旋轉(zhuǎn)式顯示技術(shù)研究綜述

周悅 趙正旭 張慶海

摘? 要： 文章對旋轉(zhuǎn)式顯示技術(shù)進行研究，介紹了旋轉(zhuǎn)式顯示基礎(chǔ)以和顯示控制方法，詳細分析了旋轉(zhuǎn)式顯示的原理和技術(shù)難點。最后對旋轉(zhuǎn)式顯示的應用進行了展望。

關(guān)鍵詞： 顯示技術(shù); 旋轉(zhuǎn)式顯示; 三維場景; 旋轉(zhuǎn)部件

中圖分類號：TP391.41????????? 文獻標識碼：A???? 文章編號：1006-8228（2021）08-12-05

Research on rotating display technology

Zhou Yue1， Zhao Zhengxu2， Zhang Qinghai2

（1. School of Information Science and Technology， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang， Hebei 050043， China;

2. Institute of Complex Networks and Visualisations， Qingdao University of Technology）

Abstract： This paper studies the rotating display technology， introduces the basis and control method of rotating display， and analyzes the principle and technical difficulties of rotating display in detail. Finally， the application of rotating display is prospected.

Key words： display technology; rotating display; 3D scene; rotating parts

0 引言

人類的生產(chǎn)生活離不開信息的獲取，視覺是人類獲取外界信息的重要通道，信息處理與顯示效率直接影響人對物理世界的信息獲取與信息反饋的能力。顯示技術(shù)根據(jù)人的視覺感知特性，通過數(shù)字化手段表達視覺信息，方便人們直觀獲取信息。顯示技術(shù)已廣泛應用于工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天、通信工程、醫(yī)療服務等領(lǐng)域。

如今顯示技術(shù)對人類的生產(chǎn)生活方方面面都產(chǎn)生了深刻的影響，已形成了一個巨大的產(chǎn)業(yè)。2016年我國國務院印發(fā)的《“十三五”國家信息化規(guī)劃》第四部分重大任務和重點工程中提到：強化戰(zhàn)略性前沿技術(shù)的超前布局，立足國情，面向世界科技前沿、國家重大需求和國民經(jīng)濟主要領(lǐng)域，加強虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā)和前沿布局[1]。顯示技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)[2]的重要分支，在“制造強國”和“網(wǎng)絡強國”大戰(zhàn)略背景下，我國先后出臺了“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”等制造業(yè)國家發(fā)展實施戰(zhàn)略。而如何實現(xiàn)物理世界與信息世界的交互與共融，是當前國內(nèi)外所共同面臨的核心瓶頸[3]。

旋轉(zhuǎn)式顯示技術(shù)作為新型顯示技術(shù)具有巨大的發(fā)展空間，將其應用到科技探索及工程實踐中，可優(yōu)化顯示技術(shù)的應用布局，發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢，為我國諸多三維顯示、關(guān)鍵信息顯示問題提供新的解決思路。

1 旋轉(zhuǎn)式顯示基礎(chǔ)

1.1 “視覺暫留”現(xiàn)象

“視覺暫留”現(xiàn)象（POV，Persistence of vision）又稱“余暉效應”，是人眼的一種特性[4]。即人眼在觀察物體時，光信號傳入大腦神經(jīng)，需經(jīng)過一段短暫的時間，光的作用結(jié)束后，視覺影響并不立即消失，仍能繼續(xù)保留其影像0.1-0.4秒，這種現(xiàn)象被稱為“視覺暫留”。該現(xiàn)象早在1824年英國倫敦大學教授皮特.馬克.羅葛特的《移動物體的視覺暫留現(xiàn)象》研究報告中最先提出。這是目前動畫、電影等視覺媒體形成和傳播的根本，同時也是旋轉(zhuǎn)式顯示技術(shù)實現(xiàn)的重要依據(jù)。在旋轉(zhuǎn)式顯示技術(shù)中，顯示器件根據(jù)旋轉(zhuǎn)位置快速切換圖像數(shù)據(jù)，在“視覺暫留”現(xiàn)象存在時間內(nèi)，顯示器件旋轉(zhuǎn)一周，人眼可觀察到一幅完整的圖像。

1.2 顯示分辨率

顯示分辨率是顯示器顯示圖像時的分辨率，顯示分辨率的數(shù)值是指整個顯示器所有可視面積上像素點的數(shù)量，通常用每行像素數(shù)列乘每列像素數(shù)列。顯然，像素點數(shù)越多，畫面越清晰。顯示分辨率是顯示器性能的一個重要指標。旋轉(zhuǎn)式顯示分辨率為：

