CN102222469A - Led灯柱的动态成像装置及其在隧道广告中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种LED灯柱的动态成像装置，由多个LED灯排列成一根LED灯柱，多个LED灯柱组成阵列作为显示装置；PC通过网络控制显示装置的主控模块，其中主控模块具有信息存贮功能，PC可以通过网络对其存储信息进行更换，主控模块实现与PC异步显示功能；主控制器将信号输入给扫描控制模块进行图像的扫描，显示驱动模块驱动LED灯柱使其进行信息的显示；主控模块与用于产生同步时钟同步控制模块相连，使主控与LED灯柱显示装置时保持扫描同步；多个LED灯柱阵列保持扫描的同步，实现无论观察者何时观察到画面都可以实现完整画面的显示。本发明可直接应用于地铁、铁路隧道的相关动画显示，应用于滚筒广告显示装置以及各种动态显示装置中，可以运用到具有动态显示功能的各种玩具以及装饰品当中。
Description
技术领域
本发明涉及基于视觉暂留原理及运动成像原理的动态成像技术，尤其是一种LED灯柱的动态成像装置及其在隧道广告中的应用。
背景技术
伴随着LED技术的发展，由LED点阵组成的显示技术得到了相应的大力发展。由于LED显示技术的高亮度、低功耗、大尺寸等优点，使其在广告显示方面得到了很大的应用。
现有技术中，动态成像技术相对成熟，例如用于隧道广告中的动态成像技术，主要有如下几种：
第一，在列车车厢上安装投影仪，直接将画面投影的隧道壁上。技术特点：画面清晰，同步性好，播放速度与车速无关，但是由于投影仪灯泡寿命以及价格等限制，使其成本过高，没有市场价值。
第二，在隧道壁上安装一幅幅静止的广告灯箱。技术特点：技术简单，容易操作；但是广告更换繁琐，每换一个广告需要将所有的灯箱画面都进行更换，工作量大，功耗较大，运行成本过高。
第三，在隧道壁上安装一块块电子显示屏。技术特点：容易集成控制，图像信息容易更换；缺点是同步性差，色彩单调，屏幕过多费用过大。
众所周知，人的肉眼在观察物体时，物体发射的光信号传入大脑神经，需要经历一段短暂的时间，光信号消失时，视觉影像并不会立即消失，而是保持一个很短暂的时间，这种短暂的滞留现象被称作“后像”，视觉上的这一现象则被称作“视觉暂留”，即当光对视网膜所产生的视觉在光作用停止后，仍保留一段时间的现象。物体在快速运动时, 当人眼所看到的影像消失后，人眼仍能继续保留其影像0.1-0.4秒左右的图像，因为视觉神经的反应速度其时值大约为二十四分之一秒。这是动画、电影等视觉媒体形成和传播的根据。
隧道动画就是动态显示中应用比较普遍的一种。在列车经过的隧道壁上按照一定规律均匀的排列一幅幅类似电影胶片一样的静止画面，当列车快速动过时，乘客别可以看到一幅连续的动画效果的画面。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是，克服现有动态成像技术运行成本较高，广告灯箱更换信息不便，以及电子显示屏同步性差，色彩单调的问题，提供一种LED灯柱的动态成像装置。
本发明的另一目的是提供LED灯柱的动态成像装置在隧道广告中的应用。
本发明采用的技术手段是：LED灯柱的动态成像装置，其特征在于，由多个LED灯排列成一根LED灯柱，多个LED灯柱组成阵列作为显示装置；PC通过网络控制显示装置的主控模块，其中主控模块具有信息存贮功能，PC可以通过网络对其存储信息进行更换，主控模块实现与PC异步显示功能；主控制器将信号输入给扫描控制模块进行图像的扫描，显示驱动模块驱动LED灯柱使其进行信息的显示；主控模块与用于产生同步时钟同步控制模块相连，使主控与LED灯柱显示装置时保持扫描同步；多个LED灯柱阵列保持扫描的同步，实现无论观察者何时观察到画面都可以实现完整画面的显示。
