Sterowanie oświetleniem RGB - podstawy

Podstawą sterowania oświetleniem RGB jest model przestrzeni barw.
Według definicji Wikipedii przestrzeń barw to

widma fal elektromagnetycznych z zakresu od 380 do 780 nm (tj. światło widzialne), których matematyczne modele są przedstawiane w trójwymiarowej przestrzeni barw. Dzięki tym modelom barwę można opisać nie tylko przez podanie jej widma, ale przez modele w różnym stopniu zbliżone do ludzkiej percepcji barwy, związanej z fizjologią oka ludzkiego, a szczególnie z występowaniem w siatkówce trzech rodzajów czopków. Najważniejsze przestrzenie barw ujęto w normach międzynarodowych.

RGB jako jeden z modeli przestrzeni barw

Jednym z modeli przestrzeni barw jest model RGB, odzwierciedlający widmo fal elektromagnetycznych z zakresu światła widzialnego (od 380 do 780 nm). Nie obejmuje on podczerwieni oraz ultrafioletu. Model RGB wynika z właściwości ludzkiego oka, w którym wrażenie widzenia dowolnej barwy można wywołać przez zmieszanie w ustalonych proporcjach trzech wiązek światła o barwie czerwonej, zielonej i niebieskiej. Nazwa modelu wywodzi się właśnie od pierwszych liter angielskich nazw barw: R – Red – czerwony, G – Green – zielony oraz B – Blue – niebieski. W podstawowej wersji systemu RGB każda z trzech składowych R, G, i B przyjmuje wartość z zakresu 0-255 i opisana jest przy pomocy 2-ch cyfr heksadecymalnych (w informatyce - 8 bitów), co łącznie daje 6 cyfr heksadecymalnych (24 bity) na kolor wynikowy. W rzadszych przypadkach stosuje się model, w którym przypada po 12 lub nawet 16 bitów na każdą ze składowych, co daje dużo większą dokładność.

Koło barw RGB

Koło barw to graficzny model poglądowy, służący do objaśniania zasad mieszania się i powstawania barw.

Wokół środka koła barw, zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, wrysowano widmo ciągłe światła białego w ten sposób, że barwa fioletowa (najkrótsze promieniowanie widzialne) płynnie przechodzi w barwę czerwoną (najdłuższe promieniowanie widzialne). W ten sposób widmo zostaje połączone w zamknięty cykl zmian barw.

Barwy znajdujące się po przeciwnych stronach środka koła nazywane są barwami dopełniającymi. Takie barwy nałożone na siebie w syntezie addytywnej dają barwę białą, a w syntezie subtraktywnej - barwę czarną, natomiast zmieszane dają neutralną szarość.

Uzyskiwanie koloru wynikowego poprzez addytywne mieszanie barw RGB

Wykorzystuje się tu zjawisko syntezy addytywnej, czyli mieszania barw poprzez sumowanie wiązek światła widzialnego różnych długości. Synteza addytywna trzech barw przeciwstawnych z koła barw daje światło o barwie białej (teoretycznie, pod warunkiem precyzyjnej przeciwstawności barw i równego natężenia wszystkich strumieni).

System RGB w dużej mierze bazuje na niedoskonałości ludzkiego oka, pozwalając dzięki mieszaniu różnych wartości poszczególnych składowych kolorów na uzyskanie wrażenia wyświetlania innej barwy niż podstawowe składowe. Z połączenia barw RGB w dowolnych kombinacjach ilościowych można otrzymać szeroki zakres barw pochodnych, np. z połączenia barwy zielonej i czerwonej powstaje barwa żółta.

Zastosowanie modelu RGB w urządzeniach

Model RGB pierwotnie był używany do generowania barw przez analogowe urządzenia projekcyjne, natomiast obecnie wykorzystywany jest szeroko przez urządzenia cyfrowe. Jest wykorzystywany w urządzeniach wyświetlających obraz (np. telewizory, monitory komputerowe) oraz urządzeniach analizujących obraz (np. aparaty cyfrowe, skanery).

Przy wartości składowego koloru równej 0 urządzenie nie emituje tego koloru, a przy wartości składowego koloru równej 255 kolor składowy świeci z maksymalną jasnością. Z wymieszania trzech kolorów składowych o różnych wartościach liczbowych uzyskujemy poszczególne kolory wynikowe. Przykładowo, wymieszanie kolorów o wartościach R:255, G:255 i B:0 daje kolor żółty a kolory o wartościach R:255, G:0 i B:255 daje kolor fioletowy. Wymieszanie wszystkich składowych o maksymalnej wartości równej 255 daje kolor biały.

