CN110503908A - 一种pov显示交互方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种POV显示交互方法及系统。本发明利用一维LED线阵进行发光和光感检测，通过一维LED线阵的高速旋转获得二维图案图像的显示效果，利用通过照明工具进行光感输入，一维LED线阵实时检测照明工具输入的光感信号并对显示的二维图案图像产生变化反馈实现光感交互；同时采用无线谐振供电远程驱动一维LED线阵工作，进行显示和交互功能。本发明方法和系统实现成本低，电路紧凑简洁，使用范围广，可应用于多种室内外显示交互场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种POV显示和交互方法，特别涉及了一套完整POV显示和交互系统。
背景技术
视觉暂留(POV)即视觉的短暂停留。根据医学原理，人眼观看物体时，物体的像会成到视网膜上。视网膜上的光感细胞将光信号转换为生物电信号通过视神经传给大脑；然而，当物体移去后，视神经对物体的印象不会立刻消失，具体时间大概在1/24秒内不会消失，这种现象叫做视觉暂留。平时我们看的电视，电影等就是利用了该原理，当静态画面以超过每秒24帧画面的速度连续播放时，这时候人眼感受到的画面是动态的。
在现代社会中，当下最常见的LED显示屏大多为固定的点阵排列。这种点阵排列的优点在于结构简单，易于控制，但是随着人们生活要求的提高，它的缺点也愈加明显：硬件连接复杂，成本大，只能用于平面展示容易形成视觉疲劳。在这些背景下，利用POV的原理，有人设计了旋转LED显示屏，通过旋转的方式让一列LED在不同的位置使特定的LED发光而形成图形或者文字从而得到二维显示效果，它是利用人眼的视觉暂留效应而成的动态显示屏，这种装置在静态时只是普通的LED，但是旋转的时候就会看到二维的显示图案。
目前的POV技术围绕LED的显示控制方面，没有具体成熟的显示屏交互方案，这也是因为POV技术方案的高速旋转的特点们无法接入传统的各种二维交互传感器，因此无法实现全屏复杂交互，只能进行简单的光或者射频遥控。如何和高速旋转的LED屏之间完成直接的互动，让观众能够获取更多的信息和更多样的体验，这是一个亟待解决的突破点。
发明内容
基于上述背景对于当前POV显示技术发展概况描述，本发明的目的在于提供一种POV显示交互方法，在现有的POV显示技术的基础加入了直接的互动功能，并且建立了一套无线供电和旋转驱动测速的POV显示交互系统。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是：
一、一种POV显示交互方法：
本发明利用一维LED线阵进行发光和光感检测，光感输入检测是检测照明工具光束的光感信号，通过一维LED线阵的高速旋转获得二维图案图像的显示效果，利用通过照明工具进行光感输入，一维LED线阵实时检测照明工具输入的光感信号并对显示的二维图案图像产生变化反馈实现光感交互；同时采用无线谐振供电远程驱动一维LED线阵工作，进行显示和交互和旋转功能。同时本发明采用旋转驱动电流探测的方法在旋转显示的过程中保持显示图像的稳定性并进行光感输入的定位。具体是指根据旋转位置的角度信息结合光输入的LED位置信息，可以定位二维显示画面的具体光输入位置，实现二维画面的交互。
所述的一维LED线阵同时拥有发光功能和光照检测功能，通过发光功能和光照检测功能分别实现了显示功能和光感交互功能，通过开关电路周期性高频地控制一维LED线阵照明和光照检测的切换时间段交替工作，实现显示功能和光感交互功能的高频周期性切换，但使得人肉眼感知到显示功能和光感交互功能的同时进行。
带动照明工具发出的光束照射到一维LED线阵上并移动，一维LED线阵通过光感检测获得光束的移动变化，进而反馈控制自身所POV显示的二维图案图像发生变化。
二、一种POV显示交互系统，其特征在于：
