旋转LED阵列体显示系统的仿真平台构建_图文

1、第 39卷第 10期 浙 江 大 学 学 报 (工学版 Journal of Zhejiang University (Engineering Science Vol. 39No. 10收稿日期 :2004205221.浙江大学学报 (工学版 网址 :www. journals. zju. edu. cn/eng作者简介 :张晓洁 (1979- , 女 , 浙江余姚人 , 博士生 , 从事三维显示的研究 . E 2mail :zhangxj79hotmail. com旋转 L ED 阵列体显示系统的仿真平台构建张晓洁 , 刘 旭 , 刘向东 , 孟 晓(浙江大学 现代光学仪器国家重点实验室 ,

2、 浙江 杭州 310027摘 要 :利用开放式图形库 Open G L , 模拟和图像预显示的软件仿真平台 . 该平台从 3DS , 使用剪切算法转化为 显示点集源数据 , 再经坐标变换得到 L L 中的一系列应用程序接口 (application pro 2gramming interface ,A PI , 同时将所得的控制信号生成二进制文件 ,用以驱动显示 . 、 分割扇区等硬件参数 , .关键词 :; ; 体像素 ; 仿真中图分类号 :TN873 文献标识码 :A 文章编号 :10082973X (2005 1021541204Establishment of simulation p

3、latform for volumetric display system based on rotating LED arrayZHAN G Xiao 2jie ,L IU Xu ,L IU Xiang 2dong ,M EN G Xiao(S tate Key L aboratory of Modern O ptical I nst rumentation , Zhej iang Universit y , H angz hou 310027, China Abstract :A software simulation platform utilizing open Grap hics L

4、ibrary was established , which can p ro 2vide t hree 2dimensional data simulation and p re 2display for volume display system based on a rotating light 2emitting diode (L ED array panel. The information on t hree 2dimensional object obtained f rom 3DS file was t ransformed into point 2set for displa

5、y using shear algorit hm and t urned into cont rol signal of L ED panel by coordinate co nversion. U sing t he application programming interface (A PI f unctions of Open G L , t he plat 2form displays all point 2set for simulation. The binary files including cont rol signal were generated to drive L

6、 ED panel t hrough t he platform. Simulation result s under different parameters could specify some hard 2ware parameters of t he act ual system wit h t he optimal display effect , such as pixel dimension and sector numbers. The display images also could be p re 2evaluated by t he platform. K ey w o

7、rds :3D reconstruction ; 3D model ; volumet ric pixel ; simulation 20世纪 80年代以来 , 三维重建一直是计算机 图形学的研究热点之一 . 目前绝大多数的三维重建 都基于计算机图形图像学 , 通过透视 、 阴影和明暗效 应等心理深度暗示 1, 利用光线追迹和多边形生成 技术来实现三维物体的表面重建 . 这类三维重建图 像不具有双目视差 、 调节 、 会聚等常规视差信息 , 最 重要的是缺乏运动视差 ; 因此 , 严格地说不是真正的三维重建 , 第三维的深度信息不能得到清晰表达和 直观判断 .近期出现了一种在真实的三维空间中显

8、示出立 体图像 、 可以从宽广的角度来观察的空间体显示技 术 (volumet ric display . 这类技术以高于人眼所能 分辨的频率 , 使用随时间定期变化的二维图像周期 性地扫出一个立体空间 , 由于视觉暂留而形成一幅 空间立体图像 24. 基于此技术设计的一种旋转 L ED 阵列的体三维显示系统 5具有双目视差 、 运动视差等一系列的生理深度暗示 , 因而具有较大的应 用价值 .在作者的前期工作中 , 设计并建立了一个基于 旋转 L ED 阵列的体三维显示系统 , 该显示系统以 3DS 文件中三维物体的空间位置信息为数据源 , 通过坐标转换进行空间编码分解 , 完成从三维源图像

9、到二维截面序列的分解映射 , 从而得到 L ED 阵列的 控制信号 . 随着系统体分辨率的提高 , 显示所需的数 据量成倍增长 , 数据处理的难度也相应增加 . 必要为旋转 L ED 件仿真平台 , 实现 , , 比较显示的优缺 点 , 拟 . 本文将介绍从 3DS 文件中获取基于旋转 L ED 阵列三维体显示系统的三维物体信息的方法 , 讨论 如何把所得信息转换为控制信号的算法 , 实现在 PC 机上重建三维物体的显示 .1 仿真平台的构建1. 1 系统原理及结构基于 L ED 面阵列的体三维显示系统选用 L ED 作为体像素元 , 其基本原理为 :应用 L ED 阵列构成 发光面图像源 ,

