不同i n t e r n e t 节点上的相关的信息有机地组织在一起，用户只需 发出检索请求，它就能自动地进行相应的定位，找到相应的检索信息。下面就 几种常见的网络类型及分类方法作简单的介绍。 按网络的地理位置分类，可分为( 1 ) 局域网( l o c a l a r e a n e t w o r k ，简称l a n ) ， 般限定在较小的区域内，小于l o k m 的范围，通常采用有线的方式连接起来。f 2 1 城域网( m e t r o p o l i s a r e a n e t w o r k ，简称m a n ) ，规模局限在一座城市的范围内， 1 0 l o o k m 的区域。( 3 ) 广域网( w i d e a r e a n e t w o r k ，简称w a n ) ，网络跨越国界、 洲界，甚至全球范围【5 6 l 。目前局域网和广域网是网络的热点。局域网是组成其 他两种类型网络的基础，城域网一般都加入了广域网。广域网的典型代表是 i n t e m e t 网。 按网络的拓扑结构分类，可分为( 1 ) 星型网络，各站点通过点到点的链路与 中心站相连。特点是很容易在网络中增加新的站点，数据的安全性和优先级容 易控制，易实现网络监控，但中心节点的故障会引起整个网络瘫痪。( 2 ) 环形网 络，各站点通过通信介质连成一个封闭的环形。环形网容易安装和监控，但容 量有限，网络建成后，难以增加额的站点。( 3 ) 总线型网络，网络中所有的站点 共享一条数据通道。总线型网络安装简单方便，需要铺设的电缆最短，成本低， 某个站点的故障一般不会影响整个网络。但介质的故障会导致网络瘫痪，总线 网安全性低，监控比较困难，增加新站点也不如星型网容易。“) 树型网、簇星 9 浙江大学硕士学位论文 型网、网状网等其他类型拓扑结构的网络都是以上述三种拓扑结构为基础的【5 ”。 按传输介质分类可分为( 1 ) 有线网，采用同轴电缆和双绞线来连接的计算机 网络。同轴电缆网是常见的一种连网方式。它比较经济，安装较为便利，传输 率和抗干扰能力一般，传输距离较短。双绞线网是目前最常见的连网方式。它 价格便宜，安装方便，但易受干扰，传输率较低，传输距离比同轴电缆要短。 ( 2 ) 光纤网，光纤网也是有线网的一种，但由于其特殊性而单独列出，光纤网采 用光导纤维作传输介质。光纤传输距离长，传输率高，可达数千兆b p s ，抗干 扰性强，不会受到电子监听设备的监听，是高安全性网络的理想选择。不过由 于其价格较高，且需要高水平的安装技术，所以现在尚未普及。( 3 ) 无线网，采 用空气作传输介质，用电磁波作为载体来传输数据，目前无线网联网费用较高， 还不太普及。但由于联网方式灵活方便，是一种很有前途的连网方式【s 8 】。 局域网通常采用单一的传输介质，而城域网和广域网采用多种传输介质。 根据使用目的，确定了本文需要建设的网络是利用无线传输的局域网。 目前流行的小型无线传输系统我们称为p a n ( p e r s o n a la r e an e t w o r k ) ，p a n 的实现技术主要有：b l u e t o o t h 、i r d a 、h o m er f 与u w b ( u l t r a - w i d e b a n dr a d i o ) 四种【56 1 。 i r d a 技术是目前四种技术中市场份额最大的，已经安装了至少5 0 0 0 万个单 元。红外技术被广泛应用与高速率传输方面，适合于低成本、跨平台、点对点 商速数据连接，尤其是嵌入式系统1 5 4 1 。红外通讯技术是一种点对点的数据传输 协议，可以用来替代设备之间的连接线，通讯距离一般在一米以内，传输速率 最快可达到1 6 m b p s 。由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更 适合用在需要短距离无线通讯的场合，进行点对点的连接。红外通讯有着成本 低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型的移动设备中获得 了广泛的应用。在本设计中采用红外传输技术是比较理想的，有望达到v f i r 所标明的1 6 m b p s 的速率，具有通信带宽大，抗干扰能力强等优点，所以决定 首先采用简易的红外技术完成设计，之后再使用更为复杂的w l a n 技术。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是一种支持点到点、点到多点的话音、数据业务的短 浙江大学硕士学位论文 距离无线通信技术。它由爱立信、诺基亚、英特尔、i b m 和东芝等公司提出与 推广。