Vincent Vision: Ein aktives statisches LED Matrix 3D Festkörperdisplay

Präsentation zum Thema: "Vincent Vision: Ein aktives statisches LED Matrix 3D Festkörperdisplay"—  Präsentation transkript:

1 Vincent Vision: Ein aktives statisches LED Matrix 3D Festkörperdisplay
Thomas Stielow, Lisa von Holten, Daniel Kensik, Malte Beckmann, Lena Reitmann, Steffen Kaminski, Alexander Morosow Vincent-Lübeck-Gymnasium – Vincent Vision Projekt, Stade Sehr geehrte Damen und Herren, liebe Eltern und Freunde, Wir wollen Sie ganz herzlich zu der Präsentation des Vincent Vision Projekts begrüßen.

2 Inhalt Einleitung Techniken Systemaufbau 3D- Applikationen
Zukunftsvisionen Wir haben unseren Vortrag in fünf Hauptpunkte eingeteilt und werden im Laufe der Präsentation genauer auf diese Eingehen. Wir beginnen mit einer Einleitung in das Thema, gefolgt von Beispielen verschiedener Techniken. Anschließend folgt die Erläuterung des Systemaufbaus und verschiedener 3D Applikationen. Wir schließen unsere Präsentation mit einigen Zukunftsvisionen. .

3 Einleitung Möglichkeiten der 3D- Darstellung
TV Bild Altes Gemälde 3D-Computerspiel Da der Mensch in einer drei-dimensionalen Welt lebt, hat er auch das Bedürfnis seine Umgebung dreidimensional darzustellen. Das ist im Laufe der Zeit auf verschiedene Arten mehr oder weniger gelungen, zunächst einmal durch drei-dimensionale Darstellung in Gemälden, im Fernsehen und im Bereich der Computerspiele als dreidimensionale Grafiken. Doch all diesen ist gemein, dass sie als dreidimensionale Objekte nur auf zweidimensionalen Oberflächen angesehen werden können und die Räumlichkeit durch Überschneidungen, Schattierungen und Konvergenz lediglich suggeriert wird. Um jedoch wirklich räumliche, also dreidimensionale, Bilder zu sehen bedarf es eines dreidimensionalen Displays, welches unsere Umwelt in Echtzeit und farbig abbildet. In unserer Präsentation wollen wir Ihnen eine spezielle Gruppe der 3D-Displays näher bringen. Vincent Vision LED 3D Display 3

4 Möglichkeiten zur 3D-Bildarstellung
Stereoskopie Holographie Volumetrische Displays Es gibt im Wesentlichen drei Verfahren zur dreidimensionalen Darstellung: Die Stereoskopie, die Holografie und die volumetrische Displays. Volumetrische Displays sind außerdem in der Lage echt dreidimensionale Bilder zu erzeugen, die ohne jegliche Hilfsmittel von allen Seiten betrachtet werden können. Zu diesen Methoden gehört unter anderem auch unser LED 3D Display. Allen diesen Verfahren ist gemein, dass Lichtpunkte in einem begrenzten Raum erzeugt werden. 4

5 Volumetrische Displays Verfahren mit bewegter Projektionsfläche
Erzeugung von Lichtpunkten mithilfe von Laserstrahlen Erzeugung von Lichtpunkten durch LEDs Im Folgenden möchte ich Ihnen die volumetrischen Displays genauer erläutern. Zum einen gibt es Verfahren mit bewegter Projektionsfläche. Hierbei hat man zwei verschiedene Möglichkeiten dreidimensionale Bilder zu erstellen. Einerseits kann man die Bilder mithilfe von Laserstrahlen erzeugen. Dabei wird mit Laserstrahlen auf eine rotierende Fläche gestrahlt. Durch die Rotation erreicht die Fläche jeden Punkt im Displayvolumen. Wenn der Laserstrahl suf die Fläche trifft, entsteht ein Lichtpunkt. Andererseits ist eine Erzeugung von Lichtpunkten durch LEDs denkbar. Dabei sind LEDs auf der rotierenden Fläche angebracht. Durch das Anschalten dieser LEDs können die Lichtpunkte direkt auf der Fläche erzeugt werden, ohne äußere Lichtquelle. Im diesen Falle spricht man auch von aktiven Verfahren. 5

