До появления плоских экранов, даже до электронно-лучевых трубок люди могли смотреть телепередачи. И всё благодаря диску Нипкова. Эти диски девяносто лет назад использовали в черно-белых электромеханических телевизорах типа Baird Televisor. Такие можно было встретить, например, в Англии и Германии. Забавно, что технология привела к появлению многих форматов, которые мы сегодня считаем само собой разумеющимися (разные телевизионные шоу, внешние трансляции).
Размер и вес диска Нипкова делают практически невозможным существование дисплея даже с несколькими десятками строк развертки, не говоря уж о тысячах строк, как в современных телевизорах. Но когда на механический телевизор подаётся движущееся изображение, результат получается на удивление смотрибельным. А дисплеи завораживают своей простотой — никаких высоких напряжений или сложных матриц. Поэтому я задался вопросом: как проще всего создать такой дисплей, который будет воспроизводить изображение хорошего качества?
Я интересовался дисками Нипкова ещё в студенческие годы, когда провёл несколько экспериментов с картонными дисками. Но эти эксперименты ничего не дали. В последнее время я стал замечать, что люди создавали современные дисплеи Нипкова — даже цветные — но для их создания требовались дорогостоящие станки и материалы. Я приступил к разработке недорогой версии, которую можно было бы сделать с помощью 3D-принтера потребительского класса.
Секрет диска Нипкова в расположенных по спирали отверстиях. Источник света за диском освещает небольшой сектор. Двигатель вращает диск, и каждое отверстие по очереди проходит через освещённую область, создавая серию слегка изогнутых линий сканирования. Если освещение изменяется синхронно со временем, которое требуется каждому отверстию, чтобы пересечь область просмотра, вы можете получать изображения в рамке дисплея.
Первое, что мне нужно было сделать, это разобраться с диском. Я остановился на диаметре 20 сантиметров, поскольку с таким размером легко может справиться большинство домашних 3D-принтеров. Так как размер отверстий точной формы и расположения ограничен, подобный диаметр диска накладывает определённое ограничение на разрешение дисплея. Я написал программное обеспечение, которое позволило мне создавать тестовые диски на моём принтере Prusa i3 MK3S+, установив 32 отверстия для 32 строк сканирования. Дисплей представляет собой трапецию шириной 21,5 мм и высотой 13,5 мм с одного конца и высотой 18 мм с другого. Одним из неожиданных преимуществ печати диска сразу с отверстиями (вместо сверления) было то, что я мог сделать отверстия квадратными. Это привело к гораздо более чёткому изображению, чем в случае с круглыми отверстиями.
В качестве источника света я использовал светодиодный модуль с красными, зелёными и синими элементами, расположенный за рассеивателем. Хорошее изображение требует широкого динамического диапазона яркости и цвета, что означает управление каждым элементом с большей мощностью и точностью, чем микроконтроллер может обеспечить напрямую. Я разработал схему 6-разрядного цифро-аналогового преобразователя и заказал печатные платы, на каждой из которых было по две копии схемы. Я поставил две печатные платы друг на друга так, чтобы одна копия моего ЦАП управляла одним цветом светодиода (с запасной схемой, оставшейся на случай, если бы я допустил какие-то ошибки при заполнении печатных плат компонентами!). Это даёт комбинированное разрешение 18 бит на пиксель. Три потенциометра позволяют регулировать яркость каждого канала.
Микроконтроллер Arduino Mega — это мозг нашего телевизора. Mega имеет достаточно оперативной памяти для хранения кадров экрана и достаточное количество входов/выходов (пинов), чтобы выделить целый порт для каждого цвета (порт позволяет подавать сигналы на восемь пинов одновременно, используя биты одного байта для включения или выключения пина). Хотя я потратил два пина на канал, у Mega достаточно запасных пинов, зато подача сигнала на порт обеспечивает значительное преимущество в скорости по сравнению с bit-banging для подачи сигнала на каждый пин по отдельности.
