專利名稱：發(fā)光雕塑裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種發(fā)光雕塑裝置，特別涉及一種三維發(fā)光雕塑裝置。
背景技術(shù)：
都知道，展現(xiàn)動(dòng)態(tài)效果的裝飾燈、情趣燈等，例如人們熟悉的熔巖燈(LavaTM)，可以為房間提供有趣的裝飾效果。所以，本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道被動(dòng)發(fā)光顯示。利用視覺(jué)暫留現(xiàn)象設(shè)計(jì)的二維平面和柱面顯示已應(yīng)用到標(biāo)志物、時(shí)鐘、信息顯示牌等非實(shí)心雕塑中。但是，用戶還需要能夠便捷地制作出具有主動(dòng)和/或交互的多維發(fā)光顯示的發(fā)光雕塑。

發(fā)明內(nèi)容
體積顯示(volumetric display)是利用眾所周知的視覺(jué)暫留現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)的。如果一個(gè)脈沖光源在反復(fù)運(yùn)動(dòng)，速度大于人眼的跟隨速度，且光脈沖的發(fā)生時(shí)間使光脈沖總在空間的同一點(diǎn)發(fā)生，則光源就會(huì)被顯示成空間的一個(gè)靜止光點(diǎn)。實(shí)施例包括靜止部分，即用戶界面旋鈕、按鈕及其相應(yīng)的電子元件，與旋轉(zhuǎn)印刷電路板(PCB)以及使用戶輕松的進(jìn)行3維體繪畫(huà)并與顯示內(nèi)容實(shí)時(shí)交互的直觀用戶界面之間進(jìn)行的通信。用戶界面用來(lái)制作三維體素雕塑。裝有旋轉(zhuǎn)印刷電路板與多個(gè)豎直發(fā)光印刷電路板。多個(gè)發(fā)光印刷電路板上每個(gè)都設(shè)有大量發(fā)光元素。用戶界面控制器用來(lái)制作由大量含多種空間元素的體素構(gòu)成的雕塑，微控制器通過(guò)該用戶界面控制器，將數(shù)據(jù)輸出發(fā)送給三維體積顯示中的大量發(fā)光元素。
本實(shí)用新型涉及發(fā)光雕塑裝置及其制造方法，其中所述的三維發(fā)光雕塑是指3DLS或三維發(fā)光雕塑。本實(shí)用新型公開(kāi)的發(fā)光雕塑裝置提供了一組利用視覺(jué)暫留現(xiàn)象設(shè)計(jì)的、例如有4列的發(fā)光二極管(LED)陣列，孩子們可以利用該裝置制作發(fā)光二極管雕塑，增加動(dòng)畫(huà)，并將雕塑保存下來(lái)。小孩可通過(guò)設(shè)在裝置前面的旋鈕或按鈕，控制發(fā)光二極管的開(kāi)/關(guān)。為此，本實(shí)用新型提供了一種簡(jiǎn)潔明了、富有創(chuàng)造性的游戲方案，它可讓用戶制作、增加動(dòng)畫(huà)并保存其作品。這樣，孩子們就可以進(jìn)行三維制作，并加上個(gè)性化的文字、圖像和圖案。另外，可循環(huán)展示圖像、聲音和動(dòng)畫(huà)等的交互式發(fā)光雕塑還可用作有創(chuàng)意的房間裝飾品。
這里描述的實(shí)施例是教孩子們?nèi)绾芜M(jìn)行三維構(gòu)思和制作，讓他們制作發(fā)光雕塑，增加動(dòng)畫(huà)并保存自己的作品。另外，提供了軟件盒，它包含一些新奇的、預(yù)先制成的雕塑和音效，可讓孩子們體驗(yàn)這些新奇的圖像和聲音，并且給他們提供了一處保存自己作品的空間?；狙b置應(yīng)包含內(nèi)置雕塑、動(dòng)畫(huà)以及具備制作新圖像、增加動(dòng)畫(huà)以及保存該圖像的功能。該裝置還可提供一個(gè)擴(kuò)展口，用于補(bǔ)充新的聲音、雕塑和動(dòng)畫(huà)。另外，還需提供高分辨率的透視圖以及使雕像發(fā)出彩光的多色、紅/綠/藍(lán)發(fā)光二極管。本實(shí)用新型包括如下特點(diǎn)教孩子們進(jìn)行三維構(gòu)思、繪畫(huà)和制作的三維燈光雕刻；保存在存儲(chǔ)器中的雕塑的個(gè)性化設(shè)計(jì)；觀賞顯示效果帶來(lái)的樂(lè)趣；以及可供選購(gòu)的存儲(chǔ)器盒。


權(quán)利要求中已記載了視為本實(shí)用新型特征的新穎特征。但是，參考下面對(duì)實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明并結(jié)合附圖，可以對(duì)本實(shí)用新型本身以及最佳的應(yīng)用模式，還有其他目的和優(yōu)點(diǎn)有個(gè)透徹的理解。
圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的三維發(fā)光雕塑裝置的透視圖。
圖2表示裝有發(fā)光二極管的豎直印刷電路板。
圖3表示直徑為3英寸的旋轉(zhuǎn)印刷電路板，上面的槽用來(lái)插裝豎直印刷電路板。
圖4A、4B和4C表示整個(gè)旋轉(zhuǎn)印刷電路板裝配體的三面視圖。
圖5表示用戶界面，包括旋鈕、滑動(dòng)開(kāi)關(guān)和按鈕。
圖6表示輪詢物理用戶界面的主軟件循環(huán)的程序流圖。
圖7為確定微控制器向顯示輸出數(shù)據(jù)的子程序的流程圖，其中包括定時(shí)、動(dòng)畫(huà)和通信子程序。
圖8表示實(shí)現(xiàn)用戶界面對(duì)裝置進(jìn)行控制的靜止印刷電路板的電路圖。
圖9表示實(shí)現(xiàn)微控制器控制電路向體積顯示發(fā)送顯示數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)印刷電路板的電路圖。
圖10表示提供用于展現(xiàn)顯示體素的多個(gè)發(fā)光二極管的豎直發(fā)光印刷電路板電路圖。
