引　言

　　目前， 三維顯示大致可以分為四類： 體視三維顯示、全息三維顯示、透視三維顯示和體三維顯示 ，其顯示的原理和特點(diǎn)如表1 所示。

　　表1 各類三維顯示原理及特點(diǎn)

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　　本文通過(guò)旋轉(zhuǎn)24×16 二維LED陣列實(shí)現(xiàn)了具有69120個(gè)體像素， 空間尺寸為Φ9414 mm ×6618mm 柱體內(nèi)的三維顯示， 文中論述了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、顯示原理及其各組成部分的實(shí)現(xiàn)方法。最后并以顯示“茶壺”為例， 對(duì)此體三維顯示系統(tǒng)進(jìn)行了分析和討論。

　　1　LED 體三維顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1　整體方案

　　由于人眼具有視覺(jué)暫留的特性， 即人類視覺(jué)對(duì)亮度改變的跟蹤會(huì)由于意識(shí)處理延遲而滯后。基于此特性， 利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)置于對(duì)稱轉(zhuǎn)軸兩側(cè)的發(fā)光二極管陣列， 使之高速旋轉(zhuǎn)， 周期性地掃出一個(gè)柱體空間。同時(shí)， 尋址驅(qū)動(dòng)控制電路根據(jù)需要調(diào)制不同時(shí)刻LED陣列的發(fā)光狀態(tài)， 這樣通過(guò)快速顯示一幅幅二維圖像截面序列來(lái)實(shí)現(xiàn)三維顯示。由于人眼視覺(jué)暫留時(shí)間約為50～100ms， 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)10r/s時(shí)， 人便不會(huì)有閃爍的感覺(jué)， 而是看到三維的立體圖像。根據(jù)此原理可設(shè)計(jì)如圖1 所示的LED體三維顯示系統(tǒng)。

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　　利用計(jì)算機(jī)生成三維數(shù)據(jù)再通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸電路把數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)板上面的存儲(chǔ)器中， 并且由角度編碼器來(lái)測(cè)試電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度并把信號(hào)送給FPGA ， 然后由FPGA 根據(jù)采集的角度編碼器輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED 屏顯示并按時(shí)刷新LED 顯示屏。同時(shí)， 整個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)板在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下快速的旋轉(zhuǎn)， 快速顯示一幅幅二維截面圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)三維顯示。

　　1.2　三維數(shù)據(jù)生成

　　利用Matlab 軟件的強(qiáng)大功能， 首先可以通過(guò)im read ()、im f info ()、m eshgrid ()、m eshc () 和su rf ()等語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)具有灰度值的三維圖像， 假設(shè)獲得的三維圖像角坐標(biāo)為P (X0， Y0， Z0)。

　　令LED陣列旋轉(zhuǎn)所得的圓柱空間中LED 燈的柱坐標(biāo)為F ( r， H， z ) ， 根據(jù)柱坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系， 求得空間LED燈的三維直角坐標(biāo)E (X 1， Y 1，Z 1) 可表示如下：

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　　其中r， H， z 均為整數(shù)， 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 ) 求出該顯示的L ED 燈的三維直角坐標(biāo)， 以此作為三維數(shù)據(jù)的信息源。

　　從Matlab 610 版本開(kāi)始，Mathworks 公司在軟件中增加了設(shè)備控制箱( Instrument controltoolbox ) ， 提供對(duì)RS2232/RS2485 通信標(biāo)準(zhǔn)的串口通信的正式支持。因此本系統(tǒng)使用該工具箱的serial 類及fopen、fw rite 等函數(shù)， 通過(guò)RS2232 串口并利用數(shù)據(jù)傳輸電路把獲得的三維圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED 驅(qū)動(dòng)電路板上。

　　1.3　數(shù)據(jù)傳輸電路

　　三維圖像數(shù)據(jù)利用設(shè)備控制箱通過(guò)RS2232 串口后， 再利用紅外編解碼技術(shù)把數(shù)據(jù)傳到旋轉(zhuǎn)的LED驅(qū)動(dòng)板上， 其整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵔Y(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

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　　在單片機(jī)串口模塊中選用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232 芯片實(shí)現(xiàn)TTL 電平與RS2232 電平的雙向轉(zhuǎn)換， 從而把三維圖像數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)的串行接收端口RXD 上， 然后單片機(jī)再通過(guò)其發(fā)送端口TXD把數(shù)據(jù)送出。圖中的調(diào)制與紅外發(fā)射模塊通過(guò)由N E555 芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路調(diào)制成38 kHz 的載波信號(hào)， 最后利用紅外發(fā)射管TSAL6238 以光脈沖的形式向外發(fā)送。為了保證紅外接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，N E555 產(chǎn)生的振蕩頻率要盡可能接近38 kHz，所以在選擇電阻電容時(shí)要選用精密的元件并保證電源電壓的穩(wěn)定性。

　　數(shù)據(jù)傳輸電路中的紅外接收解調(diào)模塊選擇Vishay 公司的TSOP1738， 其內(nèi)部電路功能已包括把接收到的載波頻率為38 kHz 的脈沖調(diào)制紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)， 并由前放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理。然后， 通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行濾波， 濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)。最后， 由輸出級(jí)電路進(jìn)行反向放大輸出。

　　所以， 選用此紅外接收模塊只要把其數(shù)據(jù)輸出直接送到FPGA 處理即可。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定， 利用此紅外傳輸電路傳輸數(shù)據(jù)， 速率最高可達(dá)1 kB/ s。