CN104732592A - 一种基于二维led旋转屏的实时三维数据生成方法 - Google Patents

Abstract

一种基于二维LED旋转屏的实时三维数据生成方法，属于三维图像显示技术领域，包含以下步骤：获取三维图像所有像素点在三维直角坐标系中的三维坐标，根据三维坐标将不同的像素点映射到一个二维数组不同的二进制数据位上，显示系统根据二维数组的二进制数据位来控制显示不同的图像帧。随着二维LED旋转屏的转动，显示的图像帧依次变化，在视觉暂留现象的作用下，人们便可以看到所显示的三维立体影像。该方法的优点是生成三维数据的计算量小，可以获得流畅的动态显示效果。

Description

一种基于二维LED旋转屏的实时三维数据生成方法

所属技术领域

本发明属于三维图像显示技术领域，尤其涉及一种基于二维LED旋转屏的实时三维数据生成方法。

背景技术

人类的视觉系统赋予了人们可以准确地感知现实三维世界图像信息的能力，这使得人们的视觉追求总是趋于真实三维的再现，希望显示装置能够提供更加真实立体、自然舒适，接近于人眼实际观察的三维立体图像信息。因此，三维立体显示技术的发展引起人们的广泛关注。

现有的三维立体显示技术大致可以分为四大类：透视型三维显示、视差型三维显示、光学悬浮显示和真三维立体显示。真三维显示是一种能够实现全视角观察的三维显示技术，是现实景物的最真实的再现，是三维显示的最终目标。真三维显示技术主要包括静态体显示技术和体扫描三维立体显示技术。体扫描三维立体显示，是通过平面或曲面电子扫描与机械扫描相结合的方式构成图形学上的三维空间，实现体空间的像素扫描，利用视觉暂留效应呈现出三维原型图像。

目前，基于体扫描的三维立体显示器主要有两类，一种是采用投影技术；另一种则采用LED作为显示像素。前者的投影设备可以是激光、投影机，具有分辨率高但是亮度低，并且造价昂贵。后者通过高密度LED阵列面板连续显示三维图像切面图像序列的同时，配合机械扫描绕垂直轴旋转，利用视觉暂留效应呈现出三维图像，其主要部件包括电机、电机控制模块、LED旋转屏、显示控制模块、碳刷、铜环、无线通信模块、霍尔传感器等，成本与造价都较低，是体扫描三维立体显示器的主要发展趋势。由于体扫描三维立体显示器旋转速度较快，一般为30r/s左右，每一个三维图像的切面图像显示时间只有200us左右，而在动态显示过程中各个切面的图像数据必须在如此短的时间内不断进行更新，所以三维图像数据的生成方法成为目前体扫描三维立体显示技术的主要研究问题，如发明专利《基于二维LED旋转屏的并行输出真三维显示方法》(CN101594547A)和发明专利申请《一种基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法》(CN103295260A)。其中，

中国发明专利说明书CN101594547A于2009年12月2日公开的《基于二维LED旋转屏的并行输出真三维显示方法》，是以旋转轴为中心，利用CAD软件或者扫描工具沿不同角度对三维模型进行径向截面截取图像，然后对获取到的截面图像根据旋转屏的LED分布进行像素化，再对获得的像素点进行均匀化处理，以此生成三维图像数据。但是，该生成方法存在着以下不足：

1)由于采用对模型每隔一定角度沿半径进行截面截取的方法来获取原始截面图像，导致了该方法存在先天的缺陷，即越靠近旋转中心处，截面之间的距离越近，在显示时会使得中心处像素点密度大，亮度高，远离中心处的像素密度小，亮度低。为了解决该问题，该方法提出对像素点进行均匀化处理，因此增加了额外的计算量。

中国发明专利申请公开说明书CN103295260A于2013年9月11日公开的《一种基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法》，该方法先获取三维图形的三角面顶点数据，然后取一个图像帧平面，计算该三维图形的所有三角面与该图像帧平面的交点，再取一个三角面产生的交点进行连线后做插值操作获得该图像帧平面上的二维显示坐标，依次插值处理所有的三角面在该图像帧平面上的交线获得所有的二维显示坐标，完成上述操作之后再取下一个图像帧平面与所有的三角面进行同样的运算，直至取完所有的图像帧平面后完成了对一个三维图形的所有计算，获得构成一个三维图像的所有二维显示坐标。该方法存在以下不足：

