Màn hình thể tích cỡ nhỏ
(mitxela.com)- Đây là một nguyên mẫu tạo ra thiết bị hiển thị 3D cỡ lòng bàn tay dựa trên hiệu ứng lưu ảnh (POV) bằng cách quay toàn bộ một ma trận LED nhỏ, bo mạch RP2040, pin LIR2450 và động cơ
- Ma trận LED 8x10 được quay và chu kỳ được đọc bằng cảm biến IR, sau đó xuất bộ đệm thể tích theo tốc độ đã đo
- Tận dụng dual-core của RP2040 và khả năng điều khiển GPIO đồng thời, một lõi đo khoảng thời gian giữa các vòng quay, lõi còn lại xuất dữ liệu LED ở mức từng chu kỳ
- Mạch bảo vệ pin, phương thức sạc, độ bền của giá đỡ in 3D và việc không có giới hạn dòng LED là các ràng buộc chính; trong nguyên mẫu, cảnh báo sẽ hiện khi xuống dưới khoảng 3,6V
- Dữ liệu lát cắt cực 3D cùng dữ liệu mô phỏng chất lỏng và lửa được tạo bằng Blender, nhưng trên camera cảm giác chiều sâu kém hơn thực tế và ở phiên bản sau cần cải thiện căn chỉnh cùng độ phân giải
Ý tưởng cây nến điện tử quay
- Mục tiêu là tạo ra một cây nến điện tử trông giống ngọn nến nhấp nháy từ mọi góc nhìn
- Các màn hình lưu ảnh thông thường cần cấu trúc đỡ như ổ bi và slip ring, nên tác giả chọn cách làm động cơ và pin đủ nhỏ để toàn bộ thiết bị cùng quay
- Bo mạch ma trận LED được gộp chung với một đơn PCB khác để chế tạo nhanh
- PCB nhỏ từ Trung Quốc thực tế rất rẻ, và giao hàng nhanh mới là yếu tố quan trọng hơn
- Sử dụng máy gắp đặt Charmhigh CHM-T36VA
- Việc nạp reel linh kiện mất nhiều thời gian, nhưng ma trận LED này chỉ có một loại linh kiện nên có thể lặp lại việc lắp ráp bo rất nhanh
- Không đặt stencil chính thức mà dùng khắc laser trên acetate
- Ma trận LED được làm lần lượt bằng linh kiện 0603 và 0805, và ở phiên bản sau dự kiến dùng PCB tròn để đỡ vuông góc
Cấu hình phần cứng
- Vi điều khiển được chọn là Waveshare RP2040-tiny vì kích thước nhỏ và dung lượng flash phù hợp
- Raspberry Pi Pico có ưu điểm dual-core 125MHz, flash tối đa 16MB và giá rẻ, nhưng bản thân bo quá lớn
- RP2040 dạng chip trần cần flash QSPI ngoài, thạch anh và các tụ phụ trợ nên khá bất tiện khi dùng riêng
- RP2040-tiny về cơ bản là Pico thu nhỏ còn khoảng một nửa, với cổng USB và nút reset/boot nằm trên bo phụ nối bằng cáp dẹt
- Pin sử dụng là LIR2450
- Đây là pin Li-ion sạc lại được và có thể cấp hơn 100mA
- Các pin Li-ion nhỏ hơn sẽ giảm cả dung lượng lẫn khả năng cấp dòng
- Bo RP2040 có đường chéo khoảng 29mm nên ngay cả khi dùng pin nhỏ hơn thì thành phẩm cũng không nhỏ hơn đáng kể
- Khay pin được in 3D bằng PETG
- Bản đầu có thành dày 0,5mm và gồm hai mảnh dán lại, nên cứ rơi là dễ nứt ở đường dán
- Về sau tác giả thử thành dày 1mm và cấu trúc in theo hướng khác
- Việc phát hiện vòng quay dùng cảm biến IR TCRT5000
- Ngõ ra là analog nhưng được kéo lên và nối trực tiếp vào GPIO
- Đầu vào RP2040 có Schmitt trigger có thể tắt bằng phần mềm nên thực tế dùng gần như một comparator
