ДИСПЛЕЙ
DISPLAY

Ссылка на родственные заявки
По данной заявке испрошен приоритет швейцарской патентной заявки №0813/06, поданной 18 мая 2006 г. Таким образом, в данную заявку включено в полном объеме описание упомянутой заявки.
Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение касается дисплея для отображения неподвижных и/или движущихся изображений и/или рисунков, содержащего множество отдельных отображающих элементов, расположенных в виде узлов решетки или в виде решетки и находящихся на некотором расстоянии друг от друга, а также управляющее устройство, посредством которого может активироваться свечение отображающих элементов - по отдельности и/или группами. Кроме того, изобретение касается способа эксплуатации такого дисплея.
Уровень техники
Известны различные дисплеи, посредством которых могут отображаться неподвижные или движущиеся изображения или рисунки таким образом, что они могут восприниматься наблюдателем. В частности, известен трехмерный кубический дисплей из 1000 белых светодиодов, расположенных в узлах свободностоящей матрицы 10×10×10 из провода. Кроме того, известно трехмерное кубическое светодиодное устройство для художественных целей с цветными светодиодами, которые размещены следующим образом: 3×3×3, 4×4×4 или 8×8×8.
Краткое изложение сущности изобретения
В основе изобретения лежит задача - усовершенствовать дисплеи вышеназванного типа.
Это достигается благодаря тому, что с одной стороны отображающие элементы образованы непрозрачными, но светопроницаемыми полыми телами, а с другой стороны полые тела в каждом случае содержат внутри себя по меньшей мере один источник света, который снабжен светопроницаемым корпусом и выполнен с возможностью свечения одним цветом из множества цветов с выбранной яркостью в зависимости от управления, а также благодаря тому, что имеется управляющее устройство для отображения изображений и/или рисунков посредством источников света. Предпочтительно каждое полое тело содержит два или больше таких источников света.
Оказалось, что благодаря непрозрачным, но светопроницаемым полым телам, которые в своей полости содержат по меньшей мере один, предпочтительно два или больше источников света, для отображения множества цветов, которые в каждом случае имеют собственный корпус и образуют, предпочтительно вокруг, отображающие элементы, излучающие диффузно и в цвете, и преимущественно размещенные в виде трехмерной решетки, можно создать дисплей, позволяющий лучше отображать для наблюдателя неподвижные и движущиеся изображения и рисунки, для которых ниже также будет использоваться термин "последовательность изображений". В частности, полые тела дают возможность, устанавливать величину светящихся отображающих элементов в зависимости от размера всего дисплея и расстояний между отдельными полыми телами, благодаря чему возможно отображение изображений для большого расстояния рассматривания, что позволяет создавать большие дисплеи.
Предпочтительным является исполнение, при котором полые тела имеют искривленную поверхность, в частности сферической, цилиндрической или полиэдрической формы, в частности имеют кубическую, пирамидальную форму или форму прямоугольного параллелепипеда. Полые тела, например, имеют диаметр или наименьшую длину стороны более 2 см, в частности более 3 см, в особенности, предпочтительно от 3,5 до 5 см. Расстояние между полыми телами преимущественно в 1,5-5 раза больше их диаметра или самой длинной стороны, предпочтительно в 2-3, в частности примерно в 2,5 раза.
Благодаря этому можно изготавливать большие дисплеи, которые, например, подходят для рассматривания на стадионах или в залах. При этом дисплей предпочтительно должен быть выполнен так, чтобы отображающие элементы были либо подвешены к верхней стороне дисплея или прямо к перекрытию помещения, либо прикреплены стоймя к нижней стороне дисплея или прямо к полу помещения. Преимущественно дисплей разделен на отдельные модули, каждый из которых образует отдельно транспортируемую и монтируемую единицу. Кроме того, в частности, когда отображающие элементы подвешены или закреплены стоймя отдельными нитями, является предпочтительным, чтобы отдельные отображающие элементы и/или подвесные детали или, соответственно, детали, установленные стоймя, были соединены друг с другом прозрачными распорками. Подвесные детали можно выполнить в виде печатных плат, которые в этом случае обеспечивают как электрическое, так и механическое соединение отображающих элементов.
