現(xiàn)實(shí)的世界是一個(gè)擁有寬度、高度和深度的三維立體世界。在平面二維顯示技術(shù)已經(jīng)成熟的今天，三維立體顯示技術(shù)首當(dāng)其沖的成為了當(dāng)今顯示技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本作品搭建了基于stm32f4的三維旋轉(zhuǎn)顯示平臺(tái)，它的顯示原理屬于三維顯示中的體三維顯示一類。它是通過適當(dāng)方式來激勵(lì)位于透明顯示體內(nèi)的物質(zhì)，利用可見輻射光的產(chǎn)生三維體像素。當(dāng)體積內(nèi)許多方位的物質(zhì)都被激勵(lì)后，便能形成由許多分散的體像素在三維空間內(nèi)構(gòu)成三維圖像。體三維顯示又稱為真三維顯示，因?yàn)樗尸F(xiàn)的圖像在真實(shí)的三維空間中，展示一個(gè)最接近真實(shí)物體的立體畫面，可同時(shí)允許多人，多角度裸眼觀看場(chǎng)景，無序任何輔助眼鏡。本作品的特點(diǎn)在于，利用stm32f4的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)了低成本的體三維顯示數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，并利用類似分布式處理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，滿足了體三維顯示所需要的巨大數(shù)據(jù)吞吐量，等效吞吐量可達(dá)約300Mb/s1.系統(tǒng)方案眾所周知人眼在接收被觀察物體的信息時(shí)，攜帶物體信息的光信號(hào)通過人眼細(xì)胞及神經(jīng)傳入大腦神經(jīng)，光的作用時(shí)間只是一個(gè)很短暫的時(shí)間段，當(dāng)光的作用時(shí)間結(jié)束后，視覺影像并不會(huì)立即消失，這種殘留的視覺稱“后像”，視覺的這一現(xiàn)象則被稱為“視覺暫留”( duration of vision)物體在快速運(yùn)動(dòng)時(shí), 當(dāng)人眼所看到的影像消失后，人眼仍能繼續(xù)保留其影像0.1---0.4秒左右的圖像。在空間立體物體離散化的基礎(chǔ)上，再利用人眼視覺暫留效應(yīng)，基于LED陣列的“三維體掃描”立體顯示系統(tǒng)便實(shí)現(xiàn)了立體顯示效果。如圖1所示，以顯示一個(gè)空心的邊長(zhǎng)為單位1的正方體為例。LED顯示陣列組成的二維顯示屏即為正方體每個(gè)離散平面的顯示載體，LED顯示屏上的被點(diǎn)亮的LED即為正方體的平面離散像素。我們將該LED顯示平面置于軸對(duì)稱的角度機(jī)械掃描架構(gòu)內(nèi)，在嚴(yán)格機(jī)電同步的立體柱空間內(nèi)進(jìn)行各離散像素的尋址、賦值和激勵(lì)，由于機(jī)械掃描速度足夠快，便在人眼視覺上形成一個(gè)完整的正方體圖像。圖1(a)所示為立方體0度平面二維切片圖，圖1(b)所示為立方體45度平面二維切片圖，圖1(c)所示為立方體135度平面二維切片圖，圖1(d)所示為立方體180度平面二維切片圖，圖1(e)所示為觀看者觀察到的完整立方體顯示效果。圖1系統(tǒng)方案如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由四個(gè)模塊組成，其中數(shù)據(jù)獲取單元主要由在PC上的上位機(jī)完成，利用3D-Max，OpenCV，OpenGL，將三維建模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成三維矢量表述文件，傳給由STM32F4 Discovery開發(fā)板構(gòu)成的控制單元，利用其上的角度傳感器，結(jié)合wifi模塊或以太網(wǎng)模塊通過電力線模式傳給LED旋轉(zhuǎn)屏單元，其中的STM32F4負(fù)責(zé)將ASE文件解析成LED顯示陣列所需的點(diǎn)云數(shù)據(jù)流，通過串行總線傳輸給由FPGA驅(qū)動(dòng)的LED顯示陣列，通過LED刷新速率與機(jī)械單元旋轉(zhuǎn)速率相匹配，從而實(shí)現(xiàn)體三維顯示的效果。圖22.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的機(jī)械部分如圖3所示，顯示面板的硬件結(jié)構(gòu)如圖4，圖5所示。本系統(tǒng)的底部是直流電機(jī)和碳刷，直流電機(jī)主要負(fù)責(zé)帶動(dòng)上層的顯示屏幕高速旋轉(zhuǎn)，而碳刷則負(fù)責(zé)傳遞能量和通信信號(hào)。在顯示屏幕的正面是由96*128構(gòu)成的三色LED點(diǎn)陣，F(xiàn)PGA的PWM信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)芯片控制三色LED從而實(shí)現(xiàn)真彩顯示。在屏幕背面由多塊STM32F4，SD卡，F(xiàn)IFO構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)解析由控制單元傳過來的ASE文件，并實(shí)時(shí)生成體三維顯示數(shù)據(jù)，并傳給LED燈板的驅(qū)動(dòng)FPGA，并通過其實(shí)現(xiàn)最終的圖像顯示。