- Động cơ được chọn là RF-410CA
- Các động cơ CD/DVD tương tự có khác biệt nhỏ về đường kính và chiều dài trục
- Để đạt 30FPS cần khoảng 1800RPM, trong khi nhiều động cơ nhỏ có tốc độ không tải 5000~10000RPM là quá nhanh
- Tốc độ được hạ bằng PWM
Mạch và lắp ráp nguyên mẫu
- Ma trận LED có cấu trúc 8x10 nên dùng 18 GPIO
- Ngoài ra còn tính thêm 1 chân cho đầu vào cảm biến, 1 chân điều khiển động cơ và 1 chân theo dõi điện áp pin
- LED WS2812 có sẵn trên bo nối với GPIO16; để lấy GPIO cho ma trận, tác giả tháo LED đó ra và hàn dây đồng tráng men
- Điều khiển động cơ dùng MOSFET SOT-23 nhỏ và diode flyback theo kiểu dead-bug
- LED IR được nối trực tiếp vào đường nguồn
- Lý tưởng nhất là điều khiển bằng phần mềm để tiết kiệm điện khi không quay, nhưng ở nguyên mẫu điều này bị bỏ qua để tiết kiệm GPIO
- Ma trận LED được nối trực tiếp vào GPIO, không có điện trở hạn dòng hay transistor driver
- Tổng dòng source/sink toàn bộ GPIO của RP2040 vào khoảng 50mA
- Thiết kế này dựa vào điện trở nội khi bật của GPIO và giới hạn duty cycle PWM; nếu chip treo khiến ma trận sáng cố định thì LED có thể bị quá dòng
- Cực dương pin được nối trực tiếp vào VBUS của bo
- Với cấu trúc này, khi cắm cáp USB thì cực pin có thể bị đặt 5V, nên đây gần như chỉ là một mẹo tạm ở giai đoạn nguyên mẫu
- Để tháo pin, tác giả khoan một lỗ nhỏ phía sau; sau khi nhựa bị nứt thì dùng dây thun để giữ pin
Phần mềm điều khiển hiển thị
- Phần mềm giám sát cảm biến IR và dùng thời gian giữa các lần kích hoạt để xác định tốc độ hiển thị ma trận
- RP2040 có ưu điểm là có thể thiết lập hoặc đọc tất cả GPIO trong cùng một chu kỳ clock
- Ngay cả STM32 là vi xử lý 32-bit thì IO vẫn được gom trong thanh ghi 16-bit và có thể gặp tranh chấp bus khi muốn thay đổi đồng thời
- Dữ liệu GPIO đầu ra cần thiết được tiền xử lý trước, rồi xuất tuần tự theo tốc độ quay đo được
- Dual-core ARM Cortex-M0 được dùng với vòng lặp busy-wait thay vì ngắt
- Lõi thứ nhất giám sát cảm biến IR và dùng SysTick để đo số chu kỳ giữa các lần kích hoạt
- Lõi thứ hai chờ tín hiệu chiếu sáng rồi dùng SysTick riêng để duyệt bộ đệm thể tích với độ chính xác theo chu kỳ
- Điều khiển động cơ bắt đầu bằng logic đơn giản
- Nếu RPM dưới 1200 thì chạy động cơ ở 90% công suất
- Nếu không thì hạ xuống 60%
- Nhờ quán tính và lực cản không khí, cách điều khiển đơn giản này hoạt động đủ tốt trên nguyên mẫu hiện tại
- Ma trận được quét theo từng cột
- Nhìn từ trên xuống, mỗi đường hướng tâm sẽ hơi thành dạng xoắn, nhưng vẫn dễ hiệu chỉnh hơn so với việc toàn bộ biến thành helix
- Duty cycle của LED gần tâm được giảm tương ứng so với LED ở rìa
Giám sát điện áp pin và sạc
- Cell LIR2450 trần không có mạch bảo vệ nên nếu điện áp xuống quá thấp có thể bị hư hỏng vĩnh viễn
- Dưới 3V khá nhiều là đã có vấn đề, và giới hạn thực tế tùy cell vào khoảng 2,7V
