制作便携式宽屏机械电视

# 微型机械电视鼓机呈现惊人锐利4K画面 来源：https://spectrum.ieee.org/mechanical-tv-2677767814 我从未想过要涉足机电电视技术的尖端领域。最初我只是想做一个精美的时钟。但有时你必须跟随工程设计的指引前行，而这次它将我引向了“扫描轮”——一台口袋尺寸的宽屏机电电视，分辨率为4096×20像素。是的，就是4K×20的超宽比例。 ## 扫描轮电视的主要组件 [顶部图注] 3D打印的鼓筒由驱动板控制的电机驱动旋转[第二行图注]。驱动板又受控于Raspberry Pi Pico微控制器[中间图注]，同时该控制器还驱动安装在3D打印外壳中的LED灯组[倒数第二行图注]。随着鼓筒转动，外壳上的孔洞依次掠过LED灯组[底部图注]。图片：James Provost 机电电视是电视技术的最早实用形式，由约翰·洛吉·贝尔德于1920年代开发(https://spectrum.ieee.org/first-tv)。他使用了所谓的尼普科夫转盘——一种带有螺旋排列孔洞的圆盘。当转盘旋转时，孔洞逐个经过光源前方。通过在孔洞移动过程中调节光源亮度，即可绘制出视频帧的一条扫描线。当转盘转速足够快时，视觉暂留效应会让人感觉整个画面同时呈现。英国在1930年代开始生产商用机电电视设备(https://spectrum.ieee.org/tag/united-kingdom)，BBC电视台也在此期间进行了定期节目播送(https://www.bbc.com/historyofthebbc/100-voices/birth-of-tv/the-bbc-steps-in)。 尽管阴极射线管技术(https://spectrum.ieee.org/slideshow-the-beautiful-obsolescence-of-discarded-tvs)在1940年代取代了机电电视，但业余爱好者们仍持续制作并改进这项原始技术。例如，IEEE Spectrum杂志2022年6月专栏(https://spectrum.ieee.org/mechanical-tv)中，Markus Mierse展示了桌面级3D打印彩色版本。 数年前我自己也制作过机电显示设备，但采用的是传统设计——用钻孔黑胶唱片制作尼普科夫转盘。最近我又开始研究机电电视，这源于我运营的YouTube频道(https://www.youtube.com/@ancientjames)。该频道主要专注开发体积显示技术，即在空间体积内创建三维浮动像素。特别地，我尝试借鉴光场相机的原理——这类相机通过针孔和透镜捕捉样本的多维光场信息(https://spectrum.ieee.org/lightfield-photography-revolutionizes-imaging)。 我思考能否反向运用这个过程来**创建**光场而非采集光场。我通常先在二维平面探索概念再拓展至三维，因此决定先制作二维显示原型。最终我选择将机电装置改造成时钟——毕竟显示数字无需极高分辨率。 ## 扫描轮显示如何工作？ 将显示装置设想为钟表表盘，这引导我产生了两个关键构想：第一，采用五个光源创建多个显示区域——四个分别表示时/分，中央区域设置每秒闪烁的分隔符；第二，为使数字排列成可读行而非分散在弧线上，我用尼普科夫鼓筒(https://www.edn.com/electromechanical-displays-part-2-the-nipkow-drum-and-spinning-mirror/)替代了传统转盘。 鼓筒的孔洞沿曲面呈阶梯状排列，这意味着从侧面观察时，所有孔洞始终描绘出直线轨迹，因此时钟数字能保持水平对齐。 “在测试中，我已将水平分辨率提升至8000像素以上。” 这两个决定成为实现**微型化**(https://spectrum.ieee.org/tag/miniaturization)与高水平分辨率的关键。传统转盘需要足够大的直径才能避免扫描线过度弯曲，但鼓筒则无此限制。相同扫描线数量的鼓筒可以做得比转盘小得多。（与1920年代不同，现代LED技术使得在小型鼓筒内紧密排列多个光源毫无难度。）我最终选定6厘米宽的鼓筒，将设备从桌面尺寸缩小到可放入口袋。 随后我发现五个显示区域可协同工作，形成单块宽屏显示。由于LED亮度可实现超高速调制，水平分辨率能达到极高水平。目前系统水平分辨率为4K，这主要受限于板载存储容量——该内存用于缓存每帧像素数据，再传输至LED显示。在测试中，我已将水平分辨率推进至8000像素以上。 尽管扫描轮垂直分辨率较低（仅20像素，少于贝尔德30行扫描电视），但其高水准分辨率使显示内容异常清晰：不仅能显示粗略数字，甚至可将视频流接入帧缓冲区。 ## 利用RP2040芯片的特殊硬件 帧缓冲区存储在Raspberry Pi Pico微控制器板上，该板基于RP2040芯片(https://spectrum.ieee.org/tag/rp2040)。RP2040非常适合此项目，因其配备专用PIO硬件。PIO即“可编程输入输出”，是包含四个协处理器的模块，采用精简指令集。每个协处理器可独立于RP2040的双核CPU运作，专门处理输入输出流。 [对比图注] 图示比较了圆盘显示的弧线与鼓筒显示的直线。早期机械电视使用圆盘，为减少图像畸变需做大尺寸，且能容纳笨重光源。现代小型光源使紧凑鼓筒也能实现低畸变显示。图片：James Provost 正是借助PIO技术，我才能跟上鼓筒旋转节奏，在孔洞掠过LED时同步调制五盏灯光——其中中央LED并非单色而是红绿蓝三通道彩色，这进一步增加了任务复杂度。实际上PIO承担了绝大部分工作：从帧缓冲区提取数据、控制LED和鼓筒旋转。运行在CPU上的代码（用MicroPython编写）主要负责PIO初始化，随后便无需持续干预。 步进电机通过驱动板控制鼓筒旋转，电源来自Pico的USB接口(https://spectrum.ieee.org/tag/usb)。控制方面，Pico只需每毫秒向驱动板发送脉冲，逐步推进鼓筒位置。视频数据通过网络接口传输至Pico。扫描轮可设置为镜像计算机屏幕部分区域，或作为独立显示器使用。 外壳及鼓筒均为3D打印制品。有个精妙设计：在扫描轮的GitHub仓库(https://spectrum.ieee.org/tag/github)中（地址https://github.com/AncientJames/Scanwheel/tree/main），除所有制作所需文件外，还包含一个OpenSCAD文件(https://openscad.org/)，可通过调整参数自动生成鼓筒3D打印文件。这意味着您可轻松制作更高鼓筒以增加扫描线数量，或进行其他定制化调整，打造专属便携式机电显示器。甚至可将其用作时钟！