10、L ED 面阵列在电机的驱动下 , 围绕 转轴高速旋转 , 扫描出一个三维的实体圆柱空间 , 用 高速单片机分时控制 L ED 面阵列像素的亮暗 , 根据 人眼的视觉暂留原理 , 观察者可以看到 L ED 面阵列 旋转所得的柱体空间内的真实三维图像 .图 1 二维显示屏旋转形成三维实空间Fig. 1 3D display volume swept by 2D display panel根据上述三维图像产生的原理 , 系统显示的三 维图像空间是一柱状空间 , 空间的体像素可以通过 在此柱状空间内旋转分割来实现 , 如图 1所示 . 设将 柱状空间分为 L 个部分 , 则每转具有 L 扇区 , 每

11、一 扇区是一幅特定的二维图像出现在 L ED 面阵列上 所贯穿的角度 , 其中所有像素都由单片机控制 , 能被 选择性激励以显示所需图像 . L ED 面阵列上的图像每转被扫描刷新 L 次 , 且每一扇区中应用于阵列的信号都各不相同 , 而三维图像则是包含所有 L 幅不 同二维图像的复合图 . 观察者的视觉滞留使得所有 扇区看起来似乎是连续存在的 , 也就感知为三维的 图像 . 因此 , 显示系统的三维重建过程与常见的三维 重建过程有所不同 , 系统中三维模型的笛卡儿空间几 息 , . 1. 模 型 文 件 格 式 中 . 主 要 有 . . flt 、 . dxf 、 . obj 、 . d

12、wg 、 . dem 等 . 本文选3DS 文件来作为数据获取的原始 文件 . 3DS 文件由许多被称为 chunk 的数据块组 成 , 块的信息类别用 ID 来标识 6, 块的前两项信息 分别是 :块的 ID 和块的长度 . 3DS 文件采用层级结 构 , 其中有一个基本块 MA IN3DS (0x4D4D , 它包 含了两个主块 :编辑块 EDIT3DS (0x3D3D 和关键 帧块 KE YF3DS (0xB000 . 前者定义模型的形体数 据信息 , 后者定义关键帧信息 . 系统主要显示静态模 型 , 所以对 EDIT3DS 块的读取尤为重要 .最常用的保存三维模型的方法是用多边形逼近

13、 的方法 , 即用许多小多边形拼出模型的外观 4, 文件 中保存这些多边形的信息 , 用顶点坐标集和相应属 性参数可以给定一个多边形表面 , 一旦每个多边形 的信息输入后 , 它们被存放在多边形数据表中以便 用于以后对场景中的物体的处理 、 显示和管理 . 多边 形数据表可分为两组 :几何表和属性表 . 几何表包括 顶点坐标和用来标识多边形表面空间方向的参数 ; 属性表包括指明物体透明度及表面反射度的参数和 纹理特征 .3DS 文件是用三角形来逼近模型外观的 , 有两个子块用来定义模型的几何信息 , 这两个分别是TRI V ER TEXL 和 TRI FACEL1. 在 TRI V ER 2T

14、EXL 块中 , 各个顶点的三位坐标以 X 、 Y 、 Z 坐标 形式给出 ; TRI FACEL1主要包含了三角形总数 、 各个顶点序号以及面矢量信息 . 1. 3 显示点集数据的获取如前所述 , 体三维显示系统将三维模型绕转轴 切分成 L 个二维图形 , 在 L ED 面板上按时序显示 . 这 L 个二维图形就是三维模型分别与 L 个切分面 的交集 . 由于在 3DS 文件中 , 三维模型是由不定个 曲面构成 , 每一个曲面又是由不定个三角形构成 , L ED 面板显示的数据就是多个三角形与 L ED 面板 的交集 , 即三角面与剪切面的交集 , 可产生 4种结 果 :面在剪切面上 、 相

15、交于一条线 、 相交于一个顶点2451浙 江 大 学 学 报 (工学版 第 39卷 和空集 . 所有的交点构成了显示所需点集 . 这些点均 在卡迪尔坐标系中给出 , 由于系统原理决定了显示 空间为一柱体 , 将其卡迪尔坐标转化为柱坐标便可 方便地确定 L ED 面板的控制信号 . 下面以卡迪尔坐 标系中的一条直线为例 , 说明如何将三维信息转换 为转轴切分的二维图形集进行扫描 .设三维显示系统的 L ED 面板的尺寸为 H R (单位 :mm , 其 中 H 为 L ED 面 板 的 高 度 , R 为 L ED 面板从转动中心至边缘的半径 , 面板像素间距 为 d , 像素距中心轴距离为 r