具體實(shí)施方式
三維體積顯示10本身依據(jù)的是眾所周知的視覺(jué)暫留現(xiàn)象。如果一個(gè)脈沖光源在反復(fù)運(yùn)動(dòng)，速度大于人眼的跟隨速度，且光脈沖的發(fā)生時(shí)間使得光脈沖總在空間的同一點(diǎn)發(fā)生，則光源就會(huì)被顯示成空間的一個(gè)靜止光點(diǎn)。
顯示10包括一個(gè)圓形、水平放置、直徑為3英寸的旋轉(zhuǎn)印刷電路板12，其裝有四個(gè)豎直印刷電路板14。安裝的方式為豎直印刷電路板14插入水平印刷電路板12上的槽，其厚度剛好與插入槽配合。豎直印刷電路板14被固定在豎直方向，無(wú)需單獨(dú)的連接裝置。另外，豎直印刷電路板14按其寬度，不是厚度，處于從圓周徑向朝外的方向進(jìn)行設(shè)置。這樣豎直印刷電路板14的寬度的總強(qiáng)度，這種情況下為0.25英寸，而厚度典型的為0.062英寸，在裝有發(fā)光二極管16的電路板快速旋轉(zhuǎn)時(shí)，可承受巨大的外力。
4個(gè)豎直印刷電路板14每個(gè)都水平裝有8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的5mm發(fā)光二極管16。豎直印刷電路板14分開(kāi)設(shè)置在環(huán)繞水平印刷電路板12的圓周、彼此成90度的羅經(jīng)點(diǎn)上。當(dāng)印刷電路板裝配體旋轉(zhuǎn)時(shí)，就可最大限度地看到所有的發(fā)光二極管16以及保證裝配體的整個(gè)平衡。發(fā)光二極管16按從圓心朝外的方向設(shè)置，每個(gè)豎直印刷電路板14離水平印刷電路板12圓心的距離不等。
兩個(gè)最里面的豎直印刷電路板彼此反向而設(shè)，兩個(gè)最外面的豎直印刷電路板也是如此。選用這樣的結(jié)構(gòu)是為了保證旋轉(zhuǎn)裝配體的整體平衡。另外，兩個(gè)最外面的豎直印刷電路板的頂端用堅(jiān)固的鋼絲桁架相連接。這是為了防止印刷電路板因旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力而導(dǎo)致豎直方向上的偏移。
由于從中心到每個(gè)豎直印刷電路板的距離不一，因此整個(gè)裝配體旋轉(zhuǎn)時(shí)，四個(gè)豎直印刷電路板會(huì)形成四個(gè)同心圓筒。也就是說(shuō)，每個(gè)豎直印刷電路板上有八個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)豎直印刷電路板旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)發(fā)光二極管會(huì)形成一個(gè)光環(huán)。而后八個(gè)光環(huán)相互疊在一起形成一個(gè)光筒，假設(shè)所有的發(fā)光二極管都在發(fā)光，因?yàn)樗膫€(gè)豎直印刷電路板部件互相錯(cuò)開(kāi)，所以會(huì)出現(xiàn)四個(gè)同心光筒。
整個(gè)旋轉(zhuǎn)裝配體包括一個(gè)水平印刷電路板12、四個(gè)豎直印刷電路板14、所有32個(gè)發(fā)光二極管16和其他電子元件，通過(guò)牢固安裝在產(chǎn)品底部的電機(jī)快速旋轉(zhuǎn)。裝配體的旋轉(zhuǎn)速度大約為50轉(zhuǎn)/秒。這個(gè)速度大于目光所能跟隨的速度，所以當(dāng)整個(gè)裝配體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，豎直印刷電路板和未點(diǎn)亮的發(fā)光二極管就從視線中消失了。
水平的旋轉(zhuǎn)印刷電路板12上有許多電子元件，微控制器18就是其中之一。3DLS模型使用的是微芯片18F242控制器，20MHz運(yùn)行。
當(dāng)旋轉(zhuǎn)發(fā)光二極管在水平印刷電路板上方形成圓環(huán)時(shí)，顯示10是通過(guò)旋轉(zhuǎn)發(fā)光二極管的時(shí)間分割(time based division)形成的。旋轉(zhuǎn)微控制器18的其中一項(xiàng)功能就是為印刷電路板的旋轉(zhuǎn)定時(shí)。在旋轉(zhuǎn)印刷電路板下方的3DLS底部有一個(gè)靜止的紅外線發(fā)光二極管，除了從旋轉(zhuǎn)印刷電路板正上方的區(qū)域外，其他任何區(qū)域都看不到。旋轉(zhuǎn)印刷電路板上有一個(gè)對(duì)應(yīng)的紅外線光電探測(cè)器，電路板每旋轉(zhuǎn)一圈，探測(cè)器就從這個(gè)靜止的發(fā)光二極管正上方經(jīng)過(guò)一次。微控制器18可通過(guò)監(jiān)測(cè)光電探測(cè)器20發(fā)出的信號(hào)，測(cè)出印刷電路板旋轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間。知道了該旋轉(zhuǎn)時(shí)間后，印刷電路板旋轉(zhuǎn)一圈就可等分成64個(gè)時(shí)間單元。每個(gè)時(shí)間單元代表1/64個(gè)整圈。這樣，印刷電路板的連續(xù)而變化的旋轉(zhuǎn)就劃分成許多不連續(xù)的部分。每部分代表豎直印刷電路板上旋轉(zhuǎn)發(fā)光二極管的一個(gè)體積像素(volume-pixel)或體素(voxel)。旋轉(zhuǎn)微控制器18還利用光電探測(cè)器20發(fā)出的信號(hào)，來(lái)確定探測(cè)器相對(duì)靜止印刷電路板上紅外線發(fā)光二極管的絕對(duì)位置。用這個(gè)位置作為指標(biāo)或原點(diǎn)，來(lái)確保用戶制作雕塑時(shí)，雕塑保持靜止不動(dòng)。
