LED三維顯示系統設計

陳冬梅菏澤技師學院

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LED三維顯示系統設計

陳冬梅
菏澤技師學院

摘要：利用發光二極管（LED）的高速發光特性，以旋轉的二維發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，成功實現柱體空間內的三維顯示。

關鍵字：LED點陣屏 視覺暫留 三維顯示

三維顯示是對客體固有三維信息進行記錄、處理和再現的可視化過程。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、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，而這些技術實現起來較困難，而價格也較貴。本文利用發光二極管陣列實現了具有個體像素，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、并給出實際顯示效果。

LED（Light Emitting Diodes）顯示技術是指將光電、計算機以及控制等相關內容綜合于一體的現代新技術。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、體育場館、機場、碼頭、車站等公共場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，人眼視覺暫留時間約為50-200ms，即人類視覺對亮度改變的跟蹤會由于意識處理延時而滯后。當實際光源閃爍頻率超過5HZ時，給人的感覺是連續發光體而非閃爍體。基于人眼視覺暫留特性，設計了體三維顯示系統結構簡圖。

當發光二極管陣列屏在電機驅動下高速旋轉，周期性地掃出一個柱體空間，陣列上的發光二極管旋轉后提供分散于三維空間中的體顯示介質，從而形成虛擬的體像素。為了便于理解，我們可對其進行空間分解。表示連續個單位時間間隔內，左側發光二極管陣列顯示的二維信息，圖中黑點表示發光二極管處于發光狀態。

2　LED三維顯示系統設計

LED三維顯示系統包括LED顯示屏部分、電源及電機部分、無線輸電部分、紅外對管等部分，下面對這些組成部分進行簡單介紹。

2.1LED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似。

為了提高顯示屏旋轉時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的管腳直接串聯焊接起來，并將LED其中的一個管腳折彎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。

LED顯示屏的驅動電路左端為三極管，三極管除了可以當做交流信號放大器之外，也可以做為開關之用，這里用來控制LED陽極。中間部分為所選單片機，同樣，這里我們只是做原理介紹，所以可簡單選擇常用的 89C52單片機。最右端為74HC1385譯碼器，用來控制點陣屏的陰極。當做大的 LED顯示屏時，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。

對于電機的選擇，若選用步進電機，當電機高速旋轉時，一旦發生抖動現象，會有很嚴重的失步，而且步進電機隨著轉速的提高力矩會變小，所以這里選用直流電機。不過，直流電機的選用要符合顯示屏的最低轉速，也就是說在人眼的視覺暫留的時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無線輸電

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線輸電。

2.4紅外對管

由于該系統采用的是直流電機，不能實時定位，所以我們就要給LED顯示屏一個坐標，用來給顯示屏自我定位，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。

3　顯示效果

我們選擇與轉軸不共面的斜向直線、繞軸勻速上升的螺旋線、以轉軸為幾何對稱中心的立方體線框圖為實驗顯示對象。實驗結果表明，待顯對象出現在預定體積空間內，觀察者無論從水平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。

4　總結

空間顯示在真實空間中產生體素或虛體素，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。形成的三維圖像宛若浮在真實的三維空間中，可多人、多角度、同時、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光等優良的特性，采用 LED作為屏幕介質是實現大空間的空間三維顯示不二選擇。

參考文獻

［1］徐韡，劉向東，劉旭，等.基于3DS MAX信息源的體三維顯示技術［J］.浙江大學學報（工學版），39（11）：1723=1726