16、 (r R , 像素高度为 h (h H , 卡迪尔空间的直线方程为d =e=f. , :e (r co s -a =d (r sin -b ,f (r co s -a =e (h -c .式中 :=2N/L (N =0, 1, 2, 3, , L , 由此可确 定点的 (r , , h 值 , 也即对应硬件像素点的控制信号 为 0xFF , 其余为 0x00. 将所有控制信号按时序写入 二进制文件 , 再通过烧写器下载到 L ED 驱动面板的 Flashrom 中 .1. 4 使用 Open G L 在 PC 机上仿真该系统Open G L 是一个硬件发生器的软件接口 , 其主 要目的是将二

17、维 、 三维物体绘制到一个帧缓存里 , 它 包括几百个图形函数 , 可以用来建立三维模型和进 行三维实时交互 . Open G L 提供了基本的点 、 线 、 多 边形的绘制函数 , 同时也提供了很多环境和场景的 设置函数 . 仿真平台的构建只是简单模拟三维物体 的几何信息 , 并不涉及到 Open G L 的高级应用 . 仿真软件首先调用 Choo sePixel Format (hDC , &pixelDesc 设置像素存储格式 , 该函数的功能是使 一个设备描述表支持的合适像素格式与一个给定的 像素格式定义相匹配 ; 然后调用 wglCreateContext (hDC 建立 hDC 所

18、关联的 Open G L 绘图上下文 (RC , 使之适于在 hDC 给出的设备上画图 , 并具有 与之相同的像素格式 , 调用 wglMakeCurrent (hDC , hglrc 将一个指定的绘图描述表变为正在调用线 程 , 再次对灯光 、 材质等环境相关参数进行初始化 ; 最后采用点绘制函数将使用切面算法后所得的点绘 制到计算机屏幕上 . 图 2为仿真平台界面 , 界面右上 的弹出式对话框用来输入 L ED 面板参数 , 从而得到 不同的仿真结果 .图 2 仿真平台界面Fig. 2 Interface of simulation platform2 仿真结果及讨论2. 1 仿真显示与实

19、际显示的对比被仿真的旋转 L ED 阵列体显示系统采用像素 为 12832的 L ED 面板 , 转速为 10r/s , 每转按照 人眼时间分辨频率要求以及 L ED 面板扫描寻址时 间分割为 200个扇区 . 同时软件也按照上述参数对 三维模型进行切割并仿真显示 . 图 3为一架飞机的 仿真显示结果与系统实际显示结果的比较 .图 3 仿真结果和实际显示结果的比较Fig. 3 Display results of simulation platform and actual system 从图 3(a 、 (b 可以看出 , 软件仿真得到的图形与 系统显示的图形相似度较高 . 由于旋转 L E

20、D 阵列体 显示系统的体像素呈辐射态分布 , 系统中心靠近转轴 3451 第 10期 张晓洁 , 等 :旋转 L ED 阵列体显示系统的仿真平台构建 区域像素密集且间距较小 , 而远离转轴区域像素较少且间距较大 , 这就导致飞机机翼和尾翼处细节不明 显 , 呈现辐射条状显示 ; 软件仿真也得到了同样结果 . 2. 2 对不同 L ED 面板参数的仿真仿真软件可以模拟显示不同 L ED 面板参数下 的系统显示结果 , 其关键在于可以选择最佳系统参 数来进行设计 . 图 4(a (c 分别显示了不同 L ED 面板参数下蝴蝶的仿真结果 . 可以看出 , 增加面板像 素数和切割扇区数可以更充分地表现

21、细节 , 达到更 好的显示效果 ; 但是一味增加面板像素数和切割扇 . 图 4(b 、 (c 可以看出 , 面像素 、 200加到 480480 图 4 不同面板参数 (面像素和扇区数 下的仿真结果Fig. 4 Results of simulation under different parameters3 结 语利用 Open G L 构建了专门为 L ED 三维体显示系统服务的软件仿真平台 , 通过对 3DS 文件的读 取 、 平面剪切和坐标变换实现了在 PC 机上的三维 仿真显示 . 、 像素个数 、 分割 . , 通过平台仿真可对图像质 , 对系统的软件设计也具有指导意义 .参考文献 (R eferences :1WIC KENS C D. Three 2dimentional stereoscopic displayimplementation , guidelines derived f rom human visual capabilities A .SPIE Stereoscopic Displays and Appli 2cations C.Santa Clara :SPIE ,