简易的机械式电视机——最古老的电视显示器玩出新花样

云脑智库 2022-09-02 00:00

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最古老的电视显示器玩出新花样。

在平面显示器，甚至是阴极射线管出现之前，人们在家里观看电视节目要靠尼普科夫圆盘。90年前，在英国和德国等地，广播公司将节目传送到商业化生产的黑白机电式电视机，例如贝尔德电视播放机，这种电视机用尼普科夫圆盘来生成运动图像。这种早期的播放方式建立了如今人们习以为常的节目形式，例如综艺节目和实况转播。

由于尺寸和重量的原因，尼普科夫盘的无法实现拥有超过20条扫描线的显示器（这与拥有数千条扫描线的现代显示器形成了鲜明的对比）。但是，当一台机械电视机接收到动态图像时，却是可以观看的，这非常令人惊奇。尼普科夫电视没有高电压或复杂的矩阵，简单却迷人。所以我在想，怎样才能以最简单的方法制作这样一个可以产生高质量图像的显示器呢？

学生时期，我就对尼普科夫圆盘产生了兴趣，我用硬纸片做了一些试验，但没有任何的效果。近几年，我看到有些人在制作现代尼普科夫显示器，甚至还有彩色的，但这些都需要使用价格昂贵的机械工具和材料。我想使用消费级3D打印机，制作一个价格低廉的版本。

尼普科夫圆盘的秘密在于其中排成螺旋状的孔。圆盘后的光源照亮一小块区域。马达旋转圆盘时，每个孔依次通过被照亮的区域，形成一系列（略微弯曲的）扫描线。如果光线与每个孔穿过观看区域的时间同步变化，就可以形成一帧显示图像。

我要做的第一件事是制作圆盘。我选择了制作直径为20厘米的圆盘，因为这是大多数家用3D打印机可以处理的尺寸。这也决定了电视的分辨率，因为孔的尺寸和确切形状及其位置存在限制。我编写了软件，借助该软件，用Prusa i3 MK3S+打印机制作了测试盘，设置了32个孔和32条扫描线。显示器的形状是一个不规则四边形，宽21.5毫米，一端高13.5毫米，一端高18毫米。打印带孔圆盘而不是在圆盘上钻孔有一个意想不到的好处，那就是我可以制作方形孔，方形孔能比圆孔生成更清晰的图像。

作为光源，我选择的LED模块在散光器后有红光、绿光和蓝光元件。好的图像要求亮度和色彩的动态范围要宽，这意味着驱动每个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。我设计了一个6位数模转换器（DAC）电路，并定制了各带2套电路的印刷电路板。我将2个印刷电路板堆叠在了一起，这样一个数模转换器就可以驱动一种LED颜色了（还有一个备用电路，以防我在用元件组装印刷电路板时出错）。这样组合的分辨率就达到了每像素18位。还有3个电位器来调整每个通道的亮度。

设备的核心是一个Arduino Mega微控制器。Mega有足够的内存来容纳屏幕帧，有足够的输入/输出引脚为每种颜色分配一个完整的端口。（用一个字节的每一位打开或关闭一个引脚，使得一个端口可以同时对应多达8个引脚。）虽然这样意味着每个通道浪费了2个引脚，但Mega有备用引脚，而且与通过位触发单独对应每个引脚相比，对应一个端口具有更显著的速度优势。

使用红外传感器，Mega可将其输出与圆盘的旋转同步，通过粘贴在圆盘后面的反光带来触发红外传感器。有了这个传感器，就不用担心精确控制圆盘的速度了。我使用了一个12伏低噪声直流XD-3420马达，这种马达很容易买到。

我在Mega上附加了一些控制元件，包括一个可切换照片和视频的模式按钮、一个播放/暂停按钮，以及一个可以快进到下一个文件的切换按钮。3D打印的框架安装在一个木质基座上，可容纳所有元件。

由于我的电视机采用的是每通道每像素6位，而非大多数现代图像格式的8位，因此我制作了一个可免费下载的转换工具，此外，该项目的其他所有支持文件也支持下载，下载地址为Hackster.io。视频可视为静止图像的集合，按照圆盘的确切转速，以每秒25帧到30帧的速率发送到显示器。可以使用开源软件VirtualDub将视频转换为可用的图像集合，然后将转换结果传递给转换器。

电影和图像存储在一张SD卡上，并通过相应的串行外设接口（SPI）连接，使用SD模块读取到Mega的内存中。电视只需扫描顶层目录，然后就会开始显示图像，照片模式下一次显示一张，视频模式下会自动推进到下一个图像。最初尝试播放电影时，由于掉帧，出现了明显的卡顿。我发现这是Arduino SD库的原因，它的数据传输速率只有每秒25千字节左右，而在每秒25帧的速率下，显示器要以每秒75千字节的速度获取数据。于是我转而使用经过优化的SdFat库，解决了这个问题，SdFat库的读取速度很快。

最终制成的显示器很小巧，很适合放在桌面或架子上，而且图像稳定、明亮、色彩丰富，帧速率足以播放大多数视频。虽然全电子化的电视机也许最终会取代机械电视机，但旋转的尼普科夫盘仍然震撼心灵地提示我们：强大可能源于简单。

作者：Markus Mierse

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