6 Volumetrische Displays Statische Verfahren
Erzeugung von Lichtpunkten durch Floureszensanregung Erzeugung von Lichtpunkten durch LEDs Zum anderen gibt es die statischen Verfahren. Auch hier sind zwei Methoden zur Bilderzeugung möglich. Bei der Darstellung von Bildern auf der Basis der Fluroreszenzanregung wird ein Lichtpunkt mithilfe von unsichtbaren Infrarot Laserstrahlen erzeugt. Diese Laserstrahlen werden in einen festen Block gelenkt, der mit einem floureszierenden Material dotiert ist. Am Kreuzungspunkt der Laserstrahlen ist eine so hohe energie vorhanden, dass der flourezierende Stoff sichtbares Licht emittiert. Das zweite statische Verfahren basiert auf der Erzeugung von Lichtpunkten durch LEDs. Bei ihnen wird das Displayvolumen selbst von LEDs gebildet. So wie unser LED 3D Display was wir Ihnen heute vorstellen möchten.

7 Zwei-dimensionale und drei-dimensionale Bilderzeugung nach dem Rasterverfahren
Im Folgenden möchte ich auf die Bilderzeugung im zweidimensionalen und dreidimensionalen Fall eingehen. Im zweidimensionalen Fall werden die Bilder, digitale Fotos aus zweidimensionalen Pixeln, hier rot markiert, dargestellt. Dieses Verfahren nennt man Rasterverfahren. Auch im dreidimensionalen Fall spricht man vom Rasterverfahren. Jedoch werden die zweidimensionalen Pixel durch dreidimensionale Voxel, volumetrischen Pixel, Lichtpunkte, ersetzt. Auf unserer Folie wird auf diese Weise rechts eine Pyramide nach dem Rasterverfahren grob dargestellt. i aktivierte Voxel Digitales Bild bestehend aus Pixeln Gerastertes 3D Bild bestehend aus Voxeln (volumetrischen Pixeln)

8 Pionierarbeit 1956 – Martin Ruderfer patentiert den konzeptionellen Aufbau eines Rasterdisplay Bereits im Jahre 1956 entwickelte der Amerikaner Martin Ruderfer als einer der ersten Pioniere die Pläne für den Bau eines statischen volumetrischen Displays. Hierfür schlug er einen drei-dimensionalen Aufbau, bestehend aus einem Drahtgitter vor. In seinem Vorschlag nannte er verschiedene Möglichkeiten für die Erzeugung von Voxeln an Schnittpunkten des Drahtgitters, die in dieser Grafik durch runde Kreise dargestellt sind (zeigen). Bei dieser Methode dachte er an eine Erzeugung von Lichtpunkten durch „Elektrisch betriebene Lampen“ oder Xenon Lampen.

9 Erzeugung eines Voxels in unserem LED Displays nach dem Rasterverfahren
- Reihe - Säule Die Voxel in unserem LED 3D Display werden durch LEDs erzeugt. Diese LEDs sind in einer Gittermatrix angeordnet, die aus einzelnen Ebenen besteht. Bei unserem Beispiel ist im Vordergrund die Ebene der weißen LEDs, es folgt die, der hellgrauen LEDs und im Hintergrund befinden sich die Schwarzen. Die Ebenen bestehen aus Gitternetzen, an deren Kreuzungspunkten LEDs angeordnet sind, wie schon bereits von Ruderfer angedacht wurde. Die Ansteuerung der einzelnen LEDs wird über die Aktivierung der betreffenden Reihen und Säulen umgesetzt. In unserem Beispiel wollen wir die gelb markierte LED aktivieren. Dafür müssen wir sowohl die Rot markierte Säule, als auch die grün markierte horizontale Reihe aktivieren.

10 3-dimensionale Bilddatei Horizontale Ebenentreiber:
Systemarchitektur 3-dimensionale Bilddatei Computer Computer: Datenerzeugung und Kompilierung Mikrocontroller: Datenverarbeitung und Ausgabe zur Bilderzeugung 3D Interface Säulentreiber: Steuerung der horizontalen Ebenen Horizontale Ebenentreiber: Steuerung der Horizontalen Ebenen Im Folgenden möchte ich die Systemarchitektur anhand eines Flussdiagramms verdeutlicht. Diese Grafik zeigt den Weg einer 3D Bilddatei bis hin zur Darstellung im Displayvolumen. Die Datei zur Anzeige eines 3-dimensionalen Bildes wird vom Computer auf die Auflösung des Displays heruntergerechnet und anschließend in hexadezimal Code kompiliert, d.h. umgewandelt, mit dem der Prozessor arbeitet. Diese Hexadezimaldatei wird auf den Mikrocontroller übertragen. Dieser Steuert nun über die Säulentreiber und die Ebenentreiber die Koordinaten der Bildpunkte an und erzeugt so das 3-dimensionale Bild im Displayvolumen. Displayvolumen