P=ColumnN ⑴

其中P為顯示分辨率，單位是Px（像素），Column為圖像切割列數(shù)，N為旋轉(zhuǎn)式顯示器件上的最小單位數(shù)。當顯示器件最小單位數(shù)量一定時，圖像切割列數(shù)越多，顯示分辨率越高。

1.3 顯示刷新率

傳統(tǒng)顯示屏幕的顯示刷新率由顯示器決定，刷新頻率越高，圖像閃爍和抖動頻率越低。對于旋轉(zhuǎn)式顯示來說，顯示器件作為旋轉(zhuǎn)體，其顯示刷新率為：

Fs=（ColumnRv）/x ? ⑵

其中Fs為顯示刷新率，單位是Hz，Rv為旋轉(zhuǎn)式顯示器件的轉(zhuǎn)速，單位是r/s（轉(zhuǎn)/秒），Column為圖像切割列數(shù)，x為旋轉(zhuǎn)葉數(shù)。當圖像切割列數(shù)與旋轉(zhuǎn)葉數(shù)一定時，轉(zhuǎn)速越高，顯示刷新率越高。

1.4 顯示幀率

顯示幀率是指以幀稱為單位的圖像在顯示器上更新的頻率。旋轉(zhuǎn)式顯示幀率為：

Fr=xRv ? ⑶

其中Fr為顯示幀率，單位是Hz，Rv為旋轉(zhuǎn)式顯示器件的轉(zhuǎn)速，單位是r/s（轉(zhuǎn)/秒），x為旋轉(zhuǎn)葉數(shù)。

1.5 顯示色彩深度

色彩深度在計算機圖形學領(lǐng)域中表示在位圖或者視頻幀緩沖區(qū)中存儲1像素的顏色所用的位數(shù)，它也稱為位/像素。色彩深度越高，可用的顏色就越多。旋轉(zhuǎn)式顯示色彩深度由顯示器件材質(zhì)決定。若色彩深度是n位，即有2n種顏色選擇，儲存每像素所用的位數(shù)就是n。世界上所有的顏色都可以分成紅、綠、藍三種顏色，在顯示應用中的色彩深度經(jīng)常為8位（8 bit），可生成256（28）種顏色，紅、綠、藍分別有256種顏色可以調(diào)節(jié)時，意味著顯示器可顯示256×256×256=16777216種顏色。該色彩深度最早用于彩色Unix工作站，低分辨率的VGA，Super VGA，AGA，color Macintoshes是目前計算機可理解的最高色彩深度。

2 旋轉(zhuǎn)式顯示控制方法

2.1 延時計算法

旋轉(zhuǎn)式顯示的數(shù)據(jù)讀取與顯示過程需要持續(xù)一段時間，這段時間為圖像列顯示時間段，在該時間段中，數(shù)據(jù)被禁止更新，程序等待超時，超時之后讀取新一組圖像列數(shù)據(jù)，延時并保留一段時間。延時時長的大小，在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定之后反映為圖像列的寬度，即延時時間越長，顯示的圖像列信息在空間中的位移越大，像素位越稀疏，反之亦然。延時計算法前提為已知旋轉(zhuǎn)體每秒旋轉(zhuǎn)r轉(zhuǎn)，則旋轉(zhuǎn)一周的時間為1/r，單位為s/秒。將固定延時時長?t（單位為s/秒）寫入顯示控制算法中，延時時長與圖像列數(shù)成反比，則圖像列數(shù)為：

Column=1/（rt） ? ? ⑷

其中圖像列數(shù)Column的單位被抵消。

該顯示控制方法對于轉(zhuǎn)速極具穩(wěn)定性的系統(tǒng)而言，減少了程序計算量，提高了控制板的運算效率。但對于意外觸碰和不穩(wěn)定電壓的情況，沒有適當?shù)奶幚頇C制，從而導致圖像顯示混亂，或圖像缺失。

2.2 轉(zhuǎn)速自適應法

獲取轉(zhuǎn)速信息，顯示控制程序根據(jù)轉(zhuǎn)速信息可調(diào)整圖像列顯示時長，避免圖像列重疊或缺失的情況出現(xiàn)，提高圖像旋轉(zhuǎn)式顯示的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)速自適應法在計算上要比延時計算法復雜一些，在旋轉(zhuǎn)的過程中，利用外部傳感器（如紅外信號等）產(chǎn)生中斷，控制板定時器計時，根據(jù)上一周旋轉(zhuǎn)時間計算下一周每個圖像列的顯示時長。