如上所述，出現(xiàn)四個(gè)同心光筒，每個(gè)光筒對(duì)應(yīng)一個(gè)豎直印刷電路板，每個(gè)光筒包括8個(gè)單獨(dú)的環(huán)。這8個(gè)環(huán)又進(jìn)一步分別等分成64個(gè)部分。這樣三維顯示中就總共包含了4×8×64＝2048個(gè)體素。
2048個(gè)體素中每個(gè)體素和微控制器的內(nèi)置隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)中單個(gè)位對(duì)應(yīng)，一共要用256個(gè)8位字節(jié)。印刷電路板裝配體旋轉(zhuǎn)時(shí)，微控制器按照每旋轉(zhuǎn)1/64圈的頻率對(duì)時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
應(yīng)注意的是，由于靠近體積外緣的發(fā)光二極管比靠近中心的發(fā)光二極管的線性速度大，所以外部體素大于內(nèi)部體素?？梢源_定這并不影響3DLS模型的美觀，不過(guò)可以把外環(huán)劃分成比內(nèi)環(huán)更多的部分，使顯示的整個(gè)體積內(nèi)的體素大小相同。
四個(gè)豎直印刷電路板都各裝有一個(gè)型號(hào)為74LVT574的芯片，它是一個(gè)高電容8D觸發(fā)器。它具有在適宜的電流級(jí)別下驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管和用做8位存儲(chǔ)器的雙重功能。當(dāng)時(shí)間到達(dá)相鄰體素間的過(guò)渡區(qū)時(shí)，微控制器會(huì)讀取內(nèi)部RAM中存儲(chǔ)的用于正確顯示體素的信息。RAM中的每個(gè)字節(jié)代表每個(gè)豎直列中各個(gè)發(fā)光二極管的狀態(tài)。所以，微控制器會(huì)在每個(gè)過(guò)渡點(diǎn)，讀取內(nèi)部RAM中與圖像緩沖對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到74LVT574芯片上。然后74LVT574芯片根據(jù)微控制器提供的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)豎直的發(fā)光二極管堆中的每個(gè)發(fā)光二極管。微控制器依次將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到4個(gè)74LVT574芯片的各個(gè)芯片上，這樣，就產(chǎn)生了各列發(fā)光二極管中相鄰體素間的變化。
三維圖像可以裝載到微控制器上內(nèi)部RAM單元中。當(dāng)印刷電路板裝配體旋轉(zhuǎn)一整圈時(shí)，每個(gè)存儲(chǔ)單元會(huì)于適合的時(shí)間、適當(dāng)?shù)拈g隔被訪問(wèn)和顯示，這樣整個(gè)三維圖像便顯示出來(lái)。
因?yàn)橛∷㈦娐钒逖b配體的快速旋轉(zhuǎn)，所以人眼的視覺(jué)暫留會(huì)將體素真正顯示的時(shí)間間隙填滿，從而顯示出實(shí)心的筒形體素體積。
本裝置的一個(gè)重要方面在于靜止部分，即旋鈕、按鈕及其相應(yīng)的電子元件，與旋轉(zhuǎn)印刷電路板(PCB)之間的通信。本實(shí)用新型利用靜止的基本單元中的紅外線(IR)發(fā)光二極管和旋轉(zhuǎn)印刷電路板上的紅外線接收器來(lái)完成光數(shù)據(jù)鏈路。該紅外線發(fā)光二極管和紅外線接收器之間的配對(duì)類似于TV遙控器等產(chǎn)品所常用的這種配對(duì)。當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路用的紅外線接收器在旋轉(zhuǎn)印刷電路板上轉(zhuǎn)圈時(shí)，接收器的察看區(qū)域絕不會(huì)超出靜止數(shù)據(jù)發(fā)光二極管的范圍。這樣，靜止的基本單元和旋轉(zhuǎn)印刷電路板之間就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信。這種紅外線通信鏈路與用來(lái)確定旋轉(zhuǎn)印刷電路板位置的靜止紅外線發(fā)光二極管和光電探測(cè)器的配對(duì)之間是相互分離的。
本實(shí)用新型使用了成熟的電機(jī)電刷和滑環(huán)方法，為旋轉(zhuǎn)印刷電路板提供可靠的DC電源。將用來(lái)旋轉(zhuǎn)印刷電路板裝配體的電機(jī)軸作為負(fù)極電接觸點(diǎn)，所以只需使用一個(gè)滑環(huán)作為正極電源。小型的靜止電機(jī)電刷與軸以及滑環(huán)相接觸，給旋轉(zhuǎn)印刷電路板供電。
除旋轉(zhuǎn)印刷電路板上的微控制器外，基本單元上還有一個(gè)第二靜止微控制器。這里另外選用了型號(hào)為18F242的微芯片，不過(guò)適用本裝置的產(chǎn)品版本的控制器還有許多其他選擇。靜止的微控制器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)用戶界面上的各個(gè)旋鈕和按鈕，并通過(guò)紅外線光鏈路將任何變化傳送給旋轉(zhuǎn)印刷電路板。另外，該控制器可以與插件盒連接，并訪問(wèn)其中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和功能，擴(kuò)展基本單元的功能。
簡(jiǎn)潔而直觀的用戶界面可使用戶輕而易舉的進(jìn)行三維體積顯示的實(shí)時(shí)繪制。用來(lái)制作三維體素雕塑的用戶界面部分包括6個(gè)物理單元三個(gè)旋鈕、兩個(gè)按鈕和一個(gè)三工位滑動(dòng)開(kāi)關(guān)。用戶界面的另一個(gè)單元為顯示體中可移動(dòng)的閃動(dòng)光標(biāo)，用來(lái)表示當(dāng)前所控制的體素。
