開源分享！基于stm32f4的三維旋轉(zhuǎn)顯示平臺設(shè)計

摘要

現(xiàn)實的世界是一個擁有寬度、高度和深度的三維立體世界。在平面二維顯示技術(shù)已經(jīng)成熟的今天，三維立體顯示技術(shù)首當(dāng)其沖的成為了當(dāng)今顯示技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。

本作品搭建了基于stm32f4的三維旋轉(zhuǎn)顯示平臺，它的顯示原理屬于三維顯示中的體三維顯示一類。它是通過適當(dāng)方式來激勵位于透明顯示體內(nèi)的物質(zhì)，利用可見輻射光的產(chǎn)生三維體像素。當(dāng)體積內(nèi)許多方位的物質(zhì)都被激勵后，便能形成由許多分散的體像素在三維空間內(nèi)構(gòu)成三維圖像。

體三維顯示又稱為真三維顯示，因為他所呈現(xiàn)的圖像在真實的三維空間中，展示一個最接近真實物體的立體畫面，可同時允許多人，多角度裸眼觀看場景，無序任何輔助眼鏡。

本作品的特點在于，利用stm32f4的浮點運算能力，實現(xiàn)了低成本的體三維顯示數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，并利用類似分布式處理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，滿足了體三維顯示所需要的巨大數(shù)據(jù)吞吐量，等效吞吐量可達(dá)約300Mb/s

系統(tǒng)方案如圖1所示，整個系統(tǒng)由四個模塊組成，其中數(shù)據(jù)獲取單元主要由在PC上的上位機(jī)完成，利用3D-Max，OpenCV，OpenGL，將三維建模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成三維矢量表述文件，傳給由STM32F4Discovery開發(fā)板構(gòu)成的控制單元，利用其上的角度傳感器，結(jié)合wifi模塊或以太網(wǎng)模塊通過電力線模式傳給LED旋轉(zhuǎn)屏單元，其中的STM32F4負(fù)責(zé)將ASE文件解析成LED顯示陣列所需的點云數(shù)據(jù)流，通過串行總線傳輸給由FPGA驅(qū)動的LED顯示陣列，通過LED刷新速率與機(jī)械單元旋轉(zhuǎn)速率相匹配，從而實現(xiàn)體三維顯示的效果。

系統(tǒng)的機(jī)械部分如圖2所示，顯示面板的硬件結(jié)構(gòu)如圖3，圖4所示。本系統(tǒng)的底部是直流電機(jī)和碳刷，直流電機(jī)主要負(fù)責(zé)帶動上層的顯示屏幕高速旋轉(zhuǎn)，而碳刷則負(fù)責(zé)傳遞能量和通信信號。在顯示屏幕的正面是由96*128構(gòu)成的三色LED點陣，F(xiàn)PGA的PWM信號通過驅(qū)動芯片控制三色LED從而實現(xiàn)真彩顯示。在屏幕背面由多塊STM32F4，SD卡，F(xiàn)IFO構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)解析由控制單元傳過來的ASE文件，并實時生成體三維顯示數(shù)據(jù)，并傳給LED燈板的驅(qū)動FPGA，并通過其實現(xiàn)最終的圖像顯示。

                                                 圖2

                                                  圖3

                                                    圖4

關(guān)于實時生成體三維顯示數(shù)據(jù)的討論：

一個瓦片64*32

LED層FPGA*8：每個16*16LED

中間層stm32*2：每個4LED層的FPGA，也即32*32

由于經(jīng)過壓縮，一個led數(shù)據(jù)為4bits

所以一個stm32每一幀所要生成的數(shù)據(jù)為32*32*0.5bytes = 512bytes

轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)，一幀1/800s = 1.25ms = 1250000ns

stm32f4主頻168Mhz，指令周期 = 5.93ns

約可執(zhí)行20萬多條指令

假設(shè)fsmc總線的速度為50Mhz，則每幀寫入的時間大概在0.02ms內(nèi)

系統(tǒng)創(chuàng)新：

其一，由于高效解析算法的提出，大幅簡化了真三維顯示器顯示數(shù)據(jù)的獲取難度，只需在PC端獲得當(dāng)前較為標(biāo)準(zhǔn)化的三維圖形的三角面頂點數(shù)據(jù)流文件，即可在真三維顯示平臺上顯示出來，使得真三維顯示器的整體顯示流程大為簡化。

其二，由于顯示體的結(jié)構(gòu)分為并行的若干區(qū)塊，各個區(qū)塊只顯示自身的部分，因此顯示屏幕的擴(kuò)大并不會造成數(shù)據(jù)計算量的大幅增加，這就使得本顯示器的擴(kuò)展性大大增強(qiáng)，可以適用于多種多樣的顯示范圍與領(lǐng)域。

其三，由于高效算法的優(yōu)化與區(qū)塊化顯示的優(yōu)勢，并行結(jié)構(gòu)的計算量相對較少，這就使得實時控制得以實現(xiàn)，大大增強(qiáng)了真三維顯示器的應(yīng)用領(lǐng)域。

其四，高效算法與區(qū)塊化顯示使得本三維體顯示器不需要如國內(nèi)外其他同類產(chǎn)品的中所需的高速傳輸方式，因此大大減少了從產(chǎn)品研發(fā)到材料再到加工中各個環(huán)節(jié)的成本。

 評測與結(jié)論在作品的過程中，我們發(fā)現(xiàn)本作品雖然還不是很成熟，也同樣具備較大的應(yīng)用前景與價值。價格成本的極大降低，使得真三維立體顯示的門檻很低，那么在一些對清晰度要求不高，但是希望多層次全角度呈現(xiàn)三維圖像的應(yīng)用領(lǐng)域，我們的真三維立體顯示器能發(fā)揮較大的作用。

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