Ambilight подсветка телевизора своими руками

02.12.2018 версия 1.3: Добавлено ограничение тока для всей системы, настройка CURRENT_LIMIT
21.10.2019: Вышел проект “Компактный Ambilight by Karman” – читай здесь

Динамическая фоновая подсветка экрана телевизора или монитора компьютера (аналог Philips Ambilight). Работает под управлением Arduino, на компьютере вертится программа Ambibox. Arduino управляет адресной светодиодной лентой на чипах WS2812. В схему добавлен фоторезистор для адаптивной подстройки яркости ленты в зависимости от интенсивности освещения в помещении.

• Очень дешёвый аналог Ambilight для любого монитора/телевизора, подключенного к компьютеру
• Разрешение самодельной фоновой подсветки гораздо выше, чем предлагают даже дорогие модели от Philips
• Самая простая схема подключения среди всех моих проектов
• Удобная программа Ambibox для настройки и персонализации фоновой подсветки

ПОДРОБНОЕ ВИДЕО ПО ПРОЕКТУ

Понятные схемы, OpenSource прошивки с комментариями и подробные инструкции это очень большая работа. Буду рад, если вы поддержите такой подход к созданию Ардуино проектов! Основная страница пожертвовать – здесь.

ИНСТРУКЦИИ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ

Теперь ставим программу амбибокс. Тут всё стандартно, далее далее продолжить далее далее завершить. В конце при выборе устройства нужно указать адалайт. Запускаем. Сразу можно поставить русский язык. И можно поставить автозапуск программы при старте компьютера. Чтобы она не мешала остальным, можно поставить задержку запуска. Теперь переходим на вторую вкладку и сразу жмём кнопку больше настроек. Не пугаемся. Вспоминаем номер порта, у меня это был порт номер 5, и указываем его. Далее в программе есть несколько методов захвата изображения, из них у меня работают вроде бы первые 6, можете их все потыкать посомтреть посмотреть какой будет меньше тормозить. Но. Все методы кроме GDI FS Aero включают классическую тему оформления виндоус, то есть без прозрачных окошек, они даже подписаны no aero. Я люблю прозрачные окошки так что оставил аэро. Теперь нажимаем показать зоны захвата и видим, что они не настроены. Зон должно быть столько же, сколько у вас светодиодов. 98. Оп, перезагрузилась. Теперь жмём мастера настрйоки зон. Я наклеивал ленту так, что она получилась без угловых светодиодов, ставлю галочку. Далее, по горизонтали у меня 31 светодиод, ориентироваться нужно не на это число, а сразу смотреть вниз на зоны. Соотношение сторон определяется автоматически, но я на всякий случай поставил как у своего монитора, 16 на 9. И ещё можно удлинить зоны, чтобы они брали источник цвета с большей площади, так результат будет более симпатичным. Ну и всё. Сохраняем настрйоки и ставим галку включить подсветку. Тадаааам. Поздравляю, теперь у нас есть динамическая подсветка монитора. С режимом виндоус аэро наблюдается небольшая задержка, в других режимах без аэро задержки почти нет. В папке с картинками для тестов вы найдёте несколько сочных картинок для проверки вашей фоновой подсветки.

02.12.2018 версия 1.3: Добавлено ограничение тока для всей системы, настройка CURRENT_LIMIT
21.10.2019: Вышел проект “Компактный Ambilight by Karman” – читай здесь

Динамическая фоновая подсветка экрана телевизора или монитора компьютера (аналог Philips Ambilight). Работает под управлением Arduino, на компьютере вертится программа Ambibox. Arduino управляет адресной светодиодной лентой на чипах WS2812. В схему добавлен фоторезистор для адаптивной подстройки яркости ленты в зависимости от интенсивности освещения в помещении.

• Очень дешёвый аналог Ambilight для любого монитора/телевизора, подключенного к компьютеру
• Разрешение самодельной фоновой подсветки гораздо выше, чем предлагают даже дорогие модели от Philips
• Самая простая схема подключения среди всех моих проектов
• Удобная программа Ambibox для настройки и персонализации фоновой подсветки

ПОДРОБНОЕ ВИДЕО ПО ПРОЕКТУ

Понятные схемы, OpenSource прошивки с комментариями и подробные инструкции это очень большая работа. Буду рад, если вы поддержите такой подход к созданию Ардуино проектов! Основная страница пожертвовать – здесь.

