（光学工程专业论文）基于面阵发光板的体三维显示系统结构研究.pdf

摘要 视觉是人类认知世界的重要渠道，也是心灵的窗户。人们在日常生活中，每 时每刻都要用到视觉来学习、观察和娱乐。目前的显示技术还是大部分局限于二 维平面显示。虽然它们能带给我们丰富的视觉体验，但是毕竟与客观的三维世界 相差甚远。平面显示一般采用透视法来模拟三维图像，利用人们的视觉经验来主 观判断丢失的深度信息从而实现三维显示。这虽然能满足要求不高的三维视觉体 验，但是在工程制图等要求精密测量三个维度的显示领域中，非常需要一种真正 能实现三维显示的显示技术。 本文从体三维显示的理论模型出发，应用了一种真正符合人体视觉习惯的真 三维显示技术。该技术利用主动发光式l e d 阵列制成平面显示面板，在围绕垂 直轴进行旋转的同时，通过连续显示二维图像序列而扫描形成了三维图像。体三 维显示的图像就像浮在客观空间中，可满足多人多角度环视观察，具有其它三维 显示技术不可比拟的优点。 由于l e d 屏幕需要高速转动，从而在机械方面有较高的要求。本文详细分 析了体三维显示系统的机械结构以及稳定性要求，从显示效果的畸变以及显示面 板偏轴现象出发，着重进行了纠偏分析，并且结合转轴的振动和挠度分析，通过 理论公式的推导和数据实验的论证，提出了机械结构和面板设计的改进方案。另 外从转动惯量的角度论证了电机的选择方案，进一步增加了系统显示的稳定性。 此外，文中还论述了通过红外方式来传输三维显示数据的无线传输方案的可 行性，并进行了相应的基本传输电路以及传输协议的设计，为基于面阵发光板的 体三维显示系统的进一步设计提供了基础支持。 关键词：显示器件、三维显示、体三维显示、机械传动 a b s t r a c t v i s i o ni st h em o s ti m p o r t a n tw a yf o rh u m a nt or e c o g n i z et h ew o r l d p e o p l eu s e t h e i re y e st os t u d y , o b s e r v ea n de n t e r t a i ni nd a i l ya c t i v i t i e s b e c a u s et h ep r i n c i p l eo f v i s i o ni st h er e f l e c t i o no rr e f r a c t i o no f r a y sb e i n ge m i t t e do nt h eo b j e c tw h i c hc o n s t r u c t i m a g e si no u re y e s ，t h e r ei sas i m p l ew a yc a l l e dd i s p l a yt e c h n o l o g yw h i c hc o u l d m a k i n gi m a g e sb yc r e a t i n gr a y sw i t h o u tt h eo b j e c ti t s e l f t h i sk i n do ft e c h n o l o g y b e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta n dm a n yn e wd i s p l a yd e v i c e sa r ed e v e l o p e d r a p i d l yw h i c hc h a n g ep e o p l e sl i f ea l o t b u tt h e r ei sab i gl i m i t a t i o no f t h em o d e m d i s p l a yt e c h n o l o g yt h a ti sm o s to f t h e m i s2 dd i s p l a yl i k et vo rm o v i ec t c e v e nt l l e yc o u l db r i n gn sac o l o r f u lv i s i o n e x p e r i e n c e ；t h e ya r es t i l ld i f f e r e n tf r o mt h er e a l3 dw o r l d f l a tm o n i t o r su s u a l l y e m u l a t e3 d i m a g e sb yp e r s p e c t i v ew h i c hm a k e su s eo f h u m a nv i s i o ne x p e r i e n c et og e t t h el o s td e p t hd a t as u b j e c t i v e l y p e r s p e c t i v ec o u l db es a t i s f i e di nn o r m a lo c c a s i o n , b u t i nh i g h l yr e q u e s tc o n d i t i o nl i k ec a d ，t