CN101490735B - 显示设备 - Google Patents

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Abstract

显示设备由多个模块(2)形成,每个模块包括由漫辐射的中空体形成的大量的显示元件(21)。关于亮度和颜色可以单独地控制其光源。通过这种方式,可能构建用于礼堂和体育馆的大型显示设备。

Description

显示设备
相关申请的引用
本申请要求2006年5月18日提交的瑞士专利申请No.0813/06的优先权,并且该申请的全部公开内容通过引用包含在本申请中。
技术领域
本发明涉及用于呈现静止或移动的图片和/或图案的显示设备,包括以栅格的点的方式或类栅格的方式布置的多个单独的显示元件,彼此之间具有间隔,该显示设备还包括控制设备,通过所述控制设备激活所述显示元件以单独的或成组的点亮所述显示元件。本发明还涉及用于操作这种显示设备的方法。
背景技术
已知各种形式的显示设备,通过这些显示设备可以呈现静止或移动的图片,以便它们可以被观察者所见。特别的,已知由1000个白的发光二极管制成的三维立体显示器,所述发光二极管以由导线制成的分离的10×10×10矩阵的格子点的形式布置。此外,为了美观的目的,已知具有有色的发光二极管的三维立体布置为3×3×3或4×4×4或8×8×8。
发明内容
本发明是基于对上面提及的类型的显示设备的改进的目的。
上述目的是通过以下方案实现的:一方面该显示设备由非透明的、透光的中空体形成,而另一方面在中空体内包含具有透明罩壳的光源,其根据控制设计用于以多个颜色点亮并且具有可选的亮度,并且控制设备设计用于通过光源进行图像和/或图案的呈现。优选地,每个中空体包含两个或多个这种光源。
已经发现,通过非透明但透光的中空体适合于提供显示设备,通过该显示设备给观察者以更好的方式呈现静止和移动的图片和图案(后文中也称为图片序列),所述中空体在其中空空间中包括至少一个,然而优选为两个或三个光源,所述光源可以被驱动用于显示多个颜色,并且所述中空体具有它们自己的带有其相应的罩壳的光源,并且其形成显示元件,优选地在所有方向上漫射且有颜色地辐射,并且优选地布置成三维栅格。特别地,中空体提供根据完整显示设备的尺寸和单独中空体之间的间隔来建立发亮显示元件的尺寸的可能性,通过其只可能呈现出具有远观察距离的图片,从而可以形成大型显示设备。
优选地是这样的构造,在该构造情况下,中空体包括弯曲的表面,特别地为球形的或圆柱形的或多面体形的,更特别的是立方体、长方体或锥体。它们具有例如大于2cm,并且特别的大于3cm,而特别优选地为3.5至5cm的直径或较小的边长度。中空体彼此之间的间隔优选地等于它们的直径或最长边的1.5至5倍,并且优选地等于2至3倍,尤其大约为2.5倍。
因此,可以制作大型显示器,其例如适合用于在体育馆或礼堂中观看。于是该显示设备优选地以这样的方式构建:即显示元件被直接从房间的天花板悬挂固定,或者显示元件被立在显示设备的底侧上或者直接在房间的地板上固定。优选地,显示设备被分成几个模块,模块分别形成能够被运输并自己立起的单元。此外,优选地(尤其在具有作为单独的串悬挂或直立布置的显示元件的形式的情况下),透明支撑加固单元将单独的显示元件和/或悬挂部分或直立部分连接起来。悬挂部分可以被设计为印刷电路板,其然后接管显示元件的电的以及机械的连接。
优选地,在中空体中的光源是RGB发光二极管,并且特别地,每个中空体正好具有两个或多于两个发光二极管。在一个优选的实施例的情况下,可以在三维布置上呈现二维的、高分辨率的图片。
本发明还基于产生一种用于操作根据本发明的显示设备的方法的目的,该方法能够使得图片特别好地再现。
该目的是通过根据权利要求22的方法实现的。
利用该优选的操作方法,在根据本发明的三维显示设备上,可以再现二维的、高分辨率的图片。在这样做时,作为输入信号的二维图片被控制电路以这样的方式处理:即从特定的观察位置,由三维布置再现二维图片,其对于观察者基本上仅是从该观察位置是可识别的,其中所述二维图片以这样的分辨率再现,即该分辨率大于在一个平面中由显示元件的布置预限定的分辨率。