1)通常一个三维图形可以分解出非常多的三角面，计算一个图像帧平面与所有的三角面的交线并做插值操作需要比较大的计算量，而获取一个三维图像的所有二维显示坐标需要计算所有图像帧平面与所有的三角面的交线并做插值操作，这需要相当巨大的计算量。目前的嵌入式处理器主频普遍低于100MHZ，计算能力有限，很难在很短的时间内完成所有计算，因此该方法只适合静态图像的三维显示，不适合进行动态图像的显示。

发明内容

本发明的目的是要克服现有技术在三维数据生成速度过慢，不能适应三维图像动态显示存在的问题。

为了解决本发明的技术问题，本发明提出了一种基于二维LED旋转屏的实时三维数据生成方法，包括根据三维图像像素点在三维直角坐标系中的三维坐标，将不同的像素点映射到一个二维数组的不同二进制数据位上，具体操作步骤如下：

步骤一，获取三维图像的所有像素点以及像素点在三维直角坐标系中的三维坐标；

步骤二，初始化一个二维数组，其第一维的长度L1等于二维LED旋转屏旋转一圈显示的总图像帧数，第二维的长度L2由二维LED旋转屏的LED灯数Num以及二维数组的数据类型对应的二进制位数Len决定；

步骤三，选取步骤一中的一个像素点，根据其三维坐标确定该像素点对应的图像帧编号n以及在编号为n的图像帧上的二维坐标(a,b)；

步骤四，根据步骤三得到的图像帧编号n找到编号为n的图像帧，再根据步骤三得到的二维坐标(a,b)找到该图像帧上具有相同二维坐标的LED灯，修改二维数组中控制该LED灯的二进制数据位的值，其余的二进制数据位的值不变；

步骤五，重复步骤三和步骤四，处理完步骤一中获取的所有像素点，便生成了显示三维图像所需要的三维数据。

本发明的技术方案的进一步特征在于所述步骤一中，对三维模型进行均匀采样来获取三维图像的像素点。

本发明的技术方案的进一步特征在于所述步骤二中，二维数组用于存储三维数据，二维数组所有数据元素初始值为0，图像帧是围绕旋转轴处于不同角度上的用于组成三维图像的二维图像，图像帧由LED灯矩阵构成，图像帧上的每个LED灯具有一个二维坐标，每个图像帧具有一个图像帧编号n并且控制该图像帧的三维数据存储在二维数组的第一维下标为n的数据元素中，第一维下标为n的数据元素的每一个二进制数据位控制该图像帧上的一个LED灯的亮灭，二维LED旋转屏每次可以同时显示位于同一平面的两个图像帧，二维数组第二维的长度L2计算公式为：

$L2=\mathrm{CEIL}\left(\frac{\mathrm{Num}}{2*\mathrm{Len}}\right);$

其中L2是二维数组第二维的长度，Num是二维LED旋转屏的LED灯数，Len是二维数组数据类型对应的二进制位数,CEIL()表示向上取整函数。

本发明的技术方案的进一步特征在于所述步骤三中，图像帧的二维坐标系以其旋转轴为纵轴，正方向竖直向上，以图像帧最下方一行水平方向的LED灯所在直线为横轴，正方向从旋转中心指向外，该像素点对应的图像帧编号n的计算公式如下：

$l=\sqrt{(x^2+y^2)};$

$\mathrm{\&alpha;}=\left\{\begin{array}{c}\arccos \left(\frac{x}{l}\right)(y\&GreaterEqual;0)\\ 360-\arccos \left(\frac{x}{l}\right)(y<0)\end{array}\right.;$

$n=\mathrm{FLOOR}\left(\frac{\mathrm{\&alpha;}+\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}}{\mathrm{\&beta;}}\right);$

其中x，y分别为所选像素点在三维直角坐标系中沿X轴和Y轴方向的坐标值，l为该像素点在三维直角坐标系XOY面的投影到原点的长度，α为图像帧与X轴正方向的夹角，β为相邻两个图像帧的夹角，n为该像素点所在的图像帧编号，FLOOR()表示向下取整函数；