h er e a l3 dd i s p l a yi sr e a l l yn e e d e d t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e dv o l u m e t r i c3 d d i s p l a yt h e o r e t i c a lm o d e la n dd e v e l o p e d ar e a l3 dd i s p l a yt e c h n o l o g yw h i c ha c c o r d sw i t hh u m a nv i s i o nh a b i tm u c h t h e s y s t e mu s e sap a n e lw i t l le m i s s i v el e d m a t r i xr o t a t i n go fav e r t i c a la x i st oc o n s t r u c t 3 ds c e n eb yd i s p l a yas e r i a l so f2 di m a g e s t h ei m a g ed i s p l a y e db yv o l u m e t r i c3 d d i s p l a yi sf l o a ti nt h ea t m o s p h e r ew h i c hc o u l db ev i e w e db yd i f f e r e n to b s e r v e r sf r o m d i f f e r e n tv i e wa n g l ea n di t sp e r f o r m a n c ei sm u c hb e t t e rt h a nt h eo t h e r3 dd i s p l a y t e c h n o l o g i e s b e c a u s eo ft h eh i g hs p e e dr o t a t i n go ft h ep a n e l ，ah i 【g hs t a b i l i t yo fm e c h a n i c a l s y s t e mi ss t r o n g l yr e q u i r e d t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h es y s t e m sw h o l es t r u c t u r e w i t hc o n s i d e r i n gi m a g e sa b n o r m a l i t ya n dp a n e l so f f - a x i s ，p e r f o r m sae r r o rc o r r e c t i o n a n a l y z ea n db r i n gf o r w a r dan e ww a yt oa d v a n c em e c h a n i c a ls y s t e mb ya n a l y z i n g a x i s sl i b e r a t i o n s 诵t l lv a l i d a t i n gf o r m u l a sa n de x p e r i m e n t sr e s u l t i na n o t h e rh a n d t h e d i s s e r t a t i o nd e m o n s t r a t e st h em o t o rs e l e c t i o np r e c e p tf r o ma n a l y z i n go f r o t a t i n gi n e r t i a t om v a i l c es y s t e m ss t a b i l i t y i na d d i t i o n , aw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm e t h o db yi n f r a - r e dh a db e e nd i s c u s s e da n d ab a s i ct r a n s m i s s i o nc i r c u i th a db e e nd e s i g n e d i tp r o v i d e sab a s i cf o u n d a t i o nf o r d e s i g nan e x tg e n e r a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：d i s p l a yd e v i c e ，3 dd i s p l a y , v o l u m e t r i cd i s p l a y , m e c h a n i s m ，t r a n s m i s s i o n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 i 1 三维显示的种类 客观世界中的景物都是三维的。