Mega синхронизирует свой выходной сигнал с вращением диска с помощью инфракрасного датчика, активируемого отражающей полосой, прикреплённой к задней части диска. Благодаря этому датчику мне не нужно было контролировать скорость диска. Я использовал малошумный 12-вольтовый двигатель постоянного тока XD-3420, который легко достать.
Я подключил к Mega некоторые дополнительные элементы управления — кнопку переключения режима между фото и видео, кнопку воспроизведения/паузы и кнопку пропуска дорожки для перехода к следующему файлу. Все элементы соединены рамками, напечатанными на 3D-принтере, и закреплены на деревянной основе.
Поскольку мой телевизор использует 6 бит на канал на пиксель вместо 8 бит, используемых в большинстве современных форматов изображений, я создал инструмент преобразования, который можно бесплатно загрузить вместе со всеми другими вспомогательными файлами для этого проекта с Hackster.io. Видео рассматриваются как набор неподвижных изображений, отправляемых на дисплей со скоростью от 25 до 30 кадров в секунду, в зависимости от точной скорости диска. Вы можете преобразовать видео в подходящие коллекции с помощью программного обеспечения с открытым исходным кодом VirtualDub, а затем передать результаты через мой конвертер.
Фильмы и изображения хранятся на SD-карте и считываются в память Mega с помощью SD-модуля через соединение SPI. Телевизор просто сканирует каталог верхнего уровня и начинает выводить изображения — по одному в случае фотографий и автоматически переходя к следующему изображению в режиме видео.
Изначально, когда я пытался воспроизвести фильмы, было заметное заикание из-за пропуска кадров. Я обнаружил, что это связано со стандартной библиотекой Arduino SD — она может обрабатывать передачу данных со скоростью всего 25 килобайт в секунду или около того, в то время как при 25 кадрах в секунду дисплей ищет данные со скоростью 75 кБ/с. Проблема решилась переходом на оптимизированную библиотеку SdFat, которая обеспечивает гораздо более быстрый доступ на чтение.
В результате компактный дисплей, который легко помещается на столе или полке, но при этом воспроизводит яркое, красочное и стабильное изображение с достаточно высокой для большинства видео частотой кадров. Да, полностью электронное телевидение в конечном итоге победило механические устройства, но мой вращающийся диск Нипкова служит напоминанием о том, что простыми средствами можно создать по-настоящему крутые вещи. Не чешутся руки попробовать?
Что ещё интересного есть в блоге Cloud4Y
→ Малоизвестный компьютер SWTPC 6800
→ Сделайте Linux похожим на Windows 95
→ Бесплатные книги, полезные для IT-специалистов и DevOps
→ WD-40: средство, которое может почти всё
→ Игры для MS-DOS с открытым исходным кодом
Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить очередную статью. Пишем только по делу.
Комментарии (54)
Vitalley
01.06.2022 11:52+4Мне кажется для более точной синхронизации не хватает в диске перфорации под строчную синхронизацию.
HardWrMan
01.06.2022 14:55Проще навесить быстрый энкодер.
sergej_pipets
01.06.2022 15:57+1Достаточно одного позиционного датчика...
strvv
02.06.2022 10:33согласен. отсчёт по синхрометке, полученное время делим на количество вертикальных столбцов (точек просвечивания, ограничено длиной окружности+высота экрана) = время излучения 1 столбца. в зависимости от вращения (по часовой или против) - вверх или вниз по массиву столбцов излучать.
то что здесь ребята указывают лампочку - у неё высокая инерционность.
зы. как-то мимо меня такие проекторы прошли, квн (кинескоп как у средних осциллографов, и потом за ним линза с возможностью заливки в неё жидкости) - был в руках.sergej_pipets
02.06.2022 10:47Эксперименты с механическим ТВ начали производить ещё до войны. И закончили вскоре после неё. Так что неудивительно, что не застал. Но литература типа "сделай сам телевизор" тех лет доступна в инете. И для сегодняшнего самодельщика в ней нет ничего сложного (кроме наличия соответствующего эфирного сигнала).
Телевизоры КВН я застал живьем, в работе (у друга дома был такой). Линзу для воды или глицерина выпускали кооперативы, как и цветную пленку для телевизора. Это не было заводской опцией.
