1、第 39卷第 10期 浙 江 大 學 學 報 (工學版 Journal of Zhejiang University (Engineering Science Vol. 39No. 10收稿日期 :2004205221.浙江大學學報 (工學版 網址 :www. journals. zju. edu. cn/eng作者簡介 :張曉潔 (1979- , 女 , 浙江余姚人 , 博士生 , 從事三維顯示的研究 . E 2mail :zhangxj79hotmail. com旋轉 L ED 陣列體顯示系統的仿真平臺構建張曉潔 , 劉 旭 , 劉向東 , 孟 曉(浙江大學 現代光學儀器國家重點實驗室 ,

2、 浙江 杭州 310027摘 要 :利用開放式圖形庫 Open G L , 模擬和圖像預顯示的軟件仿真平臺 . 該平臺從 3DS , 使用剪切算法轉化為 顯示點集源數據 , 再經坐標變換得到 L L 中的一系列應用程序接口 (application pro 2gramming interface ,A PI , 同時將所得的控制信號生成二進制文件 ,用以驅動顯示 . 、 分割扇區等硬件參數 , .關鍵詞 :; ; 體像素 ; 仿真中圖分類號 :TN873 文獻標識碼 :A 文章編號 :10082973X (2005 1021541204Establishment of simulation p

3、latform for volumetric display system based on rotating LED arrayZHAN G Xiao 2jie ,L IU Xu ,L IU Xiang 2dong ,M EN G Xiao(S tate Key L aboratory of Modern O ptical I nst rumentation , Zhej iang Universit y , H angz hou 310027, China Abstract :A software simulation platform utilizing open Grap hics L

4、ibrary was established , which can p ro 2vide t hree 2dimensional data simulation and p re 2display for volume display system based on a rotating light 2emitting diode (L ED array panel. The information on t hree 2dimensional object obtained f rom 3DS file was t ransformed into point 2set for displa

5、y using shear algorit hm and t urned into cont rol signal of L ED panel by coordinate co nversion. U sing t he application programming interface (A PI f unctions of Open G L , t he plat 2form displays all point 2set for simulation. The binary files including cont rol signal were generated to drive L

6、 ED panel t hrough t he platform. Simulation result s under different parameters could specify some hard 2ware parameters of t he act ual system wit h t he optimal display effect , such as pixel dimension and sector numbers. The display images also could be p re 2evaluated by t he platform. K ey w o

7、rds :3D reconstruction ; 3D model ; volumet ric pixel ; simulation 20世紀 80年代以來 , 三維重建一直是計算機 圖形學的研究熱點之一 . 目前絕大多數的三維重建 都基于計算機圖形圖像學 , 通過透視 、 陰影和明暗效 應等心理深度暗示 1, 利用光線追跡和多邊形生成 技術來實現三維物體的表面重建 . 這類三維重建圖 像不具有雙目視差 、 調節 、 會聚等常規視差信息 , 最 重要的是缺乏運動視差 ; 因此 , 嚴格地說不是真正的三維重建 , 第三維的深度信息不能得到清晰表達和 直觀判斷 .近期出現了一種在真實的三維空間中顯

8、示出立 體圖像 、 可以從寬廣的角度來觀察的空間體顯示技 術 (volumet ric display . 這類技術以高于人眼所能 分辨的頻率 , 使用隨時間定期變化的二維圖像周期 性地掃出一個立體空間 , 由于視覺暫留而形成一幅 空間立體圖像 24. 基于此技術設計的一種旋轉 L ED 陣列的體三維顯示系統 5具有雙目視差 、 運動視差等一系列的生理深度暗示 , 因而具有較大的應 用價值 .在作者的前期工作中 , 設計并建立了一個基于 旋轉 L ED 陣列的體三維顯示系統 , 該顯示系統以 3DS 文件中三維物體的空間位置信息為數據源 , 通過坐標轉換進行空間編碼分解 , 完成從三維源圖像

9、到二維截面序列的分解映射 , 從而得到 L ED 陣列的 控制信號 . 隨著系統體分辨率的提高 , 顯示所需的數 據量成倍增長 , 數據處理的難度也相應增加 . 必要為旋轉 L ED 件仿真平臺 , 實現 , , 比較顯示的優缺 點 , 擬 . 本文將介紹從 3DS 文件中獲取基于旋轉 L ED 陣列三維體顯示系統的三維物體信息的方法 , 討論 如何把所得信息轉換為控制信號的算法 , 實現在 PC 機上重建三維物體的顯示 .1 仿真平臺的構建1. 1 系統原理及結構基于 L ED 面陣列的體三維顯示系統選用 L ED 作為體像素元 , 其基本原理為 :應用 L ED 陣列構成 發光面圖像源 ,