人们研究发现，人体的各种感官和感觉中， 视觉最具主导性，人们感觉性知觉所获取信息量的8 0 左右是通过视觉观察获取 的。就目前对三维显示研究f 1 - 3 的状况来看，大致有如下所述的四大类。 第一类是计算透视显示1 4 j ，是基于阴影及单眼视差的，以倾斜或透视图的形 式将三维图像显示在二维屏幕上。这是当前显示器的主要三维数据表示方式，尤 其是在计算机的三维图像与数据的再现中广泛应用，但不能直观表达深度信息是 这种三维显示最大的缺点，三维空间感完全取决于观察者的想象重构能力。 第二类是体视对显示【5 一，是基于双眼视差的，视觉深度感的再现是通过分 别提供给左眼和右眼略微不同的视图而实现的。需要配置特殊的观察设备，如与 传统显示器连用的三维立体眼镜、高分辨率c r t 系统和头盔式显示面板等。但 存在着以下凡方面缺点1 3 ，7 1 ：首先是缺乏获得体视对的有效途径。如何从二维信 息中抽取物体的距离信息，并对不同物体进行不同的景深转换，如何让观众获得 较为真切的三维幻觉，很难把握，还没有找到普遍适用的规律哺】。其次是视场有 限。虽然有许多体视对分离方式，但多数技术仅提供来自单一视角的水平视差， 不提供运动视差且观察区域受到限制，要求观众与显示器的空间关系保持不变， 否则会出现假视差，看到畸变图像甚至什么也看不到。最后，由于是在二维屏幕 上再现具有虚拟三维效果的图像，所有体视显示的本质问题是，固有的非自然的 深度感不能促使正确的眼调节，容易导致眼疲劳和头痛等，即我们通常所说的“虚 拟现实综合症”，造成生理和心理上的压力，不适于长时间观看。 第三类是全息显示1 9 j 。它可以再现图像的幅值和相位信息，能够利用二维的 介质来显示具有虚拟三维效果的图像，使观察者获得三维视感。全息术的突出特 点是能够记录完整的波前信息，但是，也是因为这一特点，使得全息图的信息量 浙江大学硕士学位论文 通常比其它三维图像大好几个数量级。它的不足之处是全息图的信息量存在着很 大的冗余，甚至可能比实际三维物体的信息量大3 个数量级以上。现在，人们正 在研究改变全息图的记录手段，以使信息量适当减少，但就目前而言，也只是与 物体的信息量尽可能靠近而己，还是存在着巨大的带宽和处理要求。此外，实物 全息图的制各需要激光源或光学器件，过程复杂、耗时，对于大范围的商业应用 还不能很好的适用；而再现的三维图像，无论是尺寸还是视角都很有限，色彩不 丰富，成像质量也达不到某些要求。 随着计算机技术的飞速发展，计算机制全息图的研究得到了飞速发展1 0 1 。这 种方法主要是利用计算机直接产生干涉图样，代替了光学设备的实地记录，这样 生成的全息图，既节省了光源及具有精密要求的光路设置，又可以模拟各种复杂 的物体，哪怕是实际上并不存在的物体，因此，计算机制全息图具有明显的简易 性和灵活性。全息三维显示结合了计算机技术，光电子技术以及非线性光学技术， 进入了一个全新的发展阶段。全息视频显示和实时显示的研究领域也十分活跃， 但基本上还只是处于研究阶段，要达到实用化的程度，还有很长的路要走。 第四类是体三维显利，馏。体三维显示具有实际三维的显示体积，它是利用 人类视觉系统中固有的三维数据处理结构来显示实际占据着一个三维空间的图 像，并适合于多人、多角度同时观看，可以较好地传达空间物体相互位置和提供 完整视觉暗示，有助于观察者理解数据和可靠确定距离、形状和方位，增强了可 视化、仿真和协作能力。这种显示技术虽然涉及到大量的数据再现问题，但它能 将三维场景再现在真实的三维空间中，其再现原理相对简单，可以通过各种技术 途径来实现，因此在空中交通控制、核磁共振成像、三维流体分析等领域具有广 泛的潜在应用前景。 1 2 体三维显示的特点和现状 1 2 1 体三维显示的特点 对体三维显示系统的研究是近代信息显示技术的一个重要课题。 2 浙江大学硕士学位论文 体三维显示技术不需要将三维坐标映射到二维平面上，而是将三维数据直接 再现于物理体积内，再现的图像浮在真实的三维空间中，也就是观察者所处的物 质世界中，如同一个真实的物理体，并能够同时提供所有透视图。因此，可以多 人、同时、不同方位直接观看，观察者利用深度感知的自然生理反应，可获得对 数据的更丰富理解。再现图像的固有三维性和视点的几乎不受限制性，是体三维 显示与其它三维显示的最主要区别。 当然，体三维显示也存在着一些问题【2 ，卦。比如，它所能再现的三维场景的 最大深度，受限于显示介质的实际物理尺寸；带宽要求虽然不像全息三维显示那 么高，但仍是一个技术难点；产生的每个体像素都是透明的，无法遮住位于其后 的体像素，只能显示物体的骨架图( f r a m e w o r k ) 而不是实体，无法展示多个物体 之间的遮挡关系。这种三维图像的透明性在一些场合下是个缺陷，因为背景信息 能透过前景信息看到，会导致图像信息混杂，空间关系难以感知。然而，在医学 成像、流体动力学、气象分析、空中交通控制等分析性场合中，这种“不现实” 的效应是有益的，有时甚至是理想的。比如，在医学成像中，由于体三维显示可 涉及到物体的内部结构，并且提供连续的运动视差和完整的双眼视差，还可多人 同时观看，因此，用户可从各个方位透视与原始生理位置信息对应的器官，此时 遮挡暗示的缺失反倒是个优点。 1 2 2 国内外研究的现状介绍 大致上说，体三维显示技术主要分为体扫描显示，静止的体三维显示两判甜。 