该像素点在其所在图像帧上的二维坐标(a,b)的计算公式如下：

a＝l；

b＝z；

其中a，b分别为该像素点在其所在图像帧上沿横轴和纵轴的坐标值，l为该像素点在三维直角坐标系XOY面的投影到原点的长度，z为该像素点在三维直角坐标系中沿Z轴的坐标值。

本发明的技术方案的进一步特征在于所述步骤四中，二进制数据位为二维数组数据元素的一个二进制位，步骤四所得LED灯由二维数组中第一维下标为n的数据元素的哪一个二进制数据位控制与二维LED旋转屏具体的硬件结构有关，硬件结构不同则对应关系不同，但对于确定的硬件结构，总有唯一的一种对应关系，如果步骤一所取像素点需要点亮，则对应的二维数组的二进制数据位的值修改为1，如果该像素点需要熄灭，则对应的二维数组的二进制数据位的值修改为0。

与背景技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明所述三维模型的每一个像素点都是通过对三维模型进行均匀采样得到的，而不是通过对三维模型进行径向截面截取后做像素化处理得到的，所以像素点分布均匀，不存在越靠近旋转中心像素点越密集的情况，无需进行像素点均匀化处理，减少了计算量。

2.本发明所述三维数据生成方法生成三维数据时，对每个像素点只进行一次简单的计算即可，无需重复计算，所以计算量会非常小，适合进行三维图像的动态显示。

3.本发明所述三维数据生成方法将三维图像的每一个像素点映射到二维数组中的一个二进制数据位上，通过该二维数组来控制显示三维图像，当三维模型发生改变时，只需要对发生改变的像素点进行重新映射即可，无需对未改变的像素点进行计算，所以可以方便的在原三维图像中加入其它三维图像或者删除原三维图像的一部分，在进行三维图像的旋转平移等变换后也只需要对发生改变的像素点进行重新映射，计算量大大减少，适合于进行三维图像的动态显示。现有技术在三维模型发生任何改变时，都需要对整个模型重新运算，计算量过大，影响了三维图像的动态显示效果。

附图说明

图1为本发明基于二维LED旋转屏的真三维显示方法的流程示意图图。

图2为按本发明方法工作的二维LED旋转屏真三维显系统的正面结构示意图。

图3为按本发明方法工作的二维LED旋转屏真三维显系统的背面结构示意图。

图4为按本发明方法工作的二维LED旋转屏真三维显系统LED灯的编号顺序以及图像帧的二维坐标系图。

图2中，1-LED灯；2-LED旋转屏。

图3中，3-碳刷；4-霍尔传感器；5-磁铁；6-支架；7-底座；8-电机控制模块；9-电机；10-铜环；11-显示控制模块；12-无线通信模块；13-控制器。

具体实施方式

本实施例完全按照发明内容中所述的方法的操作步骤进行操作。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

实施本发明所述方法的二维LED旋转显示系统选取右手直角坐标系为参考系，X轴水平向右，Y轴垂直向内，Z轴竖直向上，原点为O。图像帧是围绕旋转轴处于不同角度上的用于组成三维图像的二维图像，图像帧的二维坐标系如图4所示，以其旋转轴为纵轴，正方向竖直向上，以图像帧最下方一行水平方向的LED灯1所在直线为横轴，正方向从旋转中心指向外。图像帧由LED灯1矩阵构成，图像帧上的每个LED灯1具有一个二维坐标。相邻两个图像帧的夹角β为2度。每个图像帧具有一个图像帧编号n并且控制该图像帧的三维数据存储在二维数组的第一维下标为n的数据元素中。二进制数据位为二维数组数据元素的一个二进制位。第一维下标为n的数据元素的每一个二进制数据位控制图像帧编号为n的图像帧上的一个LED灯1的亮灭。二进制数据位的值为0表示LED灯1熄灭，二进制数据位的值为1表示LED灯1点亮。二维LED旋转显示系统的控制器13采用STM32F103C8T6单片机。显示控制模块11采用两组各16片74HC595CMOS移位寄存器。每组的第一个移位寄存器的串行数据输出管脚SQH与该组第二个移位寄存器的数据线SI连接。其余的移位寄存器依次按照这种方式相互串联。每组的第一个移位寄存器的数据线SI单独连接单片机一个MOSI引脚。控制一个图像帧的所有二进制数据位通过MOSI引脚串行移位至所有的74HC595CMOS移位寄存器。单片机的SPI数据速率设为6M。每个移位寄存器有8根输出引脚，每个输出引脚串接10欧姆限流电阻后与LED灯1正极连接。二维数组数据类型定义为8位无符号字符型，二维数组的每个字节刚好可以赋值给一个74HC595CMOS移位寄存器。该字节的8个二进制数据位分别控制与此移位寄存器相连的8个LED灯1。二进制数据位为1和0分别表示控制灯亮和灭。256个LED灯1如图4所示按照16行16列均匀分布在LED旋转屏2上。LED旋转屏2分为左右两个对称的部分，每一侧可以显示一个图像帧，所以LED旋转屏2可以同时显示两个图像帧。构成图像帧的LED灯1的编号如图4所示按照从下到上，从中心向外的顺序，依次编号左0到左127以及右0到右127。每一侧的LED灯1由一组移位寄存器控制。设计PCB布局时安排第一个移位寄存器控制0到7号LED灯1，第二个移位寄存器控制8到15号LED灯1，以此类推，第16个移位寄存器控制第120到127号LED灯1，并且每个移位寄存器的高位输出引脚控制编号较高的LED灯1。控制器13从二维数组中第二维下标最大的字节开始传输数据，依次将控制某个图像帧的所有数据传输至相应的寄存器来控制图像帧的显示。至此二维数组中的二进制数据位与LED灯1的对应关系便确定了下来。本发明按照以下步骤进行操作：

