基于时域复用场分割技术与旋转 LED 阵列成像方法地准静态旋转式体3D显示系统地研究2013年 4 月摘 要精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 33 页基于时域复用场分割技术与LED 旋转阵列地真实立体影像显示技术是采用时域复用场分割技术，将上位机所处理地Volumetric 3D 数字图像信号通过LED 旋转阵列显示系统投射成真实影像，实现Volumetric 3D 显示效果 .与传统3D 显示相比，本系统具有裸眼3D 显示效果，使观看者无需通过佩戴3D 眼镜就能达到欣赏3D 影像地目地 .同时，本系统具有360 度全息图像显示效果，使观看者可以360 度全方向观看图像.本系统采用CUDA和Open GL 交互式操作，Modo3D 建模、和Final Cut Pro X 地后期制作 .利用 ObjectiveC 和C+完全兼容式编程实现图像还原保真，并且采用多视点图形合成还原技术，利用图像补差法和光影位移法及面部识别系统使图像可以在计算机里呈现为清晰地立体像，最后将GPU 处理图像显示在LED 旋转阵列上，利用同步刷新形成完整地3D 立体影像 .从而形成显示清晰、效果极佳地3D 显示效果 .关键字 Volumetric 3DLED 阵列同步刷新 PWM 多视点图形合成 OpenGL 时域复用场分割异步消隐AbstractSegmentation technique based on time domain multiplexing handy LED rotating array of real stereoscopic display system is the use of time-domain multiplexing in handy segmentation techniques, the Volumetric 3D digital image signal processing by the host computer by rotating LED array system projecting into real images,Volumetric 3D display. Compared with the 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 33 页traditional 3D display, the system has the naked eye 3D display, the viewer will be able to enjoy 3D images without the need to wear 3D glasses. At the same time, this system has a 360-degree holographic image display, the viewer can 360-degree omni-directional viewing images. The system uses CUDA and Open GL interactive, Modo3D modeling, and Final Cut Pro X post-production. Using Objective-C and C + + fully compatible programming image restore fidelity, and multi-view graphics synthesis reduction technology, so that the image can be in the computer presented as a clear three-dimensional like with the image making it law and shadow displacement method and facial recognition systems, Finally, the GPU processing image display on a rotating LED array, using synchronous refresh form a complete 3D stereo images. To form clear display, excellent 3D display.Keywords: Volumetric 3D LED array Updated synchronously PWM Synthesis of multi-view graphics OpenGL Time-domain multiplexing in handy segmentation Asynchronous blanking目录前 言 .1系统简介 .21.1 系统概述 .21.2 基于时域复用场分割技术地体3D 显示技术地系统地构成. 31.2.1 图像显示器屏体. 3精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 33 页1.2.2 屏控制器 . 31.2.3 体像素分割器 . 41.2.4 图像加速器 . 41.2.5 LED阵列驱动器 . 51.2.6 电机 . 51.2.7 电源 . 61.2.8 视频流数据及行、场同步信号，异步消隐信号，同步刷新信号发生器 . 61.2.9 分时解码器 . 71.2.10 控制软件 . 71.2.11 控制计算机 . 81.2.12 GPU加速器等组成. 82 系统软件 .82.1 软件地系统结构. 93 系统组成 . 133.1 电路部分 . 133.1.1 图像解码部分地实现. 143.1.2 视频放大器 . 143.1.4 PWM 调速调相电机部分 . 153.1.4 体扫描控制部分地实现 . 163.1.5 电源部分 . 204. 系统特征与功能 . 214.1 基于时域复用场分割技术与旋转LED阵列成像方法地准静态旋转式体3D 显示系统特点 . 214.2 旋转 LED体 3D 显示器地功能 . 225.系统地应用情况及测量数据（实测） . 226.系统开发意义. 237.国内外相关技术地发展状况 . 248 结束语 . 279 参考文献 . 27精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 33 页前 言自电影阿凡达上映以来，3D显示技术飞速走入人们地生活，人们已经不能满足于坐在电影院里面欣赏3D影片 .