1 体扫描显示 在体扫描显示技术中，是依靠机械装置，在旋转或移动的目标屏幕上成像的。 简单的说就是利用高速扫描二维图像，依靠人眼的视觉暂留而实现的技术。视觉 的持续性使空间图像得以最终形成。这样，就产生了深度暗示，尤其让人们产生 了立体视差。 二维的图案既可以在自发光的板块上显示，也可以被投射到目标屏幕上。当 3 浙江大学硕士学位论文 各种形状的目标屏幕随二维图像的周期同步地发生垂直摆动或者旋转时，深度暗 示就体现出来了。当平整的屏幕被扫描之后，就能够产生一个在上面形成各式各 样的空间图像的三维背景或者光栅。但是，观察一个摆动的平面，多少会对结果 产生一定的影响。 大多数三维显示技术都以体扫描技术为基础，因为当今高新的软硬件条件使 这种技术能够简单有效地实现。 在体扫描系统中，比较有代表性的就是由德国一个科研小组设计的标准 f e l i x 三维显示系统【1 3 ，见图1 1 。它实际上也是一种体扫描技术，但不是二 维屏，而是一个三维的螺旋屏。该技术是一个简洁、轻巧、可扩展、便于输送的、 标准化设计的系统。它由以下主要部分组成：螺旋投影屏、合成激光的投影装置、 投影装置驱动和动力装置以及三维界面的电脑控制系统。 图1 1f e l i x 三维显示：激光投射到螺旋形屏幕上 该系统的核心部分是一个扫描出圆柱形显示体积的旋转目标屏。它由一个丙 烯酸半球体包围着。根据应用中的具体目的，选择相应的屏幕形状，比如螺旋形 屏幕。投影在目标屏幕上的二维图像，是由显示体下面的一个或者多个投影单元 4 浙江大学硕士学位论文 产生的。每个投影单元由一个光源和一个x y 电子光束扫描系统形成。不仅用红、 绿、蓝三色光合成光束作为光源，也有纯单色光的光源。根据不同的用途选择不 同类的光束扫描系统。 为了在可寻址的显示体上获得三维图像，成像部分利用三维界面同时产生。 其他的组成部分中包括了一个结构缓冲装置和电子控制发动机。该缓冲装置是一 个存有图像信息并且向投影驱动器发射x y 位置信号的p c 卡。这个硬件装置为 具有高速性能和高分析能力的扫描装置提供了高速的数据传输。电子控制发动机 的作用是使投影屏的位置和缓冲装置的输出同步。 p c 机上使用的图像显示软件是用c + + 语言编写的。图形既可以由a u t o c a d d x f 文件生成，也可以由使用者随机产生三维的几何图形。持续性的几何图形可 以有几种方式进行操纵( 如旋转、直线运动、扩大影像和动画) 。然而，固体的 表面不能合理的显示，是因为像点极薄而且透明的自然属性造成的。 f e l i x 三维显示技术显示了一些质量较好的图像，如图l - 2 所示。 图l - 2 由f e l i x 三维显示技术显示的图像 2 静止的体三维显示 静止体三维显示技术就是不用使机械装置运动就能够进行体三维显示的技 术。它的目的是要使用大量自发光的体象素在一个稳定的而非旋转或者运动的载 浙江大学硕士学位论文 体上进行体三维显示。很多很有意思的尝试，比如使用透明的晶体，气体，连续 的电磁场等技术已经被实验过了i 闱。然而，总的来说由于材料的限制，静止的体 三维显示技术发展较慢，现今通用的技术却在真实物体和显示物体的尺寸比例上 出现了很大的难题。至今尚无能够真正进行三维图像或场景演示的系统。 1 3 本论文的研究工作 基于体三维显示技术研究现状，我们重点开展了基于面阵发光板的体三维显 示系统研究。该系统利用l e d 的高速电光响应特性，使得三维显示所需的大数 据量的显示成为可能口，1 6 1 。因此是一种新型的显示技术。 论文研究内容包括了以下几个方面： 对体三维显示技术的原理进行了系统的阐述，成功构建了基于l e d 显示面 板的体三维显示系统，介绍了该系统的工作原理和系统结构。 论文的第二章对体三维显示技术的原理进行了系统的阐述，成功构建了基于 l e d 显示面板的体三维显示系统，并介绍了该系统的工作原理和系统结构。 第三章是本文的重点。针对机械机构，讨论了转动机构对显示的影响，着重 对显示面板的偏轴现象的原因作了较为详细的分析，并提出了实际可行的纠正方 法，使得偏轴纠正后的显示结果较纠正前有明显改善。在第三章最后还提出了真 空系统的设计，为进一步优化系统结构做了准备。 本文第四章论述了通过无线红外传输方案可行性，提出了应用于计算机与单 片机的红外传输方案，并搭出了实验平台，并进行了基本传输电路以及传输协议 的设计，为下一代系统的设计提供了基础支持。鉴于目前实验所得的传输速率尚 不理想的问题，有待于提出新的、更实际可行的方案。 最好论文对整个研究工作做出了总结和展望，提出了在下一代系统中可以提 高改进的方面。 