摘 要：介紹了機械掃描式平面ＬＥＤ 顯示屏的原理與設計方法，針對該ＬＥＤ 顯示屏像素分布不均勻的問題，提出了旋轉顯示屏圖像均勻化算法。仿真結果表明，機械掃描式平面ＬＥＤ顯示屏僅用一列ＬＥＤ 即可達到與普通點陣式顯示屏相似的顯示效果，大幅減少了ＬＥＤ 像素的使用，降低了顯示屏的成本。
關 鍵 詞：ＬＥＤ 顯示屏；機械式掃描；圖像均勻化；智能控制
１ 引 言
ＬＥＤ 顯示屏具有亮度高、響應快、壽命長和節能環保等優點，在近年來得到了迅速的發展。目前市場上常見的圖文或圖像ＬＥＤ
顯示屏都在整個顯示平面上均勻排滿ＬＥＤ，通過控制各像素逐行點亮來實現圖像顯示。隨著顯示面積和分辨率的增大，所需的ＬＥＤ 數量也等比例增加［１，２］。為降低顯示屏成本，減少ＬＥＤ
像素用量，王橋立等［３］提出了虛擬像素的方法，將一幅圖像分成四場來顯示，使ＬＥＤ 用量減小為實際圖像像素的１／４，但此方法同時造成了圖像邊緣模糊的問題。張瑞春［４］、林宇翔［５］則采用機械轉動掃描方式代替電子點陣掃描方式，提出了旋轉柱式ＬＥＤ
顯示屏的設計方法，控制一列ＬＥＤ 圍繞中心軸旋轉，但由于所設計的顯示面是曲面，所以不利于大面積圖像的顯示。張苑岳［６］提出將若干行ＬＥＤ 設計于軟性ＰＣＢ 板上，通過電機帶動均速上下移動，以實現圖像的掃描顯示，采用此方法可以達到普通點陣式ＬＥＤ
顯示屏相仿的效果，但軟性ＰＣＢ板制作和整個轉動控制裝置均不易實現，不利于大規模產業化推廣。
本文提出機械掃描式旋轉平面ＬＥＤ
顯示屏設計方法。將一列ＬＥＤ 固定在硬制條形電路板上，通過電機帶動ＬＥＤ 列在所在平面內圍繞其中點均速旋轉。同時，由ＦＰＧＡ 適時改變ＬＥＤ 點亮狀態，達到ＬＥＤ
發光狀態與位置同步，根據人眼的視覺暫留效果，實現平面圖像的穩定顯示。針對機械掃描式旋轉平面ＬＥＤ 顯示屏像素不均勻的問題，提出了旋轉顯示屏圖像均勻化算法，并對該算法進行仿真和討論。
２ 機械掃描式旋轉平面ＬＥＤ 顯示屏原理
目前，常見的ＬＥＤ 顯示屏都是采用動態電子掃描方式進行顯示的［７９］。機械掃描式旋轉平面ＬＥＤ 顯示屏則是通過控制一列ＬＥＤ
所在平面內圍繞其中點快速旋轉并同步改變發光狀態來實現圖像的顯示。如圖１ 所示，１（ａ）為機械掃描式旋轉平面ＬＥＤ 顯示屏結構示意圖，１（ｂ）為ＬＥＤ
線狀陣列靜止時顯示效果，１（ｃ）為ＬＥＤ 列繞中點快速旋轉時顯示效果。通過控制ＬＥＤ 列圍繞轉動軸快速旋轉，使ＬＥＤ
在每次經過同一位置時均
對應唯一確定的發光狀態，ＬＥＤ 循環出現在平面上各個位置，最終顯示出一幅穩定的平面圖形。
３ 平面旋轉顯示屏圖像均勻化算法
圖２（ａ）為普通點陣式ＬＥＤ
顯示屏顯示效果，（ｂ）為機械掃描式旋轉平面ＬＥＤ 顯示屏顯示效果。兩幅圖均顯示一幅由內向外逐漸變亮的圖案。對比可以看出，普通點陣式ＬＥＤ 顯示屏的分辨率與像素間距有關，而機械掃描式旋轉平面ＬＥＤ
顯示屏分辨率則受像素間距和單位旋轉角度影響。像素間距越小，單位旋轉角度越小，旋轉顯示屏分辨率越高。在像素間距一定的條件下，
只要控制單位旋轉角足夠小，機械掃描式旋轉ＬＥＤ 顯示屏分辨率可超過普通點陣式顯示屏。同時，機械掃描式旋轉平面ＬＥＤ