ИНСТРУКЦИИ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ

Теперь ставим программу амбибокс. Тут всё стандартно, далее далее продолжить далее далее завершить. В конце при выборе устройства нужно указать адалайт. Запускаем. Сразу можно поставить русский язык. И можно поставить автозапуск программы при старте компьютера. Чтобы она не мешала остальным, можно поставить задержку запуска. Теперь переходим на вторую вкладку и сразу жмём кнопку больше настроек. Не пугаемся. Вспоминаем номер порта, у меня это был порт номер 5, и указываем его. Далее в программе есть несколько методов захвата изображения, из них у меня работают вроде бы первые 6, можете их все потыкать посомтреть посмотреть какой будет меньше тормозить. Но. Все методы кроме GDI FS Aero включают классическую тему оформления виндоус, то есть без прозрачных окошек, они даже подписаны no aero. Я люблю прозрачные окошки так что оставил аэро. Теперь нажимаем показать зоны захвата и видим, что они не настроены. Зон должно быть столько же, сколько у вас светодиодов. 98. Оп, перезагрузилась. Теперь жмём мастера настрйоки зон. Я наклеивал ленту так, что она получилась без угловых светодиодов, ставлю галочку. Далее, по горизонтали у меня 31 светодиод, ориентироваться нужно не на это число, а сразу смотреть вниз на зоны. Соотношение сторон определяется автоматически, но я на всякий случай поставил как у своего монитора, 16 на 9. И ещё можно удлинить зоны, чтобы они брали источник цвета с большей площади, так результат будет более симпатичным. Ну и всё. Сохраняем настрйоки и ставим галку включить подсветку. Тадаааам. Поздравляю, теперь у нас есть динамическая подсветка монитора. С режимом виндоус аэро наблюдается небольшая задержка, в других режимах без аэро задержки почти нет. В папке с картинками для тестов вы найдёте несколько сочных картинок для проверки вашей фоновой подсветки.

Для своей первой статьи я выбрал одну из самых успешных своих поделок: HDMI-passthrough аналог Ambilight от Philips, далее я будут называть эту композицию «Атмосвет».

Введение

В интернетах не очень сложно найти готовые/открытые решения и статьи как сделать Амбилайт для монитора/телевизора, если ты выводишь картинку с ПК. Но в моей мультимедиа системе вывод картинки на телевизор c ПК занимает только 5% времени использования, большее кол-во времени я играю с игровых консолей, а значит нужно было придумать что-то свое.

Исходные данные:

Требование:

Необходимо обеспечить централизованную поддержку Атмосвета для всех устройств подключенных к телевизору.

Реализация

Я не буду рассказывать, как я прикреплял 4.5м светодиодную ленту к телевизору и что нужно сделать с Arduino, в качестве базы можно использовать эту статью.

Единственный нюанс:
Я заметил, что внизу экрана идут странные мерцания, сначала погрешил на сигнал, перековырял дефликер, изменил ресазинг картинки и еще кучу всего перекопал, стало лучше, но от мерцания не помогло. Стал наблюдать. Оказалось, что мерцание было только в конце ленты и то при ярких сценах. Взяв мультиметр, я замерил напряжение на начале, середине и конце ленты и угадал с причиной мерцаний: в начале ленты было 4.9В( да китайский БП дает напряжение с отклонением, это не существенно), в середине 4.5 в конце 4.22 — Падение напряжение слишком существенно, пришлось решить проблему просто — к середине ленты я подвел питание от бп, провод пустил за телевизором. Помогло мгновенно, какие либо мерцания прекратились вообще.

Захватываем картинку вебкамерой

Первая тестовая версия для обкатки идеи и её визуализации была выбрана через захват картинки через вебкамеру) выглядело это как-то так:

Низкая цветопередача и высокий latency показал, что эта реализация не может быть никак использована.

Захват картинки через HDMI

В процессе исследования возможных вариантов была выбрана следующая схема, как сама надежная и бюджетная:

• Сигнал со всех устройств подается на 5in-1out HDMI свитч, который поддерживает HDCP
• Выходной сигнал подается на 1in-2out HDMI splitter, который мало того, что поддерживает HDCP, так еще отключайте его на выходе(слава китайцам).
• Один из выходных сигналов идет на телевизор
• Другой выходной сигнал идет на HDMI to AV конвертер
• S-Video сигнал идет на коробочку захвата от ICONBIT
• Коробочка захвата подключается к вечно работающему HTCP по USB, который подключен к Arduino контроллеру ленте на телевизоре.