系统包括至少一个POV显示交互装置，每个POV显示交互装置包括发射线圈、旋转驱动装置和旋转板，旋转板上固定布置一维LED线阵、驱动探测控制电路、两个接收线圈和两个电源驱动电路，两个接收线圈经各自的电源驱动电路连接到旋转驱动装置、驱动探测控制电路，旋转驱动装置和一维LED线阵均电连接驱动探测控制电路；接收线圈和发射线圈无线连接，发射线圈向接收线圈发射无线能量，电源驱动电路将接收线圈接收到的无线交流电转换为直流电并对旋转驱动装置、驱动探测控制电路分别进行供电；旋转板一端安装在旋转驱动装置上，由旋转驱动装置带动旋转板旋转，进而带动旋转板上的一维LED线阵旋转进行POV显示。
还包括照明工具，照明工具朝向一维LED线阵照射，一维LED线阵带有光强传感器，一维LED线阵以发光功能和光照检测功能的高频交替控制进行照明，在发光功能工作时一维LED线阵发光照明，在光照检测功能工作时一维LED线阵通过自身表面的光强传感器检测照明工具的光照，使得一维LED线阵能共同实现发光和光强检测；照明工具发出的光束照射在一维LED线阵上，光束作为交互输入信号被一维LED线阵接收并输入到驱动探测控制电路，由驱动探测控制电路分析处理光束大小、位置和移动等特征，进而反馈对一维LED线阵的照明和旋转驱动装置的旋转进行控制，形成交互反馈，从而实现一种新的POV显示交互形式。
当该系统工作时可由LED发光得到二维图像，并可利用手电和激光笔等照明工具照射屏幕来进行互动。
所述的一维LED线阵由多个LED沿线形排列而成，多个LED并联输出显示和实现交互。
所述的旋转驱动装置包括电机和旋转轴，电机机体固定于旋转板底端，电机的输出轴和旋转轴一端同轴连接，旋转轴另一端和发射线圈同轴连接，电机经一个电源驱动电路连接到接收线圈。
所述的驱动探测控制电路包括单片机、第一模数转换模块、显示驱动模块、串并变换模块和信号处理模块，单片机经另一个电源驱动电路和接收线圈连接，旋转驱动装置经第一模数转换模块和单片机连接，单片机依次经显示驱动模块、串并变换模块和一维LED线阵的光照控制端连接，一维LED线阵的光强传感器输出端依次经信号处理模块、第二模数转换模块和单片机连接。
所述的旋转驱动装置的电源接口与驱动探测控制电路的第一模数转换模块相连接，旋转驱动装置每旋转一周会在电源接口处检测到电流波纹，经过第一模数转换模块采样后转为脉冲信号，根据脉冲信号计算获得旋转板实时旋转的角速度和角度位置。
所述的旋转驱动装置和驱动探测控制电路采用了无线供电的方式，无线供电装置包括发射线圈，接收线圈和电源驱动电路。
所述的旋转板为平板或者圆弧形板。
所述的照明工具为激光笔或聚光手电等发光装置。
优选地，具体可包括多个POV显示交互装置，多个POV显示交互装置的发射线圈为同一个由发射线圈驱动多个POV显示交互装置。
本发明具有的有益效果是：
(1)本发明所设计的POV显示交互方法，不仅可以让一维LED线阵实现二维的显示效果，同时增加了POV显示面和人之间的交互功能，以照明工具作为控制信号实现一种直接的交互。增强了信息传播的效率和人的体验感，趣味性。
(2)本发明所设计的POV显示交互方法，采用了电机测速的方法和无线供电的方式，使得系统电路结构更为简洁高效，而且在封闭环境中也能使用。
(3)本发明的实现方法和系统具有实现成本低，使用范围广，可应用于室内外多种显示交互场合的优点。
附图说明
图1是装置整体结构示意图。
图2是驱动探测控制电路结构图。
图3是圆盘式POV显示交互系统效果图。
图4时球形立体POV显示交互系统效果图。
图中：1.发射线圈，2.旋转驱动装置，21.电机，22.旋转轴，3.接收线圈，4.电源驱动电路，5.旋转板，6.一维LED线阵，7.驱动探测控制电路，8.照明工具，9.第一模数转换模块，10.单片机，11.显示驱动模块，12.串并变换模块，13.信号处理模块，14.LED弧形阵，15.连接杆，16.第二模数转换模块。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步描述和说明。
