LED 体三维显示系统的原理及特点与其设计方案

LED 体三维显示系统的原理及特点与其设计方案

引 言

众所周知， 视觉是人类感知世界的最重要的方式， 而现实生活中的所有物质形态都是以三维空间而客观存在。三维显示能真正地再现客观世界的立体空间， 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， 对社会的发展以及在科技、经济等方面的发展具有重要的作用。

目前， 三维显示大致可以分为四类： 体视三维显示、全息三维显示、透视三维显示和体三维显示 ，其显示的原理和特点如表1 所示。

表1 各类三维显示原理及特点

本文通过旋转24×16 二维LED 阵列实现了具有69120个体像素， 空间尺寸为Φ9414 mm ×6618mm 柱体内的三维显示， 文中论述了系统的整体结构、显示原理及其各组成部分的实现方法。最后并以显示“茶壶”为例， 对此体三维显示系统进行了分析和讨论。

1 LED 体三维显示系统设计

1.1 整体方案

1.2 三维数据生成

令LED阵列旋转所得的圆柱空间中LED 灯的柱坐标为F （ r， H， z ） ， 根据柱坐标与直角坐标的转换关系， 求得空间LED灯的三维直角坐标E （X 1， Y 1，Z 1） 可表示如下：

其中r， H， z 均为整数， 且有： - 12《 r≤12， 0《 H≤360， 0《 z ≤16。

最后， 令D（X2， Y2， Z2） = P（X0， Y0， Z0） ∩E （X1， Y1， Z1 ） 求出该显示的L ED 灯的三维直角坐标， 以此作为三维数据的信息源。

1.3 数据传输电路

所以， 选用此红外接收模块只要把其数据输出直接送到FPGA 处理即可。经实验测定， 利用此红外传输电路传输数据， 速率最高可达1 kB/ s。

1.4 角度编码器与电机模块电路

本系统立体显示是通过快速显示旋转空间中的一系列二维截面来实现的， 把LED 屏旋转一周分成180 个截面， 即每转2°要刷新一次显示屏。为了准确刷新显示屏， 本系统选用角度编码器来识别显示屏转过的角度， 角度编码器通过测试电机旋转发出脉冲可识别电机的旋转角度。本系统选用的角度编码器型号为ZSP38062022G2360B25224E。此编码器旋转一周可输出360 个脉冲信号。这样电机每转2°， 角度编码器便可发出2 个脉冲信号，LED 显示屏控制系统通过计数采集的角度编码器输出脉冲数来控制刷新LED 屏。

同时， 利用角度编码器的输出脉冲再通过单片机的处理可测出电机的旋转速度， 并可送到数码管显示。此外， 单片机可对测得的电机速度进行判断，判断其是否超出一定的范围， 如超出范围可通知由单片机控制的报警电路报警。其电机模块电路图如图3 所示。

电路中所用的电机为无源电机， 所以需要电机的， 考虑电机在加负载时速度会减慢， 设计电机的速度可调， 其调节范围为0～ 4 200 r/m in。电路中电机与角度编码器套在一起， 其转速v （ r/s ） 与角度编码器的输出脉冲频率f （Hz） 具有如下关系：

v = f/360 （2）

通过此对应关系利用单片机可测出电机的旋转速度并可送到数码管显示。同时利用设计的报警器可达到对电机旋转速度的监控。

LED 寻址驱动控制电路主要是利用FPGA 芯片EP1C3 来控制LED的专门BHL2000， 并且EP1C3 根据采集的角度编码器的输出脉冲数按时读取存储器中的三维图像数据， 然后传送给BHL 2000， 从而来驱动LED 屏的列显示。同时， FP2GA 又将行扫描信号输出经后级放大来驱动L ED 屏的行显示， 其具体的原理框图如图4 所示。

2 软件设计 设计的主要原理是在逐行扫描信号的驱动下，在每次行扫描信号来临时， 送出8 位的列数据， 电机每旋转2°的时间内， FPGA 一直扫描同一幅切面图像数据， 然后每旋转两度后就刷新扫描另一幅切面图像数据， 值得注意的是， 每一行扫描信号后面要加一个消隐信号， 即再显示下一行数据时要把前一行L ED 灯关掉， 否则会产生串扰， 图5 所示即为加消隐信号后的16 个行扫描信号。

3 分析与讨论

本文根据人眼所具有的视觉暂留特性及L ED高速发光特性实现了一套基于旋转24×16 二维LED 屏， 具有69120个体像素， 空间尺寸为Φ9414mm ×6618 mm 的体三维显示系统。从对此系统中的三维数据获取、数据的无线传输、电机旋转角度值的获取以及L ED 屏的寻址等模块的分析和讨论来看， 本系统具有可行性高、技术实现容易、系统简单和便于控制等特点。图6 所示为根据本系统显示的“茶壶”， 从图中可以看出显示的三维效果。