Пиксельная подсветка просто и быстро

Ролики с демонстрацией пиксельной подсветки выглядят довольно эффектно — куча разноцветных всплохов, динамичные отблески смотрятся просто замечательно и выглядят более подвижными по сравнению с другими типами подобной подсветки.
Желание поработать с управляемыми огоньками с помощью arduino побудили меня соорудить такую систему. Как оказалось, это довольно простое мероприятие, на которое в сумме было потрачено всего несколько часов (собственно, само сооружение — 10 минут, остальное — софт). Детали процесса сборки и программирования я и изложу в этой статье. Софт, выводы и демо прилагаются.

Аппаратная часть

Для такой подсветки нам понадобятся следующие предметы и устройства:

• Светодиодная лента на микросхемах WS2801 (с индивидуальным управлением каждым пикселем) нужной длины. Выглядит эта лента приблизительно таким образом:
  
  Лучше покупать ленту в силиконовой оболочке. Я покупал на ebay, можно попробовать купить напрямую у китайцев, будет дешевле раза в полтора. Длина ленты должна быть достаточной, чтобы обернуть её по периметру вокруг монитора или телевизора.
• Arduino nano (или один из многочисленных клонов) — например, вот это. Подойдёт и не nano, нужно будет лишь правильно подключить.
• Провода, называемые DuPont — не знаю, как они называются по-русски, выглядят вот так:
  
  Эти провода нужны для припаивания к ленте и подключения к ардуино. Нужно всего 2шт — так как они обжаты с двух сторон, разрезав пополам получим нужные нам 4 провода с разъемами.
• Блок питания 5V + разъем питания, подходящий к этому блоку — и то, и другое в обилии продается как в радиомагазинах, так и на ebay, любых цветов, размеров и исполнений.
  Лента потребляет около 2A / метр в максимально ярком режиме. В повседневной работе 2 метра ленты питаются от БП 3A без каких-либо проблем.
• Паяльник (любой, в разумных пределах), паяльные принадлежности, нож для зачистки проводов, изолента/термоусадка по вкусу.

Схема (если это гордое слово подходит для соединения двух изделий четырьмя проводами) приведена на рисунке:


Процесс сборки прост до безобразия. Детально описывать его нет смысла (по этой же причине нет фотографий готового «изделия» — ардуин с четырьмя проводами в интернете полно).

1. Припаять всё, как показано на схеме.
2. Присоединить провода к arduino, саму ардуинку соединить с PC, подключить блок питания.
3. Залить в ардуино скетч (см. ниже), запустить исполняемый файл на компьютере (ссылки на софт также см. ниже), установить в программе нужный порт COM.
   Если вы пользуетесь Windows Vista/7 — нужно обязательно отключить Aero. Иначе скорость работы просто плачевная, какого-то решения проблемы низкой скорости захвата экрана при включенном Aero, как я понял, не существует.
4. Убедиться, что всё работает, выключить.
   Следует упомянуть, что работает софт в 32-битном цвете only. Это можно легко поправить, но большого смысла, на мой взгляд, в такой правке нет.
   
5. Прикрепить ленту на монитор. Пустить ленту нужно от левого нижнего угла по периметру по часовой стрелке (ЛН->ЛВ->ПВ->ПН->ЛН). Разрезать ничего не нужно, лента хорошо гнется практически в любом месте, так что проблем быть не должно. Для закрепления я использовал двухсторонний скотч — лента очень легкая и этого более чем достаточно.

На этом сборка закончена. Остаётся посчитать и задать количество пикселей по вертикали и горизонтали, и можно смотреть ролики, играть, etc. и радоваться.

Программная часть

Программная часть состоит из двух компонентов:

• Скетч для Arduino;
• Программа управления для PC.

Скетч для Arduino

В ардуино нужно залить код, приведенный ниже. Используется библиотека SmallUART (которая, впрочем, ничего особенно выдающегося не делает, при желании можно обойтись стандартными средствами).