- Việc theo dõi điện áp dùng mạch chia áp từ hai điện trở 100K nối vào GPIO cuối cùng còn trống
- Trên RP2040-tiny, điện áp tham chiếu ADC là một biến số
- Nếu tham chiếu ADC chính là điện áp cấp thì khi điện áp cấp giảm sẽ khó phát hiện rõ mức tụt của pin
- LDO RT9193-33 3,3V có dropout 220mV ở 300mA, nên khi pin xuống 3,52V thì điện áp cấp cho RP2040 cũng bắt đầu giảm
- Trong nguyên mẫu, tác giả đặt cảnh báo khi xuống dưới khoảng 3,6V
- Ở phiên bản sau dự kiến sẽ thêm điện áp tham chiếu
- Ban đầu pin được tháo ra và sạc bằng bộ sạc độc lập, nhưng bộ sạc mới bị hỏng ngay lần dùng đầu tiên
- Sau đó tác giả dùng nguồn bench đặt giới hạn dòng 50mA và điện áp không đổi 4,2V để sạc cell Li-ion đơn
- Vì không chắc dung lượng pin là 120mAh hay 60mAh, nên chọn dòng sạc thận trọng hơn 1C
- Để tiện phát triển, tác giả làm một bo chặn USB đặt giữa PC và bo lập trình RP2040-tiny
- Đường 5V được tách ra và chân pin được đưa ra ngoài để có thể nối nguồn mà không cần tháo pin
- Đường dữ liệu vẫn được giữ nguyên nên vẫn lập trình được khi pin còn gắn
- Về sau, IC sạc Li-ion BQ21040DBVR được gắn thêm vào giữa bo chặn USB
- Có thể sạc pin khi vẫn cắm cáp lập trình
- Nguyên mẫu không tắt hẳn và riêng LED IR vẫn tiêu thụ khoảng 9mA liên tục, tổng dòng chờ cũng khoảng 15mA nên không đạt điều kiện kết thúc sạc đầy hoàn toàn
- Do sụt áp trên cáp, điện áp pin cũng có thể không lên quá 4,1V
Tạo dữ liệu thể tích bằng Blender
- Dữ liệu hiển thị phải được tạo ở dạng tọa độ cực 3D gồm r, theta, z
- Bài thử đầu tiên dùng một khối lập phương wireframe
- Áp dụng wireframe modifier cho cube mặc định của Blender
- Xoay để cạnh khối lập phương hướng lên trên: 45 độ theo trục x và
atan(1/sqrt(2))theo trục y
- Để tạo lát cắt, một cube khác được biến thành lát mỏng và dùng boolean modifier
- Camera và lát cắt được parent vào một Empty, rồi animate góc quay Z của Empty
- Camera được đặt ở chế độ orthographic và độ phân giải chỉnh thành 8x10
- Nền là màu đen, vật liệu cube là emissive, và ngưỡng được đặt bằng colour ramp trong compositor
- Màn hình hiện tại chỉ dùng voxel 1-bit
- Mỗi voxel chỉ có thể bật hoặc tắt
- Trong Blender, tác giả chỉnh ngưỡng để chọn điểm cắt phù hợp bằng mắt
Render animationtạo ra 24 ảnh lát cắt của khối wireframe, sau đó một script Python chuyển chúng thành file header để nhúng vào mã- Blender driver được dùng để điều khiển góc quay camera và khối lập phương theo công thức dựa trên frame
- Góc quay camera dùng
(frame/24)*2*pi - Góc quay y của cube dùng
floor(frame/24)*pi/24để mỗi vòng quay lại xoay thêm một phần - Mục tiêu là giữ từng frame dữ liệu ở dạng rời rạc để có thể điều chỉnh tốc độ phát theo RPM động cơ
- Góc quay camera dùng
Mô phỏng chất lỏng và lửa
- Mô phỏng chất lỏng trong Blender dễ bắt đầu nhưng khó đạt đúng kết quả mong muốn vì có quá nhiều tham số