进一步，LED灯阵列与驱动模块具有级联功能，与其他LED灯阵列模块进行级联组建成规模的LED灯柱；其中，LED灯阵列模块由LED驱动芯片和多个LED灯组成，并具有级联功能，可与其他LED灯阵列模块进行级联组建更长的LED灯柱；将一帧画面的信息在一定时间内扫描在同一根LED灯柱上，采用静态驱动的方式驱动LED灯柱显示不同的信息。
进一步，所述扫描控制模块完成数据接收，并对图像数据进行适当处理和变换，产生扫描驱动信号，再把数据按照参数要求扫描到LED显示装置上完成显示。采用静态扫描的方式，将一幅画面不同列的信息扫描进同一根LED灯柱的不同时刻内进行动态显示。
前所述LED灯柱动态成像装置，在隧道广告中的应用或在与其形成相对运动的设施广告中的应用。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明运用视觉暂留原理，在每根灯柱上进行一整幅画面信息的逐列扫描，从而实现在运动中的短时间内，一根LED灯柱多次扫描的不同信息可以同时出现在人脑内，形成一幅完整的画面。因此运用多列LED灯柱阵列，并且使所有灯柱保持同步扫描，扫描频率与相对运动速度相匹配，从而实现在运动中可以看到类似多副静态画面形成动画的效果。对传统LED显示屏扫描装置进行重新编程，使其在扫描完一列信息时不进行换列扫描操作，而是只在LED灯柱这一列进行不同信息的多次扫描。这样观察者在以一定速度相对LED灯柱运动的情况下便可以看到一幅完整的画面信息。运用同步装置将所有LED灯柱阵列的信息扫描卡进行同步，使其每幅画面信息循环扫描同步，以解决每位观察者在LED灯柱扫描到不同位置时看到的画面信息不能拼出一副完整静态画面的问题。运用LED灯柱阵列的同步扫描即可实现多灯柱显示完整画面。
本发明可直接应用于地铁、铁路隧道的相关动画显示，以及各种动态显示装置中，可以运用到具有动态显示功能的各种玩具以及装饰品当中。它具有画面清晰度高，同步性好，色彩效果好，可靠性高，易于集成控制，成本低，技术简单，节能环保等优点。
附图说明
图1是本发明LED灯柱的动态成像装置的原理示意图。
图2是全白色LED灯柱动态显示效果示意图。
图3是进行扫描控制的LED灯柱动态显示效果示意图。
图4是LED显示灯柱阵列的排列方式示意图。
图5是LED显示灯柱阵列形成完整画面示意图。
图6是LED灯柱显示装置系统示意图。
图7是主控模块系统示意图。
图8是扫描模块系统示意图。
图9是LED灯柱驱动模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1和图6，LED灯柱的动态成像装置，由多个LED灯排列成一根LED灯柱，多个LED灯柱组成阵列；PC通过网络控制LED灯柱的主控模块，其中主控模块具有信息存贮功能，PC可以通过网络对其存储信息进行更换，主控模块实现与PC异步显示功能；主控制器将信号输入给扫描控制模块进行图像的扫描，显示驱动模块驱动LED灯柱使其进行信息的显示；主控模块与用于产生同步时钟同步控制模块相连，使主控与各个LED灯柱保持扫描同步；多个LED灯柱阵列保持扫描的同步，实现无论观察者何时观察到画面都可以实现完整画面的显示。即使第一根LED灯柱显示的不是完整画面，由于相邻的LED灯柱与前一个LED灯柱保持同步扫描，两跟LED灯柱显示的画面拼接起来至少可以显示一幅完整的画面。
下面首先介绍只运用一根LED灯柱，在相对运动中显示一整幅画面的原理。
假设相对运动速度为匀速，设为V米/秒。应用视觉暂留原理，从人眼看到一个光信号到光信号消失，在人眼的滞留时间为1/24秒，（滞留时间因人而异，并且与所显示画面信息亮度有关，这里用1/24秒只是为了确保最小的滞留时间）。