6 浙江大学硕士学位论文 参考文献 【1 】w i c k e n s ，c d t h r e e d i m e n s i o n a ls t e r e o s c o p i cd i s p l a yi m p l e m e n t a t i o n , g u i d e l i n e s d e r i v e df r o mh u m a nv i s u a lc a p a b i l i t i e s ，p r o c s p i es t e r e o s c o p i cd i s p l a ya n d a p p l i c a t i o n s ，1 9 9 0 ，1 2 5 6 ：2 - 1 1 【2 】b gb l u n d e l l ，a j s c h w a r z t h ec l a s s i f i c a t i o no fv o l u m e t r i cd i s p l a ys y s t e m s ： c h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e d i c t a b i l i t yo ft h ei m a g es p a c e i e e et r a n s a c t i o n so n v i s u a l i z a t i o na n dc o m p u t e rg r a p h i c s ，2 0 0 2 ，8 ( 1 ) ：6 “7 5 【3 】林远芳基于二维l e d 屏旋转的体三维显示系统及其特性研究浙江大学博 士学位论文，2 0 0 5 【4 】曾建超，徐光佑虚拟现实技术的发展现状与趋势p c 世界，1 9 9 5 ，1 2 ：2 0 - - 2 6 【5 】蔡履中，刘华光光学三维显示技术现代显示，1 9 9 6 ，1 7 ( 1 ) ：3 9 - - 5 4 【6 】王元庆自由立体显示器的应用与现状现代显示，2 0 0 3 ，2 4 ( 1 ) ：3 8 - 4 1 【7 】赵国英，陈世红裸眼可视立体技术的发展概况北方工业大学学报，2 0 0 2 ， 1 4 ( 1 ) ：5 1 - 5 6 【8 】侯春萍，俞斯乐一种平面图像立体化的新方法电子学报，2 0 0 2 ，3 0 ( 1 2 ) ： 1 8 6 1 - 1 8 6 4 【9 】谢敬辉，孙萍全息术的新进展北京理工大学学报，2 0 0 3 ，2 3 ( 2 ) ：1 3 3 1 4 2 【l o t 辉，应朝福，万旭，等数字全息显示中的三维物体信息量及其压缩中国 激光2 0 0 3 ，3 0 ( 9 ) ：8 2 3 - 8 2 8 【li b gb l u n d e l l ，a j s c h w a r z , d k h o r r e l l v o l u m e t r i ct h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a y s y s t e m s ：t h e i rp a s t , p r e s e n ta n df u t u r e e n g i n e e r i n ga n de d u c t i o nj o u r n a l ，1 9 9 3 ， l o ：1 9 6 - - 2 0 0 【1 2 c tf a v a i o r a , r k d o r v a l ，d m h a l l ，e ta v o l u m e t r i ct h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a y s y s t e m 、i t hr a s t e r i z a t i o nh a r d w a r e p r o c e e d i n g so fs p i e ，2 0 0 1 ，4 2 9 7 ：2 2 7 2 3 5 7 浙江大学硕士学位论文 【1 3 d b a h r , k l a n g h a n $ ，d b e z e e n y , e ta 1 f e l i x ：av o l u m e t r i c3 di m a g i n g t e c h n i q u e p r o c e e d i n g so f s p i e ，1 9 9 7 ，3 1 0 1 ：2 0 2 - 2 0 9 【1 4 k l a n g h a n s ，d b a h r , d b e z e e n y , e ta f e l i x3 dd i s p l a y ：a ni n t e r a c t i v et o o lf o r v o l u m e t r i ci m a 百n g p r o c e e d i n g so f s p i e ，2 0 0 2 ，4 6 6 0 ：1 7 6 - - 1 9 0 【1 5 1 e d o w n i n g m e t h o da n ds y s t e mf o rt h r e e - - d i m e n s i o n a ld i s p l a yo fi n f o r m a t i o n b a s e do nt w o - p h o t o nu p - c o n v e r s i o n ，u s p a t e n t5 6 8 4 6 2 1 ，1 9 9 7 【1 6 】林远芳，刘旭，刘向东等。基于旋转二维发光二极管阵列的体三维显示系统， 光学学报，2 0 0 3 ，2 3 ( 1 0 ) ：1 1 5 8 1 1 6 2 8 浙江大学硕士学位论文 第二章基于面阵发光板的体三维显示系统 2 1 系统的视觉理论基础 人类的视觉系统是精妙的，在复杂环境中能够主动跟踪、获取有益的视觉信 息，并能动地解释和分析信息的含意，以利于更好地生存。