旋转式显示技术研究综述

周悦 赵正旭 张庆海

摘  要： 文章对旋转式显示技术进行研究，介绍了旋转式显示基础以和显示控制方法，详细分析了旋转式显示的原理和技术难点。最后对旋转式显示的应用进行了展望。

关键词： 显示技术; 旋转式显示; 三维场景; 旋转部件

中图分类号：TP391.41          文献标识码：A     文章编号：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

人类的生产生活离不开信息的获取，视觉是人类获取外界信息的重要通道，信息处理与显示效率直接影响人对物理世界的信息获取与信息反馈的能力。显示技术根据人的视觉感知特性，通过数字化手段表达视觉信息，方便人们直观获取信息。显示技术已广泛应用于工业制造、农业生产、航空航天、通信工程、医疗服务等领域。

如今显示技术对人类的生产生活方方面面都产生了深刻的影响，已形成了一个巨大的产业。2016年我国国务院印发的《“十三五”国家信息化规划》第四部分重大任务和重点工程中提到：强化战略性前沿技术的超前布局，立足国情，面向世界科技前沿、国家重大需求和国民经济主要领域，加强虚拟现实等新技术基础研发和前沿布局[1]。显示技术是虚拟现实技术[2]的重要分支，在“制造强国”和“网络强国”大战略背景下，我国先后出台了“中国制造2025”和“互联网+”等制造业国家发展实施战略。而如何实现物理世界与信息世界的交互与共融，是当前国内外所共同面临的核心瓶颈[3]。

旋转式显示技术作为新型显示技术具有巨大的发展空间，将其应用到科技探索及工程实践中，可优化显示技术的应用布局，发挥其独特的优势，为我国诸多三维显示、关键信息显示问题提供新的解决思路。

1 旋转式显示基础

1.1 “视觉暂留”现象

“视觉暂留”现象（POV，Persistence of vision）又称“余晖效应”，是人眼的一种特性[4]。即人眼在观察物体时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉影响并不立即消失，仍能继续保留其影像0.1-0.4秒，这种现象被称为“视觉暂留”。该现象早在1824年英国伦敦大学教授皮特.马克.罗葛特的《移动物体的视觉暂留现象》研究报告中最先提出。这是目前动画、电影等视觉媒体形成和传播的根本，同时也是旋转式显示技术实现的重要依据。在旋转式显示技术中，显示器件根据旋转位置快速切换图像数据，在“视觉暂留”现象存在时间内，显示器件旋转一周，人眼可观察到一幅完整的图像。

1.2 显示分辨率

显示分辨率是显示器显示图像时的分辨率，显示分辨率的数值是指整个显示器所有可视面积上像素点的数量，通常用每行像素数列乘每列像素数列。显然，像素点数越多，画面越清晰。显示分辨率是显示器性能的一个重要指标。旋转式显示分辨率为：

P=ColumnN ⑴

其中P为显示分辨率，单位是Px（像素），Column为图像切割列数，N为旋转式显示器件上的最小單位数。当显示器件最小单位数量一定时，图像切割列数越多，显示分辨率越高。

1.3 显示刷新率

传统显示屏幕的显示刷新率由显示器决定，刷新频率越高，图像闪烁和抖动频率越低。对于旋转式显示来说，显示器件作为旋转体，其显示刷新率为：

Fs=（ColumnRv）/x   ⑵

其中Fs为显示刷新率，单位是Hz，Rv为旋转式显示器件的转速，单位是r/s（转/秒），Column为图像切割列数，x为旋转叶数。当图像切割列数与旋转叶数一定时，转速越高，显示刷新率越高。

1.4 显示帧率

显示帧率是指以帧称为单位的图像在显示器上更新的频率。旋转式显示帧率为：

Fr=xRv   ⑶

其中Fr为显示帧率，单位是Hz，Rv为旋转式显示器件的转速，单位是r/s（转/秒），x为旋转叶数。

1.5 显示色彩深度

色彩深度在计算机图形学领域中表示在位图或者视频帧缓冲区中存储1像素的颜色所用的位数，它也称为位/像素。色彩深度越高，可用的颜色就越多。旋转式显示色彩深度由显示器件材质决定。若色彩深度是n位，即有2n种颜色选择，储存每像素所用的位数就是n。世界上所有的颜色都可以分成红、绿、蓝三种颜色，在显示应用中的色彩深度经常为8位（8 bit），可生成256（28）种颜色，红、绿、蓝分别有256种颜色可以调节时，意味着显示器可显示256×256×256=16777216种颜色。该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是目前计算机可理解的最高色彩深度。