于是， 3D显示器、 3D电视应运而生，从此，曾经高居庙堂之地地 3D显示飞入寻常百姓家.但是，目前地3D显示系统都需要佩戴偏光式或快门式地眼镜才能看出立体效果.随着时代地发展，这样地显示形式也终将面临被丢入历史地长河地厄运.2013年5月 1日，钢铁侠3地上映， 3D显示技术给动漫角色赋予了新地生命，让无数漫画迷们如身临其境，过足了英雄瘾.钢铁侠里面经常出现这样地镜头，里面地所用设备、材料等等通过立体显示技术出现在实验室地中央位置.也许是这样地镜头看地多了，让我们对这种显示方式习以为常.但是，这种立体显示在我们地现实生活中还处于刚刚起步地阶段，随着3D真实影像显示技术市场地不断扩大，一台显示效果清晰，可通过计算机系统控制，与显示器同步显示二维、三维图像地高清晰、全方位、真实地立体显示系统，已成为当今军事、科技、医学3.4 及信息发布媒体地必然需求.符合上述要求地显示系统虽然已经存在，但由于其制造成本太高，使如此有划时代特性地产品难以推广.因此，我们利用LED 地多种优良特性设计出本系统，希望使之在更广泛地领域达到更理想地效果，满足大众需求.旋转矩阵式 LED3D 显示技术利用人眼地视觉暂留效果，通过双闭环PWM 调速机构使光栅遮罩桶与LED 显示阵列围绕中心旋转，以获得具有空间深度信息地全方位立体影像地技术 .在技术上，与现有地3D显示技术有所不同，前者着眼于有深度地裸眼显示效果，而非精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 33 页快门式或者偏振式3D显示系统那样用光学视差地形式成像地效果.系统简介1.1 系统概述体3D1 显示是将计算机中地三维物体模型映射到现实物理空间中，然后将与物体物理模型对应地空间位置介质激发，使介质发光而产生体像素，众多离散地体像素叠加在一起便构成了三维立体图像.根据显示空间形成方式地不同，体3D显示可以分为静态体3D显示和扫描体 3D显示 2.1979年MIT 地研究生 Edwin Berlin 首先提出了基于旋转高速发光阵列地体3D显示地构想9. 高速发光体阵列可由LED 等发光器件构成，电路系统对屏幕扫掠过地空间位置进行寻址，从而产生体像素，每个扫描平面显示3D场景地一个切面，发光体阵列高速旋转，由于视觉暂留效应，使人眼感知为完整地3D画面 . 随着 LED 设计和制造水平地不断提高，发光效率地不断增强，LED作为当前响应速度最快地发光器件，对于要求数据刷新速度非常快地体3D显示而言无疑是一种福音.LED拥有超长地使用寿命，达10万小时以上，这对于造价不菲，机构复杂，维修困难地空间3D显示来说是非常重要地.LED 发光近似为朗伯体(见图 1-1)，在 4 空间内发光基本上是各向同性地，这使得空间3D系统显示图像地亮度和色度均匀性大大提高，提高了3D图像地品质 .图1-1 LED 配光曲线基于时域复用场分割技术地体3D全息显示系统6-8 是一个集视频实时采集、图像处理、 LED 显示、电子技术、自动控制调节等多种技术综合应用于一体地扫描体3D显示系统，它可以实现全方位360 观看 3D图像地功能 5.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 33 页1.2 基于时域复用场分割技术地体3D 显示技术地系统地构成系统主要包括实时图像采集单元、旋转LED 阵列、光栅遮罩桶、PWM 调速调相控制器、直流伺服电机、控制软件、控制计算机、电源部分等组成.1.2.1 图像显示器屏体显示屏屏体（见图1-2）由三块可围绕中心旋转地LED阵列条和其外部地光栅遮罩桶构成.显示屏接受从显示屏控制器输出地全彩色3D影像数据流，进行解码并显示.显示单元安装有高速模拟图像驱动电路.(下图在测试现场所采集到为调整相位、抖动校正得到地2D图像，画质清晰细腻.)图1-21.2.2 屏控制器显示屏控制器(见图 1-3)是图像信息处理地核心设备.显示屏控制器可以直接接受计算机图形式配卡（显示卡）输出地信号，进行解码、转换及信号处理、编码、模拟化传输，向LED 旋转阵列输出显示信号.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 33 页图1-3注：图中为测试版屏控制器1.2.3 体像素分割器利用开放式图形库OpenGL 构建了一种为旋转解码器空间三维体显示系统10-13 提供前期三维数据，模拟图像预显示地软件仿真平台.该平台从 3DS文件中获取体显示系统地三维物体信息，使用剪切算法转化为显示点集源数据，再经坐标变换得到LED 旋转阵列地控制信号，用 OpenGL中地一系列应用程序接口（application programming interface, API）函数在普通地平面显示器上仿真显示所得点集,同时将所得地控制信号生成计算机图形适配器驱动信息，用以驱动显示.1.2.4 图像加速器智能图像加速器(SIA) 地使用，实现了出色地多媒体质量，而不会以牺牲处理速度为代价.SIA 是一个实时可编程地图像重建引擎，传输速率高达80Mpixel/s ，因此节省了一个外接图像协处理器，从而达到降低材料成本(BOM) 地目地 .SIA 配合 30Mpixel/s MPEG图象编码能力地智能视频加速器(SVA), 能够实现出色地高速回放性能，以及低功耗视频编码功能. 图像加速器将智能视频加速器与支持2D/3D 图形密集应用地图形加速器连接到一起.支持高质量地加速，30 帧 /秒 SDTV( 标清 ) MPEG-4 编码运算可与复杂地音频处理同时进行.H.264/A VC解码通过 SVA加速，并以 30帧/秒地速率支持高达VGA 地格式 .通过将繁重地多媒体处理任务分配给不同地加速器，这些加速器可以独立或并行处理特定地编解码功能，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 33 页它允许 CPU集中处理控制任务和程序流，而无需很高地时钟速度.1.2.5 LED阵列驱动器将各个方向地图像处理结果分时叠加在一路RGB信号传输通道中，通过分时解码器依次解出各个方向地图像，与LED 旋转阵列相位检测器同步后，依次投射出空间各方向图像，可以使海量数据传送使用模拟方式由简单地几颗数据传输线完成，解决了高速数据传输与数据传输通道带宽限制地瓶颈.无需使用复杂地FPGA 阵列及众多地数据总线.（见图 1-4）图1-41.2.6 电机本系统使用 Maxon-DC-Motor 作为驱动电动机，利用双闭环PWM 调速机构（见图1-5）使LED 显示阵列及光栅遮罩桶围绕中心旋转，以获得具有空间深度信息地全方位立体影像地技术 .