顯示技術：視覺暫留的應用- 手搖字幕機開發硬體篇

智慧家庭的核心就是人，而人的視覺是最主要的辨識重點，所以如何讓資訊轉變成人類可以見到的資訊是一件核心的要素，也是系統最重要的開發重點。如果我們可以用創客神器來  Arduino  顯示出人類可以了解的資訊，並揭露出控制核心技術，那該有多好。

本文就是讓我們使用人類眼睛的特性：視覺暫留( Persistence of Vision :POV)來創造出LED點陣式顯示螢幕的效果。

視覺暫留的原理

視覺暫留( Persistence of Vision :POV)，是光對視網膜所產生的視覺，在光停止作用後，仍保留一段時間的現象，其具體應用是電影的放映。

其原理乃是由視神經的反應速度造成的，其時間約是十六分之一秒，對於不同頻率的光有不同的暫留時間。是目前動畫、電影等視覺媒體形成的主要根據。例如：直視太陽數秒後，人眼將殘留一個強光源的影像(Schwartzman, 2005; Varley, 1978; Werfel, 2011)。

我們日常使用的日光燈每秒大約熄滅100餘次，但我們基本感覺不到日光燈的閃動。這都是因為視覺暫留的作用。所以，要達成最基本的視覺暫留效果至少每秒鐘至少需要十個畫面更新(10 frame per second：fps)

 

視覺暫留的應用

視覺暫留（Persistence of vision）：實際上是靠眼睛的晶狀體成像，感光細胞感光，並且將光信號轉換為神經電流，傳回大腦引起人體視覺。

視覺暫留現象首先被中國人發現，走馬燈便是據歷史記載中最早的視覺暫留運用。宋時已有走馬燈，當時稱「馬騎燈」。隨後法國人保羅·羅蓋在1828年發明了留影盤(如下圖所示)，它是一個被繩子在兩面穿過的圓盤。盤的一面畫了一隻鳥，另一面畫了一個空籠子。當圓盤旋轉時，鳥在籠子裡出現了。這證明了當眼睛看到一系列圖像時，它一次保留一個圖像。

▲圖1 留影盤

物體在快速運動時，當人眼所看到的影像消失後，人眼仍能繼續保留其影像，約0.1-0.4秒左右的圖像，這種現象被稱為『視覺暫留現象』。人眼觀看物體時，成像於視網膜上，並由視神經輸入人腦，感覺到物體的像，但當物體移去時，視神經對物體的印象不會立即消失，而要延續0.1-0.4秒秒的時間，人眼的這種性質被稱為「眼睛的視覺暫留」。

這個現象是由比利時物理學家尤瑟夫·普拉托（Joseph Plateau）[1]1835年在觀察太陽的實驗中發現的，他根據這個現象發明了證明這種人體生理特徵的 phenakistiscope，而他自己也因為這次觀察而導致雙目失明，因為太陽的影子永遠的印在了他的眼睛裡。

視覺暫留應用

基於人的視覺暫留原理，本文主題『手搖字幕機』乃是透過使用一列的Led發光點，透過來左右運動，共同組合成的畫面(曹永忠, 許智誠, & 蔡英德, 2014a, 2014b, 2014c, 2014d)。

一般而言，一個畫面須要有長、寬共同組合而成的矩型，在這個的矩型畫面裡，佈滿著 Led 發光點(如下圖一所示)，一般而言，每一列如果有 n 個 Led 發光點，矩型畫面共有m列，所以矩型畫面需要 m*n 個 Led 發光點，所以也需要 m*n 個 I/O 控制點，不但發光 I/O 控制點眾多，Led 發光燈泡也需要非常多，這樣會產生控制難度高的問題，也讓產品開發異常困難。