- Mô phỏng chất lỏng dễ chuyển hạt chất lỏng thành mesh nên tương đối thuận tiện để đưa lên màn hình thể tích
- Tác giả thử mô phỏng ở tốc độ 1/24 rồi trích xuất dữ liệu thể tích tọa độ cực theo cùng cách, nhưng thang thời gian quá chậm tạo ra bất ổn và không tìm được cách đơn giản để làm chậm tốc độ phát
- Tính năng Multi-view hoặc Stereoscopy cũng đã được xem xét
- Có thể thêm nhiều camera để render đồng thời từ nhiều góc nhìn
- Nhưng không rõ cách nhanh để quay đều 24 camera, đồng thời còn có vấn đề phải render cả boolean modifier cho lát cắt
- Cũng thử cách vòng qua bằng clipping distance của camera để render các lát cảnh mỏng
- Vấn đề là bên trong đối tượng bị cắt không được lấp đầy mà chỉ hiện bề mặt
- Tác giả có thử xem vật liệu volumetric có thể lấp phần đó hay không nhưng không thu được kết quả
- Cuối cùng, tác giả render 24 lần bằng script Python của Blender
- Góc quay Z của Empty được đổi qua 24 góc khác nhau, và ở mỗi góc lại render toàn bộ animation một lần nữa
- Cách này cho phép giữ mô phỏng chất lỏng thời gian thực đồng thời lấy được các lát cắt theo từng hướng quay
- Mô phỏng lửa được bake ra OpenVDB rồi nhập lại vào Blender để xử lý
- Volume to Mesh modifier được dùng để áp ngưỡng lên dữ liệu thể tích
- Sau đó áp dụng lát cắt camera và boolean modifier rồi chạy lại cùng script
Chất lượng hiển thị và phiên bản tiếp theo
- Thiết bị thực tế cho cảm giác 3D mạnh hơn ảnh chụp hoặc video
- Sai số căn chỉnh LED cũng có thể được bù bằng phần mềm
- Có thể dời vị trí lát boolean lệch nhẹ khỏi tâm để khớp với tâm quay thực tế
- Cũng có thể dùng hình hơi cong thay cho cube kéo dài để bù cho kiểu quét của ma trận
- Với độ phân giải hiện tại, những cải tiến này có thể chưa thật sự dễ nhận ra
- Điều quan trọng nhất là các voxel riêng lẻ ở vùng ngoài cùng phải trông như một điểm duy nhất từ mọi góc
- Nếu lệch căn chỉnh, một voxel có thể trông như bị bật hai lần và kéo dài ra
- Ký tự
mở trung tâm được render theo cách riêng để có thể đọc được từ mọi hướng- Văn bản được cuộn theo hướng có thể đọc được cả từ trước lẫn sau
- Nguyên mẫu tiếp theo sẽ cải thiện căn chỉnh và độ phân giải
- Do không có công tắc trượt đủ nhỏ, tác giả không thêm được tính năng tắt nguồn mà không tháo pin; thay vào đó dùng một mảnh acetate nhỏ chèn giữa pin và tiếp điểm
- Vì đã có cảm biến IR nên có vẻ cũng có thể thêm điều khiển từ xa, nhưng cảm biến hiện tại không phải loại giải điều chế
- Mã nguồn được công khai trên GitHub: source code on github
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Có vài ý tưởng cải tiến. Nếu có dư cùng loại động cơ, có thể tháo rời hai cái và dùng chổi than của hai cụm đó để làm bộ truyền điện quay
Mỗi thiết bị sẽ phải hy sinh hai động cơ, nhưng nó vừa khít và rất ổn định; nếu gắn thêm tụ điện và bộ chỉnh lưu thì không còn phải bận tâm đến pin nữa