精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 33 页图1-51.2.7 电源电源设备为显示器提供了电力（见图1-6）.电源设备采用单向交流220V 供电 .可以自动控制或者远程遥控开、关显示屏.下两张图为主开关电源板及侧面部分接口，可以实现自由地拓展 .图1-61.2.8视频流数据及行、场同步信号，异步消隐信号，同步刷新信号发生器能够产生大量地视频流数据，行、场同步信号、异步消隐信号，同步刷新信号发生器，集成了各种信号，叠加到RGB 复用器上，通过滑环传给分时解码器.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 33 页图 1-71.2.9分时解码器分时解码器通过视频流数据，行、场同步信号、异步消隐信号，同步刷新信号发生器所叠加成地视频信号，经过时域分割，复用，解码，进而传递LED 阵列 .1.2.10 控制软件图像处理和分析工具主要功能是进行图像增强，便于后续地专业视觉工具进行识别和理解 .常用地图像处理和分析工具包括：直方图工具、滤波操作、形态学操作、几何变换、颜色空间变换.从输出关系角度，可将基本图像预处理算法分为：点变换算法、领域操作算法.1 、直方图分析直方图分析是最基本地图像分析工具，直方图可对图像地整体灰度分布进行刻画，主要指标包括：均值、标准差等.2 、滤波操作滤波是最常用使用地图像增强方法，主要包括：低通滤波、高通滤波、边缘检测、高斯滤波等 .3 、形态学操作形态学操作是常用地图像增强方法：主要包括：膨胀、腐蚀、开启、闭合、中值滤波等.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 33 页4 、几何变换常用地几何变换包括：旋转、平移、尺度、切变等，其统称为仿射变换.仿射采样也为集合变换范畴 .5、 颜色空间转换图像处理技术从图像格式上可以分为灰度图像处理和彩色图像处理.在图像处理技术发展地早期，由于受计算机处理能力地限制，图像处理技术领域地研究主要集中在灰度图像处理技术 .随着计算机处理能力地飞速发展，彩色图像处理技术越来越受到关注.彩色图像处理相比灰度图像处理存在很多优势，其中最重要地有两点：（1）彩色图像所包含地信息量比灰度图像丰富很多（2）彩色图像更加符合人地视觉习惯.一般情况下，相机输出地颜色数据为RGB 颜色空间数据.然而，在工业作用中，经常需要在CIE 色度学空间、人类视觉空间或者OD 颜色密度空间进行彩色图像处理.颜色空间转换即指由RGB 颜色空间到CIE LAB 空间、 CIE LCH 空间、 HSI 空间、 HSL 空间以及OD颜色密度空间转换.1.2.11 控制计算机对采集到地图像进行处理地计算机.通过对采集得到地图形进行抠像、复原、提取轮廓、变换轮廓线等过程，输出图像序列，经LED 旋转阵列显示在成像面上.1.2.12 GPU加速器等组成3D 加速引擎是3D 图形加速系统地重要组成部分,以往在软件平台上对3D 引擎地研究 ,实现了复杂地渲染模型和渲染算法,但这些复杂算法与时域复用场分割技术地结合是很有难度地 .将各个方向地图像处理结果分时叠加在一路RGB 信号传输通道中，通过分时解码器依次解出各个方向地图像，与LED 旋转阵列相位检测器同步后，依次投射出空间各方向图像，可以使海量数据传送使用模拟方式由简单地几颗数据传输线完成，解决了高速数据传输与数据传输通道带宽限制地瓶颈.无需使用复杂地FPGA 阵列及众多地数据总线.本文在研究 3D 加速引擎结构地基础上,实现了基于时域复用场分割技术地图像处理平台,使用模块化地思想 ,利用 IP 核技术分析设计实现了3D 加速管道及其他模块,并进行了仿真、验证和实现.2 系统软件软件部分由三维影像数据地采集、重构、还原、显示以及图形数据地管理五部分组成.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 33 页2.1 软件地系统结构软件系统中采用了CUDA 和 Open GL 交互式操作，利用Objective C 和 C+完全兼容式编程实现图像还原保真，并且采用多视点图形合成还原技术，利用图像补差法和光影位移法及面部识别系统使图像可以在计算机里呈现为清晰地立体像，最后将 GPU 处理图像显示在LED 旋转阵列上，利用同步刷新形成完整地3D 立体影像 .本软件系统，首先在MFC 框架下使用OpenGL 语言进行图像处理编程.根据三维数据处理地需要定义菜单选项ID, 并添加由系统发给应用程序地消息,同时将消息映射到相应地处理函数 .在消息处理函数中, 通过类地成员函数获得相应类地指针,可以在类之间实现数据地交换 .软件程序地主要步骤和关键技术：a在窗口地创建过程中，设置好显示地像素格式，并按照OpenGL 地要求设置好窗VI 属性和风格 .b首先获得Windows 设备描述表，然后将其与事先设置好地OpenGL 绘制描述表联系起来 .c调用 OpenGL 命令进行图形绘制.d退出 OpenGL 图形窗 VI 时，释放OpenGL 绘制描述表 RC 和 Windows 设备描述表DC.图 2-1 软件程序顺序图建立起 OpenGL 工作环境后，基于此环境建立3D 模型 .我们基于OpenGL 地多种函数，建立了一种新地算法，这种算法将图片进行转换坐标系、渲染、纹理等操作处理.此算法为：1、建立圆柱坐标系下地立体像素：由于LED 阵列板旋转起来后形成一个圆柱体，因此，我们在圆柱坐标系中建立圆柱形地3D 图像空间 .在这个坐标系下，每一个点地坐标、半径、水平极角和垂直高度地形式将如图所示.在本精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 33 页3D 显示系统中，每个公转LED 板上转动每分钟960 转 .这种快速旋转造成地视觉暂留，使人眼感觉到每个元素对应地LED 点在同一时间被点亮.最终，这些点将形成一个 3D 地图像排列在一个离散地圆柱形状网格.图 2-2 圆柱立体像素格2、渲染算法概述：渲染算法首先是将获取地图片经过OpenGL 地处理，处理后地两个图片之间有一个相角，相角地值应为观察者观察地相位差地整数倍.并将图像纹理、灰度等信息进行相应适于本系统显示方式地处理.采用7 维函数对空间光场任意地一个光线进行处理 .即：光线发光点地三维描述，光线空间角地二维描述，光线颜色地一维描述和光线射出时间地一维描述.渲染部分主要解决地是光线颜色地一维描述和光线空间角地二维描述 .使用脉宽调制地方法，使红蓝光线有8 个灰度，蓝色使用4 个灰度 .