/*** ARDUINO CODE FOR PIXEL LIGHT ***/
#include <SPI.h>
#include <SmallUart.h>

unsigned long lastTime;  // Time strip was updated last time
const unsigned long fadeTimeout = 3000;

////////////////////////////////////////////////////////////
//
void setup() {
  UART_Init(115200);  
  SPI.begin();
  SPI.setBitOrder(MSBFIRST);
  SPI.setDataMode(SPI_MODE0);
  SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV8);
  blackoutAll();
  delay(1);
  lastTime = millis();
}

////////////////////////////////////////////////////////////
//
void loop() {
  uint8_t data; 
  UART_SendByte( 'R' ); // Byte "We're ready"
  bool valid = false;
  data = uartRead( valid );
  if ( valid ) {
    uint16_t pix_num = data * 3; // Total following bytes
    for( uint16_t i=0; i < pix_num; i++ ) {
      data = uartRead( valid );
      if ( !valid )
        break;
      SPI.transfer( data ); // Transfer byte to SPI
    }
    lastTime = millis();
  }
  
  if ( millis() - lastTime > fadeTimeout )
    blackoutAll();
}

////////////////////////////////////////////////////////////
// Turn off all possible 256 leds
void blackoutAll() {
  for ( int16_t i = 0; i < 768; i++ )
    SPI.transfer( 0 ); //погасить все пикселы ленты
}

////////////////////////////////////////////////////////////
// Read byte with timeout
unsigned char uartRead( bool& valid ) {
  uint8_t res = 0;
  valid = false;
  for ( uint8_t i = 0; i < 255; ++i ) { // Max timeout 256*10
    if( UART_ReadByte( res ) ) {
      valid = true;
      break;
    }
    delayMicroseconds(10);
  } 
  return res;
}

Тут всё предельно просто:

1. Посылаем сигнал, что мы готовы принять данные о подсветке;
2. В течение небольшого промежутка времени ожидаем данные;
3. Если данные пришли, то первый байт из этих данных — число диодов, которые обслуживаются. Умножаем на 3 (RGB) для того, чтобы узнать количество последующих байт;
4. Переправляем принимаемые данные в ленту;
5. Обновляем метку времени о последнем обновлении ленты (это нужно для тайм-аута и гашения всех пикселей ленты).

Программа для PC

Вроде бы есть готовые решения для этого, но то, что я видел, мне не понравилось категорически, и вообще это неспортивно, зря что ли ардуино используется. Поэтому, пожевывая бутерброд, левой ногой была написана программа для захвата областей экрана, обработки их и передачи нужных данных в ленту. Вся программа с потрохами доступна на гитхабе по адресу github.com/sergrt/pixie (за код не пинайте).
Используется Qt 5.0.1 — интереса ради, никаких особенных вещей, присущих именно этой версии, не задействовано, так что вполне хорошо заработает и на 4 последние правки сделаны с использованием новых классов, так что теперь с версией 4 исходный код несовместим. Поскольку большую часть своих развлечений я проделываю под Windows, проект сделан под неё — Visual Studio 2012, захват GDI или DirectX. Я честно пытался генерировать .pro файлы для Qt Creator, но этот процесс страшно глючит с новым VS Qt Add-in, в итоге сходу эти файлы не заработали, разбираться не стал. Но всё можно без проблем скомпилировать под linux, см. UPD #3.

Настройки программы

Основная настройка — это указание количества светодиодов по вертикали и горизонтали, а также задание размеров захвативаемых областей. В мои 22" поместилось 10 шт по вертикали и 17 по горизонтали:

Ограничение частоты кадров разумно установить около 30. Значение «0» используется для работы с максимально возможной скоростью.

Также нужно правильно указать порт для обмена с Arduino и скорость обмена. Скорость в скетче по умолчанию 115200:


Для настройки яркости, порога срабатывания и ограничителя сделана отдельная вкладка «Обработка». Параметры, там представленные, регулируются в реальном времени:


Для удобства работы с программой можно настроить на автозапуск захвата при старте, а также запускать свернутой в область уведомлений.