Bộ chỉnh lưu cũng cho tín hiệu rằng cụm đã quay được một vòng, nên có thể giữ ổn định hình ảnh dựa trên vị trí thực tế thay vì đoán chu kỳ
Truyền điện bằng cảm ứng cũng có thể khả thi, nhưng khi đó không truyền đủ hiệu quả nên phải đẩy điện áp đầu vào lên quá cao, và tôi lo về nguy cơ cháy
Lời khuyên này đến từ một dự án nghệ thuật tại Burning Man năm 2001. Ảnh nguyên mẫu ban đầu cực kỳ thảm hại ở đây: https://github.com/sowbug/tqw/blob/master/photos/side.jpg. Tác phẩm lắp đặt cuối cùng hoạt động rất tốt
Tôi cũng tò mò các công ty LIDAR xử lý chuyện này như thế nào
1: https://www.adafruit.com/product/1407
2: https://www.adafruit.com/product/2162
Đây là một trong những ý tưởng tài tình mà về sau nhìn lại thấy hiển nhiên
Dù chỉ ghép thủ công các linh kiện rời khá thô sơ mà kết quả đã thuyết phục đến vậy, tôi tự hỏi tại sao đến Giáng sinh tới lại không có một phiên bản full-color, độ phân giải cao từ một thương hiệu dropshipping 7 chữ cái nào đó trên Amazon
Nhưng phần lớn chỉ gần như là đồ chơi. Nếu chỉ có một bề mặt phát sáng trong suốt và không thể chạm vào, thì thực tế không làm được nhiều việc
Cũng có thể thấy các phiên bản không quay lớn hơn nhiều làm từ LED treo trên cáp [2], trông rất ấn tượng, nhưng cảm giác mới lạ nhanh chóng biến mất và bạn nhận ra đó không phải là loại màn hình dùng cho mục đích продуктив
Nếu muốn hình ảnh 3D thật sự, có thể render mọi thứ chất lượng cao và tương tác được, thì có vẻ headset VR/AR mới là hướng phù hợp. Cũng có các màn hình 3D mới không cần kính, nhưng chưa nhiều người được tận mắt xem
Có thể sẽ làm được một món đồ chơi bán trên Amazon, nhưng tôi không chắc những thứ như thế này có killer app nào không
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Volumetric_display#Swept-volum...
[2] https://www.ledpulse.com/
Đây là một dự án nhỏ thật sự rất ngầu. Nhất định nên xem cả các dự án khác nữa. Một số từng được đăng lên HN trước đây
https://mitxela.com/projects/hardware
Cá nhân tôi thích nhất còi trượt MIDI
[0] https://mitxela.com/projects/headphone_amps
Rất sáng tạo. Có lẽ tôi có đủ kiên trì và hứng thú để làm đến cùng những thứ như thế này, nhưng lại thiếu trí tưởng tượng để nghĩ ra một dự án tuyệt như vậy
May là có Internet nên có thể xem những thứ ấn tượng mà người khác tạo ra
Làm vậy thì khi có năng lượng để làm dự án, bạn không phải lãng phí năng lượng vào việc nghĩ ý tưởng
Nó tạo ra khác biệt lớn ở lượng side project bạn thực sự có thể hoàn thành. Rất có thể bạn có nhiều ý tưởng thú vị hơn mình nghĩ. Chỉ là nếu thời điểm ý tưởng xuất hiện không trùng với lúc bạn có thời gian/năng lượng để thực hiện hoặc mở rộng nó, thì nó sẽ biến mất
Ngay cả khi có kiên trì và kỷ luật, lần này tôi vẫn phải trả hóa đơn, nên thứ gây xao nhãng không phải ý tưởng B mà chỉ là công việc thường ngày