11 Exemplarische Erläuterung der Steuerungselektronik anhand eines 4x4x4 Cubes
Ebene Säule Nun möchten wir ihnen die Steuerungselektronik exemplarisch anhand eines 4x4x4 Cubes erläutern. Zunächst können sie hier einen blau eingefärbten Würfel sehen, der hier als Displayvolumen fungiert. Als erstes wollen wir mit dem Grundaufbau anfangen. Hier können sie die LEDs grau eingefärbt sehen. Sie sind in einem 4x4x4 Raster angeordnet, sodass sich die Gesamtzahl von 64 bildet, da 4 mal 4 mal 4 = 64 ist. Wir haben hier in diesem Beispiel eine Ebene rot markiert. Die sich darauf befindlichen LEDs haben wir gelb eingefärbt. Der Begriff Ebene umfasst alle LEDS, die sich hinter- und nebeneinander auf einer Horizontalen befinden. Insgesamt haben wir vier Ebenen. Des Weiteren gibt es in unserem Display noch 16 Säulen. Eine Säule umfasst 4 untereinander liegende LEDs. Unser Display hat eine Grundfläche von 4x4 LEDs, sodass sich 16 Säulen bilden. Die Säulen verlaufen senkrecht durch die Ebenen, an den Kreuzungspunkten befinden sich die LEDs. Displayvolumen mit LEDs (4x4x4 = 64 LEDs) Displayvolumen mit einer Ebene (4x4 = 16 LEDs) Displayvolumen mit 4x4 Säulen Displayvolumen mit einer Säule (4 LEDs) 11

12 Exemplarische Erläuterung der Steuerungselektronik anhand eines 4x4x4 Cubes
Doch wie funktionier nun eigentlich die Steuerungselektronik? Wie wird das Bild dargestellt? Diese Fragen werden wir im Folgenden aufgreifen. Wir haben unsere Steuerungselektronik in zwei Hauptbereiche unterteilt. Zum Einen gibt es den Säulentreiber, der für die Ansteuerung der Säulen zuständig ist, und den Ebenentreiber, welcher die Ebenen steuert. Zunächst wollen wir den Säulentreiber behandeln. Er steuert alle 16 Säulen in einer Matrix an. Die Komponenten haben insgesamt einen großen Vorteil, da wir so durch den Säulentreiber nicht alle 16 Säulen ansteuern müssen, sonder mit 7 Datenleitungen auskommen. Die Zahl 7 entsteht durch die verwendeten Bauteile: Zum einen gibt es ein Schieberegister und zum anderen einen Datenbus, alles zusammen kann man mit 7 Steuerleitungen betreiben. Er ist der Hauptakteur in unserem Display, da er die LEDs an- und ausschaltet. Zum Anderen haben wir auch noch einen Ebenentreiber entwickelt, der wie sein Name schon sagt, für die Ansteuerung der Ebenen zuständig ist. Er Schaltet die Ebenen so schnell hintereinander durch, sodass das menschliche Auge nicht folgen kann und so ein echt Dreidimensionales Bild entsteht. Da Säulentreiber und Ebenentreiber miteinander verdrahtet sind, reagieren beide zur selben Zeit, damit im Display ein Bild entsteht. Auf dieser Grafik haben wir einmal alle LEDs, Ebenen und Säulen aktiviert. Dies ist dieselbe Steuerungselektronik, die wir auch in unserem neusten Projekt verwenden. Sie wurde bloß so erweitert, dass man auch den großen Cube damit ansteuern kann. 12

13 3D Features Animationen Interaktive Echtzeit Objektdarstellung
Unser LED 3D Display verfügt über verschiedene 3D Features. Zum einen können verschiedene 3-dimensionale Objektanimationen dargestellt werden. Des Weiteren können auch 3-dimesionale Objekte direkt am Computer mithilfe eines Simulatorprogramms erstellt werden und in Echtzeit auf das 3D Display übertragen werden. Im Linken Bild haben wir exemplarisch eine Ebene, der insgesamt 16, dargestellt auf der ein Strichmännchen generiert wurde, im Rechten sieht man das übertragene Männchen in unserem Displayvolumen. Simulator mit Strichmännchen Bild im Displayvolumen