在人类的观察活动中， 外来的光信号刺激视网膜中的神经细胞，神经细胞加工后，变为某种电脉冲编码 组合送入大脑，从外界观察到的景物就是其明显的例证。人眼就好象是一个光学 传感器，大脑则是一个复杂的处理器，在眼里发生“视”，而在大脑皮层内形成 “觉”。视觉过程中，人们总是根据过去的有关知识和经验，有选择地抽取所获 信息的主要特征加以认识和把握，将新感知的模式与大脑中原有的模式进行对比 和匹配，通过推测而作出本能的、自动的解释【l 】。 人类视觉一般具有四个特点，即整体性、恒常性、容错性和主观性等1 2 1 。整 体性就是人类对客观事物即视觉对象的识别，是通过全局性的分析，把握住事物 的整体性特征，在大脑中形成与以往经验和知识相关联的、有意义的完整形象。 恒常性就是在视觉形成过程中，视网膜上物体映像的形状、大小、色彩、亮度以 及位置等因素的变化，并不会影响大脑皮层对事物真实状况的正确把握，大脑都 可能保持一种连续或不变的感觉。 恒常性主要来自于经验的积累、物体与所处背景的相对比较等。比如，物 体映像的大小变化，在视网膜上不是被感知为物体本身大小的变化，而是被感知 为物体与观察者距离远近的变化。正是由于视觉的恒常性，形成了人的视觉暂留 现象，即人类视觉对亮度改变的跟踪会由于意识处理延时而滞后。研究表明人眼 视觉暂留时间约为5 0 1 0 0 m s 。因此当实际光源的闪烁频率超过1 0 h z 时，给人 的感觉是连续发光体而非闪烁体。 容错性就是说虽然经验有时会导致错觉，但经验的作用不会因有错觉而被人 类否定，因为经验是人类赖以生存的基础。 9 浙江大学硕士学位论文 主观性是指人类的视觉过程始终有主观意识的参与，视觉主动地、有选择地 去“发现”深度暗示以构成有意义的整体感知，只有在主观意识活动的参与下， 外界刺激才能形成视觉形象的显现。 2 2 系统的工作原理 旋转l e d 体三维显示系统正是基于人眼视觉暂留的特性而设计的。如图2 - 1 所示，图像源面板上的二维l e d 阵列旋转后提供分散于空间内的图像印记，从而 形成虚拟的体象素。在该图中，( a ) 、( b ) 、( c ) 和( d ) 分别表示连续4 个单位时间 间隔内，l e d 面板显示的二维信息，图中黑点表示该处的l e d 处于发光状态。由 此可以看出在不同时刻，位于l e d 面板不同位置的l e d 被点亮，由于视觉暂留 特性，在显示器周围的观察者感知的不是上述( a ) ( d ) 的离散二维图像序列，而 是一幅复合后的空间整体图像，位于空间的矩形框，如图2 - 1 ( e ) 示1 3 1 。 昏睡匿匿 (a)(b)( c ) ( a ) ( d ) ：连续4 个瞬间显示的实际二维信息 ( e ) 观察者感知的图像 图2 - 1 体三维显示系统工作原理 要实现上述功能，我们必须采用时分寻址电路与旋转同步，逐行扫描l e d 阵列，根据需要调制不同时刻l e d 的发光状态，快速显示二维图像截面序列。这 种对l e d 面象素的时分调制直接寻址，等价实现了对分散于柱体空间内的所有 体象素的寻址扫描，从而形成占据实际空间的三维图像。 因此，基于l e d 显示面板的体三维显示系统需要一个能够使l e d 屏高速平 稳旋转的机械系统。 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 3 系统框图及工作流程 本系统使用了具有高速电光特性的l e d ，选择了高速旋转扫描和矩阵寻址技 术，其l e d 屏分辨率为1 2 8 x 3 2 。系统由互相协调工作的电路、软件和机械三部 分组成。电路部分主要是l e d 屏及寻址电路的设计。软件部分负责三维图像数 据的生成、处理、仿真及显示。机械部分是整个系统的总体安装和运作平台，它 的稳定性和精确性是获得优质显示效果的保障。下面主要介绍前两部分，而机械 部分将在第三章着重介绍。 图2 - 2l e d 体三维显示系统的原理框图 图2 - 2 是l e d 体三维显示系统的原理框图。其中，在虚线框内的各部件在机 械马达的驱动下同步地旋转，共同构成一个l e d 体三维显示器。集成于计算机 中的数据生成平台用来是进行原始三维图像的体像素化处理，并且可以在二维计 算机屏幕上进行仿真显示。同时，系统根据l e d 屏的寻址模式以及驱动控制原 理，形成按序输出的二维图像序列，首先经接口电路预先固化到f l a s h r o m 中以 便供l e d 体三维显示器在运行时取用，从而可以将原始三维图像再现于真实的 三维空间之内。 l e d 体三维显示器的工作流程 4 1 如下：单片机在完成初始化之后，不断查询 触发电路的工作状态，它一旦探测到表示l e d 屏处于起始位置的信号后，就发 送一个控制信号给存储器和寻址电路从而取出预先存储好的图像序列，将第一幅 浙江大学硕士学位论文 二维图像在l e d 屏上瞬时显示。然后，保持图像数据的读取与l e d 屏的自转同 步，并将指定幅数的一系列二维图像序列显示在不同位置上。一旦屏幕自转一周 而回到了起始位置的时候，就会通过一个光电触发电路输出一个反馈信号给单片 机，从而使相关电路芯片的工作状态能够同步地被复位，确保各时期所显示图像 序列的正确性从而保证三维图像的稳定性。 