如图1所示，系统具体实施包括至少一个POV显示交互装置，每个POV显示交互装置包括发射线圈1、旋转驱动装置2和旋转板5，旋转板5上固定布置一维LED线阵6、驱动探测控制电路7、两个接收线圈3和两个电源驱动电路4，一维LED线阵6、驱动探测控制电路7、接收线圈3、电源驱动电路4均固定安装在同一旋转板5上，一维LED线阵6平铺布置于旋转板5表面，两个接收线圈3经各自的电源驱动电路4连接到旋转驱动装置2、驱动探测控制电路7，旋转驱动装置2和一维LED线阵6均电连接驱动探测控制电路7；接收线圈3和发射线圈1无线连接，发射线圈1向接收线圈3发射无线能量，电源驱动电路4将接收线圈3接收到的无线交流电转换为直流电并对旋转驱动装置2、驱动探测控制电路7分别进行供电，从而实现无线供电；旋转板5一端安装在旋转驱动装置2上，由旋转驱动装置2以特定速率带动旋转板5旋转，进而带动旋转板5上的一维LED线阵6旋转进行POV显示。
旋转驱动装置2包括电机21和旋转轴22，电机21机体固定于旋转板5底端，电机21的输出轴和旋转轴22一端同轴连接，旋转轴22另一端和发射线圈1同轴连接，电机21经一个电源驱动电路4连接到接收线圈3。
旋转驱动装置2以特定速率带动旋转板5及其上的一维LED线阵6不断旋转，从而得到二维图案图像的显示，并进一步结合照明工具8实现二维交互效果。
发射线圈1和电机21同轴，直径在垂直方向上大于两接收线圈3外缘，发射线圈1发射高频功率的无线能量信号，在旋转时两接收线圈3通过耦合谐振从发射线圈1稳定接收获得高频无线能量并通过电源驱动电路4分别给旋转驱动装置2和驱动探测控制电路7供电，再由驱动探测控制电路7传递到一维LED线阵6进行供电。
本发明采用无线谐振线圈为旋转驱动装置2和LED显示探测电路7远距离供电，利用发射线圈1和接收线圈3之间的耦合谐振稳定获得高频无线能量，且发射线圈1的直径范围在垂直方向上覆盖接收线圈3以达到能量传输的效果。
具体实施设置照明工具8，照明工具8朝向一维LED线阵6照射，一维LED线阵6带有光强传感器，一维LED线阵6以发光功能和光照检测功能的高频交替控制进行照明，在发光功能工作时一维LED线阵6发光照明，在光照检测功能工作时一维LED线阵6通过自身表面的光强传感器检测照明工具8的光照，具体实施可以以脉冲波形控制一维LED线阵6的工作，使得一维LED线阵6能共同实现发光和光强检测；照明工具8发出的光束照射在一维LED线阵6上，光束作为交互输入信号被一维LED线阵6接收并输入到驱动探测控制电路7，由驱动探测控制电路7分析处理光束大小、位置和移动等特征，进而反馈对一维LED线阵6的照明和旋转驱动装置2的旋转进行控制，形成交互反馈，从而实现一种新的POV显示交互形式。
具体实施中，例如带动照明工具8在一维LED线阵6正面前方移动，发出的光束从一侧移动到另一侧，通过一维LED线阵6的检测获得光束的移动路径和位置，进而通过旋转驱动装置2旋转控制和一维LED线阵6的每一个LED的照明控制，使得POV显示的二维图案图像同样发生移动，或者其他变化(形状或者大小或者位置等)。
一维LED线阵6由多个LED沿线形排列而成，多个LED并联输出显示和实现交互。具体实施中，每个LED的发光芯片旁设置有一个光强传感器。
如图2所示，驱动探测控制电路7包括单片机10、第一模数转换模块9、显示驱动模块11、串并变换模块12和信号处理模块13，单片机10经另一个电源驱动电路4和接收线圈3连接，旋转驱动装置2的电机21经第一模数转换模块9和单片机10连接，单片机10依次经显示驱动模块11、串并变换模块12和一维LED线阵6的光照控制端连接，一维LED线阵6的光强传感器输出端依次经信号处理模块13、第二模数转换模块16和单片机10连接。