如图1所示，1/24秒内LED灯柱相对于观察者运动的位移=1/24秒×V米/秒，这里假设相对位移为L。我们控制LED的扫描频率，使其在间隔Ln秒内亮一次（这里为了方便说明，舍去LED灯柱熄灭的响应时间，以及人眼感受到光的时间，即Ln秒亮一下后立即熄灭并且立即在人眼内形成影像）。如图1所示，其中P1,P2…Pn都只是一根LED灯柱在1/24秒内呈现在人眼内没有消失的像。当LED灯柱第一次点亮并出现在人的视觉内时在人脑里留下的影像为P1，然后熄灭不呈现影像，当通过第一个Ln秒短暂的时间后LED灯柱又一次点亮在人脑里留下的影像为P2。因为ln远远小于1/24秒，由于“视觉暂留”原理，所以当形成P2影像的这个时候，影像P1依然存在于人脑里并没有立即消失，这样在Ln秒之后P1跟P2将同时呈现在人脑内。依次类推，直到经过1/24秒（人眼的视觉暂留时间），灯柱在这1/24秒内第n次点亮在人脑里形成Pn，由于从形成P1到形成Pn都在1/24秒之内，所以当Pn点亮并在人脑形成影像时，之前从P1开始的影像都会同时出现在人的大脑内，这就形成了一个光面的感觉。用一根全白色的LED灯柱在1/24秒在人眼形成图像的模型图如图2所示。
图2只是每次LED灯柱都是全亮，这样形成的就是一个光面。而如果对LED每次亮的信号进行控制（如同LED显示屏一样扫描一列再扫描下一列只是这里相当于只有一列LED灯管，每次扫描不同的信息将一整副画面的信息分成多次扫描给一根LED灯柱），那么在相对运动的情况下便会在人眼内形成一幅完整的画面。对图2的LED灯柱每次显示的信息进行控制，就可以得出如图3所示的模型图。其中“中国”两字是由于LED灯柱在多次对显示的信息进行控制，经过多次对显示信息的控制，控制其中有些灯亮有些不亮，就可以得到图3类似的图形。更改扫描的内容便可以显示不同的内容。这里的LED灯柱在不同时刻的成像相当于普通显示屏的一列，所以我们可以用传统的LED显示屏控制卡对其扫描信号进行控制。通过改变传统扫描卡的扫描模式使其每扫描一次不进行换列扫描，而是将一幅画面每一列的信息扫描在同一列LED灯柱上，进行分时显示；也可运用自己特制的扫描驱动模块将一幅画面本来应该在不同列显示的信息显示在同一根灯柱的不同时刻。这样经过扫描频率的严格计算我们可以在动态时看到一整副画面。想在运动中长时间显示画面则需要一列列LED灯柱分布来显示。
下面介绍一列列LED灯柱阵列显示动画效果。静态下的LED灯柱排列如图4。用每根LED灯柱代替显示屏或者静态画面，以隧道广告为例，当列车基本保持匀速运动时，乘客看到均匀分布在隧道壁上的LED灯柱，每根LED灯柱显示一幅画面，假设以胶片电影原理为基础在1/24秒内安装24根LED灯柱，并保持所用的灯柱保持扫描同步而且扫描频率相同，这样运动的观察者便可以像看电影一样依次看到一帧一帧的画面从而达到动画的效果。
这里需要注意的是，由于每位观察者第一次观察到LED灯柱的时刻不同，就不能确保每位观察者在观察时，此LED灯柱正好开始扫描一幅画面的第一列信息，这个问题可以如下的方法来解决：保持所有的LED灯柱进行扫描同步，由于相邻的LED灯柱扫描同步，所以即使观察者看到第一根灯柱时，此灯柱没有从画面的第一列开始扫描，而是正在扫描中间的某一列。由于所有的LED灯柱都同步扫描，所以此LED灯柱相邻的下一个LED灯柱也在扫描中间的某一列而且与前一个LED所扫描的列是同一列，这样由后一个LED灯柱形成的半幅画面跟前一个LED灯柱形成的画面相拼依然是一幅完整的画面，只是这幅画面是有两个LED灯柱共同实现。如图5所示，观察者初次看到LED1时，此灯柱正在扫描图像的中间某一列，由于LED2的扫描与LED1同步，所以当人眼初次看到由LED2形成的图像时，LED2正在扫描与LED1相同列的信息。这样由LED1图像的后半部分与LED2的前半部分结合就可以在人眼内形成我们想要达到的图像效果，依次类推便得到一幅幅的画面。