所以我們如果利用16個發光二極體當成 Led 發光點，這些 Led 發光點當為一欄的發光點，透過來回搖動，使16個 Led 發光點形成的發光列，透過位置移動，成為一個矩形區域，如此就形成矩型的 Led 發光點畫面，如此就可以顯示輸出文字或圖案等資訊(曹永忠 et al., 2014a, 2014b, 2014c, 2014d)。

透過單晶片來控制16個 Led 發光點形成的發光列，在位置移動，快速、有規律的更新16個 Led 發光點形成的發光列，在第二欄位置時，用原來的16個 Led 發光點形成的發光列顯示第二欄16個 Led 發光點形成的發光列的內容，在第三欄位置時，用原來的16個 Led 發光點形成的發光列顯示第三欄16個 Led 發光點形成的發光列的內容，以此類推，如此有 n 欄，則更新 n 個內容，基於上述『視覺暫留』的原理，就可以產生如圖 2所示的 Led 陣列的顯示幕(曹永忠 et al., 2014a, 2014b, 2014c, 2014d)。

▲圖2 字幕機

手搖字幕機

然而，越多的發光點光源，除了需求更多的發光點，進而需要更多的控制點、體積、電氣線路等，往往帶來的是攜帶不便、耗電、較複雜的電路…等等。

 由下圖所示之視覺暫留例子中，我們發現發光源的粒子不需要太多，如果透過快速移動時，改變其發光內容，在快速移動時同步改變發光源的內容，基於前面所述之「視覺暫留」的原理，可以在人眼(人腦)之中，將片段的影像自動組合成完整的影像，所以『手搖字幕機』(曹永忠 et al., 2014a, 2014b)的產品因應而生。

▲圖3 視覺暫留例子

由於手搖字幕機除了可以產生多樣的圖案、簡單、輕便、省電…等等，所以市面上類似的產品相當多，由下圖所示，露天賣家 p1833賣場中，就可以見到，該產品在許多演唱會中，許多歌迷的粉絲拿這樣的產品，隨著音樂、氣氛、音樂節奏…等等，不斷揮著搖搖棒加油助興，足見這樣的產品迷人之處。

▲圖4 LED 搖搖棒
資料來源：露天賣家p1833(產品：)

手搖字幕機的架構

手搖字幕機架構所需要設備，一般最基本的器材包含以下四類裝置：「顯示單元」、「控制器」、「電源供應」以及「動作偵測」。

●顯示單元：
由於手搖字幕機不需要太多的發光點，所以我們使用下圖.(a) 所示，將LED 燈泡串成一串，來當成顯示單元。

●控制器：
我們使用下圖.(b) 所示，使用 Mega 2560 的 Arduino 開發板來當作控制器。

●電源供應：
Mega 2560 的 Arduino 開發板與 Led 燈泡不需要太強力的電源供應，所以如下圖.(c) 所示，使用9V 的乾電池加上電池帽轉成 DC 2.1 mm 的插頭來使用。

●動作偵測：
由於手搖字幕機主要靠使用者的手與手臂握持及擺動，由於顯示字幕需要一定的時間，但是使用者的手與手臂握持及擺動時間並非固定間與固定擺幅大小，所以顯示內容的更新頻率與畫面更新內容，若無法與擺動動作與位置同步，使用者看到的顯示畫面往往是錯誤的內容。

基於上述原因，偵測使用者的手與手臂握持與擺動時間乃是一項浩大工程與高技術的工作，所以我們從最簡單的動作下手，我們發現，手搖字幕機擺動時有兩個定點，那就是左邊界與右邊界，所以我們發現在向左或向右時都會有一個慣性，所以我們加入振動感測器，如果使用『水銀開關』來當作向左或向右的偵測，由於水銀開關平放之後，在向左或向右一定有一個方向，透過慣性與動力將『水銀開關』內的水銀推向某個方向，而『水銀開關』內的水銀在接處接點時，會導通『水銀開關』，如此，如下圖.(d) 所示，我們可以使用水銀開關來當做方向回折時之定位點的感測器。

▲圖5 手搖字幕機的組成要素

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