在一维LED线阵6进行显示照明时，由单片机10发出显示控制信号，经由显示驱动模块11和串并变换模块12转换为多路输出到一维LED线阵6的每一个LED。
在一维LED线阵6通过光强传感器接收照明工具8发出的光束时，即为交互功能时，照明工具8发出的光束照射光强传感器，光强传感器由于光生伏特效应原理产生电压电流信号，将电压电流信号经过信号处理模块13的滤波和放大，再由第二模数转换模块16进行信号采样，输入到单片机10中形成用于表征照明工具8交互输入动作的信号，可进一步对信号进行判断和分析再反馈达到交互目的。
旋转驱动装置2的电机21的电源接口与驱动探测控制电路7的第一模数转换模块9相连接，旋转驱动装置2的电机21每旋转一周会在电源接口处检测到电流波纹，经过第一模数转换模块9采样后转为脉冲信号，根据脉冲信号计算获得旋转板5实时旋转的角速度和角度位置。同时为了保证显示画面的稳定性，将脉冲信号作为本帧画面的起始时间，每旋转一圈同步一次显示图像，同步控制一维LED线阵6显示二维图案图像。进一步地，利用该角速度和角度位置的信息结合一维LED线阵6的光强传感器所检测到的光强最强信号位置定位到照明工具8光感输入的位置。
由此，通过开关电路周期性高频地控制一维LED线阵6照明和光照检测的切换时间段交替工作，实现通过发光功能和光照检测功能的高频周期性切换，进而实现了显示功能和光感交互功能的高频周期性切换，但使得人肉眼感知到显示功能和光感交互功能的同时进行。
具体实施还可采用包括多个POV显示交互装置，多个POV显示交互装置的发射线圈1为同一个，即共用一个发射线圈1，由发射线圈1驱动一个或多个POV显示交互装置。
实施例1
圆盘式POV显示交互系统：
如图3所示，旋转板5为平板状，旋转板5绕垂直于平板的轴线在平板所在平面内旋转，得到了图示的圆盘显示效果。
底座是直径为30cm的发射线圈1工作在300kHz-1MHz，在系统工作时向接收线圈3发射10瓦功率，收发线圈的距离为5-10厘米。中心不断旋转的轴为旋转驱动装置2。旋转驱动装置2中，电机21选用无刷直流电机如KINGKONG1306，工作功率为8.2W，旋转驱动装置2和旋转板5焊接在一起，旋转驱动装置2转动时会通过电机21带动整个旋转板5的旋转。
根据视觉暂留的原理，转速过低会导致显示画面的闪烁，为了观察到稳定且完整的动态图像，LED在同一位置出现的间隔时间不宜超过0.1s，设置电机21的转速为2000r/s，该转速可以清晰的看到动态文字和图像等信息的显示。同时旋转驱动装置21旋转时测速电路实时采集旋转驱动装置2驱动电源线上和旋转速度、角度有关的周期性电流脉冲信号，通过计算获得一维LED线阵6的实时速度和角度，利用此信息可同步二维显示内容和定位光感输入的位置。
旋转板5上，接收线圈3直径大小为8cm，在距中心轴9cm处呈轴对称分布，因此在垂直方向被发射线圈1的直径范围所覆盖，两者通过耦合谐振获得高频无线能量，再通过电源驱动电路4给旋转驱动装置2提供8V的输入电压，给驱动探测控制电路7提供5V的输入电压。
驱动探测控制电路7构成如图2，单片机10选用宏晶科技STC12C5A32S2，相比普通的51单片机有更多的IO接口，晶振频率为18.42MHz。一维LED线阵6为显示功能时，由单片机10发出显示控制信号，经由显示驱动模块11，MAX6969和串并变换模块12，74HC595转换为并行输出到一维LED线阵6；一维LED线阵6由20个高亮度LED组成，彼此独立输出，当有照明工具8的光照射在LED上，由光伏效应得到电压电流信号，反过来输入到单片机10中进行光信息判断以达到交互的目的。
系统工作时，一维LED线阵6通过稳定的旋转获得二维的平面动态图像效果，同时可以通过照明工具实现和屏幕的互动。