步骤一，获取需要显示三维图像，对三维模型进行均匀采样来获取三维图像的像素点以及像素点在三维直角坐标系中的三维坐标；

步骤二，初始化一个二维数组来存储生成的三维数据，二维数组所有数据元素初始值为0，由于相邻两个图像帧的夹角β为2度，所以二维LED旋转屏旋转一圈显示的总图像帧数为180，取二维数组第一维的长度为180。LED旋转屏2的LED灯1数Num为256个，二维数组的数据类型的长度Len为8，第二维的长度L2计算公式如下：

$L2=\mathrm{CEIL}\left(\frac{256}{2*8}\right)=16;$

其中L2为二维数组第二维长度，CEIL()表示向上取整函数。

步骤三，选取步骤一中的一个像素点(x1,y1,z1)，该像素点对应的图像帧编号n1的计算公式如下：

$l1=\sqrt{({x1}^2+{y1}^2)};$

$\mathrm{\&alpha;}1=\left\{\begin{array}{c}\arccos \left(\frac{x1}{l1}\right)(y1\&GreaterEqual;0)\\ 360-\arccos \left(\frac{x1}{l1}\right)(y1<0)\end{array}\right.;$

$n1=\mathrm{FLOOR}\left(\frac{\mathrm{\&alpha;}1+\frac{2}{2}}{2}\right);$

其中x1，y1分别为所选像素点在三维直角坐标系中沿X轴和Y轴方向的坐标值，l1为该像素点在三维直角坐标系XOY面的投影到原点的长度，α1为图像帧与X轴正方向的夹角，n1为该像素点所在的图像帧编号，FLOOR()表示向下取整函数；

该像素点在其所在图像帧上的二维坐标(a1,b1)的计算公式如下：

a1＝l1；

b1＝z1；

其中a1，b1分别为该像素点在其所在图像帧上沿横轴和纵轴的坐标值，l1为该像素点在三维直角坐标系XOY面的投影到原点的长度，z1为该像素点在三维直角坐标系中沿Z轴的坐标值；

步骤四，根据步骤三得到的图像帧编号n1找到编号为n1的图像帧，再根据步骤三得到的二维坐标(a1,b1)找到该图像帧上具有相同二维坐标的LED灯1，根据所确定的二维数组中的二进制数据位与LED灯1的对应关系找到该二进制数据位，如果步骤一所取像素点需要点亮，则该LED灯1对应的二进制数据位的值修改为1，如果该像素点需要熄灭，则对应的二进制数据位的值修改为0，其余的二进制数据位的值不变；

步骤五，重复步骤三和步骤四，处理完步骤一中获取的所有像素点，便生成了显示三维图像所需要的三维数据，该三维数据存储在二维数组中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于二维LED旋转屏的实时三维数据生成方法，其特征在于，根据三维图像像素点在三维直角坐标系中的三维坐标，将不同的像素点映射到一个二维数组的不同二进制数据位上，具体操作步骤如下：