MIZinovjev
02.06.2022 11:56Псевдоцвет пошел с вирирования ч/б фотографий.
Снизу желто-коричневый, сверху голубой вираж - всё, цветной отпечаток))
MIZinovjev
02.06.2022 12:19Там ничего делить не надо. По синхрометке начинает выводиться линейный массив, в котором данные о яркости точки.
По синхрометке на передающей стороне этот массив вводится, главное, чтобы диски крутились в одну сторону спиралью.
Изначально вроде не было синхрометок, диски были на валах синхронных двигателей, синхронизация от сети переменного тока.
Механическая развертка это здорово, можно с ФЭУ, можно с каким-нибудь приемником невидимого диапазона)
REPISOT
01.06.2022 13:03+4Если возможностей ардуины не хватает, и все равно приходится менять не оптимизированные библиотеки (из-за чего пропадает смысл использования ардуины), то может заменить на STM? Там и ЦАП есть встроенный.
P.S. Не увидел схему этого чуда, кроме как внутри видео. И то — ардуино-стайл в виде цветных полосок. Не надо так.
sergej_pipets
01.06.2022 13:34-4Сканирование кадра неправильное. По столбцам, а не по строкам. Вот если бы ты сделал монитор, с минимумом цифровой обработки, работающий с обычным видеосигналом...
staticmain
02.06.2022 05:43Кто лично вам мешает повернуть аппарат на 90 градусов? Диск - он круглый.
sergej_pipets
02.06.2022 10:33-3Надо полагать, вы (а судя по минусам - не только вы) не понимаете принципа работы механической развертки, и ТВ развертки вообще. С обратной стороны не дисплей с готовой картинкой, а источник света. Отверстие в диске пролетает мимо этого источника, а сам источник при этом изменяет свою яркость в соответствии с тем, где (в каком месте изображения) сейчас находится отверстие. И если мы просто повернём весь аппарат с круглым диском на 90 градусов, то у нас точно так же повернется и изображение. Картинка будет на боку. Если такое вас лично устраивает - да, поворачивайте...
strvv
02.06.2022 12:04кто мешает вращать диск по часовой стрелке и светодиодную подсветку установить вверху, да и спираль пропускающих точек перевернуть от исходного рисунка.
или светоизлучатель внизу, вращать как и в предложенном варианте - против часовой стрелки, но перевернуть диск?тогда картинка будет формироваться в классическом для телевизионной аппаратуры виде - именно от верхнего левого угла строками вправо? чисто программная заморочка.
а вычислений побочных порядком, от сигнала синхронизации плясать скоростью считывания с памяти триплетов...
вертикально разворачивать удобнее - в высоту обычно изображение меньше чем в ширину.sergej_pipets
02.06.2022 12:08-2Я против устранения аппаратных проблем программными средствами. Когда-нибудь это приводит к заметно бОльшим проблемам.
Была такая шутка про драйвер "но смок", для восстановления сгоревших компьютерных БП...
Radisto
02.06.2022 06:55Ну тут такое дело: разрешение по диску у таких аппаратов "железное" (пластиковое), а вдоль дуги определяется быстродействием контроллера/светодиода и видимо выше. С одной стороны, если кадр больше длинный, чем высокий, то, перейдя на "правильное" сканирование, можно увеличить размер экрана без потери разрешения, с другой - каждая строка станет длиннее, и, возможно, будет заметнее ее дугообразность, и выгибание картинки. Конечно, этот эффект можно компенсировать программно, обрабатывая исходный снимок не по строкам, а по дугам при сжатии в "формат нипкова", но, возможно, автор решил пожертвовать размером экрана в пользу простоты обработки и минимальных искривлений картинки. Уменьшить искажения классически (механически), увеличив диаметр диска он не мог, так как размер его был ограничен 3D принтером, он это сразу оговорил в самом начале. На мой взгляд, технический компромисс между достижимыми противоречивыми параметрами, который всегда решает инженер, и каждый инженер решает по своему
dragonnur
02.06.2022 09:12Можно изменить искажения отражением от кривого зеркала. Но напечатать его на 3Д принтере вряд ли получится.
sergej_pipets
02.06.2022 10:39Сжатие (точнее, предискажения) в "формат Нипкова" на передающем центре производилось аппаратно. Как тебе такое, Илон Маск?