首先對(duì)三個(gè)旋鈕進(jìn)行一下說(shuō)明。這些旋鈕為旋轉(zhuǎn)式編碼器，沒(méi)有絕對(duì)的開(kāi)始/終止的位置。每個(gè)旋鈕旋轉(zhuǎn)的方向和距離由靜止微控制器來(lái)讀取。參見(jiàn)圖5所示的用戶界面布局。
第一個(gè)旋鈕“旋轉(zhuǎn)”(ROTATE)用來(lái)使顯示體在其中心軸附近旋轉(zhuǎn)。順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)該旋鈕會(huì)使顯示體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)?？焖俎D(zhuǎn)動(dòng)旋鈕會(huì)使顯示體加速旋轉(zhuǎn)，非常緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕可輕松地使顯示體一次只旋轉(zhuǎn)一個(gè)體素。
旁邊的兩個(gè)旋鈕用來(lái)移動(dòng)顯示體內(nèi)的閃動(dòng)光標(biāo)。它們是“內(nèi)/外”(IN/OUT)和“上/下”(UP/DOWN)旋鈕?！吧?下”旋鈕在物理方向上和“內(nèi)/外”、“旋轉(zhuǎn)”旋鈕垂直。
顯示體內(nèi)的光標(biāo)移動(dòng)方向直觀對(duì)應(yīng)?！皟?nèi)/外”和“上/下”旋鈕可在位于用戶正前面并和用戶相垂直的、高度為8個(gè)體素、徑深為4個(gè)體素的平面內(nèi)移動(dòng)光標(biāo)。光標(biāo)被限制在這個(gè)平面內(nèi)。結(jié)合“旋轉(zhuǎn)”旋鈕，就可以輕而易舉地獲得整個(gè)三維顯示體了。用戶只需要處理其正前方的發(fā)光雕塑部分。然后通過(guò)“旋轉(zhuǎn)”旋鈕旋轉(zhuǎn)雕塑，再來(lái)處理其他部分。
用戶界面中用來(lái)制作三維圖像的另一個(gè)單元為三工位滑動(dòng)開(kāi)關(guān)。三工位上標(biāo)明了“繪畫(huà)”(DRAW)、“移動(dòng)”(MOVE)和“擦除”(ERASE)字樣。它們分別對(duì)應(yīng)繪畫(huà)的三種模式。
滑動(dòng)開(kāi)關(guān)處在“繪畫(huà)”模式時(shí)，三個(gè)“旋轉(zhuǎn)”、“內(nèi)/外”和“上/下”旋鈕每次旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)設(shè)定或點(diǎn)亮正處在光標(biāo)下方的體素。例如，當(dāng)顯示體為空白(所有的體素被關(guān)閉或者未點(diǎn)亮)，繪畫(huà)模式下，轉(zhuǎn)動(dòng)“旋轉(zhuǎn)”旋鈕，使顯示體旋轉(zhuǎn)一個(gè)整360度，顯示體內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)懸浮的、被點(diǎn)亮的光環(huán)。同樣，轉(zhuǎn)動(dòng)“上/下”旋鈕會(huì)把全部豎摞的體素點(diǎn)亮。轉(zhuǎn)動(dòng)“內(nèi)/外”旋鈕會(huì)向遠(yuǎn)離用戶的正前方向畫(huà)出一條至多4個(gè)體素長(zhǎng)的直線。
相反，將三工位開(kāi)關(guān)設(shè)置在“擦除”處，當(dāng)控制三個(gè)移動(dòng)旋鈕時(shí)，會(huì)將遇到的每個(gè)體素擦除，或關(guān)閉。將滑動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)到“移動(dòng)”或中間位置時(shí)，當(dāng)用戶控制三個(gè)移動(dòng)旋鈕時(shí)，光標(biāo)遇到每個(gè)體素后，體素不會(huì)發(fā)生變化。這種模式下，被點(diǎn)亮的體素仍然是亮的，不發(fā)光的體素仍然是暗的。
本裝置的當(dāng)前模式，“繪畫(huà)”、“移動(dòng)”或“擦除”，不僅通過(guò)滑動(dòng)開(kāi)關(guān)的物理位置，而且還通過(guò)光標(biāo)的閃爍頻率表示出來(lái)。這樣用戶便能一眼看出當(dāng)前的控制模式。光標(biāo)以大約4Hz的高頻閃動(dòng)，表示當(dāng)前為“繪畫(huà)”模式。光標(biāo)以大約2Hz的中頻閃動(dòng)，表示當(dāng)前為“移動(dòng)”模式，以大約1Hz的低頻閃動(dòng)，表示當(dāng)前為“擦除”模式。
標(biāo)有“翻轉(zhuǎn)”(FLIP)的按鈕是用來(lái)制作三維圖像的最后一個(gè)用戶界面單元。它的功能不依賴于裝置的任一模式(“繪畫(huà)”、“移動(dòng)”或“擦除”)?！胺D(zhuǎn)”按鈕的作用自然是翻轉(zhuǎn)當(dāng)前光標(biāo)所在體素的狀態(tài)。也就是說(shuō)，如果這個(gè)體素處在開(kāi)的狀態(tài)或者被點(diǎn)亮，按動(dòng)“翻轉(zhuǎn)”按鈕，會(huì)將其關(guān)閉。如果一個(gè)體素處在關(guān)閉狀態(tài)，按動(dòng)“翻轉(zhuǎn)”按鈕，會(huì)將其打開(kāi)。這樣用戶就可以精確、快捷的開(kāi)關(guān)各個(gè)體素，使繪畫(huà)過(guò)程簡(jiǎn)便易行，速度加快。
三個(gè)移動(dòng)旋鈕、三工位滑動(dòng)開(kāi)關(guān)和“翻轉(zhuǎn)”按鈕的布局是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的，使用起來(lái)更方便，更直觀。