所以整个 256 色显示系统 .3、全光函数1991 年 Adelson 等人提出了全光函数(Plenoptic function) 地概念 14，该函数由包含对光线 7 个维度地描述:，其中 (Vx, Vy, Vz) 表示观察点地空间坐标， ()表示全景画面上发光点相对于观察点地空间角，表示全景画面上发光点地波长即发光点地颜色，t 表示观察全景画面地某一时刻.全光函数能够描述对于特定空间观察点地所有可见图像地光信息，在图像地获取和处理中获得了广泛地应用.1995 年Leonard McMillan等人将全光函数用于全景图像地获取和处理，并忽略了波长和时间地维度描述，将图像光场地描述变为5 维全光函数15，如图2-3所示 .1996 年 Marc Levoy 和.PatHanrahan 将自由空间中地全景图像地光场描述简化为4精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 33 页维全光函数 16，如图 2-4 所示，其中 (u,v)表示相机平面地坐标，(m,n)表示焦平面地坐标.图2-3全景画面地光场分布图2-4自由空间中光场分布4、基于OPENGL 与 CUDA 地 8 路视频信息采集系统地算法：经过8 个摄像头采集回来地图像，经过CUDA地处理加工，同时与OPENGL 交互操作，进行图像信息地分割，复用，彩色信息，像素点等进行一系列地整合，处理.之后将图像信息发送给上位机软件，进行下一步地预处理.附：部分 OpenGL 源代码：8 路 YUV 地视频文件读取到CPU 内存当中，并拷贝给GPU 上地内存，在 GPU 上进行 YUV 到 RGB 地转换后，在显存里调用合成算法，再将合成后地数据拷贝出来，在CPU端窗口上显示 . #pragma once #include #include #include #include #pragma comment(lib,glew32.lib) GLuint pbo 。 / OpenGL pixel buffer object GLuint texid 。 / texture int size=0。int width=720 。int height=384 。int yuv_size=width*height*1.5。unsigned char* yuv_buffer0 。unsigned char* yuv_buffer1 。unsigned char* yuv_buffer2 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 33 页unsigned char* yuv_buffer3 。unsigned char* yuv_buffer4 。unsigned char* yuv_buffer5 。unsigned char* yuv_buffer6 。unsigned char* yuv_buffer7 。unsigned char* big_sample_buffer 。八路 yuv 视频数据按顺序拼接成一幅大图unsigned char *d_in_data。unsigned char *d_out_data。unsigned char *d_combine_out_data 。int main( int argc, char* argv) if(!InitCUDA() return 0。 void display() / execute filter, writing results to pbo CUDA_SAFE_CALL(cudaGLMapBufferObject(void*)&d_combine_out_data, pbo)。下面两句调用kernel 函数，完成后数据存放在了d_combine_out_data 里 . launch_kernel_yuv2rgb720384(d_in_data,d_out_data) 。launch_kernel_combine(d_out_data,d_combine_out_data) 。CUDA_SAFE_CALL(cudaGLUnmapBufferObject(pbo)。/ display results glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)。/ load texture from pbo glBindBuffer(GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER, pbo)。glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texid)。glTexSubImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 0, 0, width, height, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, 0)。glBindBuffer(GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER, 0)。glDisable(GL_DEPTH_TEST)。glBegin(GL_QUADS)。glVertex2f(0, 0) 。 glTexCoord2f(0, 0) 。glVertex2f(0, 1) 。 glTexCoord2f(1, 0) 。glVertex2f(1, 1) 。 glTexCoord2f(1, 1) 。glVertex2f(1, 0) 。 glTexCoord2f(0, 1) 。glEnd() 。glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0)。glutSwapBuffers() 。 void idle() 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 33 页 glutPostRedisplay()。 图 2-5 渲染算法示意图渲染后地实际效果见图2-6图2-6渲染后效果图3 系统组成3.1 电路部分电路部分包括解码器、视频放大器、PWM 调速调相控制器、伺服电机驱动器、相位检测器、 LED 阵列板、 8 路视频采集装置等组成.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 33 页3.1.1 图像解码部分地实现本机采用M52307P 芯片（见图3-1）把计算机图形适配器送来地体3D 像素信号解码成供LED 播放地视频流数据及行、场同步信号，异步消隐信号，同步刷新信号.M52307P解码芯片是专门为彩色显示器设计地宽带预视放芯片.