Предпочтительно источниками света в полых телах являются RGB-светодиоды, в частности точно два или больше двух светодиодов на каждое полое тело. При предпочтительном варианте реализации на трехмерной конструкции можно отобразить двухмерное изображение с высоким разрешением.
Кроме того, в основе изобретения лежит задача создать способ эксплуатации предлагаемого дисплея, обеспечивающий особенно хорошее отображение изображений.
Эта задача решается благодаря способу в соответствии с пунктом 22 формулы изобретения.
Благодаря этому предпочтительному способу эксплуатации на предлагаемом трехмерном дисплее можно представить двухмерное изображение с высоким разрешением. При этом входной сигнал двухмерного изображения обрабатывается управляющей схемой так, что с определенного места наблюдения посредством трехмерной конструкции из полых тел отображается двухмерное изображение, которое наблюдатель, в сущности, может увидеть только с этого места, причем двухмерное изображение воспроизводится в большем разрешении, чем разрешение, определяемое расположением отображающих элементов в одной плоскости дисплея.
Краткое описание чертежей
Ниже при помощи чертежей варианты реализации изобретения поясняются более подробно. На чертежах показано следующее:
Фиг.1. Схематичное изображение предлагаемого дисплея;
Фиг.2. Изображение модуля дисплея согласно фиг.1;
Фиг.3. Вид на два полых тела;
Фиг.4. Структурная схема блока управления;
Фиг.5. Еще одна структурная схема части блока управления;
Фиг.6. Еще одна структурная схема части блока управления;
Фиг.7. Отображаемое изображение;
Фиг.8. Представление изображения на дисплее;
Фиг.9. Дисплей, как он виден с другого места наблюдения;
Фиг.10. Схематичное изображение для пояснения предпочтительного
способа отображения;
Фиг.11. Еще одно изображение предпочтительного варианта реализации изобретения.
Пути реализации изобретения
На фиг.1 схематично показан принцип конструкции дисплея 1 при предпочтительном варианте его осуществления. Дисплей состоит из большого количества модулей 2, каждый из которых имеет множество отображающих элементов, ниже это еще будет пояснено более подробно. Один из модулей более подробно показан в левом нижнем углу дисплея, остальные модули обозначены лишь схематично посредством разделения верхней стороны дисплея фиг.1. На своей верхней стороне каждый модуль 2, например, может иметь размер 0,5×0,5 м. В этом варианте реализации модуль может иметь 250 отображающих элементов, выполненных в виде полых тел. По длине устройства, показанного в качестве примера, расположено 20 таких модулей, так что в целом длина дисплея составляет 10 м, а по ширине предусмотрено 6 модулей, что дает ширину 3 м. Полые тела предпочтительно установлены так, что они свисают с верхней стороны каждого модуля и простираются от нее вниз примерно на 1 м, так что высота дисплея 1 составляет 1 м. Итак, в таком дисплее, показанном в качестве примера, может быть предусмотрено 30 тыс. отображающих элементов, выполненных в виде полых тел. Отображающие элементы в виде равномерно размещенных узлов решетки установлены в пределах упомянутого объема 10×3×1 м. Разумеется, эти размеры приведены только для примера. Дисплей может иметь как большие, так и меньшие размеры, другим может быть и количество отображающих элементов, выполненных в виде полых тел. Дисплей могут выполнить также лишь в виде двухмерного дисплея таким образом, что у него имеется, например, только передний слой отображающих элементов. В этом случае полые тела могут установить, например, перед стеной. Ниже дисплей объясняется на примере трехмерной конструкции, которая является предпочтительной, но вместе с тем предполагается возможность и двухмерной конструкции.