Model RGB jest modelem teoretycznym, a jego odwzorowanie zależy od urządzenia (ang. device dependent), co oznacza, że w każdym urządzeniu każda ze składowych RGB może posiadać nieco inną charakterystykę widmową, a co za tym idzie, każde z urządzeń może posiadać własny zakres barw możliwych do uzyskania.

Oświetlenie LED RGB

Model RGB wykorzystuje się także przy produkcji kolorowego oświetlenia LED RGB. Dioda LED (ang. light-emitting diode) to dioda elektroluminescencyjna (dioda świecąca), zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego, podczerwieni i ultrafioletu.

Dioda LED RGB jest zbudowana z trzech chipów (w jednej obudowie) o kolorach: czerwony, zielony oraz niebieski, gdzie każdy jest osobno zasilany. Poprzez zróżnicowane dozowanie mocy na każdy z 3 chipów można uzyskać różne kolory. Z połączenia w tej samej proporcji wszystkich trzech kolorów składowych uzyskamy kolor biały.

Istnieje wiele odmian diod RGB LED, a podstawowe to:

• RGB LED – dioda mająca struktury do generowania trzech podstawowych barw (czerwony, zielony, niebieski)
• RGBA LED – rozszerzenie struktury RGB o dodatkową diodę o kolorze bursztynowym (ang. Amber)
• RGBW LED – rozszerzenie struktury RGB o dodatkową diodę o kolorze białym (ang. White).

Przebojem ostatnich lat są diody OLED (ang. Organic Light-Emitting Diode), czyli organiczne diody elektroluminescencyjne. Dioda OLED to dioda elektroluminescencyjna (LED) wytwarzana ze związków organicznych, gdzie warstwa organiczna składa się z pikseli-diod w trzech kolorach (lub czterech – dodatkowy biały).

Sterowanie jasnością i kolorem w modelu RGB

Jasność (ang. brightness) to całkowita ilość światła, jaką dane źródło światła wydaje się emitować lub dana powierzchnia wydaje się odbijać. Jasność jest odpowiednikiem luminancji (natężenia światła, padającego w danym kierunku). W przestrzeni RGB jasność może być zdefiniowana jako średnia arytmetyczna μ współrzędnych R, G i B.

Zmianę jasności świecenia diod RGB (bez zmiany koloru) uzyskuje się poprzez proporcjonalną i równoległą zmianę każdej z wartości składowych RGB. Ze względu na przyjętą dokładność odwzorowania (tylko 256 wartości na kolor składowy) wraz ze ściemnianiem mogą występować niewielkie różnice w odcieniu. Nie są to jednak różnice na tyle duże, aby stanowiło to problem. Zazwyczaj przeciętny obserwator nie jest w stanie zobaczyć różnicy w odcieniach danego koloru przy zmieniającej się jasności.

Zmianę koloru wynikowego (bez zmiany jasności) w modelu RGB uzyskuje się poprzez zmianę składowych R, G i B w taki sposób, aby suma tych współrzędnych pozostała stała.

Jeżeli przy zmianie współrzędnych R, G i B nie zachowamy żadnego z powyższych warunków, to uzyskamy jednoczesną zmianę koloru i jasności koloru wynikowego.

Sterowniki oświetlenia RGB LED

Sterowanie oświetleniem RGB LED polega na sterowaniu kolorem i jasnością i sprowadza się do odpowiedniej (zgodne z powyżej opisanymi regułami) zmiany wartości poszczególnych kolorów składowych. Sterowanie wartością poszczególnych kolorów polega z kolei na zmianie podawanego napięcia średniego na poszczególne chipy składowe diod (są osobno zasilane). Bez wdawania się w szczegóły można powiedzieć, że wykorzystuje się tu metodę PWM (ang. pulse-width modulation), czyli modulację szerokości impulsu. Sterowanie szerokością impulsu to jedno z zadań sterownika.

W podstawowej wersji rolę sterownika RGB LED mogą pełnić trzy zwykłe ściemniacze LED lub sterownikiem RGB może być po prostu trójkanałowy ściemniacz LED.

O wiele lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie jednego sterownika RGB LED, najlepiej dedykowanego do konkretnego zastosowania. Sterowniki RGB mają o wiele większe możliwości kontroli systemu RGB niż trzy odrębne (nawet zaawansowane) ściemniacze. Korzyści z zastosowanie sterownika RGB do są następujące:

• dynamiczna zmiana kolorów
• pamięć ustawień
• programowanie własnych efektów
• łatwiejsza instalacja
• zdalne sterowanie kolorem
• tworzenie animacji
• sterowanie z komputera

Obok przykład sterownika RGB: Sterownik smartLEDs WRGB płynnej zmiany koloru RGB

• Możliwość zaprogramowania 13 programów płynnej zmiany kolorów
• Płynna zmiana kolorów w dowolnym wycinku koła barw RGB
• Zatrzymywanie programu na wybranym kolorze