附图说明
下面,基于附图更详细的解释本发明的实施例的例子。附图说明:
图1为根据本发明的显示设备的总体示意图;
图2为图1的显示设备的模块的图示;
图3为两个中空体的视图;
图4为控制装置的框图;
图5为控制装置的一部分的另一个框图;
图6为控制装置的一部分的另一个框图;
图7为将被再现的图片;
图8为其在显示设备上的图示;
图9为从不同观察位置观察到的显示设备;
图10为用于说明优选的类型的呈现的示意说明;
图11为优选的类型的呈现的另一个说明。
具体实施方式
图1以非常示意性的总体图来描述显示设备1的优选实施例的基本结构。其包括大量的模块2,如在下面所将更详细说明的,每个模块2包括多个显示元件。在左下角更详细的示出了这种类型的模块;其他的模块仅通过图1中的显示设备上侧的子分区来表示。对于完整模块2,其上侧的尺寸可以为0.5m×0.5m。在该实施例中这种模块可以包括250个构造为中空体的显示元件。在以该设备作为例子来描述的情况下,纵向布置20个这种模块,以使整个显示设备包括10m的长度,并且横向提供6个模块,得到3m的宽度。优选地,中空体布置成从每个模块的上侧悬挂并从上侧向下延伸大约1m,使得显示设备1包括1m的高度。在以该显示设备作为例子来描述的情况下,可以存在构造为中空体的30000个显示元件,其以规则地布置在所提及的10m×3m×1m的体积中的格子点的形式布置。当然这些尺寸仅是作为例子来理解,显示设备可以更大或更小,并且显示元件的数目可以不同。这种显示设备还将可以仅实现为二维显示设备,在这样的情况下,例如只有显示元件的前面的层存在。在这种情况下,可以将中空体布置在例如墙壁的前面。然而,在下文中显示设备是基于优选的三维结构来解释的。然而,二维结构也一同被包括。
优选的,除了一个模块外,等同地实现所有的模块2,从而简化了这种显示设备的结构。单个模块,即图中左手边后角上仅用子分区表示的模块2’,形成了对于控制设备的该部分的连接,该控制设备并不在模块2上,而是被布置在中心并形成对显示设备1操作的可能。控制装置的该部分可以由一个或几个控制计算机3来形成,其通过诸如以太网总线连接与输入模块连接。此后,进一步的连接从模块到模块实现,以便得到所描述的简单结构。然而,这只是理解为一个例子。控制计算机3还可以通过有线连接或通过无线连接与每个模块分别地连接。此外,也可以将控制计算机3布置在其中一个模块上,从而省略了连接4。以太网连接是通过媒体访问控制(MAC)协议以常见的方式来实现的。作为例子,图2现在示出了模块2,其包括上部的载体装置(carrier arrangement)20,从所述上部的载体装置20悬挂布置显示元件21,该显示元件21在本例中以球形中空体实现。这理解为优选的例子并且允许单独模块的简单连接,以及由此将完整显示设备简单连接到诸如礼堂或体育馆的房间的天花板上。然而,还可以利用从基板向上延伸的显示元件21来实现该显示设备。作为对以串向下延伸的显示元件21的序列的替代,则得到向上的延伸,其中显示元件21例如被布置在棒状载体上。此外,还可以从载体或墙壁侧向延伸。载体装置20优选的包括需要用于控制相应的显示元件21的元件,例如数据多路器和至少一个电力源,以及至其它模块的接口。
图2还示出优选的布置方式,在这样的情况下,单独的显示元件21沿着多个悬挂串被规则地布置。在所描述的例子中,每个串包括10个显示元件21。相应的模块包括例如5×5个串并且因此包括总计250个显示元件21。在每个串中,从载体装置开始的显示元件21的光源的电力源向下被传导,直到最后的显示元件,同样地,对于单独显示元件的控制信号沿着所述串被传导,这将被更详细的解释。该串为自由悬挂,然而,优选地,具有如在图2中示出的支撑加固单元22的至少一个支撑加固单元。其优选地在显示元件21之间的串连接件24上工作,并且其优选地是诸如由塑料材料制成的透明支撑加固单元22,以尽可能少地破坏对显示设备的显示元件的观察。