2 旋转式显示控制方法

2.1 延时计算法

旋转式显示的数据读取与显示过程需要持续一段时间，这段时间为图像列显示时间段，在该时间段中，数据被禁止更新，程序等待超时，超时之后读取新一组图像列数据，延时并保留一段时间。延时时长的大小，在转速稳定之后反映为图像列的宽度，即延时时间越长，显示的图像列信息在空间中的位移越大，像素位越稀疏，反之亦然。延时计算法前提为已知旋转体每秒旋转r转，则旋转一周的时间为1/r，单位为s/秒。将固定延时时长?t（单位为s/秒）写入显示控制算法中，延时时长与图像列数成反比，则图像列数为：

Column=1/（rt）     ⑷

其中图像列数Column的单位被抵消。

该显示控制方法对于转速极具稳定性的系统而言，减少了程序计算量，提高了控制板的运算效率。但对于意外触碰和不稳定电压的情况，没有适当的处理机制，从而导致图像显示混乱，或图像缺失。

2.2 转速自适应法

获取转速信息，显示控制程序根据转速信息可调整图像列显示时长，避免图像列重叠或缺失的情况出现，提高图像旋转式显示的稳定性。转速自适应法在计算上要比延时计算法复杂一些，在旋转的过程中，利用外部传感器（如红外信号等）产生中断，控制板定时器计时，根据上一周旋转时间计算下一周每个图像列的显示时长。

Micros（）函数返回当前程序运行的微秒数，last_time变量表示上一次中断产生时程序运行的微秒数，rot_time变量表示旋转显示面上一次旋转一周的时间。则计算rot_time的步骤为：

（1） now_time=micros（）; //返回开始运行当前程序时的微秒数

（2） rot_time=now_time-last_time; //旋转一周时间

（3） last_time=now_time;

3 旋转式显示原理

3.1 圆面型旋转式显示原理

利用人眼视觉暂留现象，以旋转轴为中心，显示器件以Rv的速度进行旋转。快速切换显示器件图形数据，可形成完整的图像。旋转式显示平面中的最小显示单位为显示图像中的一个像素点，此种显示方式与传统平板显示不同，对图像进行取模解析时需要获取图像中心直角坐标，发光位置序列在极坐标系中选取，得到极坐标序列之后再转换为直角坐标，获取该位置像素的RGB值。从中心到边界切割为Column列，每一列包含N组RGB值数据，形成RGB值数组。图像切割示意图如图1所示。

根据旋转特性，以转轴作为极点O，M表示旋转式显示平面内的任意一像素点，引一条射线Ox为极轴，以OM作为极径ρ建立极坐标系，Ox到OM的角度为θ，则M的极坐标为（ρ，θ）。像素点坐标系如图2所示。

以转轴为原点O，以Ox为x轴正方向建立平面直角坐标系xOy，M的直角坐标为（x，y）。极坐标与直角坐标之间的映射关系：

{（x=ρcosθ）/（y=ρsinθ）┤   ⑸

公式⑸中（x，y）为M的直角坐标，（ρ，θ）为M的极坐标。

单叶圆面型旋转式显示原理图如图3所示，旋转的过程中，图像列停留在旋转位置。变量Frame表示图像帧数，变量C表示列数，变量N为旋转叶显示器件最小单位数，单叶圆面型旋转式显示L1的RGB值数据读取数组为RGBMatrix[Frame][C][N]，其中C∈[0，Column-1]。

3.2 柱面型旋转式显示原理

柱面型旋转式显示的机械结构不同于圆面型。显示器件竖直旋转为圆柱面。图像展开切割图如图4所示，显示图像像素点坐标选取方法与传统平板显示一致，采用直角坐标系，显示效果为一个圆柱面。

柱面型旋转式显示原理图如图5所示，根据视觉暂留现象，L1竖列逐列扫描，图像列停留在旋转位置。变量Frame表示图像帧数，变量C表示列数，变量N为旋转叶显示器件最小单位数，RGB值数据读取数组为RGBMatrix[Frame][C][N]，其中C∈[0，Column-1]。

3.3 立体型旋转式显示原理

立体型旋转式显示通过旋转显示面构造成像空间。显示面的侧边为轴，显示面宽为半径，旋转为一个圆柱形的成像空间。该显示方式利用显示面的周期性移动进行真三维显示，突破了二维显示平面的界限。

根据旋转速度以及旋转角度控制二维显示面的像素在高匀速旋转中瞬时规律显示，转化为三维物理空间的体素[5]。由于人眼的视觉暂留现象，观察到的不是离散的二维图像切片，是由显示面像素转化为体素后形成的真三维立体图像。立体型旋转式显示原理如图6所示。

