de Brian Tompson & Stephen Allen
Microchip Technology Inc.
Artiştii grafici doresc să creeze potriviri exacte de culori pentru a capta cât mai bine munca lor artistică şi a consolida consistenţa branding-ului. Dar prezentarea exactă a culorii pe diferite echipamente şi medii rămâne încă o provocare. Există diferite modalităţi de a exprima valori de culoare, incluzând CMYK, RGB, CIE şi HunterLab. Orice culoare dată poate fi descrisă cu 3 variabile diferite, datorită celor trei tipuri diferiţi de fotoreceptori (conuri) din ochiul uman. O cale cunoscută de a reprezenta culorile se poate face cu diagrama spaţială de culoare CIE 1931 XYZ, unde Y este luminanţa sau strălucirea, iar valorile pentru X şi Z formează cromaticitatea. Gri şi alb au aceeaşi cromaticitate, dar diferă în ceea ce priveşte strălucirea. Rezultatul este un spaţiu color tridimensional care acoperă toate culorile ce pot fi percepute de ochiul uman.
Figura 1: Diagrama de cromaticitate CIE 1931.
LED-urile roşu, verde şi albastru sunt capabile de a produce o gamă largă de culori, dar obţinerea unei culori individuale se poate dovedi dificilă datorită trecerii cu uşurinţă de la o culoare la alta. Totuşi, un microcontroler poate fi programat să utilizeze un cursor glisant pentru a crea majoritatea culorilor disponibile sau poate utiliza diagrama de cromaticitate CIE 1931 prezentată în figura 1.
O proprietate a diagramei este aceea că, dacă aveţi două culori şi le conectaţi într-o linie dreaptă, prin mixarea culorilor în diferite cantităţi, puteţi crea orice culoare din lungul liniei. Acesta este motivul pentru care LED-urile albastre utilizează în mod comun fosfor galben pentru a crea lumină albă.
Atunci când sunt utilizate componente de iluminare RGB pentru crearea de culori ce apar în graficul de cromaticitate, culorile ce pot fi obţinute sunt limitate la un triunghi, cunoscut sub numele de “Triunghiul lui Maxwell” prezentat în figura 1. Plaja de culori ce pot fi produse este cunoscută ca gamă. Ea nu este complet exactă dacă vă uitaţi la gamă pe un monitor de calculator deoarece plaja este restrânsă la gama monitorului. Punctul central alb este mic, iar abilitatea de a produce o lumină albă curată este un bun indicator că a fost realizată a o bună combinare a culorilor.
Combinarea culorilor
Figura 2: Placa demonstrativă de mixare a culorii configurată în modul cursor glisant HSVW.
Combinarea culorilor poate fi realizată utilizând procesorul PIC12F1572 de la Microchip. Acest dispozitiv are trei modulatoare de lăţime de puls pe 16 biţi (PWM-uri) ce permit un control exact asupra fiecărui LED RGB pentru a obţine o tranziţie lină între culori, chiar şi cu luminozitate redusă. Software-ul de combinare a culorilor permite ca designerul să specifice culorile, iar procesorul să realizeze calculele necesare. Pentru a-i ajuta pe designeri să creeze această aplicaţie utilizând o operare mod 1 cu un cursor glisant HSVW, este disponibilă o placă demonstrativă. HSV se referă la nuanţă (hue), saturaţie şi valoare, iar W indică modificarea pentru a conţine alb (white). Placa poate fi reconfigurată pentru modul 2, care implică utilizarea unui selector grafic de cromaticitate.
Placa poate fi alimentată fie prin conexiune USB, fie cu o baterie cu litiu tip monedă de 3V sau de la o baterie AAAA. În figura 2 este prezentată o asemenea placă cu configuraţie cursor glisant HSVW.
La alimentarea în modul cursor, placa trece ciclic prin roata de culori HSVW. După o perioadă de timp, LED-urile încep să clipească pentru a conserva energia bateriei. Cursorul din marginea plăcii poate fi utilizat pentru selectarea culorii de afişat. Figura 3 prezintă roata de culoare modificată pentru a include alb.
Figura 3: Cursor HSVW.
În acest mod, pinii RA0 şi RA1 din figura 2 sunt configuraţi pentru a lucra cu un cursor tactil capacitiv.
Aceasta permite ca acţiunea de apăsare şi glisare a unui deget să selecteze diferite valori de culoare, deşi limitată la o selecţie de culoare unidimensională. În modul 2, culoarea dorită este aleasă de pe un grafic de cromaticitate de pe ecran, precum cel din figura 1. Acum pinii RA0 şi RA1 sunt configuraţi ca interfaţă serială EUSART cu valorile trimise plăcii prin conexiune serială USB.