例如在各种交互游戏中，显示不同颜色和形状构成的图案，用光源照射特定颜色的图案区域，然后显示的图案根据光照区域的不同切换成不同的图案。再例如在信息显示应用中，显示各种文字信息，用光源照射不同的区域进行文字的显示切换，可实现切换文字信息的上一部分内容或下一部分内容。还有比如当二维显示画面为钟表时，可以通过照明工具8的照射控制分针秒针的移动以调整时间，即通过光源的输入信号不同，显示画面会实时发生变化。
实施例2
球形立体POV显示交互系统：
如图4所示，旋转板5为圆弧板状，旋转板5绕垂直于经过圆弧所在圆心的轴线在球面上旋转，得到了图示的球面显示效果。并且在旋转驱动装置2的电机21机体侧固定安装有一个连接杆15，连接杆15中安装有两个直径较小的接收线圈3。
LED的排列方式为直径10厘米的弧形，由33个贴片型高亮度LED排列而成，当系统工作时，LED弧形阵14围绕旋转轴22旋转可以得到一个完整的球形3D显示效果。LED弧形阵14被安装在旋转板5上，另外供电的接收线圈3，电源驱动电路4，旋转驱动装置2和驱动探测控制电路7也安装于同一旋转板5上，接收线圈3有两个，圆心在距中心轴5cm处呈轴对称分布，直径大小为6cm，和底座处的发射线圈1通过耦合谐振的方式传输能源，电源驱动电路4收集能量转换为直流电为旋转驱动装置2和驱动探测控制电路7供电。
旋转驱动装置2中，电机21为直流无刷电机比如型号为KINGKONG1306，工作电压为8V，功率为8.2W。旋转驱动装置2和连接杆15连接，连接杆15的一段焊接有旋转板5，旋转驱动装置2转动时会带动连接杆15和整个旋转板5的旋转，为了保证显示图像的质量和3D效果，电机21的具体转速为3000r/s，旋转周期为20ms。
如图2所示，驱动探测控制电路7以单片机10为主要控制芯片，型号为AT89S52，AT89S52逻辑能力强且工作量大，与显示驱动模块11，MAX6969连接，再通过串并变换模块12，74HC595，LED发光时，单片机10给出显示控制信号，经过显示驱动模块11和串并变换模块12，74HC595转换为33路并行控制信号输入LED显示电路中。当用照明工具8照射正在转动的LED弧形阵14时，会产生光生电压电流，该信号经过信号处理模块13后输入单片机实现人和屏幕间的互动。最下方的底座是直径为22cm的发射线圈1，工作在300kHz-1MHz，在系统工作时向接收线圈3发射10瓦功率，收发线圈的距离为10厘米。
系统工作时，一维LED线阵6通过稳定的旋转获得二维的球面动态图像效果，同时可以通过照明工具实现和屏幕的互动。
例如在教育教学上利用球面显示地球海洋和陆地的形状，用光源照射球面，根据照射照射的位置在显示图案上叠加相关位置的陆地和海洋的地理名称和地理信息等文字内容。再比如显示画面为3D地图，可以通过照明工具8照射具体区域进行地图的放大和缩小，再比如游戏应用，利用入射光源的命令控制游戏画面中的人物或者物体实现交互。
以上所述，仅是本发明系统在圆盘型和球形立体POV显示交互系统中的实例而已，并非对本发明的方法和系统做任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种POV显示交互方法，其特征在于：本发明利用一维LED线阵(6)进行发光和光感检测，通过一维LED线阵(6)的高速旋转获得二维图案图像的显示效果，利用通过照明工具(8)进行光感输入，一维LED线阵(6)实时检测照明工具(8)输入的光感信号并对显示的二维图案图像产生变化反馈实现光感交互；同时采用无线谐振供电远程驱动一维LED线阵(6)工作，进行显示和交互功能。
2.根据权利要求1所述的一种POV显示交互方法，其特征在于：所述的一维LED线阵(6)同时拥有发光功能和光照检测功能，通过发光功能和光照检测功能分别实现了显示功能和光感交互功能，通过开关电路周期性高频地控制一维LED线阵(6)照明和光照检测的切换交替工作，实现显示功能和光感交互功能的高频周期性切换，但使得人肉眼感知到显示功能和光感交互功能的同时进行。