Изначально выглядит дико и как костыли, но:

• Это работает.
• Сумарно все это дело, заказывая из китая, мне обошлось тысяч в 3-4 тыс. рублей.

Почему я не использовал плату для HDMI захвата? Все просто: самый дешевый вариант и доступный — это Blackmagic Intensity Shuttle, но она не может работать с сигналом 1080p/60fps, только с 1080p/30fps — что не приемлемо, т.к. я не хотел понижать фреймрейт, чтобы можно было захватывать картинку. + это дело стоило в районе 10 тыc. рублей. — что не дешево при неизвестном результате.

Потери на конвертации HDMI to S-video несущественны для захвата цвета в разрешении 46х26 светодиодной подсветки.

Изначально для захвата S-video я пробовал использовать EasyCap( у него много китайских вариаций), но суть в том, что используемый там чип крайне убог, и с ним нельзя работать при помощи openCV.

Единственный минус — выходной сигнал S-Video содержал черные полосы по краям срезающий реальный контент(около 2-5%), выходную картинку с платы захвата я обрезал, чтобы удалить эти полосы, сама потеря изображения в тех областях на практике не сказалась на результате.

Для меня это была самая интересная часть, т.к. с железками я не очень люблю ковыряться.

Для захвата картинки я использовал openCV и в частности его .NET враппер emgu CV.

Я решил также применить несколько разных техник постобработки изображения и его подготовки, прежде чем отдавать список цветов на контроллер.

Процесс обработки фрейма

1. Получение захваченного фрейма

2. Кроп фрейма, для исключения черных полос

Обрезаем 8 пикселей сверху, 8 справа и 18 снизу.(слева полосы нет)

3. Ресайзим фрейм в разрешение подсветки, незачем нам таскать с собой здоровую картинку

Тоже ничего сложного, делаем это средствами openCV:
frame.Resize(LedWidth — 2*LedSideOverEdge,
LedHeight — LedBottomOverEdge — LedTopOverEdge,
INTER.CV_INTER_LINEAR);
Внимательный читатель заметит, обилие переменных. Дело в том, что у меня рамка телевизора достаточно большая, занимая 1 светодиод по бокам, 1 сверху и 3 снизу, поэтому ресайз делается на светодиоды, которые находятся непосредственно напротив дисплея, а углы мы уже дополняем потом. При ресайзинге мы как раз получаем усредненные цвета, которые должны будут иметь пиксели светодиодов.

4. Выполняем мапинг светодиодов с отреcайзенного фрейма

Ну тут тоже все просто, тупо проходим по каждой стороне и последовательно заполняем массив из 136 значений цветом светодиодов. Так вышло, что на текущий момент все остальные операции проще выполнять с массивом светодиодов, чем с фреймом, который тяжелее в обработке. Также на будущее я добавил параметр «глубины» захвата(кол-во пикселей от границы экрана, для усреднения цвета светодиода), но в конечном сетапе, оказалось лучше без неё.

5. Выполняем коррекцию цвета (баланс белого/цветовой баланс)

Стены за телевизором у меня из бруса, брус желтый, поэтому нужно компенсировать желтизну.
var blue = 255.0f/(255.0f + blueLevelFloat)*pixelBuffer[k];
var green = 255.0f/(255.0f + greenLevelFloat)*pixelBuffer[k + 1];
var red = 255.0f/(255.0f + redLevelFloat)*pixelBuffer[k + 2];
Вообще я изначально из исходников какого-то опенсорс редактора взял цветовой баланс, но он не менял белый(белый оставался белым), я поменял формулы немного, опечатался, и получил прям то, что нужно: если level компонента цвета отрицательный(я поинмаю как — этого цвета не хватает), то мы добавляем его интенсивность и наоборот. Для моих стен это получилось: RGB(-30,5,85).

В кореркции цвета я также выполняю выравнивание уровня черного(черный приходит где-то на уровне 13,13,13 по RGB), просто вычитая 13 из каждой компоненты.

6. Выполняем десатурацию (уменьшение насыщенности изображения)

В конечном сетапе, я не использую десатурацию, но может в определенный момент понадобится, фактически это делает цвета более «пастельными», как у Филипсовского амбилайта. Код приводить не буду, мы просто конвертим из RGB -> HSL, уменьшаем компоненту Saturation(насыщенность) и возвращаемся обратно уже в RGB.