А его конструкция диска допускает множество улучшений:
1.печатать не диск целиком, а секторами - это позволит увеличить диаметр почти в два раза.
2.для уменьшения расхода материала и снижения массы диска печатать не сплошной толстый, а со спицами.
3.для изготовления правильного картонного или жестяного диска применялся простой картонный шаблон, позволяющий разметить отверстия строго по требуемым местам.
Radisto
02.06.2022 15:14В данном случае никакого аппаратного предыскажения нет. Исходная картинка ведь записана обычной матрицей обычной камеры. Диск из кусков надо скреплять, причем очень хорошо. Диск из спиц не решает проблему, он не влезет в стол хоть со спицами хоть сплошной. А печать позволяет не заморачиваться с обработкой металла (автор делал квадратные отверстия для увеличения четкости, их руками делать сложнее). Картон, как мне кажется, слишком легок. Судя по видео настройки, даже этот относительно инертный диск успевал менять скорость вращения в пределах одного оборота ( видно было периодически рассинхрон между столбцами) наверное, это тоже можно было компенсировать программно в Ардуине, но для этого надо определять частоту вращения чаще раза в оборот, а синхрометка кажется тут одна. Мне всё же кажется, автор искал компромисс между простотой изготовления, качества картинки и размерами экрана и ценой некоторого уменьшения (на треть) добился и простоты и непотери качества (сложно рассуждать о качестве для такого устройства, но тем не менее)
sergej_pipets
02.06.2022 15:24Диск из сегментов прекрасно склеивается.
Ничто не мешает нижний край большого диска спустить со стола (чтобы не проделывать в столе для него отверстие).
Для выдерживания скорости вращения диска сейчас применяют различные системы регулирования синхронности. К примеру, синхронно работающие дизель-генераторы отлично выдают ток на общую нагрузку. БВГ в видеомагнитофоне прекрасно синхронизируется с входящим видеосигналом.
Здесь колебания возникают из-за несовершенства этой подсистемы. И вполне возможно, из-за большого момента инерции диска.
В механическом ТВ синхронизация вращения приемного диска с диском в студии обеспечивалась применением синхронных электродвигателей, работающих от сети.
Radisto
02.06.2022 17:33Диск из сегментов отвратительно склеивается. Особенно, если нужно добиться отсутствия дисбаланса. И вы предлагаете синхронизацию вращения, а автор обошелся без неё, при том, что взял доступный (он так сказал, верю на слово) моторчик. Большой момент инерции думаю наоборот дал бы медленные изменения, а то, что медленнее одного оборота, его системой компенсируется программно, тут проблем нет
SADKO
02.06.2022 09:19+1Нуу, читая про 3д печать думал что речь пойдёт о зеркальных винтах, барабанах, а тут банальный диск Нипкова :-(
MIZinovjev
02.06.2022 09:44Есть в Природе для механической развёртки диск Нипкова, зеркальный винт и цилиндр Зиновьева(меня). Цилиндр Зиновьева я изобрёл, когда делался тепловизор из PIR-sensor.
Я прочитал, но ничего не понял© - какие проблемы сделать Диск Нипкова меньше диамером?
iliasam
02.06.2022 10:48«делался тепловизор из PIR-sensor.»
Про это можно где-то прочитать?MIZinovjev
02.06.2022 12:34Это если только я напишу)
Какой-то трёхвыводный pir, из охранного извещателя.
У него достаточно большая площадь "кристалла" и характеристическая чувствительность правильная(иначе бы не извещало).
Цилиндр Зиновьева это цилиндр с отверстиями для прямоугольной механической развертки, развертка не имеет дугообразных искажений, как у диска Нипкова. Сенсор внутри цилиндра. Цилиндр может быть в виде кольца металлической ленты, типа перфоленты, тогда с оптикой/фокусировкой проще.