10、L ED 面陣列在電機的驅動下 , 圍繞 轉軸高速旋轉 , 掃描出一個三維的實體圓柱空間 , 用 高速單片機分時控制 L ED 面陣列像素的亮暗 , 根據 人眼的視覺暫留原理 , 觀察者可以看到 L ED 面陣列 旋轉所得的柱體空間內的真實三維圖像 .圖 1 二維顯示屏旋轉形成三維實空間Fig. 1 3D display volume swept by 2D display panel根據上述三維圖像產生的原理 , 系統顯示的三 維圖像空間是一柱狀空間 , 空間的體像素可以通過 在此柱狀空間內旋轉分割來實現 , 如圖 1所示 . 設將 柱狀空間分為 L 個部分 , 則每轉具有 L 扇區 , 每

11、一 扇區是一幅特定的二維圖像出現在 L ED 面陣列上 所貫穿的角度 , 其中所有像素都由單片機控制 , 能被 選擇性激勵以顯示所需圖像 . L ED 面陣列上的圖像每轉被掃描刷新 L 次 , 且每一扇區中應用于陣列的信號都各不相同 , 而三維圖像則是包含所有 L 幅不 同二維圖像的復合圖 . 觀察者的視覺滯留使得所有 扇區看起來似乎是連續存在的 , 也就感知為三維的 圖像 . 因此 , 顯示系統的三維重建過程與常見的三維 重建過程有所不同 , 系統中三維模型的笛卡兒空間幾 息 , . 1. 模 型 文 件 格 式 中 . 主 要 有 . . flt 、 . dxf 、 . obj 、 . d

12、wg 、 . dem 等 . 本文選3DS 文件來作為數據獲取的原始 文件 . 3DS 文件由許多被稱為 chunk 的數據塊組 成 , 塊的信息類別用 ID 來標識 6, 塊的前兩項信息 分別是 :塊的 ID 和塊的長度 . 3DS 文件采用層級結 構 , 其中有一個基本塊 MA IN3DS (0x4D4D , 它包 含了兩個主塊 :編輯塊 EDIT3DS (0x3D3D 和關鍵 幀塊 KE YF3DS (0xB000 . 前者定義模型的形體數 據信息 , 后者定義關鍵幀信息 . 系統主要顯示靜態模 型 , 所以對 EDIT3DS 塊的讀取尤為重要 .最常用的保存三維模型的方法是用多邊形逼近

13、 的方法 , 即用許多小多邊形拼出模型的外觀 4, 文件 中保存這些多邊形的信息 , 用頂點坐標集和相應屬 性參數可以給定一個多邊形表面 , 一旦每個多邊形 的信息輸入后 , 它們被存放在多邊形數據表中以便 用于以后對場景中的物體的處理 、 顯示和管理 . 多邊 形數據表可分為兩組 :幾何表和屬性表 . 幾何表包括 頂點坐標和用來標識多邊形表面空間方向的參數 ; 屬性表包括指明物體透明度及表面反射度的參數和 紋理特征 .3DS 文件是用三角形來逼近模型外觀的 , 有兩個子塊用來定義模型的幾何信息 , 這兩個分別是TRI V ER TEXL 和 TRI FACEL1. 在 TRI V ER 2T

14、EXL 塊中 , 各個頂點的三位坐標以 X 、 Y 、 Z 坐標 形式給出 ; TRI FACEL1主要包含了三角形總數 、 各個頂點序號以及面矢量信息 . 1. 3 顯示點集數據的獲取如前所述 , 體三維顯示系統將三維模型繞轉軸 切分成 L 個二維圖形 , 在 L ED 面板上按時序顯示 . 這 L 個二維圖形就是三維模型分別與 L 個切分面 的交集 . 由于在 3DS 文件中 , 三維模型是由不定個 曲面構成 , 每一個曲面又是由不定個三角形構成 , L ED 面板顯示的數據就是多個三角形與 L ED 面板 的交集 , 即三角面與剪切面的交集 , 可產生 4種結 果 :面在剪切面上 、 相

15、交于一條線 、 相交于一個頂點2451浙 江 大 學 學 報 (工學版 第 39卷 和空集 . 所有的交點構成了顯示所需點集 . 這些點均 在卡迪爾坐標系中給出 , 由于系統原理決定了顯示 空間為一柱體 , 將其卡迪爾坐標轉化為柱坐標便可 方便地確定 L ED 面板的控制信號 . 下面以卡迪爾坐 標系中的一條直線為例 , 說明如何將三維信息轉換 為轉軸切分的二維圖形集進行掃描 .設三維顯示系統的 L ED 面板的尺寸為 H R (單位 :mm , 其 中 H 為 L ED 面 板 的 高 度 , R 為 L ED 面板從轉動中心至邊緣的半徑 , 面板像素間距 為 d , 像素距中心軸距離為 r