繪制過(guò)程中，偶爾會(huì)用到另一個(gè)按鈕——“清除”(CLEAR)按鈕。這個(gè)按鈕設(shè)在基本單元的控制殼體部分的右上方，離其他控制單元較遠(yuǎn)，用亮紅色表示警告提示。選擇這個(gè)按鈕的設(shè)置位置和顏色為的是要盡量避免偶然按動(dòng)的可能性，因?yàn)榘磩?dòng)這個(gè)按鈕會(huì)關(guān)閉三維顯示中的所有體素，而且會(huì)將未保存的改動(dòng)一并清除。
用戶可以將制好的各種雕塑存儲(chǔ)為用戶雕塑、預(yù)制雕塑和動(dòng)畫(huà)供以后顯示用，并可快速調(diào)出。目前敘述的3DLS實(shí)施例可以保存4個(gè)用戶制好的雕塑。如圖5所示，可以用四個(gè)不同的“保存”(SAVE)按鈕來(lái)保存。四個(gè)“保存”按鈕分別用A、B、C、D標(biāo)注。只需簡(jiǎn)單的按任一“保存”按鈕就可以把三維顯示的數(shù)據(jù)保存到內(nèi)部EEPROM(電可擦除只讀存儲(chǔ)器)存儲(chǔ)器或者外部串行EEPROM中，其中用戶界面控制器的保存功能提供數(shù)據(jù)從三維顯示到任一個(gè)非易失存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)和調(diào)出。通過(guò)各個(gè)相互分離的可訪問(wèn)保存單元，單個(gè)用戶或多個(gè)用戶可以即刻處理幾個(gè)雕塑。
參見(jiàn)圖5中在基本單元的用戶界面區(qū)左上方的標(biāo)有“雕刻”(SCULPTURES)的按鈕。每按一下這個(gè)按鈕就會(huì)依次顯示已永久性編程到單元中的預(yù)先制好的雕塑?？梢园言S多雕塑預(yù)先編程到裝置中，以展示三維顯示那引人入勝的新奇、美妙以及潛在的意境。這個(gè)按鈕還能依次調(diào)用用戶通過(guò)“保存”A-D按鈕保存的雕塑。一幅永久保存的雕塑顯示后，可以用前述的用戶界面中的繪畫(huà)部分對(duì)其進(jìn)行個(gè)性化改動(dòng)。當(dāng)然，可以通過(guò)其中一個(gè)“保存”按鈕將修飾后的雕塑保存起來(lái)。通過(guò)“雕刻”按鈕，用戶可以調(diào)出自己的作品或者任一幅預(yù)先編程的系列雕塑來(lái)顯示，簡(jiǎn)單的多次按動(dòng)這個(gè)按鈕，就可以調(diào)出動(dòng)畫(huà)。
三維顯示的另一特征就是給所顯示的圖像配上動(dòng)畫(huà)。例如，按動(dòng)雕刻按鈕，不是立刻顯示下一幅存儲(chǔ)的雕塑，具有視覺(jué)刺激的動(dòng)畫(huà)會(huì)讓所顯示的雕塑間平滑過(guò)渡。3DLS模型利用了過(guò)渡技術(shù)，這就引出了整個(gè)從底部到頂部的顯示體內(nèi)所填充的“閃光能量”這個(gè)概念。閃光的隨機(jī)能量維持很短暫的時(shí)間，而后在出現(xiàn)下一個(gè)雕塑的顯示底部耗盡。3DLS中使用的另一個(gè)過(guò)渡標(biāo)注了說(shuō)明文字“乘梯上升”(elevator-up)。這個(gè)過(guò)渡使要顯示的雕塑從顯示底部平滑上升。三維過(guò)渡和動(dòng)畫(huà)給用戶帶來(lái)超強(qiáng)的刺激體驗(yàn)。另外，通過(guò)擴(kuò)展口還可以增加一個(gè)對(duì)各種動(dòng)畫(huà)或聲音產(chǎn)生反應(yīng)的功能，例如辨聽(tīng)周?chē)穆曇?，然后?duì)周邊聲音、音樂(lè)等產(chǎn)生三維反應(yīng)。
參見(jiàn)圖5中標(biāo)有“動(dòng)畫(huà)”(ANIMATE)的按鈕。這個(gè)按鈕和“雕刻”按鈕類似，每按一次，就會(huì)依次顯示預(yù)先編程的系列動(dòng)畫(huà)。為3DLS模型開(kāi)發(fā)的動(dòng)畫(huà)如下所示1)順時(shí)針緩慢旋轉(zhuǎn)整個(gè)體素體積以大約6.5秒/圈的速度同步旋轉(zhuǎn)2)逆時(shí)針快速旋轉(zhuǎn)整個(gè)體素體積以大約3.25秒/圈的速度同步旋轉(zhuǎn)3)多方向旋轉(zhuǎn)組成三維顯示的四個(gè)同心體素圓筒每個(gè)以交替方向旋轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)，最外部的圓筒按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，鄰近的圓筒按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)等等。
4)液化對(duì)攪拌器中食物的視覺(jué)回憶，這種動(dòng)畫(huà)使顯示的8個(gè)層每個(gè)以交替方向旋轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)，頂層的所有體素按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，頂部向下的第二層按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，等等。
5)循環(huán)下落整個(gè)體素體積同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，所顯示的雕塑會(huì)沉入顯示的底部。從視野中消失的圖像部分又在顯示的頂部出現(xiàn)。這樣，動(dòng)畫(huà)會(huì)平滑而連續(xù)地進(jìn)行。
6)泵送顯示中的圖像交替沉入底部，留下顯示空白，然后再次平滑的上升到其原始位置。