图3示出显示元件21的优选实施例。根据本发明,一方面,其包括非透明但透光的中空体。在图3所示的例子的情况下,中空体是球形的。也可能是诸如圆柱或多面体(例如立方体或长方体或锥体)的其它中空体形状。优选地由塑料材料制成的相应的中空体的非透明性可以通过在透明中空体的外侧和/或其内侧涂覆涂层而得到。其也可能通过将光散射材料同透明塑料材料混合而得到,或者通过处理中空体的内侧和/或外侧的塑料材料表面,从而引起强的光散射而得到。通过本领域技术人员已知的这些或其它措施得到以下结果,如从云雾纹玻璃(cloudy glass),尤其是磨砂玻璃中获知的,在这种情况下,当光从中空体内侧的光源穿透到外侧时,使得中空体感觉为基本上均匀的漫射辐射体,然而在这种情况下,所述的光源作为在中空体内的点光源是不可见的。作为优选地中心布置在中空体内侧的光源,提供至少一个配备有透光罩壳的发光元件,该发光元件优选地为至少一个发光二极管30。优选地,提供至少两个发光二极管,而特别的正好提供两个发光二极管30,其每个分别地被布置在板31的两侧,以便得到尽可能均匀的中空体的照明。光源以这样的方式被构建:其亮度以及颜色都可以被控制设备控制。在这样做时,使用为发光二极管的为所谓的RGB发光二极管,其可以同时产生红、绿和蓝的颜色,从而通过将颜色混合可以产生任意颜色。为了控制它们,可以使用本领域技术人员所知的任意电路。在本发明的所有实施例的情况下,可能使用其它光源来代替所提及的发光二极管,特别的还可使用有机发光二极管(OLED)。
优选的,串24也由印刷电路板形成,其配以用于光源的电力源的导体和用于控制它们的信号导体。在中空体的每个中空空间的区域中,优选地所述印刷电路板24被放大以形成板31,以便容纳用于操作并控制光源30的部件。中空体21优选地由半壳体构建,如从图3明显看出的。可以在串24上的中空体壳体的相应的固定点上提供任意固定和/或稳固装置,并且优选地将串24上的中空体密封以防止水的进入,这样使该显示设备也可能在室外使用并且还能用水来清洗。对于中空体的材料,尤其是如已经提到的可使用塑料材料,优选地由聚碳酸酯(macrolon,Lexan
Figure G2007800267773D00051
)制成的构造,并且例如这样的构造,在该构造的情况下,该中空体中是:98.5%为透明,和1.5%为带白色的,从而得到所提及的期望的非透明连同同时具有高透光能力的效果。
优选地,显示设备1的单独显示元件21之间的间隔在单独的串中以及侧向地从串到串相同。然而,该间隔还可能被选择为不同。图3和图2描述了在每个串24中的间隔a以及串之间的相同间隔a。优选地,间隔a的尺寸是中空体直径b的大约1.5倍到大约5倍。特别地,间隔a达到中空体直径的2倍,尤其是大约2.5倍。如果中空体不是球形的或圆柱形的,则以体的最大边长度出发来代替直径。体21的直径优选地在2cm至6cm之间。优选地,例如直径是4cm,间隔a为10cm。
将控制装置的控制计算机3和第一模块连接起来的控制装置的接口优选是快速以太网接口。数据量可以包括例如每个中空体每个光源4字节的数据,另外还有4字节的控制信息,针对例如每个串具有10个显示元件21,这导致44字节。如果以20Hz的操作出发,那么导致每秒每串880字节。对于具有25个串的每一个模块,因此,每模块每秒的值为22K字节,对于作为例子示出的具有120个模块的显示设备,数据量为每秒2.64M字节。利用在计算机3和输入模块之间的快速以太网接口可以简单的传输该量级的数据量。可以通过传统的IP(UPP)协议来进行传输。在模块上的数据多路器都配有快速以太网接口,并与几个开关结合,而且与控制计算机3连接。