Un circuit PIC16F1455 converteşte mesajele USB în format EUSART 9600baud. Conectarea pentru acest mod este prezentată în figura 4.
Figura 4: Placa demonstrativă de mixare a culorii configurată în modul de selector grafic de cromaticitate.
Dacă este specificată o culoare ce nu se află în gama de culori a LED-urilor, atunci funcţia va returna un mesaj de eroare, iar ieşirea de culoare nu va fi actualizată. Dacă este specificată o culoare existentă în gamă, noua culoare va fi afişată.
Reglare
Valorile rezistenţelor trebuie stabilite astfel încât fiecare culoare să fie afişată cu aceeaşi cantitate de lumină. Pentru demonstraţia prezentată, au fost calculate 202Ω pentru roşu, 325Ω pentru verde şi 61Ω pentru albastru. Fiecare LED a fost măsurat utilizând un colorimetru pentru valoarea de culoare.
Intensitatea luminoasă poate de asemenea varia cu temperatura, iar aceste variaţii pot fi chiar mari în funcţie de tipul de LED. Trebuie ţinut cont de acest lucru pentru aplicaţia finală, în special dacă aceasta este pentru mediul exterior.
Ochiul uman poate detecta clipiri de aproximativ 200Hz. Inter-modularea poate apărea de asemenea la o iluminare de 50 şi 60Hz. De aceea se recomandă ca frecvenţa de comutare a LED-urilor să se facă la peste 200Hz. În cazul perifericelor PWM ale PIC12F1572, frecvenţa este mult peste cea la care pot fi detectate clipiri.
Perifericul PWM variază durata de timp pentru care o anumită sarcină este pornită. Raportul dintre această durată de timp şi perioada semnalului PWM este denumită factor de umplere şi corespunde procentului de energie ce este livrată sarcinii. Controlul energiei cu PWM este general recunoscut ca o metodă precisă şi eficientă de stabilizare a puterii de ieşire.
Graficul de cromaticitate
Placa a fost proiectată pentru a demonstra o gamă de culori ce apare în graficul de cromaticitate. Aceste culori sunt convertite în valori RGB, care sunt combinate pentru a crea o culoare rezultantă. Fiecare LED de culoare roşie, verde şi albastră are propriul factor de umplere sau strălucire controlat prin perifericele PWM. Fiecare PWM are o rezoluţie de 16 biţi, permiţând o tranziţie lină de culoare chiar şi cu factori de umplere foarte mici.
Software-ul este structurat astfel încât mesajele seriale să fie recepţionate şi apoi datele să fie utilizate pentru apelarea rutinei de combinare a culorii ColorMix. Această operaţie solicită un calcul intens şi necesită aproximativ 7,7ms (cu o frecvenţă de ceas de 16MHz) pentru a calcula valorile PWM. Dacă această rutină ar fi utilizată pentru a calcula continuu culorile în schimbare, viteza de actualizare ar scădea la 130Hz şi ar conduce la degradarea tranziţiei line.
Rutina ColorMix a fost dezvoltată în C. Dispozitivul PIC face inversarea matricei, multiplicarea şi scalarea pentru producerea culorii dorite. Toate calculele sunt făcute ca întregi. Scalarea este realizată de la un capăt la celălalt, astfel încât valorile nu vor depăşi tipul de variabilă pe 32 de biţi.
Configuraţie hardware
Placa demonstrativă este configurată şi programată din fabrică pentru operare în modul cursor glisant. Pentru ca placa să opereze în acest mod, PIC12F1572 trebuie programat cu software-ul RGBSlider, iar PIC16F1455 trebuie şters.
Pentru a opera în modul de selector cromatic, PIC12F1572 trebuie programat cu software-ul RGBChroma, iar PIC16F1455 trebuie programat cu software-ul RGBChroma USB.
Concluzie
Datorită răspândirii largi a utilizării LED-urilor în semnalizarea digitală şi în alte aplicaţii de publicitate, obţinerea cu exactitate a culorilor corecte a devenit mai importantă, de vreme ce ele fac parte şi din marca unei companii. Acest articol a fost scris pentru a permite înţelegerea modului în care culorile pot fi combinate şi cum poate fi calculată combinaţia corectă prin utilizarea unei plăci demonstrative ce conţine procesoare PIC12F1572 şi PIC16F1455 ￭
Microchip Technology
www.microchip.com