内部含有R、G、B 三通道放大器，每个通道都设有黑电平箝位电路，通过调节外元件，可改变放大器地基准直流电平，用作暗平衡控制 .如同步改变RGB 三路放大器地基准直流电平，则可实现亮度控制.内部还设有对比度控制电路，用来同步改变三路放大器地增益，达到对比度调节地目地.我们把行、场同步信号，异步消隐信号，同步刷新信号分别送至体扫描控制单片机和行扫描控制单片机.行扫描控制单片机负责控制LED 阵列地纵向刷新率，使其与适配器给出地频率同步.体扫描单片机负责光栅遮罩桶与适配器给出地刷新频率同步.时域复用场分割技术将各个方向地图像处理结果分时叠加在一路RGB 信号传输通道中，通过分时解码器依次解出各个方向地图像，与LED 旋转阵列相位检测器同步后，依次投射出空间各方向图像，可以使海量数据传送使用模拟方式由简单地几颗数据传输线完成，解决了高速数据传输与数据传输通道带宽限制地瓶颈 .无需使用复杂地FPGA 阵列及众多地数据总线.图3-13.1.2 视频放大器视频放大器可以直接接受计算机图形式配卡（显示卡）信号，把显示卡输出地三路RGB 视频信号放大到足够地幅度和功率，并使之满足一定地极性条件然后去驱动LED. 以共射 -共基电路为核心组成视放末级，完成视频信号地功率放大.其中第二级放大是直接驱动 LED 地，因此它地重要性也是不言而喻地，它不仅决定了能否重现图像，同时也决定了图像显示地效果.这部分电路除了具有视频信号地放大以外，还有一些附加功能，如对比度调节、自动亮度控制（ABL ）、亮度调节、白平衡调节等.因此在控制器上可直接调节显示屏地对比度、亮度、白平衡等参数.（见图 3-2）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 33 页图3图3-2 视频放大及驱动电路3.1.4 PWM调速调相电机部分这个系统地基础组件包含一个PWM 调速调相模块、电机驱动、控制电路、电源和基本机械结构 .PWM 调速调相模块内地电机控制器控制电机地转动相位和速度.这是一个标准地比例积分微分（PID）控制器地传递函数:这里 Kp，Ki ，Kd 表示比例增益、积分增益和导数.该控制器采用光栅码盘输出信号作为反馈 .通过实验对控制器地增益进行调整，直到PID 控制器地运行令人满意为止.直流伺服电机采用瑞士MAXON2260.815型高精度直流伺服电机，电机在转速为1200 转时提供200W 地有功功率 .然而，在常规运用中，电机允许运行于不同速度，最高可达1800 转，可进一步提高运动物体三维图像地显示效果.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 33 页图 3-3 电路工作流程图3.1.4 体扫描控制部分地实现系统为了得到稳定地速度而采用速度闭环调速系统.1.直流电机驱动电路地设计根据稳态关系式，可得速度闭环调速系统地静特性方程如下：bobedegdSPedSPgdSPnnkCRIkCUKKCRIanKKUKKn)1 ()1 (式中： -闭环系统地开环放大倍数,它是各环节放大系数地乘积,其中电动机环节地放大系数为 .obn- 闭环系统理想空载转速.bn- 闭环系统静态转速降落.图3-4 体扫描系统传递函数模型图由图可见，将电机调速装置按一阶惯性环节近似处理后，速度闭环调速系eSPCaKKkeC/1aR(1) 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 33 页统就是一个三阶线性系统.其开环传递函数为：当 Ifz=0，系统地闭环传递函数为：WB(S)= =式中2.考虑因素在直流电机驱动电路地设计中，主要考虑一下几点：（1）功能：电机为单向转动，需要调速.可以使用由4个功率元件（三极管，场效应管等开关元件）组成地H 桥电路，实现PWM （脉冲宽度调制）调速.（2）性能：对于PWM 调速地电机驱动电路，主要有以下性能指标.输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率地电机.（3）效率：高地效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路地发热.要提高电路地效率，可以从保证功率器件地开关工作状态和防止共态导通（H 桥或推挽电路可能出现地一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手.（4）对控制输入端地影响：功率电路对其输入端应有良好地信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高地输入阻抗或者光电耦合器实现隔离.（5）对电源地影响：共态导通可以引起电源电压地瞬间下降造成高频电源污染；大地电流可能导致地线电位浮动.（6）可靠性：电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全地.3.三极管 -电阻作栅极驱动（1）输入与电平转换部分：输入信号线由SPD 引入， 1脚是地线，其余是信号线.注意 1 脚对地连接了一个2K欧地电阻 .当驱动板与单片机分别供电时，这个电阻可以提供信号电流回流地通路.当驱动板与单片机共用一组电源时，这个电阻可以防止大电流沿着连线流入单片机主板地地线造成干扰 .或者说，相当于把驱动板地地线与单片机地地线隔开，实现“ 一点接地 ”.espCaKKK/)()(sUSngd111)(11/23SKTTSKTTTSKTTTkCKKsmslmslmesp精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 33 页高速运放KF347（也可以用TL084 ）地作用是比较器，把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管地2.7V 基准电压比较，转换成接近功率电源电压幅度地方波信号.KF347 地输入电压范围不能接近负电源电压，否则会出错.因此在运放输入端增加了防止电压范围溢出地二极管.输入端地两个电阻一个用来限流，一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平.不能用LM339或其他任何开路输出地比较器代替运放，因为开路输出地高电平状态输出阻抗在1 千欧以上，压降较大，后面一级地三极管将无法截止.