Немного про внутренности софта для интересующихся

Основная идея состоит в запуске потока, хватающего области по заданному механизму, с подстраиваемым fps, и передающий эти области на обработку и последующую передачу ленте. Области захватываются в соответствии с настройками (кто бы мог подумать), цвет пикселя определяется простым средним по трем каналам RGB соответствующей области экрана. Опционально можно включить (директивами препроцессора) преобразование в Lab и усреднение его силами, но этот кусок кода не оптимизирован никак (взят как есть с просторов интернета), тормозит, поэтому по умолчанию выключен. Более того, каких-то особенных преимуществ Lab не заметно в контексте данной задачи, так что это не повод печалиться.
Обработка областей осуществляется по вертикалям и горизонталям, а на ленту отсылается последовательность цветов, начиная с левого нижнего угла и далее по периметру по часовой стрелке (так, как мы наматывали ленту на монитор при сборке).
Захват DirectX по скорости примерно равен захвату с GDI, при том, что в первом случае захватывается экран целиком, а во втором — только нужные куски. Вероятно, тут есть запас по оптимизации.
Обильное использование memcpy связано в первую очередь со скоростью работы — все остальные методы показали себя медленнее в той или иной степени.

Выводы и впечатления

Запас яркости у ленты просто огромный, что хорошо — можно пользоваться даже при наличии других источников света. В полной темноте лучше подвигать бегунками и сделать помягче. Сама лента вполне может служить самостоятельным источником освещения, нужно лишь переделать скетч.
Полагаю, немалое значение имеет диагональ монитора/телевизора. Чем больше — тем лучше.
Также следует устанавливать экран так, чтобы поблизости не было поверхностей, от которых отражаются светодиоды (в моём случае это боковые поверхности колонок) — это не особо критично, но лучше, чтобы резко выделяющихся пикселей не было видно совсем — так как между ними изрядное расстояние, это не лучшим образом влияет на картинку.

Что понравилось:
Просмотр видео и игры с такой подсветкой субъективно разгружают глаза — пропадает жесткий фокус на картинке монитора. Ощущение усталости глаз наступает позже, если не переусердствовать с яркостью. Смотреть видео как минимум необычно, для полноты эффекта лучше делать это с некоторого расстояния.

Что не понравилось:
К самой системе подсветки как таковой особенных претензий нет, но, как уже говорилось, для полноты удовольствия нужно правильное окружение — отстутсвие бликующих поверхностей, равномерный цветовой фон за экраном, etc. В процессе эксплуатации выяснилось, что дизайнерские изыски моего монитора несколько мешают нормальной работе ленты — передняя панель выполнена из прозрачного пластика и выступает над задней крышкой по всему периметру на несколько миллиметров, особенно выдаваясь в нижней части. Поэтому несмотря на то, что лента закреплена относительно далеко, на гранях этой панели видны отдельные светодиоды. Полагаю, мало кто с таким столкнется, но всё же пусть информация будет доступна заранее.

Ниже — ролик, как это выглядит в динамике. Оператор приносит свои извинения за заваленный горизонт.

Ссылки

• Проект на гитхабе — github.com/sergrt/pixie
• Архив с исполняемым файлом для Win7/Vista etc — rghost.net/43638571 (VS 2012, Qt5)
• Архив с исполняемым файлом для Windows XP — www.filedropper.com/pixiexp (VS 2010, Qt4 — работает на XP, отключен кроссплатформенный захват — т. к. часть необходимых классов в Qt4 отсутствует)
• Ссылка на Visual Studio 2012 Update 1 Redistributable Package (на случай ошибок с отсуствием файлов msvcp110.dll и т.п.) — www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=30679
• Ссылка на Visual C++ 2010 SP1 Redistributable Package (x86) (для версии под Windows XP) — www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=8328

P. S. Дабы соблюсти приличия, привожу ссылку на отправную точку, откуда я начинал — compcar.ru/forum/showthread.php?t=9462

UPD #1 На гитхабе обновилось ПО (включая исполняемый файл) — добавлена возможность группировать светодиоды для смягчения эффекта при просмотре не особенно динамичны фильмов.

UPD #2 Добавил поддержку захвата экрана силами Qt (при помощи QScreen), так что теперь можно строить кроссплатформенное приложение. Наличие желающих помочь потестировать приветствуется.

UPD #3 Благодаря помощи eugenis (https://github.com/eugenis) появился полноценный файл проекта pro, исправлены неточности для правильной компиляции под linux, немного оптимизирован код. Все эти радости доступны на гитхабе.