Преимущественно все модули 2, за исключением одного, выполнены идентично, это упрощает конструкцию такого дисплея. Один модуль 2', который на чертеже схематично изображен в левом заднем углу дисплея, образует соединение для той части управляющего устройства, которая установлена не возле модулей 2, а центрально, и дает возможность управлять дисплеем 1. Эта часть блока управления может быть образована одним или несколькими управляющими компьютерами 3, соединенными с входным модулем, например, посредством шинного интерфейса Ethernet. Остальные соединения осуществляются затем от модуля к модулю, так что получается изображенная простая структура. Тем не менее, это следует воспринимать лишь как пример. Управляющий компьютер 3 также могут соединить отдельно с каждым модулем - посредством проводного или беспроводного соединения. Кроме того, управляющий компьютер 3 могут установить на одном из модулей; соединение 4, таким образом, отпадает. Соединение Ethernet осуществляют известным способом по протоколу Управления Доступом к Среде передачи (УДС (MAC)). На фиг.2 для примера показан модуль 2, имеющий верхнюю несущую конструкцию 20. К этой конструкции подвешены отображающие элементы 21, которые в данном примере выполнены как сферические полые тела. Этот пример, который следует считать предпочтительным, позволяет осуществить несложное крепление отдельных модулей, а вместе с тем и всего дисплея к перекрытию помещения, например, большого зала или стадиона. Тем не менее, дисплей также могут выполнить с отображающими элементами 21, простирающимися от опорной плиты вверх. В этом случае вместо последовательности отображающих элементов 21, свисающих вниз в виде ниток, получается выступание вверх, причем отображающие элементы установлены, например, на стержневых держателях. Кроме того, возможно также боковое выступание от опоры или стены. Несущая конструкция 20 предпочтительно имеет элементы, необходимые для управления соответствующими элементами 21 модуля, например мультиплексоры данных и, по меньшей мере, одно электропитание. Кроме того, она имеет интерфейсы для сопряжения с остальными модулями.
На фиг.2 также показана предпочтительная конструкция, в которой отдельные элементы 21 расположены вдоль множества подвесных ниток. В изображенном примере каждая нитка содержит 10 элементов 21. Модуль заключает в себе, например, 5×5 ниток, таким образом, в целом он имеет 250 элементов 21. В каждой нитке питание для источников света элементов 21 проводят вниз до последнего элемента, начиная от несущей конструкции, вдоль нитки также проводятся сигналы управления отдельными отображающими элементами. Более подробно это будет объяснено ниже. Нитки свисают свободно, но предпочтительно предусмотреть, по меньшей мере, одну распорку, как показано на фиг.2 на примере распорки 22. Распорка 22 предпочтительно действует на соединения 24 между элементами 21 и преимущественно представляет собой прозрачную распорку, например, из плексигласа, как можно меньше затрудняющую рассматривание элементов дисплея.
На фиг.3 показан предпочтительный вариант осуществления отображающих элементов 21. Согласно изобретению эти элементы, с одной стороны, содержат непрозрачные, но светопроницаемые полые тела. В изображенном на фиг.3 примере полое тело имеет сферическую форму. Возможны также другие формы полых тел, например цилиндр, полиэдр, в частности куб, прямоугольный параллелепипед или пирамида. Непрозрачность полого тела, предпочтительно выполненного из пластика, можно получить покрытием прозрачного полого тела с наружной и/или внутренней стороны. Непрозрачность можно получить также благодаря примесям светорассеивающего материала в прозрачном пластике или посредством такой обработки пластиковой поверхности внутренней стороны и/или наружной стороны полого тела, которая вызывает сильное рассеяние света. Благодаря этим или другим мерам, которые специалистам известны, возникает эффект, известный из замутненного, в частности матового, стекла, при котором свет от источника света внутри полого тела хотя и проникает наружу, так что это тело воспринимается, в сущности, как равномерно диффузно излучающее тело, источник света как точечный источник света внутри полого тела не виден. В качестве источника света, находящегося внутри полого тела, преимущественно, в сущности, центрально, предусмотрен, по меньшей мере, один светоизлучающий элемент, снабженный собственным светопрозрачным корпусом, предпочтительно, по меньшей мере, один светодиод 30. Предпочтительно предусмотрено, по меньшей мере, два светодиода, в частности точно два светодиода 30, установленных с обеих сторон платы 31, чтобы получить как можно более равномерное свечение полого тела. Источники света выполнены так, что ими можно управлять управляющим устройством как в отношении их яркости, так и в отношении их цвета. При этом в качестве светодиодов преимущественно применяют так называемые RGB-светодиоды, которые одновременно могут создавать красный, зеленый и синий цвет, так что посредством смешения цветов могут быть отображены любые цвета. Для управления могут применять любые известные специалистам схемы. Вместо упомянутых светодиодов во всех вариантах реализации изобретения могут использовать любые другие источники света, в частности органические светодиоды (ОСИД).