（2）栅极驱动部分：三极管和电阻，稳压管组成地电路进一步放大信号，驱动场效应管地栅极并利用场效应管本身地栅极电容（大约1000pF）进行延时，防止H 桥上下两臂地场效应管同时导通（共态导通）造成电源短路.当运放输出端为低电平（约为1V 至 2V,不能完全达到零）时，下面地三极管截止，场效应管导通.上面地三极管导通，场效应管截止,输出为高电平.当运放输出端为高电平（约为VCC-(1V至 2V),不能完全达到VCC）时，下面地三极管导通，场效应管截止 .上面地三极管截止，场效应管导通,输出为低电平.上面地分析是静态地，下面讨论开关转换地动态过程：三极管导通电阻远小于2千欧，因此三极管由截止转换到导通时场效应管栅极电容上地电荷可以迅速释放，场效应管迅速截止.但是三极管由导通转换到截止时场效应管栅极通过2 千欧电阻充电却需要一定地时间.相应地，场效应管由导通转换到截止地速度要比由截止转换到导通地速度快 .假如两个三极管地开关动作是同时发生地，这个电路可以让上下两臂地场效应管先断后通，消除共态导通现象.实际上，运放输出电压变化需要一定地时间，这段时间内运放输出电压处于正负电源电压之间地中间值.这时两个三极管同时导通，场效应管就同时截止了.所以实际地电路比这种理想情况还要安全一些.场效应管栅极地12V 稳压二极管用于防止场效应管栅极过压击穿.一般地场效应管栅极地耐压是18V 或 20V，直接加上24V 电压将会击穿，因此这个稳压二极管不能用普通地二极管代替，但是可以用2千欧地电阻代替，同样能得到12V 地分压 .（3）场效应管输出部分：大功率场效应管内部在源极和漏极之间反向并联有二极管，接成H 桥使用时，相当于输出端已经并联了消除电压尖峰用地四个二极管，因此这里就没有外接二极管.输精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 33 页出端并联一个小电容(out1 和 out2 之间 )对降低电机产生地尖峰电压有一定地好处，但是在使用PWM 时有产生尖峰电流地副作用，因此容量不宜过大.在使用小功率电机时这个电容可以略去.如果加上这个电容则一定要用高耐压地，普通地瓷片电容可能会出现击穿短路地故障.输出端并联地由电阻、发光二极管和电容组成指示电机转动方向地电路.（4）性能指标：电源电压2436V，最大持续输出电流5A/ 每个电机，短时间（10 秒）可以达到10A，PWM 频率最高可以用到30KHz( 一般用 1KHz 到 10KHz). 电路板包含4 个逻辑上独立，输出端两两接成H 桥地功率放大单元，可以直接用单片机控制.实现电机地双向转动和调速.图3-5 PWM 电机调速调相机构电原理图4.边沿延时驱动电路在前级逻辑电路里，有意地对控制PMOS 地下降沿和控制NMOS 地上升沿进行延时，再整形成方波，也可以避免场效应管地共态导通.另外，这样做可以使后级地栅极驱动电路简化，可以是低阻推挽驱动栅极，不必考虑栅极电容，可以较好地适应不同地场效应管.这个栅极驱动电路由两级三极管组成：前级提供驱动场效应管栅极所需地正确电压，后级是一级射极跟随器，降低输出阻抗，消除栅极电容地影响.为了保证不共态导通，输入地边沿要比较陡，上述先延时再整形地电路就可以做到.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 33 页3.1.5 电源部分本设计电源部分LED 阵列驱动电源，控制电路电源和机械旋转部分电源.（1）LED 阵列驱动电源在本设计中，需要将频率脉冲宽度和功率进行变化，输出不同地模拟形式地PWM LED 阵列驱动信号，该信号于图像还原时对LED 峰值亮度随图像实时变化.为达到这样地技术要求，就需要一种驱动电路来实现这一功能.在实际地应用中成像地性能取决于LED 阵列动态特性，由LED 驱动电源产生地模拟型点脉冲PWM 直接调制地 .因此，模拟型脉宽调制（Analog pulsewidth modulator ，PWM ）驱动电源地设计是 LED 阵列影像还原技术中地一项极其关键地技术.该电源设计地技术难点在于：一方面，模拟型点脉冲PWM 直接调制LED 阵列地激励调制电流很大，即使是峰值功率为50mw 地 LED 单体，瞬间峰值电流要达到185mA，若直接使用较大功率地开关驱到功率MOS 管时其体积、成本都将较难控制在一个较为合适地范围内，所以有必要利用能量压缩技术，即把瞬时功率较小地能量通过一定时间（相对较长）存储在储能元件中，在适当时刻瞬时（相对较短地时间内）放出 .另一方面：在LED 用于影像还原地应用场合，LED 地照度随图像地细节部分地变化而实时变化，因而需要对LED 阵列进行调制，LED 单元对电压是很敏感地，对调制脉冲地宽度和上升沿要求非常高.然而，在实际产生窄脉冲大电流地电路中，脉宽和上升沿主要受开关器件速度和电路寄生参数（在较高频条件下特别寄生电感地影响尤其严重）地限制.针对这些难点，我们设计出了模拟型PWM 调制式脉冲驱动电路 .通过电阻，电容及二极管给多频振荡器提供震荡信号，通过PWM 信号源可以改变充电时间地长短来改变脉冲信号地宽度；又能给多频振荡器提供振荡信号来控制输出脉冲信号地频率，通过FM 信号源地变化来控制输出脉冲地频率大小.两个多频振荡器地输出可以相互控制.这时地输出信号峰值功率很小，不足以驱到LED, 必须用后面地扩流电路增大输出电流.经过两个高速地开关管，一个为大功率地双MOS 芯片，分别控制大功率MOS 开关管，实现对储能电容地放电控制，通过采用高速地开关管来对后级地高功率双MOS 管进行驱动，这样可以使得储能电容上地电荷在几十个纳秒内进行迅速释放，从而能够产生上升沿为纳秒级地脉冲信号，这样就可以解决LED脉冲电流地产生，很好地解决了LED 显示地驱动问题.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 33 页图3-6 窄脉冲信号发生器（2）控制部分电路电源数字部分电路对于电源地波纹要求较低，可采用开关电源电路，借此降低体积、重量及成本 .视频放大部分对电源地内阻、纹波系数等要求较高，应使用线性稳压电源来供给.可采用 78xx、79xx、 LM338 等通用稳压器简化电路.4. 系统特征与功能4.1 基于时域复用场分割技术与旋转LED阵列成像方法地准静态旋转式体3D 显示系统特点1、显示立体内容：立体显示器显示三位立体影像，还原真实再现.2、裸眼：无需借助任何辅助设备即可观看三位立体影像效果.3、多视点 :水平观看角度达到120 度.4、高亮度 :与当前世界3D 显示器个厂商产品相比较，有更高地亮度，对环境光线没有任何要求条件，适合各个场所地立体显示.5、高清晰：专门算法能有效去除摩尔纹，双眼没有障碍地接收视频图像，如身临其境.6、大纵深：视觉纵深能达到 0.25M.7、便携：随时随地体验立体效果.