3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1軟件控制流程：3.2關(guān)于實(shí)時(shí)生成體三維顯示數(shù)據(jù)的討論：一個(gè)瓦片64*32LED層FPGA*8：每個(gè)16*16LED中間層stm32*2：每個(gè)4LED層的FPGA，也即32*32由于經(jīng)過壓縮，一個(gè)led數(shù)據(jù)為4bits所以一個(gè)stm32每一幀所要生成的數(shù)據(jù)為32*32*0.5bytes = 512bytes轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)，一幀1/800s = 1.25ms = 1250000nsstm32f4主頻168Mhz，指令周期 = 5.93ns約可執(zhí)行20萬多條指令假設(shè)fsmc總線的速度為50Mhz，則每幀寫入的時(shí)間大概在0.02ms內(nèi)程序總體思路事先算出所有電子幀上非零的點(diǎn)，以及連續(xù)0的個(gè)數(shù)，在每一個(gè)電子幀同步后，算出生成下一幀的數(shù)據(jù)，寫入fifo輸入：線段端點(diǎn)的集合//input: endpoints of segments which formed the outline of a 3D model//x position with range 0-95//y position with range 0-95//z position with range 0-128/******************************************///from later discussion, one of the Q format//type should replace the char type/******************************************/struct Coordinate_3D{_iq xPosition;_iq yPosition;_iq zPosition;};//after you get the intersection points in 3d coordinate, you need to remap it into 2d coordinate on the very electrical plane,//and the conversion is quite simple Coordinate_2D.yPosition = Coordinate_3D.zPosition; Coordinate_2D.xPosition = sqrt(xPosition^2+yPosition^2)struct Coordinate_2D{char xPosition;char yPosition;};struct Line{struct Coordinate_3D beginPoint;struct Coordinate_3D endPoint;unsigned char color;};//frame structure to store the visible points in one electrical frame//need to be discussed//here's the prototype of the Frame structure, and basically the frame struture should contain the visible points,//and the zero points. As we have enclosed the number of zero points after each visible points in their own data structure,//only the number of zero points at the beginning of the whole frame should be enclosed in the frame struturestruct Frame{int zerosBefore;PointQueue_t visiblePointQueue;};//we need a union structure like color plane with bit fields to store the color imformation of every four FPGAs in one data segment//actually, it's a kind of frustrateing thing that we had to rebind the data into such an odd form.union ColorPalette{struct{unsigned char color1 : 4;unsigned char color2 : 4;unsigned char color3 : 4;unsigned char color3 : 4;}distributedColor;unsigned short unionColor;};//and now we need a complete point structure to sotre all the imformation above//here we add a weight field = yPosition*96 + xPosition, which will facilitate//our sort and calculation of the zero points number between each visible point//it's important to understand that, 4 corresponding points on the LED panel//will share one visiblepoint data structure.(一塊stm32負(fù)責(zé)4塊16*16的LED，每塊對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的4位顏色信息，拼成16位的數(shù)據(jù)段)struct VisiblePoint{struct Coordinate_2D coord;union Colorplane ColorPalette;int weight;int zerosAfter;};//as now you can see, we need some thing to store the visible points arraytypedef struct QueueNode{struct VisiblePoint pointData;struct QueueNode * nextNode;}QueueNode_t, *QueueNode_ptr;typedef struct{QueueNode_ptr front;QueueNode_ptr rear;}PointQueue_t;//finally, we will have 16*16 words(16 bits)to write into the fifo after each electrial frame sync cmd.