从1 9 9 8 年以来，推出了1 0 a 、1 0 b 标准并将推出2 0 标准【5 9 1 。它极大 地推动了p a n 技术的发展，i e e e 专门成立了i e e e8 0 2 1 5 小组负责研究基于蓝 牙的p a n 技术。蓝牙技术的有点是没有方向性，稳定性高，可靠性强，但是它 的致命弱点是速率比较慢，通信距离短，通常最高速度只有1 m b p s 左右，因此 无法使用在本系统中。 h o m er f 是由微软、英特尔、惠普、摩托罗拉和康柏等公司开发的。它的 工作频段为2 4 g h z ，话音通信采用d e c t 标准，数据通信采用t c p i p 。h o m e r f 是由h o m e r f 工作组开发的、在家庭区域范围内为p c 机和用户电子设备之 间提供数字无线通信的开放性工业标准【6 。1 。h o m er f 定义的2 4 g h z 工作频 段是不需申请许可证的工业、科学、医疗( 1 s m ) 频段。所使用的跳频空中接口， 根据采用的m a c 帧格式的不同每秒跳频5 0 一1 0 0 次。h o m er f 最大输出功率 为1 0 0 m w ，非工作状态最大功耗只有1 0 m w ，有效覆盖范围约5 0 米，足以满 足家庭无线联网的需要。h o m er f 提供的峰值数据速率为1 6 m b p s ，下一代 的h o m er f 技术将提供1 0 m b p s 到2 0 m b p s 的数据速率。 u w b 信号是持续时间非常短的脉冲串，占用带宽大，因此它有一些十分独 特的优点和用途：通信领域，u w b 可以提供高速率的无线通信；雷达方面，u w b 雷达具有高分辨力( n s 级) ，很强的穿透能力；定位方面，u w b 可以提供很高的定 位精度。也就是说，同一个u w b 设备可以实现通信、雷达和定位三大功能。 u w b 无线通信除了带宽大，通信速率高之外，还有更多的优点。首先，u w b 通信的保密性强。其次，u w b 通信采用调时序列，能够抗多径衰落。更重要的 是，u w b 通信又被称为是无载波的基带通信，u w b 通信系统几乎是全数字通 信系统。可以说，低成本、低功耗、高速率、简单有效的u w b 通信正是人类 所期望的梦幻般的无线通信方式【6 1 】。 浙江大学硕士学位论文 表i i 不同p a n 技术的比较 i r d ab l u e t o o t hh o m er fu w b 传输速率可达1 6 n b p s小于i m b p sl 2 m b p s可高选5 0 0 m b p s 通信距离 4 5 m1 0 m5 0 m 小于l o m 发射功率 1 0 0 毫瓦1 毫瓦一1 0 0 毫瓦1 瓦以上1 毫瓦以下 空间容量3 0 k h p s 群5 0 k b p s f1 0 0 0 k b p s m 2 应用菹围 计算机等家庭和计算机等家庭和家庭语音和数据近距离多媒体 办公室设备互连办公室设备互连流 终端类型 个人数字助理笔记本，移动电笔记本，无绳电无线电视，d v d ( p d a ) 、无线移动话，掌上电脑，话，无线音响，高速因特网往关 电话和笔记本移动设备移动设备 而目前日新月异的符合i e e e 8 0 2 1 l b 的w l a n ( w i r e l e s sl a n ) 技术在经过多 年的发展后，也逐渐进入人们的视线。i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网标志的制定是无 线网络技术发展的一个里程碑。8 0 2 1 1 标准除了介绍无线局域网的优点以及各 种不同性能外，还使得各种不同厂商的无线产品得以互连。另外，标准使核心 设备执行单芯片解决方案，降低了无线局域网的造价。8 0 2 1 1 标准的颁布，使 得无线局域网在各种有移动要求的环境中被广泛接收。他是无线局域网目前最 常用的传输协议，各个公司都有基于该标准的无线网卡产品，因此可以直接采 用比较成熟的传输技术。8 0 2 1 l b 的传输速度最大可达到1 1 m b p s ，基本可以满 足e l 常的传输需求，而8 0 2 1 1 9 更是达到了1 0 0 m b p s 的速度完全能满足图像处 理或者三维显示的需要 6 2 1 。 综合以上考虑，我们决定先采用简单的红外技术来实现一个基本的通讯平 台，一旦该平台获得通信上的成功并且能显示一些基本图形之后，我们就克服 带宽的瓶颈进而升级到新一个高速平台8 0 2 1 l b g 。由于符合t c p i p 规范的 层协议要求，因此只需更改底层通讯平台而不需修改上层的通讯软件。 i r d a 是国际红外数据协会的英文缩写，i r d a 相继制定了很多红外通信协议， 有侧重于传输速率方面的，有侧重于低功耗方面的，也有二者兼顾的。