图4描述了这种布置的框图。快速以太网连接都是点对点连接。因此可以将在模块(在该例子的情况下为120片)上的数据多路器通过开关与计算机3连接。在计算机侧使用主开关,其处理最大数据吞吐量。优选地,使用从计算机3分离的同步发生器5,其例如每25毫秒传输同步信号。使用该信号是为了触发在串24上的单独中空体21中的图片数据的瞬时精确显示。通过这种方式,由显示设备1产生的图片可以非常精确地被同时显示,而不对计算机3提出任何高的实时要求。将单独的模块和单独的串以及在其中的单独的显示元件21配置地址,并且计算机3传输具有相应地址的数据,使得将被显示的图片通过相应的显示元件21的激活而产生。单独的光源,即发光二极管,优选地由恒定电流驱动器驱动。每个颜色优选地是10比特的分辨率,这对应于30比特的色深度(10亿色)
图5示出了可能在模块的情况下使用的类型的数据多路器的方块电路图。数据多路器通过快速以太网接口接收数据,并且将其分配给25个串24,其指派给它们。数据多路器基本包括100BaseT MAC和FPGA,其缓存所述数据并在LED串上将其分割。串通过串行接口分别同FPGA连接。优选地,数据多路器同时是25个串的电缆。至单独的串的数据行以差分信号(RS422/RS485)来传导。在这样做时,每个模块是功能化的并且与其它模块电分离。
图6还描述在每个显示元件21中光源的电结构,为了该目的在中空体中提供相应的恒定电流驱动器,其具有内置串行接口。因此,可以以具有两个信号和一个时钟的菊花链构造将显示元件21连接在一起。时钟信号优选地是在每个中空体中新准备的,使得其仅是不得不分别桥接间隔a的点对点连接。
将被显示在显示设备上的图片或图案可以事先被计算并存储,随之,通过控制计算机从存储介质读取图片或图案的图片序列并将其传输至单独的显示元件。然而,在另一个优选的实施例中,图片序列直接从输入数据或输入信号实时地产生。因此,有可能例如通过麦克风将声音事件转换成用于控制计算机的电输入信号,然后控制计算机将这些声音事件转换成图案和/或图片形式的图片序列,并相应地驱动显示元件,否则来自相机的图片输入数据可以被直接输入到显示元件的驱动器。
可能在显示设备上以这样的方式显示图片:该图片产生在显示元件的单独的平面上,这共同导致了从不同观察位置可见的固定和/或移动的图片或图案。显示元件21的相应控制可以由本领域技术人员容易地实现,因此在此不作更详细的解释。然而,在一个优选的实施例的情况下,控制装置是以这样的方式构造的,显示设备的操作以这样的方式发生:即其计算二维输入数据到显示设备的投影,输入数据的图像仅是从特定位置(热点)可见。这比在所提到的将数据放在平行轴线的平面中的方法的情况具有明显更高的分辨率。图7、8和9一方面在图7中示出了二维图片,其(如在下面详细解释的)按照优选的操作程序由控制设备准备,并且显示在显示设备上,使得从一个观察位置得到图8的相对高分辨率的图片,从该观察位置无法看到侧向表面的其中一个。图9描述具有来自不同的观察位置的图片的显示设备,从该观察位置图片不可辨。下面要解释的是,显示设备如何通过控制装置来驱动,以便获得在三维显示设备中二维图片的呈现。在这样做时,参照图10和11。
算法是函数F(pI,pB,K,u,I),其中,根据图10,
·pI是装置的预限定的3D位置,通常是中心,
·pB是自由可选的观察者的眼睛的3D位置,
·K是装置的构造,其中K包括相对于pI的发光元件的3D位置px以及其直径d。对于任意装置,K完全是事前预限定的。发光元件之间的间隔是以px暗含给出的。
·u为所谓的向上矢量,其限定了围绕位于中心的观察束的投影的旋转。这通常是任意长度的垂直矢量。
·I是二维输入信号。通常这是数字图像或视频,然而也可能是连续限定的函数。在后一种情况I还包括栅格值RI
该算法现在一个接一个的执行下面的步骤:
1.4×4投影矩阵P的初始化:
该投影矩阵由pI,pB和u限定,并且可以通过glut库gluLookAt(pB,pI-pB,u)中的自由可用的方法计算。P现在描述三维点x(例如,装置的发光元件的位置)到虚拟输入平面∏(输入I开始位于其中)的二维坐标系统中的图像(投影),该虚拟输入平面∏垂直的位于pI和pB之间的连接上。pI=P·pI是装置所投影的位置。