三维场景在进行立体型旋转式显示时，需要根据旋转显示面的大小、转速、像素的几何参数和显示时序对三维场景进行体素化计算。1987年Kaufman首次提出体素化（Voxelization）的概念[6-7]，其原理为基于原有三维模型表面数据，通过相应算法及指定的精度，将其转换为体素的表示形式并获得包含模型内部信息的体数据集，故体素化又被称为三维扫描转换（3D Scan Conversion），是体显示领域研究的基础。对三维场景进行体素化的过程中，根据三维场景构建方式，分为点模型的体素化和三角面模型的体素化。旋转平面内的某一像素M（i，j）位于旋轉显示面的第i行，第j列，转化为体素之后，在旋转空间中的柱坐标为M（r，α，z）。设图像切片刷新角度为α，角平面（等同于上下文中的图像列概念）总数为L=2π/α。体素坐标系如图7所示。

4 旋转式显示技术难点

旋转式显示的图像像素和体素呈放射状，且中心轴和显示屏厚度的存在使得屏幕有些区域不能生成像素和体素，而产生死区。旋转臂较长的情况下，中心像素密集，边界像素稀疏，图像易发生失真。对于显示较大图像的需求，可以提高显示器件密度，缩短显示旋转臂长度，可取得更好的显示效果。

5 旋转式显示技术应用展望

5.1复杂三维场景科普展示应用

我国多有不便现场观看的复杂环境或非可及环境[8]，对其进行三维场景的虚拟可视化展示，方便人们了解学习复杂环境或非可及环境。目前复杂三维场景展示技术匮乏，展示形式单一，多数人对不便现场观看的复杂环境不熟悉，不了解，科普教育欠缺，迫切需要新的展示技术来提高复杂三维场景的可读性，利用新型显示媒介为复杂三维场景展示科普提供解决方案。

旋转式显示技术可为复杂三维场景展示提供新的契机，将旋转式显示技术应用到场景展示中，对复杂三维场景科普教育具有重要意义。该技术以强三维纵深的显示方式为科研人员展示一个反映实体对象变化的三维场景，基于人眼视觉暂留现象，消除显示器件的实体视觉印象，三维场景在空中成像，显示科技感增强，让观察者产生身临其境的感觉。相对于大型点阵平板显示器件来讲，旋转式显示通过旋转成像大大缩短了显示器材成本。利用旋转式显示技术展示复杂三维场景及其内部分支结构的三维模型，可增强三维模型的三维逼真度，消除三维场景显示器件，使场景产生更加强烈的三维景深。

5.2 基于旋转部件的信息显示应用

传感器与信息显示技术的结合为物理世界和信息世界的相互交融提供了新的契机，利用旋转式显示技术对关键信息进行直观显示强化物理世界与信息世界的交互能力。利用旋转部件的旋转特性对旋转部件状态监测、环境信息整合、应急信号传输，将信息反映在旋转显示面上，方便相关人员直观获取信息、实时监测和及时反馈控制。

参考文献（References）：

[1] “十三五”国家战略性新兴产业发展规划（全文）[J].中国战略新兴产业，2017.1：57-81

[2] 李敏，韩丰.虚拟现实技术综述[J].软件导刊，2010.9（6）：142-144

[3] 陶飞，刘蔚然，刘检华等.数字孪生及其应用探索[J].计算机集成制造系统，2018.24（1）：1-18

[4] Berthelot Johann，Bonod Nicolas. Free-space micrographics with electrically driven levitated light scatterers[J].Optics letters，2019.44（6）.

[5] 张俊.基于旋转显示屏的真三维立体显示技术研究[D].南京航空航天大学，2009.

[6] Kaufman A，Shimony E.3d scan-conversion algorithms for

voxel-based graphics.Proceedings of ACM，1986：665-672

[7] KaufmanA.Efficient algorithms for 3d scan-conversion of parametric curves surfaces and volumes.Siggraph'1987，1987：171-179

[8] 赵正旭.非可及环境的镜像孪生与实时可视化遥操控[J].青岛理工大学学报，2020.41（6）：1-16，60

收稿日期：2021-04-01

基金項目：广东省科技创新战略专项资金（“攀登计划”专项资金）项目（pdjh2020a0862）

作者简介：叶小艳（1981-），女，湖南长沙人，硕士，副教授，主要研究方向：系统分析与设计。

通讯作者：邓可儿（1998-），女，广东广宁人，本科，主要研究方向：信息管理与信息系统;