簡易的機械式電視機——最古老的電視顯示器玩出新花樣

時間：2022-09-16 14:26:01

關(guān)鍵字：機械式電視機顯示器

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[導(dǎo)讀]在平面顯示器，甚至是陰極射線管出現(xiàn)之前，人們在家里觀看電視節(jié)目要靠尼普科夫圓盤。90年前，在英國和德國等地，廣播公司將節(jié)目傳送到商業(yè)化生產(chǎn)的黑白機電式電視機，例如貝爾德電視播放機，這種電視機用尼普科夫圓盤來生成運動圖像。這種早期的播放方式建立了如今人們習(xí)以為常的節(jié)目形式，例如綜藝節(jié)目和實況轉(zhuǎn)播。由于尺寸和重量的原因，尼普科夫盤的無法實現(xiàn)擁有超過20條掃描線的顯示器（這與擁有數(shù)千條掃描線的現(xiàn)代顯示器形成了鮮明的對比）。但是，當(dāng)一臺機械電視機接收到動態(tài)圖像時，卻是可以觀看的，這非常令人驚奇。尼普科夫電視沒有高電壓或復(fù)雜的矩陣，簡單卻迷人。所以我在想，怎樣才能以最簡單的方法制作這樣一個可以產(chǎn)生高質(zhì)量圖像的顯示器呢？

最古老的電視顯示器玩出新花樣。

在平面顯示器，甚至是陰極射線管出現(xiàn)之前，人們在家里觀看電視節(jié)目要靠尼普科夫圓盤。90年前，在英國和德國等地，廣播公司將節(jié)目傳送到商業(yè)化生產(chǎn)的黑白機電式電視機，例如貝爾德電視播放機，這種電視機用尼普科夫圓盤來生成運動圖像。這種早期的播放方式建立了如今人們習(xí)以為常的節(jié)目形式，例如綜藝節(jié)目和實況轉(zhuǎn)播。由于尺寸和重量的原因，尼普科夫盤的無法實現(xiàn)擁有超過20條掃描線的顯示器（這與擁有數(shù)千條掃描線的現(xiàn)代顯示器形成了鮮明的對比）。但是，當(dāng)一臺機械電視機接收到動態(tài)圖像時，卻是可以觀看的，這非常令人驚奇。尼普科夫電視沒有高電壓或復(fù)雜的矩陣，簡單卻迷人。所以我在想，怎樣才能以最簡單的方法制作這樣一個可以產(chǎn)生高質(zhì)量圖像的顯示器呢？

學(xué)生時期，我就對尼普科夫圓盤產(chǎn)生了興趣，我用硬紙片做了一些試驗，但沒有任何的效果。近幾年，我看到有些人在制作現(xiàn)代尼普科夫顯示器，甚至還有彩色的，但這些都需要使用價格昂貴的機械工具和材料。我想使用消費級3D打印機，制作一個價格低廉的版本。尼普科夫圓盤的秘密在于其中排成螺旋狀的孔。圓盤后的光源照亮一小塊區(qū)域。馬達旋轉(zhuǎn)圓盤時，每個孔依次通過被照亮的區(qū)域，形成一系列（略微彎曲的）掃描線。如果光線與每個孔穿過觀看區(qū)域的時間同步變化，就可以形成一幀顯示圖像。我要做的第一件事是制作圓盤。我選擇了制作直徑為20厘米的圓盤，因為這是大多數(shù)家用3D打印機可以處理的尺寸。這也決定了電視的分辨率，因為孔的尺寸和確切形狀及其位置存在限制。我編寫了軟件，借助該軟件，用Prusa i3 MK3S+打印機制作了測試盤，設(shè)置了32個孔和32條掃描線。顯示器的形狀是一個不規(guī)則四邊形，寬21.5毫米，一端高13.5毫米，一端高18毫米。打印帶孔圓盤而不是在圓盤上鉆孔有一個意想不到的好處，那就是我可以制作方形孔，方形孔能比圓孔生成更清晰的圖像。

作為光源，我選擇的LED模塊在散光器后有紅光、綠光和藍光元件。好的圖像要求亮度和色彩的動態(tài)范圍要寬，這意味著驅(qū)動每個元件所需的功率和精度要比微控制器通常能直接提供的功率和精度更高。我設(shè)計了一個6位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）電路，并定制了各帶2套電路的印刷電路板。我將2個印刷電路板堆疊在了一起，這樣一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器就可以驅(qū)動一種LED顏色了（還有一個備用電路，以防我在用元件組裝印刷電路板時出錯）。這樣組合的分辨率就達到了每像素18位。還有3個電位器來調(diào)整每個通道的亮度。

設(shè)備的核心是一個Arduino Mega微控制器。Mega有足夠的內(nèi)存來容納屏幕幀，有足夠的輸入/輸出引腳為每種顏色分配一個完整的端口。（用一個字節(jié)的每一位打開或關(guān)閉一個引腳，使得一個端口可以同時對應(yīng)多達8個引腳。）雖然這樣意味著每個通道浪費了2個引腳，但Mega有備用引腳，而且與通過位觸發(fā)單獨對應(yīng)每個引腳相比，對應(yīng)一個端口具有更顯著的速度優(yōu)勢。使用紅外傳感器，Mega可將其輸出與圓盤的旋轉(zhuǎn)同步，通過粘貼在圓盤后面的反光帶來觸發(fā)紅外傳感器。有了這個傳感器，就不用擔(dān)心精確控制圓盤的速度了。我使用了一個12伏低噪聲直流XD-3420馬達，這種馬達很容易買到。我在Mega上附加了一些控制元件，包括一個可切換照片和視頻的模式按鈕、一個播放/暫停按鈕，以及一個可以快進到下一個文件的切換按鈕。3D打印的框架安裝在一個木質(zhì)基座上，可容納所有元件。由于我的電視機采用的是每通道每像素6位，而非大多數(shù)現(xiàn)代圖像格式的8位，因此我制作了一個可免費下載的轉(zhuǎn)換工具，此外，該項目的其他所有支持文件也支持下載，下載地址為Hackster.io。視頻可視為靜止圖像的集合，按照圓盤的確切轉(zhuǎn)速，以每秒25幀到30幀的速率發(fā)送到顯示器。可以使用開源軟件VirtualDub將視頻轉(zhuǎn)換為可用的圖像集合，然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳遞給轉(zhuǎn)換器。電影和圖像存儲在一張SD卡上，并通過相應(yīng)的串行外設(shè)接口（SPI）連接，使用SD模塊讀取到Mega的內(nèi)存中。電視只需掃描頂層目錄，然后就會開始顯示圖像，照片模式下一次顯示一張，視頻模式下會自動推進到下一個圖像。最初嘗試播放電影時，由于掉幀，出現(xiàn)了明顯的卡頓。我發(fā)現(xiàn)這是Arduino SD庫的原因，它的數(shù)據(jù)傳輸速率只有每秒25千字節(jié)左右，而在每秒25幀的速率下，顯示器要以每秒75千字節(jié)的速度獲取數(shù)據(jù)。于是我轉(zhuǎn)而使用經(jīng)過優(yōu)化的SdFat庫，解決了這個問題，SdFat庫的讀取速度很快。最終制成的顯示器很小巧，很適合放在桌面或架子上，而且圖像穩(wěn)定、明亮、色彩豐富，幀速率足以播放大多數(shù)視頻。雖然全電子化的電視機也許最終會取代機械電視機，但旋轉(zhuǎn)的尼普科夫盤仍然震撼心靈地提示我們：強大可能源于簡單。

作者：Markus Mierse

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