У меня был конвенциональный тепловизор, я наигрался с котиками, радиаторами отопления, охлаждения и рядной четверкой ДВС в "шохе" и прочими объектами.
Тепловизия это сравнительный анализ и визуализация термальных регионов объекта, поэтому не надо ждать точности-в-градусах и заморачиваться с EMS. PIR сенсор, как оказалось, имеет неплохое быстродействие, достаточное.
iliasam
02.06.2022 12:43Описание выглядит интересно, хотелось бы статью увидеть, с фотографиями устройства и примерами изображений, которые давал такой тепловизор.
MIZinovjev
02.06.2022 13:41-42000$ и статья у Вас перед глазами)
sergej_pipets
02.06.2022 15:27+2Так ты корову не продашь...
MIZinovjev
03.06.2022 08:38-1А я и не продаю)
Abstract написал, бесплатно, а неблагодарные нищеблуды торгуются минуся????
Radisto
02.06.2022 15:34Геометрические искажения. Ну и сделать его диаметром менее n*L/pi не выйдет, даже если смириться с искажениями
MIZinovjev
02.06.2022 12:56+1А, вот чего.
Как мне показалось, статья популяризирует 3Д-печать, которая в данном случае не нужна. Шта диск имени Нипкова, шта цилиндр имени Зиновьева делается на лазерке, из того же материала, что и трафарет для bga.
Есть не очень тайный смысл делать меньше - проще поставить оптику, как в проекторе. Выше про линзу КВН))
Мехразвертка ничуть не умерла - цветоделение в DLP- projectors делается светофитровым вращающимся диском, да и само длп - механика.
Жаль, что коэффициент использования источника света мал, а то проектор можно было бы бы на мехразвертке замутить.
...хотя если лазер расфокусить и из пятна растр...
commanderxo
02.06.2022 15:54+3Забавно, что первой напечатанной (тогда ещё на заказ) 3D моделью в моей жизни была именно основа зеркала для механической развёртки.
Проектор из старого НЖМД и лазерной указки
sterr
02.06.2022 20:02Зачем так мучаться. Лазерных принтеров с готовым блоком миллион. 6L в свое время тоннами выбрасывались. До сих пор в гараже стоят.
MIZinovjev
03.06.2022 08:33Только надо где-то широкий полигон раздобыть для развертки по кадрам.
Или тянуть шаговым моторчиком как в УФ-экспонилке.
MIZinovjev
03.06.2022 08:42Круто, умнО - сразу две развертки и коэффициент использования света 100%????
PhoenixMSTU
02.06.2022 16:19Классная штука, никогда не задумывался над тем как работали первые телевизоры. Интересно, кто-нибудь пробовал сделать полностью механические камеру и телевизор такого типа без электронных компонентов? Система линз вместо датчика в камере фокусирует свет в оптоволокно, ещё одно оптоволокно для синхроимпульсов. На стороне приёмника вручную подстраиваем скорость вращения диска на глаз по синхроимпульсам.
Понятно, что яркость картинки будет никакая, но возможно в тёмной комнате можно будет что-то увидеть.Radisto
02.06.2022 17:38Если есть оптоволокно, можно вообще без дисков и моторчиков - система линз фокусирует картинку на срез многоволоконного оптического кабеля, на другом конце кабеля через окуляр смотрим в торец. Вид приемлемый. Так оптоволоконные гибкие эндоскопы для технического контроля делают, даже свет туда подводят так - источник света там же где и окуляр с человеком, а внутрь трубы только оптокабель со светящейся линзой на конце проталкивается.
sergej_pipets
02.06.2022 17:48Теоретически возможно. И даже без ручной подстройки вращения приемного диска.
MIZinovjev
03.06.2022 10:21Интересно, наверное применимо в местах с лютой радиацией, где кристаллическая электроника не выживет, а видиконоподобное "забьётся".
Хотя оптоволокно, хотя может мутнеть...
Патентуйте)
Radisto
03.06.2022 13:23Оптоволоконный эндоскоп? Поздновато, я такой лет десять назад в руках держал, и вряд ли он был первым в мире. Очень вряд ли
MIZinovjev
03.06.2022 14:23А были не оптоволоконные эндоскопы в медицине для фибро-гастроскопии?