一些参数的确定：
分辨率的确定，画面的分辨率跟每个LED灯柱所含有的点有直接关系，LED灯柱包含LED灯的个数设为n，如果为了保持4:3的画面比例，则分辨率=4n/3×n（公式1），如果有600个点，则可以形成800×600的分辨率。
LED灯柱高度确定，设相邻灯的点距r，则LED灯管的高度为：H=（n-1）×r（公式2）。
列扫描频率的确定，设相对运动为V米/秒（这里假设速度够快以保证可以产生足够的暂留时间），列走过每r距离所用的时间T=r÷V（公式3），（为了保证显示的图像信息没有像素重叠现象，所以以相对运动r的时间为计算扫描频率的时间），所以列扫描频率至少应为F=1/T（公式4）。
例如：相对运动速度V=60公里/小时，即约为16.7米/秒，点距r为0.0015m，LED灯柱包含有600个点，则要形成800×600分辨率的画面时，LED灯柱的高度H=（600-1）×0.015≌0.9米，而画面的宽度约为1.2米，则扫描频率f=V÷0.0015≌11111HZ。
由于LED灯柱相对于观察者是动态的，为了保持整个LED灯柱所有点同时亮，所以扫描方式选用静态扫描方式，驱动方式选用静态驱动。
系统原理如图6所示：PC通过网络控制显示装置的主控模块，其中主控模块具有信息存贮功能，PC可以通过网络对其存储信息进行更换，主控模块可以实现与PC异步显示功能（即当PC关机下依然可以显示其存储器内的信息）。同步控制模块主要作用是产生同步时钟，使其与其他LED灯柱显示装置时保持扫描同步。主控制器将信号输入给扫描控制模块进行图像的扫描，显示驱动模块驱动LED灯柱使其进行信息的显示。
主控模块，其系统模型图如图7所示。主要功能是接收PC传入的视频信息，对信号进行拼接缓存，并将其组织成便于扫描控制的格式，然后将信息传输至扫描控制模块进行扫描显示。通过同步控制模块使其具有与其他LED显示装置的主控模块进行同步工作的功能。
扫描控制模块，其系统框图如图8所示。主要完成数据接收，并对图像数据进行适当处理和变换，产生扫描驱动信号，再把数据按照参数要求扫描到LED显示装置上完成显示。由于本发明所用的显示装置为单列的LED灯柱，是将原本显示在LED屏幕上的一帧画面信息通过分时扫描的操作，进行分时显示在单列的LED灯柱上，所以就必须对传统的LED显示屏的扫描模块进行改变。
现在介绍一下本发明给出的解决方案：
方案一：是改装传统的LED显示屏扫描控制模块，将传统的LED显示屏扫描控制卡进行重新编程使其扫描完第一列时不进行换列操作从而达到需要的扫描控制。有三种实现方法：（1）每幅画面信息都有相应的读写地址，有一个映射对应到显示屏上相应的物理地址上。扫描装置的作用就是将相应地址的信息扫描显示到显示装置的相应地址上。通过改变这个映射，使这个映射改变成一幅画面的所有列信息都对应到LED灯柱这一列上面，这样就可以实现将一副画面扫描到LED灯柱这一列上。（2）扫描卡形成在扫描控制信号里有一个列选信号，在映射不变的情况下，对列选信号进行修改，使其只选一列或者不产生列选信号，将信息只在LED灯柱这一列进行扫描显示。（3）在映射和列选信号都不改变的情况下，将输出电路与驱动电路的连接方式改变使其即使在有换列信号下扫描信息的输出都连接在LED灯柱这一列。
方案二：自制LED扫描卡，在驱动电路里将列选芯片删除，在扫描控制模块内生成不包含换列信号的扫描信号，只将整幅画面信息分成列扫描信号逐列扫描进LED驱动芯片内。
LED灯柱与驱动模块是集成在一起的，其系统框图如图9所示。采用静态驱动模式，其中DATA为图像数据信号，CLK为串行时钟信号，STR为数据锁存信号，EN为使能信号，由于只有一列，所以这里没有列选芯片也没有列选信号。LED灯阵列与驱动模块具有级联功能，可与其他LED灯阵列模块进行级联组建成想要规模的LED灯柱。
