ポータブルワイドスクリーンメカニカルTVを作成する

ポータブル・ワイドスクリーン・メカニカルTVの製作

私は決して電気機械式テレビの最先端に足を踏み入れようと思っていたわけではありません。ただ、素敵な時計を作りたいだけでした。しかし、時にはエンジニアリングがあなたを導く場所へ行かなければならないこともあります。そして私の場合は、それがScanwheel、解像度4096×20ピクセルのポケットサイズのワイドスクリーン電気機械式テレビへと私を導きました。そう、4K×20です。

［画像: Scanwheel TVの主要コンポーネント］ 3Dプリントされたドラム［上部］は、ドライバーボード［上から2番目の行］で制御されたモーターによって回転します。ドライバーボードは、Raspberry Pi Pico［中央］によって制御され、PicoはLED［下から2番目の行］も制御します。LEDは3Dプリントされた筐体［下部］に取り付けられており、ドラムが回転するにつれて穴がLEDの上を通過します。James Provost

電気機械式テレビは、John Logie Bairdが1920年代に開発した最初の実用的なテレビ形式でした。彼は、穴が開けられた螺旋状のパターンを持つNipkowディスクと呼ばれるものを使用しました。ディスクが回転すると、穴が光源の前を一つずつ通過します。穴がそれを横切る際に光源の明るさを変えることで、ビデオフレームの1つの走査線を描画できます。ディスクを十分に速く回転させると、残像効果により、あたかもフレーム全体が同時に表示されているかのように見えます。商業的な電気機械式テレビセットはイギリスで製造され、BBCは1930年代に定期的な放送を提供していました。

1940年代に陰極線管が電気機械式テレビに取って代わりましたが、ホビイストたちはそれらを構築し続け、オリジナルの技術を改良さえしてきました。例えば、2022年6月のIEEE SpectrumのHands Onでは、Markus Mierseがデスクトップサイズの3Dプリントされたカラーバージョンを発表しました。

私は数年前に自分で電気機械式ディスプレイを製作しましたが、それは穴が開けられたビニールレコードで作られたNipkowディスクを持つ伝統的なデザインでした。最近、私はYouTubeチャンネルの延長として、電気機械式テレビのいじりを再開しました。そこでは、空間内に浮かぶ3Dピクセルを作成するボリュームディスプレイの開発に焦点を当てています。特に、プレノプティックカメラのアイデアを借用することに興味がありました。プレノプティックカメラは、ピンホールとレンズを使用してサンプルの多次元的なライトフィールドをキャプチャします。

私は、ライトフィールドをキャプチャするのではなく、作成できるのではないかと考えました。私はしばしば、3次元に拡張する前に2次元でアイデアを探求するため、まず2Dディスプレイを実証しようと思いました。電気機械デバイスを時計にすることにしました。結局のところ、数字を表示するために高解像度は必要ありません。

Scanwheelディスプレイはどのように機能するか？

ディスプレイを時計の文字盤として考えることで、いくつかの重要なアイデアが浮かびました。第一に、単一の表示領域ではなく、5つの光源を使用して複数の領域を作成することです。4つは時と分を表し、中央の領域は毎秒点滅するセパレーターとして機能します。第二に、数字を円弧状に広げるのではなく、読みやすい直線に並べるために、Nipkowディスクを確立された代替案であるNipkowドラムに置き換えました。

ドラムでは、穴は階段状に曲面の円筒表面に沿って走ります。これは、横から見ている視聴者の視点からは、穴が常に直線を描くことを意味するため、時計の数字は水平に整列します。

「テストでは、水平解像度を8,000ピクセル以上に引き上げました。」

これらの2つの決定は、小型化と高水平解像度の両方を達成するための鍵となりました。ディスクは、走査線があまりにも湾曲しないように、かなり広い直径が必要です。しかし、ドラムでは湾曲は問題になりません。同じ数の走査線を持つディスクよりもはるかに小さいドラムにすることができます。（そして、1920年代とは異なり、現代のLEDがあれば、小さなドラムの内部に複数の光源を近接して配置することは問題ではありません。）私は6cm幅のドラムを選び、デバイスをデスクトップサイズからポケットに入れて持ち運べるものに変えました。

次に、私の5つの表示ゾーンが連携して1つの単一のワイドスクリーンを作成できることに気づきました。LEDの明るさを非常に高いレートで変調できるため、水平解像度も非常に高くすることができます。私のシステムは現在4Kの水平解像度を持っていますが、これは主に利用可能なオンボードメモリの量によって制限されています。このメモリは、LEDに読み出されて表示される前に、各フレームのピクセルデータを格納するバッファを保持しています。テストでは、水平解像度を8,000ピクセル以上に引き上げました。

Scanwheelの垂直解像度は低いですが（20ピクセルで、Bairdの30ラインテレビよりも少ない走査線数です）、高い水平解像度により、ディスプレイの視認性は驚くほど良好です。粗い数字だけでなく、フレームバッファにストリーミングされたビデオさえも表示できます。

RP2040チップの特殊シリコンの活用

そのフレームバッファは、RP2040マイクロコントローラーをベースにしたRaspberry Pi Picoマイクロコントローラーボード上にあります。RP2040は、チップの専用PIOシリコンのおかげで、このプロジェクトに理想的です。PIOはProgrammable Input/Outputの略で、非常に限定された命令セットを使用する4つのコプロセッサのブロックです。各コプロセッサは、RP2040の2つのCPUコアから完全に独立して、入出力ストリームを処理するように設定できます。

［画像: ディスプレイドラムのアーチ状の線とドラムディスプレイの直線的な線を比較した図］ 最初のメカニカルTVはディスクを使用していましたが、画像歪みを最小限に抑えるためには幅が必要でしたが、かさばる光源を許容していました。小型の現代的な光源を使用すれば、より小さなドラムで歪みの少ない画像を作成できます。James Provost

PIOのおかげで、ドラムの回転に追従し、穴がLEDの上を通過する際に5つのLEDそれぞれを同時に変調することができます。これは、中央のLEDが単色のLEDではなく、赤、緑、青のチャンネルが個別に分離されたカラーLEDであるという事実によって複雑化されるタスクです。実際、PIOはほとんどすべての作業を行い、フレームバッファからデータを取得し、LEDとドラムの回転を制御します。CPUで実行されるコード（MicroPythonで記述）は、主にPIOを設定し、あとはそのままにしておく責任があります。

ドライバーボードに接続されたステッピングモーターがドラムを回転させ、Pi PicoのUSBジャックから電力が供給されます。Pi Picoが行う制御作業は、1ミリ秒ごとにボードにパルスを送信してドラムの位置を段階的に進めることだけです。ビデオデータはネットワークインターフェースを介してPi Picoにストリーミングされます。Scanwheelをコンピューター画面の一部をミラーリングするように設定することも、別のディスプレイとして機能するように設定することもできます。

筐体（ドラムを含む）は3Dプリント製です。さて、面白い点ですが、ScanwheelのGitHubリポジトリ（https://github.com/AncientJames/Scanwheel/tree/main）には、このプロジェクトを自分で作成するために必要なすべてのファイルとともに、調整可能なパラメータに基づいてドラムの3Dプリントファイルを生成するOpenSCADファイルがあります。これは、より背の高いドラムを作成して走査線を追加したり、独自のポータブル電気機械ディスプレイのために他のカスタマイズを試したりできることを意味します。時計としても使用できます！