16、 (r R , 像素高度為 h (h H , 卡迪爾空間的直線方程為d =e=f. , :e (r co s -a =d (r sin -b ,f (r co s -a =e (h -c .式中 :=2N/L (N =0, 1, 2, 3, , L , 由此可確 定點的 (r , , h 值 , 也即對應硬件像素點的控制信號 為 0xFF , 其余為 0x00. 將所有控制信號按時序寫入 二進制文件 , 再通過燒寫器下載到 L ED 驅動面板的 Flashrom 中 .1. 4 使用 Open G L 在 PC 機上仿真該系統Open G L 是一個硬件發生器的軟件接口 , 其主 要目的是將二

17、維 、 三維物體繪制到一個幀緩存里 , 它 包括幾百個圖形函數 , 可以用來建立三維模型和進 行三維實時交互 . Open G L 提供了基本的點 、 線 、 多 邊形的繪制函數 , 同時也提供了很多環境和場景的 設置函數 . 仿真平臺的構建只是簡單模擬三維物體 的幾何信息 , 并不涉及到 Open G L 的高級應用 . 仿真軟件首先調用 Choo sePixel Format (hDC , &pixelDesc 設置像素存儲格式 , 該函數的功能是使 一個設備描述表支持的合適像素格式與一個給定的 像素格式定義相匹配 ; 然后調用 wglCreateContext (hDC 建立 hDC 所

18、關聯的 Open G L 繪圖上下文 (RC , 使之適于在 hDC 給出的設備上畫圖 , 并具有 與之相同的像素格式 , 調用 wglMakeCurrent (hDC , hglrc 將一個指定的繪圖描述表變為正在調用線 程 , 再次對燈光 、 材質等環境相關參數進行初始化 ; 最后采用點繪制函數將使用切面算法后所得的點繪 制到計算機屏幕上 . 圖 2為仿真平臺界面 , 界面右上 的彈出式對話框用來輸入 L ED 面板參數 , 從而得到 不同的仿真結果 .圖 2 仿真平臺界面Fig. 2 Interface of simulation platform2 仿真結果及討論2. 1 仿真顯示與實

19、際顯示的對比被仿真的旋轉 L ED 陣列體顯示系統采用像素 為 12832的 L ED 面板 , 轉速為 10r/s , 每轉按照 人眼時間分辨頻率要求以及 L ED 面板掃描尋址時 間分割為 200個扇區 . 同時軟件也按照上述參數對 三維模型進行切割并仿真顯示 . 圖 3為一架飛機的 仿真顯示結果與系統實際顯示結果的比較 .圖 3 仿真結果和實際顯示結果的比較Fig. 3 Display results of simulation platform and actual system 從圖 3(a 、 (b 可以看出 , 軟件仿真得到的圖形與 系統顯示的圖形相似度較高 . 由于旋轉 L E

20、D 陣列體 顯示系統的體像素呈輻射態分布 , 系統中心靠近轉軸 3451 第 10期 張曉潔 , 等 :旋轉 L ED 陣列體顯示系統的仿真平臺構建 區域像素密集且間距較小 , 而遠離轉軸區域像素較少且間距較大 , 這就導致飛機機翼和尾翼處細節不明 顯 , 呈現輻射條狀顯示 ; 軟件仿真也得到了同樣結果 . 2. 2 對不同 L ED 面板參數的仿真仿真軟件可以模擬顯示不同 L ED 面板參數下 的系統顯示結果 , 其關鍵在于可以選擇最佳系統參 數來進行設計 . 圖 4(a (c 分別顯示了不同 L ED 面板參數下蝴蝶的仿真結果 . 可以看出 , 增加面板像 素數和切割扇區數可以更充分地表現

21、細節 , 達到更 好的顯示效果 ; 但是一味增加面板像素數和切割扇 . 圖 4(b 、 (c 可以看出 , 面像素 、 200加到 480480 圖 4 不同面板參數 (面像素和扇區數 下的仿真結果Fig. 4 Results of simulation under different parameters3 結 語利用 Open G L 構建了專門為 L ED 三維體顯示系統服務的軟件仿真平臺 , 通過對 3DS 文件的讀 取 、 平面剪切和坐標變換實現了在 PC 機上的三維 仿真顯示 . 、 像素個數 、 分割 . , 通過平臺仿真可對圖像質 , 對系統的軟件設計也具有指導意義 .參考文獻 (R eferences :1WIC KENS C D. Three 2dimentional stereoscopic displayimplementation , guidelines derived f rom human visual capabilities A .SPIE Stereoscopic Displays and Appli 2cations C.Santa Clara :SPIE ,