2.此后,对于所有发光体px px∈K。
a.位置矢量p=pI+px乘以投影矩阵:
p=P·p,其中现在p描述在输入平面上的发光元件所投影的位置。因为在p的情况下其是三维矢量,为了获得有效的2D图像坐标,其仍然必须投影到z=1平面上:
p=px/pz,py=p/pz和pz=1。这样,该p)具有形式:
p ‾ = x y 1 , 其中x和y描述在2D输入平面∏中的投影位置。
b.为了知道在图像平面中发光元件的范围,必须计算球形投影的半径:加到pI+px的是在束pBpI上正交的矢量r,其具有发光体的半径的长度d/2:
i. r ′ = ( p I - p B ) × 0 0 1 与pBpI垂直
ii. r = d 2 · r ′ | | r ′ | | 是标准化至d/2的矢量r,其中d是发光体的直径并且‖r′‖是r′的长度。
iii.现在通过pr=P·(pI+px+r)以类似于步骤a的方式计算边缘点pr=pI+px+r到输入图像平面的投影。
iv.现在可以这样得到投影半径R,即通过:
R=‖p-pr
c.现在从所有输入数据pI的平均颜色值得到当前发光体的颜色,对于所述输入数据R≥‖p-pI‖是可用的。设定S=0,c=0。在这里,将被测试的pI的选择取决于输入I:
i.在筛选的(rastered)输入I=f(x,y),x∈N,y∈N的情况下,例如数字图像、视频,对于pI使用预限定的像素。这样,得到RI=1并且如在情况ii)中那样执行。
ii.在输入形式为I=f(x,y),x∈R,y∈R的情况下,则连续限定的函数,其仍然保持是筛选的。这里用户限定的参数RI限定步宽,其是同步宽一块产生的。现在,值:
f ( p ‾ Test · x , p ‾ Test · y ) , p ‾ Test = p ‾ + k · R I 0 0 + l · 0 R I 0 .
k=R/RI...R/RI,l=-R/RI...R/RI相对于距离‖p-pTest‖被测试并与R相比。只有当距离‖p-pTest‖小于或等于R时,值S=S+f(pTestx,pTest·y)被加起来并且c=c+1。
d.现在由S/c得到颜色值px∈K。
3.从而,所有的发光体px∈K具有颜色值,其对应于由所投影的球面覆盖的来自I的输入数据。
虽然在这里给出的申请中描述了本发明的优选实施例,但必须清楚的指出,本发明并不限于此,并且还可以在下面的权利要求范围内以不同的方式实现。

Claims (22)

1.一种用于示出静止和/或移动图片和/或图案的显示设备(1),包括以栅格的格子点的方式或类栅格的方式布置的多个单独的显示元件(21),以及控制装置(3,4),通过所述控制装置,所述显示元件可以激活以单独的或成组的点亮,其特征在于,所述显示元件包括非透明的、透光的中空体,其中存在至少一个光源,该至少一个光源包括至少一个发光元件(30),其中具有光源的所述中空体是在所有方向上都能够均匀辐射的均匀漫射辐射体,其中所述光源根据控制被构建用于以多个颜色的一个来点亮并具有可选的亮度,
并且所述控制装置设计用于通过光源显示图片和/或图案,以及所述显示元件以三维栅格的格子点的方式被布置。
2.如权利要求1所述的显示设备,其特征在于,所述中空体包括至少一个弯曲表面。
3.如权利要求2所述的显示设备,其特征在于,所述中空体为球形或圆柱形。
4.如权利要求1所述的显示设备,其特征在于,所述中空体是多面体。
5.如权利要求1-4中的任一项所述的显示设备,其特征在于,所述中空体由透明塑料材料制成,并且通过涂层和/或增加材料至塑料材料和/或通过对中空体的内壁和/或外壁的处理来制成非透明的。
6.如权利要求1-4中的任一项所述的显示设备,其特征在于,所述中空体彼此之间外壁的距离达到所述中空体的直径或最长边长度的1.5倍至5倍。
7.如权利要求6所述的显示设备,其特征在于,所述中空体彼此之间外壁的距离达到所述中空体的直径或最长边长度的2倍至4倍。