14 Das Problem des Ghost Voxel Effekts
- Reihe - Säule Im Folgenden möchte ich Ihnen ein Hauptproblem unseres 3D-Displays und dessen Lösung vorstellen. Wenn zwei LEDs auf derselben Ebene angesteuert werden sollen, wie hier zu sehen ist, kommt es zu so genannten, ungewollten „Ghost Voxeln“. Jener Effekt wird in der Grafik deutlich: In diesem Beispiel wollen wir die gelb unterlegten LEDs 1 und 2 ansteuern. Dafür müssen wir auf die roten Säulen (zeigen) und die grünen Reihen (zeigen) Spannung anlegen. Dadurch würden jedoch auch die rot unterlegten LEDs Nr.3 und Nr.4 ungewünscht aktiviert werden. Dieses Phänomen nennt man „Ghost voxel Effekt“. Die roten LEDs sind die „Ghost voxel“. Diese Geistervoxel sind ein weiterer entscheidender Grund für das Multiplexingverfahren was wir ihnen im Folgenden näher bringen wollen. Ebene des Displayvolumens

15 Slicing / Multiplexing
Nun werden wir ihnen das Multiplexing erläutern. Hier sehen sie eine Kugel, die durch Schattierung dreidimansional erscheint. Sie symbolisiert eine echt dreidimensionale Kugel. An dieser Kugel wollen wir ihnen das Multiplexing erläutern. Das Bild wird nun in mehreren Ebenen zerteilt. Dies ist die erste Ebene. Nun folgt die zweite, Die dritte, Und die vierte. Wir benutzen in dieser Grafik der Einfachheit halber nur 4 Ebenen, in wirklichkeit sind es weitaus mehr. Auch lassen wir verdeckte Ebenen weg. Diese Einzelbilder werden nun nacheinander angezeigt. Dies geschieht in wirklichkeit so schnell, dass das Auge überlistet wird, und es keine Einzelbilder mehr wahrnimmt, sondern ein komplettes Bild sieht. Das geschieht bei einer Rate von 20 wiederholungen pro Sekunde, also einer Frequenz von 20hz. Durch die vielen einzelnen Scheiben entsteht so schließlich das gesamte, 3dimensionale Bild. 15

16 Entwicklung und Bau Diese Folie zeigt die Entwicklung unserer 3D Displays im Lauf der Zeit. Ganz links im Bild sehen sie das erste Display. Sein Displayvolumen ist angeordnet in einem Raumgitter aus 3x3x3 LEDs, also 27 LEDs. Bei diesem Gerät wurde die Gittermatrix zur Ansteuerung direkt an den Prozessor angeschlossen, die LEDs strahlen weiß. Zur Zeit sehen sie eine aktivierte LED (zeigen). Es wurde zur Entwicklung der Drahtgitteranordnung des Displayvolumens gebaut. Im Sommer 2007 wurde das zweite Gerät gebaut, ein RGB-Display. In einer RGB-LED sind drei normale Leuchtdioden in einer LED vereint, nämlich eine Rote, eine Grüne und eine Blaue. Durch mischen dieser Farben ist es möglich verschiedene Farben darzustellen. Das Displayvolumen enthält 4x4x4, also 64, LEDs. Da diese LEDs jedoch sehr teuer sind, haben wir aus finanziellen Gründen die späteren Displays mit günstigeren, einfarbigen LEDs bauen. In der Mitte sehen sie rot leuchtend das dritte LED Display. Es wurde im Frühjahr 2008 gebaut und sein Displayvolumen besteht aus 8x8x8 roten LEDs. Somit wird eine Gesamtzahl von 512 LEDs erreicht. Dieses ist das erste LED 3D Display, auf dem Spiele gespielt werden können. Für dieses Gerät musste, aufgrund der LED-Anzahl des Displayvolumens, eine neue Ansteuerungselektronik entwickelt werden. Die gleiche Ansteuerungselektronik wurde, erweitert für die neue LEDzahl, bei dem neusten Gerät verwendet. Es besteht aus 4096 weißen LEDs und besitzt die gleichen Features und Applikationen wie das vorherige Display. Sein Displayvolumen ist jedoch 8mal so groß. Dadurch können größere und detailliertere Bilder angezeigt werden. Wir haben unsere lange und intensive Arbeit an diesem Display mit Fotos und Filmen dokumentiert. Auch Ihnen möchten wir einen kleinen Einblick geben. Hier sehen Sie die Gruppenmitglieder die LEDs in einem Drahtgitter anordnen, indem je 16 LEDs an eine der 272 Säulen gelötet werden. Die Ansteuerungselektronik wurde entwickelt, gebaut und anschließend programmiert. Insgesamt haben wir für das LED 3D Display aus 16x16x16 LEDs etwa 1 Jahr zur Fertigstellung benötigt.