Micros（）函數(shù)返回當前程序運行的微秒數(shù)，last_time變量表示上一次中斷產(chǎn)生時程序運行的微秒數(shù)，rot_time變量表示旋轉(zhuǎn)顯示面上一次旋轉(zhuǎn)一周的時間。則計算rot_time的步驟為：

（1） now_time=micros（）; //返回開始運行當前程序時的微秒數(shù)

（2） rot_time=now_time-last_time; //旋轉(zhuǎn)一周時間

（3） last_time=now_time;

3 旋轉(zhuǎn)式顯示原理

3.1 圓面型旋轉(zhuǎn)式顯示原理

利用人眼視覺暫留現(xiàn)象，以旋轉(zhuǎn)軸為中心，顯示器件以Rv的速度進行旋轉(zhuǎn)。快速切換顯示器件圖形數(shù)據(jù)，可形成完整的圖像。旋轉(zhuǎn)式顯示平面中的最小顯示單位為顯示圖像中的一個像素點，此種顯示方式與傳統(tǒng)平板顯示不同，對圖像進行取模解析時需要獲取圖像中心直角坐標，發(fā)光位置序列在極坐標系中選取，得到極坐標序列之后再轉(zhuǎn)換為直角坐標，獲取該位置像素的RGB值。從中心到邊界切割為Column列，每一列包含N組RGB值數(shù)據(jù)，形成RGB值數(shù)組。圖像切割示意圖如圖1所示。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)特性，以轉(zhuǎn)軸作為極點O，M表示旋轉(zhuǎn)式顯示平面內(nèi)的任意一像素點，引一條射線Ox為極軸，以OM作為極徑ρ建立極坐標系，Ox到OM的角度為θ，則M的極坐標為（ρ，θ）。像素點坐標系如圖2所示。

以轉(zhuǎn)軸為原點O，以Ox為x軸正方向建立平面直角坐標系xOy，M的直角坐標為（x，y）。極坐標與直角坐標之間的映射關(guān)系：

{（x=ρcosθ）/（y=ρsinθ）┤ ? ⑸

公式⑸中（x，y）為M的直角坐標，（ρ，θ）為M的極坐標。

單葉圓面型旋轉(zhuǎn)式顯示原理圖如圖3所示，旋轉(zhuǎn)的過程中，圖像列停留在旋轉(zhuǎn)位置。變量Frame表示圖像幀數(shù)，變量C表示列數(shù)，變量N為旋轉(zhuǎn)葉顯示器件最小單位數(shù)，單葉圓面型旋轉(zhuǎn)式顯示L1的RGB值數(shù)據(jù)讀取數(shù)組為RGBMatrix[Frame][C][N]，其中C∈[0，Column-1]。

3.2 柱面型旋轉(zhuǎn)式顯示原理

柱面型旋轉(zhuǎn)式顯示的機械結(jié)構(gòu)不同于圓面型。顯示器件豎直旋轉(zhuǎn)為圓柱面。圖像展開切割圖如圖4所示，顯示圖像像素點坐標選取方法與傳統(tǒng)平板顯示一致，采用直角坐標系，顯示效果為一個圓柱面。

柱面型旋轉(zhuǎn)式顯示原理圖如圖5所示，根據(jù)視覺暫留現(xiàn)象，L1豎列逐列掃描，圖像列停留在旋轉(zhuǎn)位置。變量Frame表示圖像幀數(shù)，變量C表示列數(shù)，變量N為旋轉(zhuǎn)葉顯示器件最小單位數(shù)，RGB值數(shù)據(jù)讀取數(shù)組為RGBMatrix[Frame][C][N]，其中C∈[0，Column-1]。

3.3 立體型旋轉(zhuǎn)式顯示原理

立體型旋轉(zhuǎn)式顯示通過旋轉(zhuǎn)顯示面構(gòu)造成像空間。顯示面的側(cè)邊為軸，顯示面寬為半徑，旋轉(zhuǎn)為一個圓柱形的成像空間。該顯示方式利用顯示面的周期性移動進行真三維顯示，突破了二維顯示平面的界限。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)速度以及旋轉(zhuǎn)角度控制二維顯示面的像素在高勻速旋轉(zhuǎn)中瞬時規(guī)律顯示，轉(zhuǎn)化為三維物理空間的體素[5]。由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，觀察到的不是離散的二維圖像切片，是由顯示面像素轉(zhuǎn)化為體素后形成的真三維立體圖像。立體型旋轉(zhuǎn)式顯示原理如圖6所示。

