LED三維顯示系統設計

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

關(guān)鍵詞：LED點(diǎn)陣屏;視覺(jué)暫留;三維顯示

0 引言

三維顯示是對客體固有三維信息進(jìn)行記錄、處理和再現的可視化過(guò)程。目前國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螺旋屏的激光掃描系統，采用快速空間光調制器的螺旋屏投影系統等，而這些技術(shù)實(shí)現起來(lái)較困難，而價(jià)格也較貴。本文利用發(fā)光二極管陣列實(shí)現了具有個(gè)體像素，空間尺寸為柱體

內的三維顯示，文中介紹了LED三維顯示系統的工作原理、論述了系統結構、并給出實(shí)際顯示效果。

LED(Light Emitting Diodes)顯示技術(shù)是指將光電、計算機以及控制等相關(guān)內容綜合于一體的現代新技術(shù)。它與傳統的廣告宣傳緊密結合成為一種新的媒體宣傳工具，廣泛應用于展覽中心、金融市場(chǎng)、體育場(chǎng)館、機場(chǎng)、碼頭、車(chē)站等公共場(chǎng)所的信息顯示和廣告宣傳。

1 LED三維顯示系統原理

研究表明，人眼視覺(jué)暫留時(shí)間約為50—200ms，即人類(lèi)視覺(jué)對亮度改變的跟蹤會(huì )由于意識處理延時(shí)而滯后。當實(shí)際光源閃爍頻率超過(guò)5Hz時(shí)，給人的感覺(jué)是連續發(fā)光體而非閃爍體?；谌搜垡曈X(jué)暫留特性，設計了如圖1所示的體三維顯示系統結構簡(jiǎn)圖。

當發(fā)光二極管陣列屏在電機驅動(dòng)下高速旋轉，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，我們可對其進(jìn)行空間分解，見(jiàn)圖2所示。

圖2(a)-圖2(d)分別表示連續個(gè)單位時(shí)間間隔內，左側發(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(jué)暫留，觀(guān)察者感知的不是上述圖2(a)-圖2(d)的離散二維圖像序列，而是一幅復合后的空間整體圖像，如圖2(e)示。

2 LED三維顯示系統設計

由圖l可見(jiàn)，LED三維顯示系統包括LED顯示屏部分、電源及電機部分、無(wú)線(xiàn)輸電部分、紅外對管等部分，下面對這些組成部分進(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顯示屏的設計與此類(lèi)似。

為了提高顯示屏旋轉時(shí)人眼對燈體的透視度，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(lái)，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(lái)，形成鏤空的顯示屏，如下圖3所示。

LED顯示屏的驅動(dòng)電路如圖4所示。圖中左端為三極管，三極管除了可以當做交流信號放大器之外，也可以做為開(kāi)關(guān)之用，這里用來(lái)控制LED陽(yáng)極(圖3中的 H1到H8)。中間部分為所選單片機，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。最右端為74HC1385譯碼器，用來(lái)控制點(diǎn)陣屏的陰極(圖3中的H11到H26)。當做大的LED顯示屏時(shí)，可適當增加三極管和74HC1385譯碼器即可。

2.2 電源及電機

電源的選擇應該根據用電設備的電氣參數來(lái)選擇，此處電源輸出分為兩部分，一部分給直流電機供電，另外一部分則給無(wú)線(xiàn)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(xiàn)性電源，見(jiàn)圖5所示。

對于電機的選擇，若選用步進(jìn)電機，當電機高速旋轉時(shí)，一旦發(fā)生抖動(dòng)現象，會(huì )有很?chē)乐氐氖Р?，而且步進(jìn)電機隨著(zhù)轉速的提高力矩會(huì )變小，所以這里選用直流電機。不過(guò)，直流電機的選用要符合顯示屏的最低轉速，也就是說(shuō)在人眼的視覺(jué)暫留的時(shí)間內一定要轉完一周，而且要求電機的力矩盡量大，于是可選用了12V RS-360SH直流電機。

2.3 無(wú)線(xiàn)輸電

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

2. 4 紅外對管

由于該系統采用的是直流電機，不能實(shí)時(shí)定位，所以我們就要給LED顯示屏一個(gè)坐標，用來(lái)給顯示屏自我定位，因為電機上下部分靠的較近，所以我們就采用易于控制的光電對管TCRT5000，其控制電路如圖7所示。

3 顯示效果

我們選擇與轉軸不共面的斜向直線(xiàn)、繞軸勻速上升的螺旋線(xiàn)、以轉軸為幾何對稱(chēng)中心的立方體線(xiàn)框圖為實(shí)驗顯示對象。實(shí)驗結果表明，待顯對象出現在預定體積空間內，觀(guān)察者無(wú)論從水平360度范圍內的哪一角度平視，還是從系統上方俯視或側視，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。

4 總結

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成三維圖像被人眼所接收，形成立體視覺(jué)。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(guān)察，無(wú)需任何助視儀器。大顯示空間的空間三維顯示系統需要海量的數據吞吐和高超速的空間尋址，而LED擁有高響應速度近朗伯體發(fā)光等優(yōu)良的特性，采用LED作為屏幕介質(zhì)是實(shí)現大空間的空間三維顯示不二選擇。