顯示屏存在像素分布不均勻的問題，在中間區域，像素密度較大，呈現出“外疏內密”的非均勻布局，導致圖像中間部分模糊并且亮度偏亮的問題。
為解決旋轉ＬＥＤ
顯示屏像素分布不均勻現象，本文設計了旋轉顯示屏圖像均勻化算法。在ＬＥＤ 列平面內加載一個二維陣列模板，該模板的點在狓、狔方向上等間隔均勻分布，間隔恰好為旋桿上ＬＥＤ
間距。將該模板與ＬＥＤ 可能出現的位置做“與運算”，在一定偏差容許范圍內視作相同位置。處理后，可以使旋轉顯示屏像素布局在笛卡兒空間內趨于均勻。
如圖３所示，假設Ａ（狓，狔）是任意一個基準點，利用Ａ
所在的坐標，可以求出Ａ 點所在直線的傾角值犾′。
ＬＥＤ 旋轉桿不一定能剛好停止在角度為犾′處，因此需要找出與犾′位置最近的ＬＥＤ
點。ＬＥＤ旋轉角度犔取值只可能取０～２π之間離散的值，在犔的可能取值中選取與犾′最接近的值犾，然后在角度為犾的旋轉桿上尋找與Ａ 點最近的點Ｂ保留下來，用Ｂ點來取代原Ａ
點像素。由此將陣列模板像素一一近似到實際ＬＥＤ 可能出現的位置，近似后像素數量為二維陣列模板的像素數量，因此，消除了平面旋轉顯示屏像素在中心部分的聚集現象。
４ 仿真與分析
采用ＶＣ軟件進行編程，設計一個桿狀繪圖工具，使其角度從０～３６０°旋轉，將可顯示的實際位置與直角坐標系矩陣模板做與運算，算法設計流程如圖４所示。均勻化后的旋轉顯示屏像素位置分布如圖５（ｃ）所示。圖５（ａ）和（ｂ）分別為未經過均勻化的像素分布和標準矩陣式顯示屏像素分布，對比５（ａ）、５（ｂ）和５（ｃ）可以看出，采用圖像均勻化算法對旋轉顯示屏像素處理后，雖然由于機械位置的限制，像素仍存在一定位置偏差，但像素密度不均勻現象明顯減少，有效消除了像素“外疏內密”現象。
由運算過程可知，在對圖像進行處理時，實際像素周圍會有４ 個可能顯示的像素，它將被優先近似到與它最相近的旋轉棒顯示位置上的距離最短的一個ＬＥＤ
像素。設該像素的近似誤差為ε，則ε＝ ε２槡１＋ε２２，其中，ε１ 和ε２ 分別為以上兩步近似值。如圖６，設ＬＥＤ 旋轉棒在一個圓周內有犔個旋轉位置，像素間距為犱，像素至旋轉中心距離為犚個像素，有：ε１ｍａｘ
＝犚×犱×ｓｉｎ２π犔（２）ε２ｍａｘ ＝１２犱（３）其中ε１ｍａｘ，ε２ｍａｘ，εｍａｘ分別為ε１，ε２，ε的最大值，當選擇犚取１８２，犔取１０２４ 時，求得εｍａｘ＝０．９３犱，也就是不到一個像素間距的偏差。同時，由式（４）可知，隨著犚取值減小，犔取值增大，相對誤差εｍａｘ／犱
會進一步減小。
５ 結 論
提出了機械掃描式旋轉平面ＬＥＤ
顯示屏的設計方法，針對旋轉ＬＥＤ 顯示屏像素分布不均勻問題，提出了平面旋轉顯示屏圖像均勻化算法。經仿真分析發現，采用該算法對旋轉顯示屏像素分布進行優化后，當旋轉棒排布１２８
個ＬＥＤ 像素，一個圓周內旋轉１０２４個位置時，與標準矩陣模板相比，像素最大偏差不超過０．９３ 個像素間距。并且隨著犚減小和犔增大，該誤差可進一步減小。有效消除了旋轉顯示屏像素不均勻問題，使機械掃描式平面ＬＥＤ
顯示屏達到與普通點陣式顯示屏相似的顯示效果，大幅減少了ＬＥＤ 使用量，有效節約了顯示屏生產成本。