三維場景在進行立體型旋轉(zhuǎn)式顯示時，需要根據(jù)旋轉(zhuǎn)顯示面的大小、轉(zhuǎn)速、像素的幾何參數(shù)和顯示時序?qū)θS場景進行體素化計算。1987年Kaufman首次提出體素化（Voxelization）的概念[6-7]，其原理為基于原有三維模型表面數(shù)據(jù)，通過相應算法及指定的精度，將其轉(zhuǎn)換為體素的表示形式并獲得包含模型內(nèi)部信息的體數(shù)據(jù)集，故體素化又被稱為三維掃描轉(zhuǎn)換（3D Scan Conversion），是體顯示領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)。對三維場景進行體素化的過程中，根據(jù)三維場景構(gòu)建方式，分為點模型的體素化和三角面模型的體素化。旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的某一像素M（i，j）位于旋轉(zhuǎn)顯示面的第i行，第j列，轉(zhuǎn)化為體素之后，在旋轉(zhuǎn)空間中的柱坐標為M（r，α，z）。設圖像切片刷新角度為α，角平面（等同于上下文中的圖像列概念）總數(shù)為L=2π/α。體素坐標系如圖7所示。

4 旋轉(zhuǎn)式顯示技術(shù)難點

旋轉(zhuǎn)式顯示的圖像像素和體素呈放射狀，且中心軸和顯示屏厚度的存在使得屏幕有些區(qū)域不能生成像素和體素，而產(chǎn)生死區(qū)。旋轉(zhuǎn)臂較長的情況下，中心像素密集，邊界像素稀疏，圖像易發(fā)生失真。對于顯示較大圖像的需求，可以提高顯示器件密度，縮短顯示旋轉(zhuǎn)臂長度，可取得更好的顯示效果。

5 旋轉(zhuǎn)式顯示技術(shù)應用展望

5.1復雜三維場景科普展示應用

我國多有不便現(xiàn)場觀看的復雜環(huán)境或非可及環(huán)境[8]，對其進行三維場景的虛擬可視化展示，方便人們了解學習復雜環(huán)境或非可及環(huán)境。目前復雜三維場景展示技術(shù)匱乏，展示形式單一，多數(shù)人對不便現(xiàn)場觀看的復雜環(huán)境不熟悉，不了解，科普教育欠缺，迫切需要新的展示技術(shù)來提高復雜三維場景的可讀性，利用新型顯示媒介為復雜三維場景展示科普提供解決方案。

旋轉(zhuǎn)式顯示技術(shù)可為復雜三維場景展示提供新的契機，將旋轉(zhuǎn)式顯示技術(shù)應用到場景展示中，對復雜三維場景科普教育具有重要意義。該技術(shù)以強三維縱深的顯示方式為科研人員展示一個反映實體對象變化的三維場景，基于人眼視覺暫留現(xiàn)象，消除顯示器件的實體視覺印象，三維場景在空中成像，顯示科技感增強，讓觀察者產(chǎn)生身臨其境的感覺。相對于大型點陣平板顯示器件來講，旋轉(zhuǎn)式顯示通過旋轉(zhuǎn)成像大大縮短了顯示器材成本。利用旋轉(zhuǎn)式顯示技術(shù)展示復雜三維場景及其內(nèi)部分支結(jié)構(gòu)的三維模型，可增強三維模型的三維逼真度，消除三維場景顯示器件，使場景產(chǎn)生更加強烈的三維景深。

5.2 基于旋轉(zhuǎn)部件的信息顯示應用

傳感器與信息顯示技術(shù)的結(jié)合為物理世界和信息世界的相互交融提供了新的契機，利用旋轉(zhuǎn)式顯示技術(shù)對關(guān)鍵信息進行直觀顯示強化物理世界與信息世界的交互能力。利用旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)特性對旋轉(zhuǎn)部件狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境信息整合、應急信號傳輸，將信息反映在旋轉(zhuǎn)顯示面上，方便相關(guān)人員直觀獲取信息、實時監(jiān)測和及時反饋控制。

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收稿日期：2021-04-01

基金項目：廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項資金（“攀登計劃”專項資金）項目（pdjh2020a0862）

作者簡介：葉小艷（1981-），女，湖南長沙人，碩士，副教授，主要研究方向：系統(tǒng)分析與設計。

通訊作者：鄧可兒（1998-），女，廣東廣寧人，本科，主要研究方向：信息管理與信息系統(tǒng);