方案一，改装传统的LED显示屏扫描控制模块，将传统的LED显示屏扫描控制卡进行重新编程使其扫描完第一列时不进行换列操作从而达到需要的扫描控制。有三种实现方法：（1）每幅画面信息都有相应的读写地址，有一个映射对应到显示屏上相应的物理地址上。扫描装置的作用就是将相应地址的信息扫描显示到显示装置的相应地址上。通过改变这个映射，使这个映射改变成一幅画面的所有列信息都对应到LED灯柱这一列上面，这样就可以实现将一副画面扫描到LED灯柱这一列上。（2）扫描卡形成在扫描控制信号里有一个列选信号，在映射不变的情况下，对列选信号进行修改，使其只选一列或者不产生列选信号，将信息只在LED灯柱这一列进行扫描显示。（3）在映射和列选信号都不改变的情况下，将输出电路与驱动电路的连接方式改变使其即使在有换列信号下扫描信息的输出都连接在LED灯柱这一列。方案二，自制LED扫描卡，在驱动电路里将列选芯片删除，在扫描控制模块内生成不包含换列信号的扫描信号，只将整幅画面信息分成列扫描信号逐列扫描进LED驱动芯片内。
本发明运用视觉暂留原理，将整幅画面的列信息逐列扫描进单列LED灯柱进行分时显示，使单列的LED灯柱实现静态画面以及动态动画的呈现。利用多列LED灯柱的同步扫描控制，观察者便可以在两个相邻LED灯柱之间看到至少一幅完整画面。
本发明可应用在地铁、铁路隧道的相关动画显示，以及各种动态显示装置中，可以运用到具有动态显示功能的各种玩具以及装饰品当中。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.LED灯柱的动态成像装置，其特征在于，由多个LED灯排列成一根LED灯柱，多个LED灯柱组成阵列作为显示装置；PC通过网络控制显示装置的主控模块，其中主控模块具有信息存贮功能，PC可以通过网络对其存储信息进行更换，主控模块实现与PC异步显示功能；主控制器将信号输入给扫描控制模块进行图像的扫描，显示驱动模块驱动LED灯柱使其进行信息的显示；主控模块与用于产生同步时钟同步控制模块相连，使主控与LED灯柱显示装置时保持扫描同步；多个LED灯柱阵列保持扫描的同步，实现无论观察者何时观察到画面都可以实现完整画面的显示。
2.根据权利要求1所述的LED灯柱动态成像装置，其特征在于，LED灯阵列与驱动模块具有级联功能，与其他LED灯阵列模块进行级联组建成一定规模的LED灯柱； LED灯阵列模块由LED驱动芯片和多个LED灯组成，并具有级联功能，可与其他LED灯阵列模块进行级联组建更长的LED灯柱；将一帧画面的信息在一定时间内扫描在同一根LED灯柱上，采用静态驱动的方式驱动LED灯柱显示不同的信息。
3.根据权利要求1所述的LED灯柱动态成像装置，其特征在于，所述扫描控制模块采用与静态驱动模式相匹配的静态扫描模式进行扫描，对来自控制模块数据进行接收，并对图像数据进行适当处理和变换，产生扫描驱动信号，再把数据按照参数要求扫描到LED灯柱显示装置上完成显示。
4.根据权利要求1所述的LED灯柱动态成像装置，其特征在于，所述扫描控制模块为改装传统的LED显示屏扫描控制模块，将传统的LED显示屏扫描控制卡进行重新编程使其扫描完第一列时不进行换列操作，而是将一整副画面的所有列信息扫描进同一列从而达到需要的扫描控制；或者采用自制LED扫描卡，将整幅画面信息拆分成列扫描信号逐列扫描进LED驱动芯片内。
5.根据权利要求1、2、3或4所述任一项LED灯柱动态成像装置，其特征在于，在隧道广告中的应用。
6.根据权利要求1、2、3或4所述任一项LED灯柱动态成像装置，其特征在于，在与其形成相对运动的设施广告中的应用。
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