7)削皮組成顯示的四個(gè)圓筒每個(gè)都沉入裝置的底部，然后又上升，但四個(gè)圓筒彼此步調(diào)不一致。調(diào)整速度，讓這些圓筒的表層看起來(lái)被一層層脫去，像波浪般連續(xù)起伏。
8)上升的老虎機(jī)三維圖像的所有體素同步快速上升。從顯示頂部消失的體素又從顯示的底部出現(xiàn)。這樣，圖像持續(xù)向上滾動(dòng)。
不同類型的雕塑需要恰當(dāng)?shù)嘏浜喜煌膭?dòng)畫(huà)。例如，使用動(dòng)畫(huà)1)可以生動(dòng)地顯示一幅復(fù)雜的動(dòng)物雕塑，而使用動(dòng)畫(huà)4)或8)可以使抽象或幾何形的雕塑看起來(lái)更富視覺(jué)刺激性。給預(yù)先制好的和用戶自創(chuàng)的雕塑配上動(dòng)畫(huà)的功能為本實(shí)用新型增添了令人著迷的、經(jīng)常預(yù)料不到的玩賞效果。
本實(shí)用新型還提供一種用于上述實(shí)施例各個(gè)方面的軟件。這部分進(jìn)一步分成三個(gè)子部分a)通過(guò)各旋鈕和按鈕接收用戶輸入的軟件部分；b)控制顯示本身的軟件部分；c)制作動(dòng)畫(huà)的軟件部分。
組成本實(shí)用新型物理用戶界面的旋鈕和按鈕由基本單元上靜止的18F242微控制器來(lái)掃描。這里用的是依次輪詢的掃描方式。參見(jiàn)圖6所示的靜止印刷電路板主循環(huán)。紅外線光鏈路將指令傳送給旋轉(zhuǎn)印刷電路板。通過(guò)軟件向經(jīng)由上述鏈路發(fā)送的數(shù)據(jù)字添加38KHz的載頻。這使旋轉(zhuǎn)印刷電路板上紅外線接收單元識(shí)別由基本單元傳送的信號(hào)。要傳送給旋轉(zhuǎn)印刷電路板的數(shù)據(jù)字，通過(guò)驅(qū)動(dòng)紅外線發(fā)光二極管的輸出接口被“位響應(yīng)”。使用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)協(xié)議將一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的指令和其他按鈕的按動(dòng)分開(kāi)。數(shù)據(jù)協(xié)議包括唯一的第一半位元組(4位)，發(fā)送它來(lái)識(shí)別旋轉(zhuǎn)編碼器指令。這個(gè)數(shù)據(jù)協(xié)議用來(lái)加速旋轉(zhuǎn)印刷電路板上微控制器中的指令解碼程序。
旋轉(zhuǎn)印刷電路板上的微控制器18控制向顯示本身的數(shù)據(jù)輸出以及各種必要的定時(shí)、動(dòng)畫(huà)和通信程序，參見(jiàn)圖7中用于旋轉(zhuǎn)微控制器18的主程序和中斷處理程序流圖。為旋轉(zhuǎn)微控制器開(kāi)發(fā)的軟件包括主循環(huán)，其重復(fù)運(yùn)行256字節(jié)RAM顯示緩沖中存儲(chǔ)的顯示數(shù)據(jù)。這個(gè)主程序被連續(xù)執(zhí)行。其他程序被中斷驅(qū)動(dòng)和根據(jù)所需執(zhí)行。
中斷驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器用來(lái)確定旋轉(zhuǎn)印刷電路板的旋轉(zhuǎn)時(shí)間。發(fā)生體素過(guò)渡時(shí)(每1/64圈)，用另一計(jì)數(shù)器確定。主程序會(huì)掃描指示發(fā)生體素過(guò)渡時(shí)間的標(biāo)志，然后將適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送給四個(gè)型號(hào)為74LVT574的緩沖/驅(qū)動(dòng)芯片。
動(dòng)畫(huà)軟件在旋轉(zhuǎn)印刷電路板中也是被中斷驅(qū)動(dòng)?；締卧盏街噶詈螅敢浖a流動(dòng)的標(biāo)志寄存器被設(shè)定。當(dāng)動(dòng)畫(huà)模式最先初始化后，使動(dòng)畫(huà)模式運(yùn)行的標(biāo)志被設(shè)定。有一個(gè)定時(shí)器會(huì)運(yùn)行，用來(lái)定時(shí)產(chǎn)生中斷，如動(dòng)畫(huà)中斷。動(dòng)畫(huà)標(biāo)志設(shè)定后，會(huì)在中斷時(shí)執(zhí)行動(dòng)畫(huà)模式。要執(zhí)行的特定動(dòng)畫(huà)模式由一個(gè)單獨(dú)的標(biāo)志寄存器來(lái)確定。動(dòng)畫(huà)模式關(guān)閉后，所有的動(dòng)畫(huà)代碼就被跳過(guò)不讀。
除了用來(lái)存儲(chǔ)所要顯示數(shù)據(jù)的第一256字節(jié)RAM顯示緩沖外，還有第二256字節(jié)RAM緩沖。該緩沖作為存儲(chǔ)器在一些動(dòng)畫(huà)程序中使用。另外，該通過(guò)標(biāo)志寄存器，第二顯示緩沖可以變成第一顯示緩沖。激活后，第二顯示緩沖變成主顯示程序的數(shù)據(jù)源。這一功能對(duì)有些動(dòng)畫(huà)是有用的。
通過(guò)插件盒可進(jìn)一步對(duì)本實(shí)用新型的功能進(jìn)行擴(kuò)展，它裝有進(jìn)行功能擴(kuò)展用的其它電路或電子存儲(chǔ)器。由于紅外線鏈路所使用的指令數(shù)據(jù)協(xié)議的可擴(kuò)展特性，所以很容易為本實(shí)用新型增添其他特征。因?yàn)椴寮虚_(kāi)發(fā)有附加功能，所以靜止的微控制器和插件盒上附加的電路物理連接。必要時(shí)，靜止的微控制器只需要向旋轉(zhuǎn)印刷電路板發(fā)送一個(gè)新的、唯一的指令字，控制顯示的旋轉(zhuǎn)印刷電路板就會(huì)做出適當(dāng)反應(yīng)。