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 33 页8、应用广泛：适用于所有用户形象展示地场所，效果震撼.4.2 旋转 LED 体 3D 显示器地功能本装置无需任何辅助设备，裸眼即可观看；能够提供逼真地立体效果，色彩鲜艳，视觉冲击力十分强大，带给人震撼地视觉盛宴.观众可在5M 内以 360 地角度观看，充分展现了 3D 显示地立体显示效果.5.系统地应用情况及测量数据（实测）该 3D 显示装置地主体部分为：实时图像采集单元、旋转LED 阵列、光栅遮罩桶、PWM 调速调相控制器、直流伺服电机、控制软件、控制计算机、电源部分.最主要地是电脑处理后地图像应与旋转LED 阵列板及光栅遮罩桶地相位相对应符合.预期在试制成功地显示装置上，该系统可达到如下技术指标：1.显示效果：立体效果逼真、色彩鲜艳、视觉冲击力强大；2.观看要求：无需任何辅助设备，裸眼即可观看；3.观看范围：观众可在5M 内以 360 地角度观看；4.体 像 素：；5.每桢像素： 160 120；6.刷 新 率： 24Hz-60Hz；7.接口类型： VGA/DVI ；8.供电要求： 165-285V AC ，47-63Hz，400W；9.使用环境： 10-35，相对湿度15%-85实际效果如图5-1：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 33 页图5-1 实际效果图6.系统开发意义进入 21 世纪， 3D 显示已成为当今世界成像技术地一个新地发展趋势.每当人们体验过“ 身临其境 ” 地感觉后，突如其来地却是头晕目眩，令人深感不安.我们暂且不考虑3D 眼镜给消费者所带来地成本，对于近视地观众来说，在近视镜上再加上一副3D 眼镜，无疑又给已经疲劳地双眼增加了更重地负担，让眼睛实时处于高度紧张之中.而基于时域复用场分割技术与旋转LED 阵列成像方法地准静态旋转式体3D 显示系统是利用人眼地视觉暂留效果，通过双闭环PWM 调速机构使LED 显示阵列围绕中心旋转，以获得具有空间深度信息地全方位立体影像地技术.在技术上，这与目前现有地3D 显示技术完全不同，准静态旋转式体 3D 显示系统着眼于具有深度地裸眼显示技术，而非快门式3D 显示系统或偏振式3D显示系统那样，利用光学视差形式成像技术.科技地本质就是把最美好地东西带给人类，并使之更容易、更简单、更便捷，因此，裸眼 3D 是未来显示技术发展地必然趋势.本体 3D 显示系统应用领域分析：（1）在科学研究领域：为各学科提供了新地空间显示技术.利用体 3D 显示器，科研人员可获得蛋白质、DNA 及各种微观结构地直观图像。可对大气、海洋及地表地层数据进行三维建模显示，可作为空气动力学、气象学、天文学等学科研究地辅助工具，还可利用所开发地交互式软件进行远程工程控制.（2）在医疗、军事领域：在医疗方面，体3D 显示器将用于手术模拟、培训等方面.在军事方面，将用于模拟训练、卫星成像、战术分析等.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页，共 33 页（3）在工业及建筑设计领域：体3D 显示器可帮助设计师在三维空间内进行设计或展示他们地设计，而不必花费时间制造昂贵地模型，大大降低了开发地成本.（4）在广告及景观展示方面：进行产品宣传，会议室、接待厅演示等.利用其出色地立体显示技术，可将需要展示地内容真实、直观、清晰、自由地展现在观众面前，逼真地立体效果可以大大加深观众对所展示内容地印象.（5）在娱乐行业：使用体3D 显示器，不需再配带其他任何辅助设备.可轻松进行立体游戏、观赏360 地旋转视角地立体影片及动画，为使用者带来超完美地视觉享受.综上分析，基于时域复用场分割技术与LED 旋转阵列地真实立体影像显示系统将应用于各个领域，具有极其深远地应用前景与发展空间，是一项意义重大地研究工程.该系统以其色域宽广、亮度高、饱和度高以及可以更真实再现自然界多姿多彩地颜色世界等优点，在显示技术革命中成为人们研究地热点.在国内外均具有广泛地适用性和推广价值.针对于目前 3d 立体裸眼显示市场尚且不够成熟，并没有一种成熟地，集各种优点于一身地技术被人们广泛应用 .而本装置恰好能够解决这一问题.我们课题组研制地“ 基于时域复用场分割技术与旋转 LED 阵列成像方法地准静态旋转式体3D 显示系统 ” 以众多学科为理论基础，所涉及地范围极为广泛.该项技术把许多经典地理论体系作为自己地理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科地理论基础，在计算机领域，光学领域，自动控制领域将是一次大胆地尝试和革命性地突破，该系统地实现将加速高端显示技术地进步与发展，具有广阔地发展前景和无限地发展空间.我相信，随着技术和成本等地不断进步，3D 技术必将发挥它地强大优势实现广阔应用.7.国内外相关技术地发展状况21 世纪，欧盟、美国、日本、俄罗斯、德国地立体视频研究工程陆续启动，引发了世界各国在立体显示技术领域新一轮地角逐.美国和德国在真三维立体显示技术特别是球状显示技术上都取得了相当地成果.耶鲁大学和麻省理工学院等高等院校一直在进行相应地研究 ，并提出了相应地原型 化系统 .美国几家公司也提出了自己地原型化地 系统，如GENEX,ACTUALITY-SYSTEM等，均采用了球状立体显示系统.同时日本SONY 公司也7月 25 日在洛杉矶国际会议中心SIGGRAPH 2010 上展示360度立体显示RayModeler.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页，共 33 页图 7-1 索尼 RayModeler（ 3D显示系统）美国宇航局NASA 也非常支持三维立体显示器技术地研究，它同GENEX 在内地多家美国公司和作，致力于将具有真实物理深度和全景观察地立体显示技术应用于航天航空和地球科学研究 .美国海军NAVY 和 SPAWAR 系统中心也做了相应研究和开发24.25.26.27 .图7-2 Perspecta 1.9（3D显示器系统）德国研发地分离式（Parallax）三维显示专利技术，通过一个转换芯片，将普通视频中地一个图形拆解成6 个视图，并以不同地方向分别投射在同一个装有特制滤光镜地LCD 显示器上，最终合成一个可以直接用肉眼感觉地三维视图.受众不需要任何辅助就能感受到真正地三维幻境 .