Я не про оптоволоконный эндоскоп патентовать, а на механическое "радстойкое устройство для передачи изображения")
Оптика(стекла) тоже, вроде, деградирует от радиации, темнеет, что ли. Где-то читал, не помню. Если так, тогда волокно непригодно - путь света длиннее, чем в линзе.
IvanPetrof
В детстве загорелся идеей сделать такой проектор. Правда дальше картонного диска с дырочками дело не пошло))
shiru8bit
Аналогичная история. Не помню, откуда я узнал про саму концепцию, кажется из Юного Техника, и пытался воплотить её в виде очень компактного диска, сантиметров 10 в диаметре. Т.к. сигнал подходящего формата взять было неоткуда, и я уже тогда это понимал, это задумывалось как двунаправленная система, с записью на аудиомагнитофон. О миллионе других трудностей я, конечно, и не догадывался.
IvanPetrof
Я подсмотрел эту идею в замечательной книге «Мир электроники» за авторством Седова (Чёрная обложка). Помню рисунки в этой книге были своеобразные.
Долго думал как этот диск делает развёртку, пока не понял, что он не всей поверхностью сразу это делает, а небольшим сектором (из рисунков это не сильно понятно было).
У меня диск был побольше раза в два. Помню проблемой было найти такой кусок картона без сгибов)). О других трудностях тоже не думал. Но сигнал тоже хотел брать с магнитофона (а больше неоткуда было). Фотоэлементом для записи сигнала должен был быть транзистор мп39 со спиленной крышкой. А излучателем света — лампочка от фонарика на 2.5в…
sergej_pipets
Супер! Практически по лабораторных технологиям начала 30х. Только вот лампочка от фонарика слишком инерционна...
IvanPetrof
Ну тогда сильно вариантов небыло. Советские светодиоды были не сильно яркими (по крайней мере те, что у меня были). А на лампочках от фонариков, говорят, даже «свето телефон» делали. Помню это была ещё одна не а реализованная идея)). Основной проблемой было сконструировать оптическую систему с линзами (нужно было где-то раздобыть линзы и склеить из картона оправку с возможностью фокусировки). Правда применять такой канал связи мне тоже негде было. В доме напротив друзей небыло, а с соседом снизу уже был прокинут провод для переговорного устройства ))
sergej_pipets
Хорошим вариантом была классическая неоновая лампочка. Такого же размера, как и от фонарика.
dragonnur
Модулировать её хреновей, минимум 60 вольт постоянки на зажигание, ЕМНИМС, и ток в миллиамперы, т.е. либо для пущей живучести лестница из КТ605 или чего-то похожего, либо ламповая электроника (или, поздней, дефицитные КТ940..961 из управления катодов цветного кинескопа).
sergej_pipets
Можно было бы и радиолампу в модулятор поставить. Ради фана же! Или да, высоковольтный транзистор. И не только КТ940. 704, 812... Их было достаточно много.
dragonnur
704 и 812 тоже дюфсит - они же в зажигании автомобилей были. "Лестница" из 605 самое то.
shiru8bit
Ха, даже идея использовать МП39 в качестве фотодатчика совпадает, ну и лампочка, конечно же. Тогда у меня и выбора-то особо не было, или самодельный фототранзистор, или фоторезистор типа ФСК-1 - почему-то они были относительно распространены. Не то, чтобы это было в каменном веке, 90-е, но доступность деталей для подростка без денег была ограничена ассортиментом выбрасываемой на помойки техники, в основном 60-х годов выпуска.
dragonnur
ФСК-1 и в 80-е на свалках было немало.
MIZinovjev
Год 83,свалка Вторчермет в Пензе прямо платы с uA741 в металле. Почему-то стран СЭВ вся электроника была))
Кстати, была куча магазинов типа Умелые руки и типа того, в Кирове так военка какая-то, моторчики с тормозами с Лепсе. Но это в 1990, Но было, в городах с предприятиями. Закапывали бульдозерами, лишь бы не в кружок отдать. Совок епучий.