Также предпочтительно нити 24 образованы печатными платами, снабженными проводниками для питания электроэнергией, и сигнальными проводниками для управления ими. В этом случае в районе каждой полости полых тел предпочтительно помещают печатную плату 24 для платы 31, расширенную за счет деталей для эксплуатации и управления источниками света 30. Как видно из фиг.3, полые тела 21 предпочтительно скомпонованы из полусфер. В соответствующем месте крепления оболочек полых тел к нитке 24 могут быть предусмотрены любые крепежные средства и/или стопорные элементы; для предотвращения проникновения воды полые тела предпочтительно уплотнены относительно нитки 24. Это позволяет применять дисплей также под открытым небом и мыть его водой. Как было упомянуто выше, в качестве материала для полых тел в расчет принимается, в частности, пластик, преимущественно образование из поликарбоната (Макролон, Лексан), а также, например, исполнение, при котором полое тело прозрачно на 98,5%, а на 1,5% окрашено белым цветом, что ведет к достижению упомянутого желательного эффекта непрозрачности при одновременной светопроницаемости.
Расстояние между отдельными отображающими элементами 21 дисплея 1 предпочтительно идентично как в пределах отдельных ниток, так и в боковом направлении от нитки к нитке. Тем не менее, могут выбрать и различные расстояния. На фиг.3 и 2 показано расстояние а в пределах каждой нитки 24 и то же самое расстояние а между нитками. Предпочтительно величина расстояния а составляет от примерно 1,5 до примерно 5 диаметров b полого тела. В частности, расстояние а составляет от 2 до 3 диаметров, в особенности примерно 2,5 диаметра полого тела. Если полое тело имеет не сферическую или цилиндрическую форму, то вместо диаметра исходят из наибольшей длины стороны тела. Предпочтительно диаметр тела 21 составляет от 2 до 6 см. Предпочтителен, например, диаметр 4 см и расстояние а, равное 10 см.
Интерфейс блока управления, соединяющий управляющий компьютер 3 блока управления с первым модулем, предпочтительно представляет собой интерфейс Fast Ethernet. В объеме данных может, например, содержаться 4 байта данных на один источник света или одно полое тело и, кроме того, 4 байта управляющей информации. Например, для 10 элементов 21 каждой нитки это дает 44 байта. Если исходить из режима работы с 20 Гц, то получаются 880 байт на одну нитку и одну секунду. Таким образом, для 25 ниток каждого модуля получается величина, равная 22 кбайт в секунду на один модуль, а для 120 модулей показанного для примера дисплея - объем данных 2,64 Мбайт в секунду. Такой объем данных между управляющим компьютером 3 и входным модулем через интерфейс Fast Ethernet может быть передан без затруднений. Передача может осуществляться по обычным межсетевым протоколам IP (по протоколу передач дейтаграмм пользователя (UDP)). Все мультиплексоры данных на модулях снабжены интерфейсом Fast Ethernet, объединены несколькими выключателями и соединены с управляющим компьютером 3.