i r d a i 0 协议基于异步收发器u a r t ，最高通信速率在1 1 5 2 k b p s 。简称s i r ( s e r i a l 浙江大学硕士学位论文 i n f r a r e d ，串行红外协议) ，采用3 1 6e n d e c 编解码机制。k d a l 1 协议提高 通信速率到4 m b p s ，简称f i r ( f a s ti n f r a r e d ，快速红外协议) ，采用4 p p m ( p u l s e p o s i t i o nm o d u l a t i o n ，脉冲相位调制) 编译码机制，同时在低速时保留1 0 协议规 定。之后，i r d a 又推出了最高通信速率在1 6 m b p s 的协议，简称v f i r ( v c r yf a s t i n f r a r e d ，甚高速红外协议) 【5 4 1 。 在我们的选择中，采用i r d a l 1 协议定义的f i r 标准，达到4 m b p s 的通信 速率。利用了4 p p m 的编解码方法，能在高速载波的情况下区分脉冲位置从而 的到传输的数据信息。 在容错方面，在f i r 发送帧内增加了3 2 位的符合i e e e s 0 2 标准的c r c 纠 错( 循环冗余编码) ，保证了数据的出错重传，减低了传输的差错率。此外，采 用t c p i p 协议结合红外协议，更可靠地保证了传输的正确率。 1 4 本论文研究重点 本论文主要讨论基于二维l e d 面板旋转形成三维视场的体三维显示技术。 详细阐述了该显示原理以及实验系统的构思、架构、仿真、显示和数据分析过 程。采用了理论加实践的实验方法，成功地建立了一整套三维图像显示的实验 系统，涵盖了硬件、软件、传输各个部分。并且首次从三维空间的角度对真三 维显示系统的象素、数据格式、传输、压缩、分辨率以及显示效果进行了量化 分析。 本文的研究内容包括了以下几个方面： 对三维显示的国内外研究状况做了一定的分析研究，详细归纳了主要的三 维显示技术为体视三维, 显示( s t e r e o s c o p i c3 dd i s p l a y ) 、全息三维显示( h o l o g r a p h i c 3 dd i s p l a y ) 、透视三维显示( p e r s p e c t i v e3 dd i s p l a y ) 和体三维显示( v o l u m e t r i c3 d d i s p l a y ) 四种，并且分析了各种显示技术的优劣和国内外发展状况。详细说明了 体三维显示由于没有视场角和辅助观察设备的限制，更符合人体生理特点和视 觉特性，具有非常重要的研究价值。此外，着重对体显示技术的发展以及技术 特点进行了分析，比较各自的优缺点、和可行性。指出了目前体显示设备的主 浙江大学硕士学位论文 要问题，由此说明本论文研究的必要性，以及我们选择平面体旋转扫描作为体 显示实现方案的原因及其研究价值所在。 成功构建了完整的三维显示平台系统，从硬件架构和软件流程方面详细阐 述的系统的构建过程。在软件方面，建立了三维数据处理机制以及再现仿真的 平台，高效地处理了大量的三维数据，为今后在三维数据的处理压缩方面研究 了一定的基础算法。 在个人电脑终端上实现了一个o p e n g l 的仿真平台系统，将三维显示的结 果通过仿真平台在二维平面显示的平台上实现了一个透视显示。使三维显示数 据不必下载到系统的f l a s hr o m 上即可实现显示效果的预先观察，大大提高 了系统的调试性能。由于节省了这一时间开销，使得在三维显示平台上进行数 据分析的速度得以大大加快。 由于该系统存在一个f l a s hr o m 用来存放处理好的三维显示数据，那么 该系统并不是实时的，为了使下一代系统能够有一定的实时性，本文讨论了可 用于此系统的无线传输方式以及进行了一定的可行性研究。在此基础上搭建了 一个红外无线传输平台并进行了一系列的传输速度和稳定性的分析，研究了三 维数据的无线传输的可行性。另外研究了应用l z w 压缩算法在无线传输三维 数据上的系统性能提升，为下一代系统的实时性作出了一定的基础贡献。 基于旋转体三维显示的特性，出于中心存在象索密集区，边缘存在象素分 散区，所以就存在一个象素补偿的问题。当然由于机械结构的特点，不可能人 为的增加象素密度，因此只有采取减少中心象素密度的办法来均匀化象素密度。 从图形学的角度上来讲，是在光栅化的过程中把采用一个柱坐标系的光栅转变 成采用一个均匀统一的笛卡儿坐标系光栅。由此带来的好处就是象素的空间分 布密度更符合人眼的视觉特征，使得象素在笛卡