2 4 面阵发光板及其寻址电路 面阵发光板的周期性旋转和l e d 体三维显示系统中的逐行寻址模式将导致 略有不同的两个寻址瞬间中产生的体像素并不是在同一个转角方位上，因此极有 可能影响图像信息产生时的先后顺序，还可能将预设好的体像素放置在非预期位 置上阿。因此，我们必须避免因时序寻址方式和l e d 屏旋转的限制而导致体像素 明显偏离预设位置的失真现象。 为了解决如上问题，我们采用了如图2 - 3 所示的l e d 屏及其寻址电路分块图。 其中，包括1 2 8 列3 2 行l e d 矩阵的屏幕被分成8 个大小均为3 2 1 6 的同步寻 址区域。并且每个区域都采用了高速的电路芯片，高速存取可以使l e d 屏在每 幅二维图像的显示时间内对应转过的角度非常小，由此我们可以认为：此时产生 的体像素方位偏差几乎不会被观察者所感觉到。 浙江大学硕t 学位论文 8 块l e d 阵列 图2 - 3 l e d 驱动控制屏 号 l e d 显示面板上有3 2x1 2 8 共4 0 9 6 个l e d ，构成长方形阵列，每两个l e d 的间距为2 4 m m ，采用贴片式封装焊接。其中每一个l e d 的尺寸为1 6 m m x 0 8 m m 。整个显示面板的转速设计成是可调的，一般在正常显示时的转速我们取 8 转秒。 2 5 系统的主要参数 图2 4 是l e d 体三维显示系统及其面阵发光板的实物照片。表2 1 记录了它 的主要参数。该系统使用了大小为1 6 m i l l x 0 8 m i l l 0 6 r a i n 、响应时间为5 0 0r l $ 的贴片式封装的l e d ，l e d 屏的矩阵扫描模式也就是寻址模式是逐行寻址；中央 处理器是采用了指令周期为1 0 0n s 的单片机，存储器采用了存取时间为9 0n s 、 容量为5 1 2k b 的f l a s h r o m 。本系统不但能显示体三维图像，还能显示具有灰度 的三维图像，只是它的分辨率较低并且还不满足全方位可视条件。 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 体三维显示系统( b ) 面阵发光板 图2 4 基于面阵发光板的体三维显示系统实物照片 表2 - 1l e d 体三维显示系统的主要参数 参数名称参数值 l e d 屏的同步寻址区域总数( 个) 每个同步寻址区域的分辨率( 面像素) l e d 屏的总体分辨率( 面像素) 一周内l e d 屏的角平面总数( 个) 一周内可再现的二维图像总数( 幅) 一周内可再现的体像素总数( 个) 体图像在环绕观察时的水平视角( 。) 8 1 6 3 2 1 2 8 3 2 l e d 横向和竖向相邻间距( m m ) 1 6 x o 8 可用于三维再现的图像空间( r a m 3 )# 3 0 6 x 9 6 1 4 882 6 8 4 3 5 2 2 4 2 l 5 3 浙江大学硕士学位论文 在表2 - l 所列的参数中，有以下几点要进一步说明： 由于系统采用了单面l e d 屏显示的方案，并且将屏上的l e d 阵列分成了多 个同步寻址区域，因此“l e d 屏的总体分辨率”是“l e d 屏的同步寻址区域总数” 与“每个同步寻址区域的分辨率”的乘积；单面l e d 屏在旋转过程中会在同一 个位置处显示正面反面的两个图像，即转过半周之后，屏幕还是会显示与刚才一 样的二维图像，只是显示面各自朝向不同，所以“一周内l e d 屏的角平面总数” 是“一周内可再现的二维图像总数”的两倍；因为体三维图像是由许多二维图像 组合而成，所以“可再现的体像素总数”是“一周内可再现的二维图像总数”与 “l e d 屏总体分辨率”的乘积；在机械方面，由于结构的限制，系统中存在一些 立柱和横梁会对图像信息造成遮挡，使某些客观存在的图像信息在一定方位不能 被观察者所观察到，导致了“体图像在环绕观察时的水平视角”不是理想的3 6 0 。， 而是3 4 3 0 。 系统l e d 屏的总分辨率为1 2 8 3 2 ，其中，l e d 器件的竖向和横向相邻间距 为1 6m m 0 8n l l n ，l e d 排列非常密，间距很小，所以能描述图像的细节部分。 屏幕上除了l e d 阵列之外，还有一些电路处理芯片来控制屏幕。系统提供的图 像空间是直径为声3 0 0m i l l 左右的圆柱空间，当绕旋转轴将该空间环切成2 5 6 份之 后，就相当于圆周方向上每相隔1 4 。就有一幅二维图像。 系统还使用了灰度控制芯片，它采用占空比调制方式，可以实现对l e d 面 像素亮度的2 5 6 级调制，即可以显示2 5 6 级灰度，因此每个l e d 面像素的控制 信号为8b i t 也就是lb y t e ，所以每个同步寻址区域块内的1 6 x 3 2 个l e d 总共需 要5 1 2b y t e 的存储空间。假设每个同步寻址区域采用的f i a s h r o m 的容量为5 1 2 k b ，那么可以存储的二维图像序列数是1 0 2 4 幅，正好满足多个三维图像的显示。 浙江大学硕士学位论文 参考文献 【1 】( 美) 卡洛琳布鲁墨著，张功矜译视觉原理北京：北京大学出版社。