Структурная схема такого устройства показана на фиг.4. Все соединения Fast Ethernet являются двухточечными соединениями. Таким образом, мультиплексоры данных на модулях (в данном примере 120 шт.) через выключатели могут быть соединены с компьютером 3. На стороне компьютера присутствует главный выключатель, справляющийся с наибольшей скоростью передачи данных. Предпочтительно применяется отдельный от компьютера 3 генератор 5 синхросигнала, передающий сигнал синхронизации, например, каждые 25 мс. Сигнал синхронизации применяется для точного по времени активирования отображения визуальных данных на нитках 24 в отдельных полых телах 21. Благодаря этому изображения, отображаемые дисплеем 1, могут показываться одновременно весьма точно, без необходимости высоких требований к компьютеру 3 относительно реального времени. Отдельные модули и отдельные нитки, а также содержащиеся в них отдельные отображающие элементы снабжены адресами. Компьютер 3 передает данные по соответствующим адресам, поэтому представляемое изображение может быть приведено к отображению посредством активирования соответствующих отображающих элементов. Отдельные источники света или светодиоды предпочтительно управляются задающим устройством постоянного тока. Предпочтительным является разрешение 10 бит на один цвет, это соответствует глубине цвета 30 бит (один миллиард цветов).
На фиг.5 показана блок-схема мультиплексора данных, который могут использовать в модулях. Мультиплексоры данных принимают данные через интерфейс Fast Ethernet и распределяют их по 25 ниткам 24, которые поставлены им в соответствие. Мультиплексор данных, по существу, состоит из одного контроллера доступа к среде 100BaseT (УДС) и одной FPGA, которая буферизирует данные и распределяет их по светодиодным ниткам. Нитки в каждом случае посредством последовательного интерфейса соединены с FPGA. Предпочтительно мультиплексор данных одновременно служит для разводки 25 ниток. Линии передачи данных к отдельным ниткам проводятся как дифференциальные (RS422/RS485) сигналы. При этом в функциональном и электрическом отношении каждый модуль отделен от остальных модулей.
Далее на фиг.6 показано электрическое устройство источника света в каждом элементе 21, для чего в полых телах предусмотрены соответствующие задающие устройства постоянного тока, в которые встроен последовательный интерфейс. Итак, элементы 21 могут соединяться друг с другом по схеме последовательного опроса с двумя сигналами и одним синхрогенератором. Синхросигнал предпочтительно снова подготавливается в каждом полом теле, так что в каждом случае расстояние а должны перемыкать только двухточечные соединения.
Отображаемые на дисплее изображения и рисунки могут рассчитываться и сохраняться в памяти заранее, затем эти изображения или рисунки, или последовательность изображений считываются из запоминающей среды управляющим компьютером и передаются к отдельным светящимся элементам. Напротив, в другом предпочтительном варианте осуществления последовательность изображений создается из входных данных или входных сигналов прямо в реальном времени. Так, например, акустические события посредством микрофона могут быть преобразованы во входные сигналы для управляющего компьютера, затем компьютер преобразует эти акустические события в последовательность изображений в виде рисунков и/или изображений и соответствующим образом управляет светящимися элементами, или входные данные с информацией об изображении из камеры могут быть преобразованы непосредственно в управление светящимися элементами.
Отображение изображений на дисплее может происходить так, что изображения создаются в отдельных плоскостях отображающих элементов, которые вместе дают неподвижное и/или движущееся изображение или рисунок, видимый с различных точек наблюдения. Соответствующее управление отображающими элементами специалистами может быть предпринято без затруднений, поэтому здесь оно подробно не объясняется. Между тем при предпочтительном исполнении блок управления выполнен так или эксплуатация дисплея осуществляется таким образом, что блок управления вычисляет проекцию двухмерных входных данных в дисплей так, что отображение входных данных могут увидеть только с определенного места (горячая точка). Это происходит со значительно более высоким разрешением, чем при упомянутом подходе, при котором данные помещаются в плоскостях с параллельными осями. Фиг.7-9 показывают с одной стороны (фиг.7) двухмерное изображение, которое, как подробнее объясняется ниже, посредством управляющего устройства или согласно предпочтительному способу эксплуатации подготавливается и отображается на предлагаемом дисплее так, что из точки наблюдения, в частности из точки, с которой не смотрят на одну из боковых поверхностей дисплея, дает изображение (фиг.8) с относительно высоким разрешением. На фиг.9 дисплей с изображением показан с другой точки наблюдения, с которой изображение увидеть невозможно. Ниже объясняется, как дисплей управляется управляющим устройством, чтобы на трехмерном дисплее получить такое отображение двухмерного изображения. При этом мы будем ссылаться на фиг.10 и 11.
