二维或三维显示矩阵的模块化搭建方法

陈漱文（江门彩立方光电科技有限公司，广东 江门 529000）

二维或三维显示矩阵的模块化搭建方法

陈漱文
（江门彩立方光电科技有限公司，广东 江门 529000）

摘 要：二维或三维显示在娱乐应用、产品宣传、商业装饰等可视化技术领域都有广泛的应用，相对来说三维显示可以更充分地表现出对象的信息特征，在地震数据分析、医学图像显示等方面具有无可比拟的优势。本文提出了一种采用模块化思路来搭建二维或三维显示矩阵的方法，三维显示矩阵采用本方法后将可以实现工业化生产，在实际产品生产安装时只需要将必要的模块组装到一起再使用配套的控制器便可以方便实现三维图像的展示，利用模块化思路后不但生产组装方便，而且利于维修拆装、存放和运输；这种模块化搭建方法应用于二维矩阵显示后，同样具有上述的优点，并且在二维显示领域产生了很多创新型的应用，本公司的透明屏等产品就是该模块化思路的产品转化。二维或三维显示矩阵模块化搭建方法的应用使得在产品同质化、市场竞争激烈的情况下保障了本公司产品的创新性和先进性。

关键词：二维显示；三维显示；模块化设计

1. 三维显示技术

三维显示技术具有全视景、多角度、包含景深信息等优点，是近些年比较前沿的研究领域，随着二维显示技术的成熟应用与产业化发展，三维显示的应用也初具规模，目前实现的方法主要可以分为4类，分别是体视三维显示、全息三维显示、透视三维显示和体三维显示。

体视三维显示是模拟人的左、右眼看到的两个略有不同的二维图像，称之为“体视对（stereo pair）”，将之显示在同一个平面上，然后通过某种分离方式使左、右视图形成两幅图片分别只提供给左、右眼观察，这样利用体视对提供的视差信息，人脑会自动地将映射在左右眼的不同的图像虚拟出立体图像，这种技术可以采用现有的二维显示技术，通过佩戴特制的眼镜或者显示器件即可，显示质量高，但是只适用于电影电视等显示，无法适用于室外展示使用；全息三维显示是利用光的干涉原理，将物体散射或发射出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，然后利用光的衍射原理，在一定条件下进行再现原物体的图像信息，但是所需要的设备相当复杂、昂贵，而且该技术也只是处于试验阶段，还不能达到应用的需求，同样也无法适用于室外展示使用；透视三维显示是利用多种计算机图形学技术，包括光线追迹、投影转换和多边形生成等来对深度信息进行编码转换，并添加阴影和遮挡等多种心理深度暗示，将三维场景以透视形式显示在二维屏幕上，这种方法其实并不是一种真正的三维显示；体三维显示包含基于视觉残留的扫掠型三维显示技术和搭建三维显示矩阵的静止型三维显示技术。扫掠型显示是利用一个二维表面的周期性运动，把预先处理的原始三维信息按时序快速显示在该表面所扫掠的一些空间位置处，再以高于人眼闪烁融合频率的速度进行刷新，由此可以实现三维图像的展示；静止型显示是采用点光源在空间内搭建一个三维的显示矩阵，根据显示需要点亮相应的点光源构成相应的图案或者动画，这种显示技术的优点是容易实现且成本低廉，尤其适用于装饰或者户外广告展示使用。

对于最后描述的静止形体显示技术而言，关键是需要搭建一个三维的显示矩阵，本文所描述的显示矩阵模块化设计便是这种的三维显示技术的一种创新和工业化的实现方法。

2. 显示矩阵模块化搭建方法

2.1 线状模块搭建方法

如图1所示，采用线状模块搭建显示矩阵时，依据线状模块在电路中起的作用不同将其分为线状发光条模块a1和线状供电条模块b1、b2，其中a2是线状显示条模块a1上的点状发光源，c是a1之间的信号连接线。

如图2（a）所示是线状显示模块的局部特征图，a3是点光源的驱动电路，a4是线状显示条模块上的一个突起部分，作用是安装点状光源a2与驱动电路a3，这个突起结构的设计是保障电路功能的前提下尽量缩小发光条模块的体积，以便更好地改善遮挡现象；图2 （b）是线状供电条模块的局部特征图，b3是线状供电条上的卡接口，作用是方便与线状显示条焊接并实现供电作用。

采用线状模块式方法组装产品时，显示矩阵的供电部分是由供电条模块b1 与b2来完成，供电条模块b1与b2分别做电源的正极输入与负极输出，并可以根据流过产品的电流大小适当添加供电条模块的数量。本方法中供电条模块除了采用如图2（b）所示的条状PCB板外，还可以使用铜柱或漆包线来为整个显示矩阵来供电，这在本公司产品中都有相应的工程产品应用，如图3所示。