1 9 8 7 ： 4 6 ，7 5 ，1 1 3 ，1 1 4 【2 】周昌乐无心的机器长沙：湖南科学技术出版社，2 0 0 0 ：3 1 ，1 5 ，2 6 【3 】林远芳，刘旭，刘向东等。基于旋转二维发光二极管阵列的体三维显示系统， 光学学报，2 0 0 3 ，2 3 ( 1 0 ) ：1 1 5 8 1 1 6 2 【4 】林远芳基于二维l e d 屏旋转的体三维显示系统及其特性研究浙江大学博 士学位论文，2 0 0 5 【5 】林远芳，刘旭，刘向东等。利用旋转发光屏再现三维图形及其偏差分析，光 电工程，2 0 0 4 ，3 l ( 5 ) ：6 4 6 7 1 6 浙江大学硕士学位论文 第三章体三维显示系统的机械结构 3 1 结构介绍 3 1 1 总体结构 系统以旋转的二维l e d 阵列面板作为显示面板，通过时分寻址电路模式来 激活l e d 面象素，从而快速显示三维形体的二维截面序列，形成由体像素组成 的三维图像。图3 1 是基于面阵发光板的体三维显示系统总成图，由显示面板、 竖直转轴、金属水平臂、电路板、金属底座、电动机等主要部件组成。 图3 - 1l e d 体三维显示系统总成图 以下是上述主要部件的尺寸参数： 显示面板：长3 3 2 m m ，宽2 4 3 m m ： 金属水平臂：高4 5 3 m m ； 1 7 浙江大学硕士学位论文 电路板：长3 1 6 m m ，宽2 1 5 m m ； 金属底座：长4 1 0 m m ，宽4 0 6 m m ，高1 8 3 m m ： 电动机：机身高1 4 0 m m ，伸出的轴长3 5 m m ，机身上四个螺孔间距为 6 6 5 m m ，转速为o 1 0 转秒( 可调) 。 轴承：内径1 0 m m ，外径3 0 m m ，高9 m m 碳刷：环内径2 0 m m ，外径6 5 m m ，高3 5 m m 。 3 1 2 整流电路设计 为了给系统提供一个良好的工作界面，我们设计了一块面板。该面板用2 m m 铝板制成，安装在承载板和底板的槽内，可以抽出插入。上面分别固定了电源接 口，电源开关，电动机调速器，整流电路板，方形桥堆。下面主要介绍系统中所 涉及的整流电路设计。 1 整流概述 整流的作用是，将2 2 0 v 的交流电转化为体三维显示系统中芯片和l e d 用的 低压直流电。一般由半导体整流元件完成整流工作，并由滤波电路来平整波形， 以达到系统要求【l l 。 在我们的系统中采用的是由硅二极管集成的方形桥堆座位整流元件。 2 几种整流电路的比较 整流电路有好几种，对于二相电有如下的电路： 单相半波整流电路的优点是接线简单。缺点是输入的直流成分较低，脉 动较大，变压器利用率低，由于流过变压器的电流中含有支流分量，铁芯易 1 8 浙江大学硕士学位论文 于饱和，从而增了变压器的尺寸。因此本电路只适用于功率较小，并且对波 形要求不严格的情况。 单相全波整流与半波整流电路相比，输出电压较高，脉动系数较小，缺 点是变压器次级线圈必须中间抽头，次级线圈只在半周期内有电流，变压器 的利用率仍不太高。 单相桥式整流需要接入四个整流元件，但整流元件受到的最大反向电压 仅为次级线圈电压的峰值，变压器的计算功率也较小。因此，这个电路得到 较为广泛的使用。 裂相整流电路将二相电分解为三相电，再进行三相整流。可以使二相电 压的整流得到较好的波形，但缺点是接线和调整复杂。 压整流电路能够得到电压较高但功率较小的电源。 在我们的系统中采用的整流电路是单向桥式整流电路，图3 2 是整流电路原理图。 r 图3 - 2 整流电路原理图 管 电解电容用来使整流过的波形更平整，小电容的目的是过滤掉高频部分。稳 压管是起保护作用，使电压不超过l o v 。在实际的工作过程中电压下降的很快， 无负载的情况下是l o v ，工作中降为7 v 左右。估计是线圈的功率太小造成的。 经过不断实验，系统可以显示许多三维图像，比如图3 3 中的双球和飞机。 1 9 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 双球( b ) 飞机 图3 - 3 系统显示的图 3 2 显示面板的偏轴分析 3 2 1 偏轴现象的原因 在我们的系统中，由于初始设计时拟采用双面板显示，以夹板的垂直中线为 屏幕的旋转轴线，而两块显示面板的厚度使得l e d 与轴线存在5 m m 的距离，从 而造成了比较严重的偏轴现象 2 1 。在程序设计和数据构造时，我们总是假想系统 是理想地关于转轴对称的，而实际显示时，在轴线部位出现了一条较粗的显示盲 区，如图3 - 4 所示。其中，( a ) l 枣t 两个球体的中心部分、( b ) 图客机的右翼部位出现 了严重的偏轴现象。 ( a ) 双球 ( b ) 飞机 图3 _ 4 显示图像的偏轴现象 3 2 2 规则图形偏轴显示的数学分析 以直线为例，我们规定和系统转轴垂直的平面为砂平面，和转轴平行的为z 浙江大学硕士学位论文 轴，这样建立了( t 弘z ) 三维坐标系统，如图3 5 所示。 图3 - 5z 轴平行于转轴的三维坐标系统 假设在空间( 训# ) 三维坐标系统中显示一条直线，由于显示面板是与z 轴 平行的，因此显示面板的厚度对空间点的z 坐标不产生影响，所以只需对直线在 工j ，平面坐标系内的投影进