在基本單元的電路和旋轉(zhuǎn)電路之間使用射頻鏈路，這可能是另一種擴(kuò)展方法。因?yàn)楝F(xiàn)成的射頻鏈路解決方案的成本低，所以靜止印刷電路板和旋轉(zhuǎn)印刷電路板之間的這種通信成為可選方式。提供比光鏈路以及雙向通信更高的數(shù)據(jù)率，是該方案最大的優(yōu)點(diǎn)。還可以使用各種通信方式，例如，串行鏈路，物理接觸，滑環(huán)和電刷等。錯(cuò)誤修正與AC偏壓耦合還可幫助在嘈雜的發(fā)送媒介環(huán)境中操作。
對(duì)于特定的產(chǎn)品價(jià)格點(diǎn)來(lái)說(shuō)，當(dāng)數(shù)據(jù)率足夠高時(shí)，可以從旋轉(zhuǎn)印刷電路板中移去復(fù)雜的動(dòng)畫(huà)軟件，在印刷電路板中軟件升級(jí)更困難。旋轉(zhuǎn)印刷電路板可以僅變成一個(gè)顯示裝置，后續(xù)開(kāi)發(fā)的軟件可以裝在更容易升級(jí)的基本單元或插件盒中。
可增加的功能實(shí)例包括在盒中存儲(chǔ)一套預(yù)先制好的或“預(yù)先錄制好的”的三維圖象進(jìn)行三維顯示。這些可能是獨(dú)創(chuàng)的主題設(shè)置，如“農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物”、“宇宙”等。也可以是已注冊(cè)的人物，如米老鼠(Mickey MouseTM)或者海綿鮑勃(SpongeBobTM)。
還可以增加和發(fā)光雕塑有關(guān)的聲音，如主題為“農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物”的盒中含有牛叫的哞哞聲。
利用帶有麥克風(fēng)和一些附加電路的插件盒，可以增加本實(shí)用新型對(duì)聲音的反應(yīng)。本實(shí)用新型可以對(duì)周?chē)泥须s聲作出反應(yīng)，適當(dāng)時(shí)會(huì)改變?nèi)S顯示。
通過(guò)盒擴(kuò)展可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)界面或與其他3DLS單元的界面。如果這種擴(kuò)展功能鏈路連接了同樣配置的3DLS單元，用戶能夠與其他3DLS用戶分享自己的作品。在計(jì)算機(jī)界面上，可通過(guò)在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布其雕塑數(shù)據(jù)，和世界上的任何人分享自己的作品。這可以通過(guò)個(gè)人網(wǎng)站或企業(yè)控制的中心網(wǎng)站實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)該知道，本實(shí)用新型所述的實(shí)施例可以進(jìn)行各種變更和改進(jìn)。所以，可以預(yù)期前述的詳細(xì)說(shuō)明應(yīng)視為是說(shuō)明性的而非限制性的，權(quán)利要求，包括其所有的等同物，用以限定本實(shí)用新型的范圍。
權(quán)利要求1.一種發(fā)光雕塑裝置，其特征是包括三維體積顯示裝配體，包括旋轉(zhuǎn)印刷電路板，和旋轉(zhuǎn)印刷電路板相固定的多個(gè)發(fā)光印刷電路板，在上述每個(gè)發(fā)光印刷電路板上的大量發(fā)光元素；將數(shù)據(jù)輸出傳送給三維體積顯示中的大量發(fā)光元素的微控制器，該微控制器控制定時(shí)、動(dòng)畫(huà)和通信程序；一個(gè)或多個(gè)與微控制器進(jìn)行通信的用戶界面控制器，使用戶實(shí)時(shí)進(jìn)行三維體積顯示的三維體積繪畫(huà)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是用戶界面控制器包括物理單元，該物理單元包括旋鈕、按鈕和三工位滑動(dòng)開(kāi)關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是用戶界面控制器包括旋鈕式旋轉(zhuǎn)編碼器，其旋轉(zhuǎn)的方向和距離由上述微控制器來(lái)讀取。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是用戶界面控制器包括控制旋轉(zhuǎn)的旋鈕式旋轉(zhuǎn)編碼器，它使顯示體在其中心軸附近旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是用戶界面控制器包括控制顯示體中閃動(dòng)光標(biāo)的“內(nèi)/外”和“上/下”旋鈕。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是用戶界面控制器包括“旋轉(zhuǎn)”旋鈕，通過(guò)“旋轉(zhuǎn)”旋鈕，很容易接近并處理整個(gè)三維顯示體的其它部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是用戶界面控制器包括具有對(duì)應(yīng)繪畫(huà)模式的“繪畫(huà)”、“移動(dòng)”和“擦除”的三工位開(kāi)關(guān)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是用戶界面控制器包括對(duì)當(dāng)前用戶操作模式的視覺(jué)反饋，光標(biāo)高速閃動(dòng)的頻率表示“繪畫(huà)”模式，光標(biāo)中速閃動(dòng)的頻率表示“移動(dòng)”模式，光標(biāo)低速閃動(dòng)的頻率表示“擦除”模式。