3.根据权利要求1所述的一种POV显示交互方法，其特征在于：带动照明工具(8)发出的光束照射到一维LED线阵(6)上并移动，一维LED线阵(6)通过光感检测获得光束的移动变化，进而反馈控制自身所POV显示的二维图案图像发生变化。
4.一种POV显示交互系统，其特征在于：包括至少一个POV显示交互装置，每个POV显示交互装置包括发射线圈(1)、旋转驱动装置(2)和旋转板(5)，旋转板(5)上固定布置一维LED线阵(6)、驱动探测控制电路(7)、两个接收线圈(3)和两个电源驱动电路(4)，两个接收线圈(3)经各自的电源驱动电路(4)连接到旋转驱动装置(2)、驱动探测控制电路(7)，旋转驱动装置(2)和一维LED线阵(6)均电连接驱动探测控制电路(7)；接收线圈(3)和发射线圈(1)无线连接，发射线圈(1)向接收线圈(3)发射无线能量，电源驱动电路(4)将接收线圈(3)接收到的无线交流电转换为直流电并对旋转驱动装置(2)、驱动探测控制电路(7)分别进行供电；旋转板(5)一端安装在旋转驱动装置(2)上，由旋转驱动装置(2)带动旋转板(5)旋转，进而带动旋转板(5)上的一维LED线阵(6)旋转进行POV显示。
5.根据权利要求4所述的一种POV显示交互系统，其特征在于：还包括照明工具(8)，照明工具(8)朝向一维LED线阵(6)照射，一维LED线阵(6)带有光强传感器，一维LED线阵(6)以发光功能和光照检测功能的高频交替控制进行照明，在发光功能工作时一维LED线阵(6)发光照明，在光照检测功能工作时一维LED线阵(6)通过自身表面的光强传感器检测照明工具(8)的光照，使得一维LED线阵(6)能共同实现发光和光强检测；照明工具(8)发出的光束照射在一维LED线阵(6)上，光束作为交互输入信号被一维LED线阵(6)接收并输入到驱动探测控制电路(7)，由驱动探测控制电路(7)分析处理光束大小、位置和移动等特征，进而反馈对一维LED线阵(6)的照明和旋转驱动装置(2)的旋转进行控制，形成交互反馈。
6.根据权利要求4所述的一种POV显示交互系统，其特征在于：
所述的一维LED线阵(6)由多个LED沿线形排列而成，多个LED并联输出显示和实现交互。
7.根据权利要求4所述的一种POV显示交互系统，其特征在于：
所述的旋转驱动装置(2)包括电机(21)和旋转轴(22)，电机(21)机体固定于旋转板(5)底端，电机(21)的输出轴和旋转轴(22)一端同轴连接，旋转轴(22)另一端和发射线圈(1)同轴连接，电机(21)经一个电源驱动电路(4)连接到接收线圈(3)。
8.根据权利要求4所述的一种POV显示交互系统，其特征在于：
所述的驱动探测控制电路(7)包括单片机(10)、第一模数转换模块(9)、显示驱动模块(11)、串并变换模块(12)和信号处理模块(13)，单片机(10)经另一个电源驱动电路(4)和接收线圈(3)连接，旋转驱动装置(2)经第一模数转换模块(9)和单片机(10)连接，单片机(10)依次经显示驱动模块(11)、串并变换模块(12)和一维LED线阵(6)的光照控制端连接，一维LED线阵(6)的光强传感器输出端依次经信号处理模块(13)、第二模数转换模块(16)和单片机(10)连接。
9.根据权利要求8所述的一种POV显示交互系统，其特征在于：
所述的旋转驱动装置(2)的电源接口与驱动探测控制电路(7)的第一模数转换模块(9)相连接，旋转驱动装置(2)每旋转一周会在电源接口处检测到电流波纹，经过第一模数转换模块(9)采样后转为脉冲信号，根据脉冲信号计算获得旋转板(5)实时旋转的角速度和角度位置。
10.根据权利要求4所述的一种POV显示交互系统，其特征在于：
包括多个POV显示交互装置，多个POV显示交互装置的发射线圈(1)为同一个由发射线圈(1)驱动多个POV显示交互装置。
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