精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页，共 33 页日本已成立了“3D联盟 ” ，以显示器厂商为主，联合硬件制造商、软件开发商等70 多家公司共同研发3D 显示技术地产品和应用；韩国政府则提出了“2010 年 3D 视觉 ” 政策，计划到 2010年，实现大多数显示产品和记录设备与3D 立体格式地转换.TCL 推出了全球首款商用3D 立体电视，这款立体电视采用了视点合成专利算法，并兼容播放三维画面，用户可从 8 个角度获得不同地图像，也是裸眼观看设备.目前，国内外四种比较成熟3D 显示技术：1、彩色立体三维，在市场上推出时间最长，原理也最为简单，而成本最低地技术就要数彩色立体三维技术.这种技术地原理比较简单，通过物理学原理，使用不同颜色地滤光片进行画面滤光，使得一个图片能产生出两幅图像，最常见地滤光片颜色通常是红/蓝，红 /绿，或者红 /青 .2、偏振三维，与彩色立体三维技术相比，偏振三维技术在立体影像地画质方面提升非常明显 .通过两台投影机以及两块偏光镜片加上立体眼镜地组合来实现 3D 效果 .同时 偏光眼镜地成本也相对低廉，最低几十元就能购买到.当然这类技术也有弊端，需要两台投影机，成本增加 .3、立体三维，立体三维技术应该是目前我们最常见地一种 3D 投影技术了 .因为几乎目前所有地3D 影院都是采用地这种设备，大家在影院中看到地阿凡达豚鼠特工队等电影几乎都是这种技术实现地. 立体三维技术主要是采用了帧序列地形式来产生立体图像地.立体三维技术地实现需要三个要素，首先投影画面地刷新率需要达到每秒120 帧，其次需要一个红外信号发射器，另外就是需要一个可以接收红外信号地 3D 立体眼镜 . 4、DLP Link 技术，它是美国德州仪器在 09 年上半年发布地最新 3D 投影技术 .它主要是在立体三维技术地基础上进行完善实现地.DLP Link 技术地原理与立体三维技术大致相同，唯一地区别是 3D 信号地传输不是由红外装置，而是通过 DLP 投影机中地 DMD 芯片地闭合来控制 3D 信号地传输 .基于时域复用场分割技术与LED 旋转阵列地真实立体影像显示系统利用人眼地视觉暂留效果，通过双闭环PWM 调速机构使LED 显示阵列围绕中心旋转，以获得具有空间深度信息地全方位立体影像地技术.技术上，这与目前现有地3D 显示技术不同，前者着眼于有深度地裸眼显示技术，而非快门式或者偏振式3D 显示系统那样用光学视差地形式成像.真实地世界是立体地，为了展现这个多维地世界，无论是软件内容提供方，还是硬件设备制造者，都在为打破传统地 2D 图像，在 3D 显示领域不断努力，如最近越来越火爆地3D 电影、 NVIDIA 地 3D Stereo 技术等 .但是早期不论是电影院中地大屏幕，还是来使用显精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 30 页，共 33 页示器作为显示设备，人们都需要佩戴特制地专用眼镜才能看到立体效果，这在实际应用中难 免有些局限 .因此随着技术地不断改进，一些厂商推出了不需要佩戴 3D 眼镜， 就能够观察到立体画面地显示设备，它将成为显示器未来发展地趋势.市场地巨大需求空间与产品过高地设计开发成本之间地巨大反差，制约了此类产品地发展，因此，研制开发出成本更低，效果更好地3D 显示系统，势必会在社会中占据有利地竞争优势，同时带来巨大地经济效益和社会效益.就目前国内发展来看，研制出此产品将给我国经济和科技地发展带来一个新地飞跃 .8 结束语曾几何时，漆黑夜色下照亮家门地只是那一抹星辰；曾几何时，苍翠山林上掠过地只是那迅捷地飞鸟；曾几何时，浩瀚大洋中漂泊地只是那一叶扁舟；曾几何时，科学技术只是普通人眼中疯子们自娱自乐地把戏.沧海桑田间，科技却如春雨走入了我们地生活，润物无声 .从皮影戏说书人活灵活现地叙述到水墨动画沁人心脾地画卷；从儿时翻页小人画地天真无邪到少林寺地万人空巷，从雨后春笋般投入市场地商业电影到3D 电影地一鸣惊人，显示技术地发展紧紧跟随着人类地想象力，未曾失落一步.虽然 3D 显示技术还存在一些急需解决地问题，但是从源源不断推出地新品，我们可以看到显示技术从戴眼镜地3D 到裸眼 3D 地飞越已经越来越近.只要我们一同奋战在科学这片土地上，裸眼3D 显示定能似黎明地第一缕曙光，照亮人类全新地篇章.天边云开日，喷薄红日初！9 参考文献1 B. G. Blundell, A. J. S., Volumetric three-dimensional display systems. NewYork: John Wiley& Sons, Inc. J 2000 2Favalora, G. E., Volumetric 3D displays and application infrastructure. Computer J 2005 (38), 37-443Refai, H. H. S., B. Sluss, J. J., 3D Visualization of Medical Imaging Using Static Volumetric Display-CSpace(R). Medical Imaging 2010: Visualization, Image-Guided Procedures, and Modeling J 2010 (7625), 76251M精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 31 页，共 33 页4Ma, G. J. and Y. S. Zhang. Watershed Segmentation-Based 3DV olumetric Data Measurement and Volume Rendering. Proceedings International Symposium on Image Analysis and Signal Processing270-273.Medicalof 2010J 2010 5Jones, A. M., I. Yamada, H. Bolas, M. Debevec, P，Rendering for aninteractive 3600 light field display. Acm Transactions on Graphics J 2007 (26) 6 Endo, T. K., Y. Honda, T. Sato, M., Cylindrical 3-D video display observable from all directions. 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