8.如权利要求1-4中的任一项所述的显示设备,其特征在于,所述中空体具有大于2cm的直径或最短边长度。
9.如权利要求1-4中的任一项所述的显示设备,其特征在于,所述中空体以作为连接在一起的几个中空体的单独的串(24)悬挂或直立被布置,所述串固定至载体元件(20)。
10.如权利要求9所述的显示设备,其特征在于,所述载体元件承载控制装置或控制装置的一部分。
11.如权利要求9所述的显示设备,其特征在于,几个单独的串通过支撑加固单元(22)连接在一起。
12.如权利要求1-4中的任一项所述的显示设备,其特征在于,其是由多个相同的模块(2)构建的,所述模块分别包括多个中空体(21)和所述控制装置的一部分。
13.如权利要求9所述的显示设备,其特征在于,所述载体元件被设计用于固定至房间的天花板。
14.如权利要求1-4中的任一项所述的显示设备,其特征在于,所述光源由RGB发光二极管(30)形成。
15.如权利要求9所述的显示设备,其特征在于,至光源的电力源和信号传输通过所述串(24)发生。
16.如权利要求1-4中的任一项所述的显示设备,其特征在于,所述控制装置包括一个或几个控制计算机(3)以及与其分离的同步装置(5)。
17.如权利要求16所述的显示设备,其特征在于,所述一个或多个控制计算机能够传输图片序列至单独的中空体。
18.如权利要求1-4中的任一项所述的显示设备,其特征在于,通过所有的中空体使所述图片序列以同步方式可再现。
19.如权利要求1-4中的任一项所述的显示设备,其特征在于,所述图片序列是事先可计算的并且可存储在存储器中,并且,所述图片序列是通过一个或多个控制计算机可读取的并且可传送至单独的发光元件,或者所述图片序列可从输入数据实时产生并且可传输至单独的中空体。
20.如权利要求16所述的显示设备,其特征在于,所述控制计算机能够计算所述图片序列。
21.如权利要求1-4中的任一项所述的显示设备,其特征在于,所述控制装置能够以这样的方式处理图片,即从特定的观察位置观察,再现出高分辨率的二维图片,所述处理包括:
计算投影矩阵P,该投影矩阵P由装置的预定位置PI、观察位置PB以及向上矢量u限定;投影矩阵P描述三维点到虚拟输入平面(П)的二维坐标系统的投影,该虚拟输入平面(П)垂直的位于预定位置PI和观察位置PB之间的连接上;
计算每个中空体相对于观察位置的相对位置;
利用所述投影矩阵P将该相对位置投影到虚拟输入平面(П);
从对于该位置的投影
Figure FSB00000784233100031
所有满足
Figure FSB00000784233100032
的输入数据的平均颜色值得到当前发光体的颜色,其中
Figure FSB00000784233100033
描述当前发光元件所投影的位置,R为投影半径。
22.一种用于操作如权利要求1所述的显示设备的方法,其特征在于,作为输入信号的二维信号以这样的方式被控制电路处理,即从特定的观察位置,通过中空体的三维布置产生二维图片,其对于观察者基本上仅是从该观察位置可见,其中所述二维图片以这样的分辨率再现,所述分辨率高于由在显示设备的一个平面中的显示元件的布置所预限定的分辨率;所述方法包括:
计算投影矩阵P,该投影矩阵P由装置的预定位置PI、观察位置PB以及向上矢量u限定;投影矩阵P描述三维点到虚拟输入平面(П)的二维坐标系统的投影,该虚拟输入平面(П)垂直的位于预定位置PI和观察位置PB之间的连接上;
计算每个中空体相对于观察位置的相对位置;
利用所述投影矩阵P将该相对位置投影到虚拟输入平面(П);
从对于该位置的投影
Figure FSB00000784233100034
所有满足
Figure FSB00000784233100035
的输入数据的平均颜色值得到当前发光体的颜色,其中
Figure FSB00000784233100036
描述当前发光元件所投影的位置,R为投影半径。
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