7. Дефликер

Так уж выходит, что входное изображение «дрожит» — это следствие конвертации в аналоговый сигнал, как я полагаю. Я сначала пытался решить по своему, потом подсмотрел в исходники Defliker фильтра, используемом в VirtualDub, переписал его на C#(он был на С++), понял, что он не работает, ибо он такое впечталение, что борется с мерцаниями между кадрами, в итоге я совместил свое решение и этот дефликер получив что-то странное, но работающее лучше чем ожидалось. Изначальный дефликер работал только с интенсивностью всего фрейма, мне нужно по каждому светодиоду отдельно. Изначальный дефликер сравнивал изменение интенсивности как суммы, мне больше нравится сравнение длинны вектора цвета, Изначальный дефликер сравнивал дельту изменения интенсивности по сравнению с предыдущим кадром, это не подходит, и я переделал на среднюю величину интенсивности в пределах окна предыдущих кадров. И еще много других мелочей, в результате чего от начального дефликера мало что осталось.
Основная идея: исходя из средней интенсивности предыдущих кадров, выполнять модификацию текущего кадра, если его интенсивность не выше определенного порога (у меня этот порог в конечном сетапе 25), если порог преодолевается, то производится сброс окна, без модификации.
Немного модифицированный (для читаемости вне контекста) код моего дефликера:

Пусть _leds — массив светодиодов класса Color, _ledsOld — значения кадра до конвертации, LedLumWindow — ширина окна предыдущих кадров, для оценки среднего изменения интенсивности, в конечном сетапе окно у меня было 100, что примерно при 30кад/с равняется 3-секундам. _lumData — массив значения интенсивности предыдущих кадров.

В конечном итоге данный механизм дал еще приятные неожиданные последствия на картинку, сложно описать как это воспринимается визуально, но он делает темнее где надо и ярче где надо, словно динамический контраст. Цель дефликера в итоге получилась широкая, не только устранение мерцаний, но и общее уравновешивание выводимого цвета, как и по компонентам, так и по времени в пределах окна.

8. Сглаживание светодиодов по соседям.

Вообще в конечном сетапе, сглаживание мне не очень понравилось, и я его отключил, но в некоторых случаях может пригодиться. Тут мы просто усредняем цвет каждого светодиода по его соседним.

9. Сохраняем текущий стейт, чтобы тред отправки пакетов схватил и отправил его на контроллер подсветки.

Я умышленно разделил процесс обработки кадров и отправки пакетов на контроллер: пакеты отправляются раз в определенный интервал(у меня это 40мс), чтобы ардуино спела обработать предыдущий, ибо чаще чем 30мс она захлебывается, таким образом выходит, что мы не зависим напрямую от частоты кадров захвата и не мешаем тому процессу(а ведь отправка пакета тоже тратит время).

Немного про ардуино

Нельзя просто так взять и отправить по сериалу здоровенный пакет на ардуино, ибо онв ыйдет за пределы дефолтного буфера HardwareSerial и ты потеряешь его конец.
Решается это довольно просто: выставляем значение размера буфера HardwareSerial достаточного размера, чтобы влезал весь отправляемый пакет с массивом цветов, для меня это 410.

Сам софт был реализован в виде win службы, чтобы настраивать все параметры + включать/отключать я сделал Web UI, который связывался с службой через WebService на службе. Итоговый интерфейс на экране мобильника выглядит так:

Сейчас планирую прикрутить голосовое управление через Kinect for Windows подключенном к HTCP.

Результат

В итоге результат оправдал все ожидания, и теперь играя в игры на консолях я получаю еще больше погружения в атмосферу игры.

Как общий результат работы я записал видео с работой атмосвета по моей схеме:

Испытуемый образец 1: Pacific Rim, сцена битвы в Шанхае, этот фильм хорошо подходит для тестирования и демонстрации, много ярких сцен и вспышек, ударов молнии и т.д.:

Испытуемый образец 2: Какой-то ролик из MLP, слитый с ютуба, очень хорошо подходит для теста сцен с яркими цветами(мне понравились полосы), а также быстро сменяющихся сцен(под конец виде можно разглядеть последствия задержки, видных только на видео, при реальном просмотре этого не заметно, пробовал измерить задержку по видео — получилось 10-20мс):

И на последок стоит заметить про потребление ресурсов от HTPC:
HTPC у меня ASRock Vision 3D на i3, служба атмосвета отжирает 5-10% CPU и 32MB RAM.

Спасибо за внимание, очень надеюсь, что кому-нибудь моя статья поможет.