在搭建显示矩阵时，将供电部分模块化，这样设计的好处有如下3个方面：

显示矩阵的连线更简单，产品的设计更整洁，同时也利于维修与拆装；

让供电部分模块化独立出来，显示条模块上只需要布设信号线，因此可以让其PCB设计的很细，这样做的好处是可以改善三维显示矩阵中的光源遮挡现象。

（3）显示矩阵在工作时，供电条模块是电流的主路，发光条模块是电流的支路，每个支路上的电流是比较小的，因此可以让有限宽度的发光条模块上安装更多的点光源，可以让本设计应用于大型的二维或三维显示装置制造，显示矩阵可以无限拓展而不受发光条PCB中可承受电流大小的约束。

2.2 面状模块搭建方法

节所描述的线状模块搭建方法中，需要将每一个线状发光模块按照实际矩阵要求排布和固定，如果显示矩阵较大时，通常需要先将线状发光模块预排成较小的模块后再进行显示矩阵的组装。线状显示单元排布安装工作一般都是需要人工进行操作，对于大型的显示矩阵而言，尤其是室外使用的显示矩阵，由于显示点距较大、对于安装精度要求相对较低，上述线状显示单元的结构能够在节约印刷线路板的成本的同时便于运输，因此线状显示单元的结构是合理的。但是对于显示精度较高的显示矩阵而言，要求显示点距较小，采用线状显示单元在安装时就会存在很大的困难，而且难以保证安装精度，从而影响显示效果，针对这类型的工程应用，本公司设计出基于面状显示模块的三维显示装置搭建方法。

面状显示模块是由一整块PCB板镂空后形成的，如图4所示，整个PCB板由横向分布的LED显示带a与纵向分布的电路连接带b均匀布置而组成，其他的地方做镂空处理。电路连接带的作用是起到固定和支撑LED显示带的作用，同时为LED显示带提供信号和电流的输入与输出。电路连接带b可以分为信号连接带、电源正极连接带与电源负极连接带，在具体产品设计时，可以适当添加这些连接带的数量，以便可以实现坚固的电路结构和较大电流输入输出能力。

面状显示模块的整个加工过程可以由自动化设备完成，生产效率高而且能够保证了LED显示带a之间的间距，精度高。装配时只需将PCB镂空式显示单元进行对接或者排布即可形成二维或三维显示矩阵，装配工艺简单易行，大大提高的生产效率同时降低了人工成本，还能保证显示矩阵的显示精度，图5是采用本方法后的三维显示矩阵搭建示意图。

其中电源纵向连接带用于向PCB镂空式显示模块上的所有LED显示带进行供电，由于每个LED显示带中会排布有大量的LED，因此整个PCB镂空式显示模块的工作电流也相对较大，为保证其正常的工作，电源纵向连接带上设置印刷线路，且印刷线路的宽度与电源纵向连接带的宽度相同，这样能够保证印刷线路能够提供足够的电流，为进一步提高电源纵向连接带的供电能力两面都设有与电源连接的印刷线路。

图1　线状模块搭建示意图

图2　线状模块搭的局部意图

图3　不同材质的供电条模块应用案例

图4　面状模块结构示意

图5　面状模块结搭建三维矩阵示意图

图6　线状模块化搭建的透明屏应用案例

3. 两种模块化搭建方法的应用比较

线状模块化搭建方法适用于显示点距较大并且对安装精度要求不严格的显示矩阵应用中，尤其对于大型的户外展示，这样的线状结构化搭建方法能够在节约印刷线路板的成本同时便于维修拆装、存放和运输。另外，线状模块化搭建的创新型二维显示产品，如本公司生产的透明屏因为其既可以LED显示丰富的动画又因为其通透的特性，可以展现出更多层次的视觉特性，被广泛应用于新品的展示、家庭的装修等。如图6所示为透明屏的实际工程案例。

面状模块化搭建方法适用于某些显示点距较小、显示精度要求较高的的显示矩阵应用，因为对于这类工程应用而言，采用线状显示单元在安装时不仅会耗费人力，而且在组成时因为发光结构之间的距离很小，会导致组装的困难并且难以保证安装精度，从而影响显示效果。面状显示模块是直接在印刷线路板形成LED显示带以及纵向连接带，然后将其余部分通过冲压或切割后直接形成镂空处，整个加工过程可以由自动化设备完成，生产效率高而且能够保证了LED显示带之间的间距，精度高。装配时只需将PCB镂空式显示单元进行对接或者排布即可形成二维或三维显示矩阵，装配工艺简单易行，大大提高的生产效率同时降低了人工成本，还能保证显示矩阵的显示精度。

结论

本文提出了一种采用模块化思路来搭建二维或三维显示矩阵的方法，三维显示矩阵采用本方法后将可以实现工业化生产，在实际产品生产安装时只需要将必要的模块组装到一起再使用配套的控制器便可以方便实现三维图像的展示，利用模块化思路后不但生产组装方便，而且利于维修拆装、存放和运输；这种模块化搭建方法应用于二维矩阵显示后，同样具有上述的优点，并且在二维显示领域产生了很多创新型的应用，本公司的透明屏等产品就是该模块化思路的产品转化。二维或三维显示矩阵模块化搭建方法的应用使得在产品同质化、市场竞争激烈的情况下保障了本公司产品的创新性和先进性。

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中图分类号：TP29

文献标识码：A