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是用戶界面控制器包括不依賴于裝置的“繪畫(huà)”、“移動(dòng)”或“擦除”模式的翻轉(zhuǎn)功能鈕，它使當(dāng)前光標(biāo)所在體素的狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，讓用戶開(kāi)關(guān)各個(gè)體素。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是用戶界面控制器包括保存功能鈕，用于數(shù)據(jù)從三維顯示到非易失存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)和調(diào)出。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是包括同心光筒，一個(gè)光筒對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)光印刷電路板，每個(gè)光筒包括相互分離的、劃分成構(gòu)成三維顯示的體素部分的圓環(huán)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是旋轉(zhuǎn)印刷電路板為圓形且水平放置，發(fā)光印刷電路板豎直固定在該旋轉(zhuǎn)印刷電路板上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是發(fā)光印刷電路板和水平旋轉(zhuǎn)印刷電路板上的槽相配接，豎直發(fā)光印刷電路板被固定在豎直方向，無(wú)需單獨(dú)的連接裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是大量發(fā)光元素包括發(fā)光二極管。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是三維體積顯示裝配體包括四個(gè)豎直發(fā)光印刷電路板、多個(gè)發(fā)光二極管和電子元件，該裝配體通過(guò)牢固安裝在底部的電機(jī)快速旋轉(zhuǎn)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是三維體積顯示裝配體的旋轉(zhuǎn)速度為50轉(zhuǎn)/秒，當(dāng)該裝配體旋轉(zhuǎn)時(shí)，豎直發(fā)光印刷電路板和未點(diǎn)亮的發(fā)光二極管從用戶的視線中消失。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是包括和微控制器一同運(yùn)行的擴(kuò)展口，用來(lái)增加附加功能。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是包括和微控制器一同運(yùn)行的存儲(chǔ)器，其用于用戶雕塑、預(yù)制雕塑和動(dòng)畫(huà)等的保存以及從存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中調(diào)出這些雕塑和動(dòng)畫(huà)來(lái)顯示。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是包括和微控制器一同運(yùn)行的、存儲(chǔ)動(dòng)畫(huà)的存儲(chǔ)器，其中三維體積顯示的三維體積同步旋轉(zhuǎn)一整圈。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是包括由微控制器操作的、存儲(chǔ)動(dòng)畫(huà)的存儲(chǔ)器，其中三維體積顯示中的三維體積使同心圓筒以交替方向旋轉(zhuǎn)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是包括由微控制器操作的、存儲(chǔ)動(dòng)畫(huà)的存儲(chǔ)器，其中三維體積顯示中的三維體積使同心圓筒以攪拌器中食物的視覺(jué)回憶樣式液化，同心圓筒中的層以交替方向旋轉(zhuǎn)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光雕塑裝置，其特征是包括由微控制器操作的、存儲(chǔ)動(dòng)畫(huà)的存儲(chǔ)器，其中三維體積顯示中的三維體積使顯示的雕塑從視野中下沉。
專利摘要一種利用靜止部分，即旋鈕、按鈕及其相應(yīng)的電子元件，和旋轉(zhuǎn)印刷電路板、發(fā)光印刷電路板之間進(jìn)行通信的可動(dòng)、脈沖光源發(fā)光雕塑顯示。利用靜止的基本單元中的紅外線發(fā)光二極管和旋轉(zhuǎn)印刷電路板上的紅外線接收器來(lái)完成光數(shù)據(jù)鏈路。用戶界面使用戶輕松的進(jìn)行三維體積顯示的實(shí)時(shí)繪制。用來(lái)制作三維體素雕塑的用戶界面部分包括多個(gè)物理單元旋鈕、按鈕和三工位滑動(dòng)開(kāi)關(guān)。用戶界面的另一單元為顯示體中可移動(dòng)的閃動(dòng)光標(biāo)，用來(lái)表示當(dāng)前所控制的體素。用戶界面還提供了供用戶利用存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)保存/調(diào)出用戶雕塑和動(dòng)畫(huà)的功能鈕。利用體積顯示中的三維體積的同步移動(dòng)可容易得到動(dòng)畫(huà)。
文檔編號(hào)G09F19/00GK2936354SQ20062011287
公開(kāi)日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2006年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月13日
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