Tôi đồng ý với việc ghi lại mọi thứ. Như hầu hết mọi việc, nếu luyện tập nghiêm túc thì sẽ khá hơn
Những điều thường bị bỏ qua là (1) kiến thức kỹ thuật, (2) phát minh có hệ thống, (3) động lực
Kiến thức kỹ thuật giúp bạn biết dự án nào là khả thi, hoặc khả thi về mặt kinh tế, và giúp hình dung các chướng ngại trên đường đi. Những phát minh bất khả thi thì không hữu ích lắm
Phát minh có hệ thống là nhìn sự vật một cách có hệ thống thay vì nảy ý ngẫu nhiên. Ví dụ, phân tích (a) muốn làm một màn hình thể tích, (b) muốn thổi sức sống vào vật thể 3D ảo. Giữa hai điều này có khác biệt tinh tế
Màn hình thể tích (a) có thể trải rộng từ light-field display với nền tảng lý thuyết tao nhã cho đến màn hình thể tích dựa trên hiện tượng lưu ảnh như thấy ở đây. Nếu đào sâu không gian vấn đề, nhiều khả năng cuối cùng bạn sẽ chạm tới các hướng giải khả thi
Thổi sức sống vào vật thể 3D (b) có thể là một không gian vấn đề rộng hơn nhiều, gồm chế tác số, kính VR, tương tác xúc giác, robot, v.v.
Động lực cũng thực sự quan trọng. Hiểu vì sao mình phát minh, mình muốn biến điều gì thành hiện thực cũng rất có ý nghĩa. Chẳng hạn muốn đem lại niềm vui cho mọi người, hay đơn giản là vì nó cực kỳ ngầu, hay là một thiết bị y tế hữu ích có thể cứu mạng
Cách tập trung vào các chủ đề có giá trị cũng có thể học được, và nó nâng cao đáng kể năng lực phát minh. Tất nhiên, làm chỉ vì chúng ta thích cũng quan trọng và hoàn toàn chính đáng :)
Cá nhân tôi thấy phần quan trọng nhất là tận hưởng quá trình đó
Cái này rất giống cách hoạt động của quạt hologram. Toàn bộ phần điện tử nằm trong bộ phận đang quay
Các loại quạt như vậy thường dùng truyền điện không dây để cấp nguồn cho bo mạch phía trên
https://youtu.be/bT716nyK0AY
Nếu bạn ở London hoặc ghé thăm nơi này, triển lãm của 180 Studios [1] thường dùng loại công nghệ này trong các show nghệ thuật
Nếu quan tâm đến nghệ thuật và công nghệ thì rất đáng đi xem
[1] https://www.180studios.com/
Nếu thích thể loại này thì đây là một kênh YouTube tuyệt vời
Tôi tự hỏi liệu có thể làm mới màn hình OLED giá rẻ đủ nhanh để đạt độ phân giải cao hơn nhiều không. Có thể là được, nhưng khoảng trống giữa các lát hướng tâm nhiều khả năng sẽ lớn hơn khoảng cách pixel rất nhiều, nên trông thậm chí có thể còn tệ hơn
Vấn đề căn tâm có lẽ có thể giải quyết bằng cách đặt hai bo LED lên trên, lưng tựa lưng
Một bo có thể dịch LED đi nửa bước để tạo hiệu ứng interlace, đồng thời tăng gấp đôi độ phân giải
Nếu có một phiên bản RGB chắc chắn, cỡ lớn hơn khoảng 50x50, và có thể hiển thị các hình ảnh khác nhau mà không cần lập trình, tôi sẵn sàng trả hơn 200 đô la
Cũng có một dự án màn hình thể tích thú vị khác mới được đăng gần đây nhưng không được chú ý nhiều
https://news.ycombinator.com/item?id=38406824