I
B
Алгоритмом является функция F(p,p,K,u,I), причем согласно фиг.10;
I
p - заданное положение установки в пространстве, обычно центр;
B
p - произвольно выбранное положение в пространстве глаз наблюдателя;
х
I
х
K - конфигурация установки, причем K содержит положения р светящихся тел в пространстве относительно p, а также их диаметр d. К полностью заранее задано для любой установки. Расстояние между светящимися телами в неявной форме задано в р;
u - вектор, задающий направление "вверх", он определяет вращение проекции вокруг центрированного проектирующего луча. Обычно этим вектором является вертикальный вектор любой длины;
I
I - двухмерный входной сигнал. Обычно речь идет о цифровом изображении или видео, но возможна и непрерывно определенная функция. В последнем случае в I также содержится размер сетки R.
В соответствии с алгоритмом по очереди выполняют следующие шаги:
1. Инициализация матрицы проецирования 4×4 Р:
I
B
B
I
B
I
B
Матрица проецирования определяется посредством p, p и u, ее можно рассчитать методом gluLookAt (P, P-P, u), который содержится в бесплатной библиотеке glut Library. Итак, Р описывает изображение (проекцию) трехмерной точки х - например, положение светящегося элемента установки - в двухмерной системе координат виртуальной плоскости ввода π (в которой находится вход I), которая расположена вертикально на соединении между p и p.  представляет собой проецированное положение установки.
х
х
2. После этого для всех светящихся тел р: р∈K
I
x
a. Вектор положения р=p+p перемножается с матрицей проецирования:  причем  описывает положение светящегося тела, спроецированное на плоскость ввода. Так как в случае  речь идет о трехмерном векторе, чтобы получить фактические координаты двухмерного изображения, его еще необходимо спроецировать на плоскость z=1:
,  и . Следовательно,  имеет форму
где х и у описывают положение проекции в двухмерной плоскости π ввода.
b. Чтобы знать протяженность светящегося элемента в плоскости изображения, еще необходимо вычислить радиус сферической проекции:
I
х
B
I
Прибавляют к P+р вектор r, ортогонально расположенный на луче pp, этот вектор имеет длину радиуса светящегося тела d/2:
B
I
i.  расположен перпендикулярно pp
ii.  представляет собой вектор r, нормированный на d/2, где d - диаметр светящегося тела, а  - длина r'.
r
I
х
iii. Теперь посредством  аналогично шагу а можно вычислить проекцию краевой точки p=p+р+r на плоскость ввода изображения.
iv. Проецированный радиус R получается посредством
с. Цвет текущего светящегося тела получается из усредненных цветовых координат всех входных данных  для которых действует соотношение  Устанавливается S=0, с=0. При этом выбор проверяемого  зависит от ввода I:
I
I
i. В случае растрового ввода I=f(x,y), x∈N, y∈N, например, цифровые изображения, видео, для p применяют заданные пикселы. Следовательно, получается R=1 и исполнение, как в случае ii.
I
ii. В случае ввода вида I=f(x,y), x∈R, y∈R, то есть непрерывно определенных функций, ввод еще необходимо растрировать. При этом определенный пользователем параметр R определяет величину приращения, с которой создается . Затем
значения f
I
I
I
I
k=-R/R…R/R, l=-R/R,…R/R проверяются на расстояние  и сравниваются с R. Только если расстояние  меньше или равно R, значение суммируется  и с=с+1.
x
d. Цветовая координата p∈K получается из S/c.
x
3. Следовательно, все светящиеся тела p∈K имеют цветовую координату, которая соответствует среднему значению входных данных I, покрытых проецированной сферой.
Несмотря на то, что в данной заявке описаны предпочтительные варианты реализации изобретения, ясно, что изобретение этими вариантами не ограничено и может быть осуществлено также другим способом в пределах объема следующей формулы изобретения.