17 Zukunftsvisionen Mögliche Anwendungen Architektur Medizin
Luftraumüberwachung Entertainment

18 Pong 3D als Beispiel eines interaktiven Spiels
3D-Applikationen Pong 3D als Beispiel eines interaktiven Spiels Als erstes, interaktives 3D Spiel erstellten wir ein 3D PONG. Es funktioniert wie das aus den 1970er-Jahren bekannte Videospiel Pong , jedoch können sich ball und Schläger in eine Zusätzliche Dimension bewegen. Das Spiel wird dadurch realistischer und unterhaltsamer. 2D Pong 3D Pong

19 Kontaktinformationen
Vincent-Lübeck-Gymnasium Stade – Vincent-Vision Project, Stade, Germany Glückstädter Straße 4, Stade

20 An dieser Stelle möchten wir uns für Ihr Kommen bedanken und hoffen, dass es Ihnen gefallen hat. Für Rückfragen stehen wir Ihnen jetzt gerne zur Verfügung außerdem können sie sich später noch eine Vorstellung im Dunkeln von LED FELIX in Raum 41 anschauen.

21 Erzeugung von Voxeln als Element von 3-dimensionalen Bildern
ÜBERARBEITEN!!! Eingabe von Voxeln in eine 3-dimensionale „pixmap“ über ein Makro setpixel3d((pixel3d){0,0,0},3); Name der pixmap Y-Koordinate Helligkeit des Voxels Name des Macros X-Koordinate Z-Koordinate Y (Höhen )-Koordinate Z (Tiefen )-Koordinate X (Breiten )-Koordinate

22 Historischer Überblick
Static Volume Techniques Solid Host Matrix LED Displays - TFTS upconversion Stereoscopic projection technique (E. Luzy and C. Dupuis, 1912)1 Display system using rare-earth doped fluoride crystals (M. R. Brown, G. Waters, 1964)2 Display system based on simultaneous absorption of two photons (M.A. Dugay, J.A. Giordmaine, P.M. Rentzepis, 1970)3 Voxel generation in Er3+ doped CaF2 crystals (J.D. Lewis, C.M. Verber, R.B. McGhee, 1971)4 Three-color, solid-state, three-dimensional display ( E. Downing, L. Hesselink, J. Ralston, R. Macfarlane, 1994)5 SOLID FELIX 3D Display, 20006 Priciple demonstration of 3D volumetric display achieved by PrYb co-doped materials (Xiaobo Chen, et. al.,2000)7 Volumetric display based on upconversion phosphors, (Jianying Cao, et. al., 2005)8 -OFTS upconversion One-color one-beam pumping of Er3+-doped ZBLAN glasses (T. Honda, T. Doumuki, A. Akella, L. Galambos, and L. Hesselink, 1998)9 SOLID FELIX 3D Display, Dispersed crystallite up-conversion displays (M. Bass, et.al. 2001)10 One-beam pumping upconversion volumetric-display (X. Chen, 2002)11 - Pioneering Works: Martin Ruderfer, “Apparatus for producing threedimensional visual patterns”, U.S , Ernest Karras “Device for displaying data in three dimensions” (1976)13 “Three dimensional monitor” a display using optical fibers for voxel addressing by D. MacFarlane (1998)14 - Real LED Displays: 3D Display Cube v1 (James Clar 2002)15 3D Display Cube v3 (James Clar 2003)16 Borg3d (Das Labor)17 Farb Borg3d (Das Labor)18 4*4*4 RGB-Cube with a better resolution than a 8*8*8 LED cube driven by a FPGA (David Wyatt 2005)19 the 8*8*8 RGB Cube (Chris Lomont 2005)20 3D Dispay Cube-White, 1 player-ping-pong, musical visualization and Animations (James Clar 2005)21 3D LED-Cube ( Seekway 2008)22 LED FELIX 8 cube with 8*8*8 red 3mm LEDs (Felix 3D, 2007) Miscellaneous Cubatron project (Network Wizards 2004)23

23 Versuchsaufbau Laptop zur Programmierung 3D-Interface Display Volumen
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