步骤一，获取三维图像的所有像素点以及像素点在三维直角坐标系中的三维坐标；

步骤二，初始化一个二维数组，其第一维的长度L1等于二维LED旋转屏旋转一圈显示的总图像帧数，第二维的长度L2由二维LED旋转屏的LED灯数Num以及二维数组的数据类型对应的二进制位数Len决定；

步骤三，选取步骤一中的一个像素点，根据其三维坐标确定该像素点对应的图像帧编号n以及在编号为n的图像帧上的二维坐标(a,b)；

步骤四，根据步骤三得到的图像帧编号n找到编号为n的图像帧，再根据步骤三得到的二维坐标(a,b)找到该图像帧上具有相同二维坐标的LED灯，修改二维数组中控制该LED灯的二进制数据位的值，其余的二进制数据位的值不变；

步骤五，重复步骤三和步骤四，处理完步骤一中获取的所有像素点，便生成了显示三维图像所需要的三维数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于二维LED旋转屏的实时三维数据生成方法，其特征在于，所述步骤一中，对三维模型进行均匀采样来获取三维图像的像素点。

3.根据权利要求1所述的一种基于二维LED旋转屏的实时三维数据生成方法，其特征在于，所述步骤二中，二维数组用于存储三维数据，二维数组所有数据元素初始值为0，图像帧是围绕旋转轴处于不同角度上的用于组成三维图像的二维图像，图像帧由LED灯矩阵构成，图像帧上的每个LED灯具有一个二维坐标，每个图像帧具有一个图像帧编号n并且控制该图像帧的三维数据存储在二维数组的第一维下标为n的数据元素中，第一维下标为n的数据元素的每一个二进制数据位控制该图像帧上的一个LED灯的亮灭，二维LED旋转屏每次可以同时显示位于同一平面的两个图像帧，二维数组第二维的长度L2计算公式为：

$L2=\mathrm{CEIL}\left(\frac{\mathrm{Num}}{2*\mathrm{Len}}\right);$

其中L2是二维数组第二维的长度，Num是二维LED旋转屏的LED灯数，Len是二维数组数据类型对应的二进制位数,CEIL()表示向上取整函数。

4.根据权利要求1所述的一种基于二维LED旋转屏的实时三维数据生成方法，其特征在于，所述步骤三中，图像帧的二维坐标系以其旋转轴为纵轴，正方向竖直向上，以图像帧最下方一行水平方向的LED灯所在直线为横轴，正方向从旋转中心指向外，该像素点对应的图像帧编号n的计算公式如下：

$l=\sqrt{(x^2+y^2)};$

$\mathrm{\&alpha;}=\left\{\begin{array}{c}\arccos \left(\frac{x}{l}\right)(y\&GreaterEqual;0)\\ 360-\arccos \left(\frac{x}{l}\right)(y<0)\end{array}\right.;$

$n=\mathrm{FLOOR}\left(\frac{\mathrm{\&alpha;}+\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}}{\mathrm{\&beta;}}\right);$

其中x，y分别为所选像素点在三维直角坐标系中沿X轴和Y轴方向的坐标值，l为该像素点在三维直角坐标系XOY面的投影到原点的长度，α为图像帧与X轴正方向的夹角，β为相邻两个图像帧的夹角，n为该像素点所在的图像帧编号，FLOOR()表示向下取整函数；

该像素点在其所在图像帧上的二维坐标(a,b)的计算公式如下：

a＝l；

b＝z；

其中a，b分别为该像素点在其所在图像帧上沿横轴和纵轴的坐标值，l为该像素点在三维直角坐标系XOY面的投影到原点的长度，z为该像素点在三维直角坐标系中沿Z轴的坐标值。

5.根据权利要求1所述的一种基于二维LED旋转屏的实时三维数据生成方法，其特征在于，所述步骤四中，二进制数据位为二维数组数据元素的一个二进制位，步骤四所得LED灯由二维数组中第一维下标为n的数据元素的哪一个二进制数据位控制与二维LED旋转屏具体的硬件结构有关，硬件结构不同则对应关系不同，但对于确定的硬件结构，总有唯一的一种对应关系，如果步骤一所取像素点需要点亮，则对应的二维数组的二进制数据位的值修改为1，如果该像素点需要熄灭，则对应的二维数组的二进制数据位的值修改为0。