Light control systems


Smart Lighting e Wall Washing

I sistemi Smart Lighting sono sistemi di controllo della illuminazione intelligenti che, con l’uso di uno o più dispositivi di elaborazione centrale, forniscono la giusta quantità di luce, dove e quando serve. I sistemi di controllo dell’illuminazione sono impiegati per massimizzare il risparmio di energia e per controllare il colore della illuminazione con il Wall Washing.

Con il sistema Theremino un installatore può comporre sistemi High-end, completamente programmabili, per intonare le pareti con i colori del cielo, la temperatura, i suoni, il mattino, la sera e le stagioni.

Si potrebbe pensare che mantenere un computer sempre acceso porti a un aumento dei consumi, ma è vero il contrario. Il risparmio che si ottiene usando i led e modulando la luce è molto maggiore del consumo di un eeeBox (circa 11 Watt) o di altri PC senza HardDisk che consumano anche meno.

Inoltre disponendo di una illuminazione programmabile è sempre possibile aggiungere nuove funzioni, ad esempio seguire gli spostamenti delle persone, attenuare l’illuminazione quando tutti escono da una stanza, spegnere le luci dimenticate e anche tenere conto della  luce solare.

Si parla di domotica?

No non si tratta di domotica, quella la lasciamo fare a B-Ticino che ha studiato un sistema comodissimo con segnali e alimentazione su due fili soltanto (e si possono anche scambiare i fili uno con l’altro)

La linea B-Ticino è più lenta di quella del sistema Theremino, meno adatta ai sensori e al controllo di processo, ma più adatta a convivere con il 220 degli impianti elettrici e con i fulmini.

Consigliamo dunque di gestire con B-Ticino la parte di casa tipicamente domotica (riscaldamento, interruttori, sensori dell’antifurto e simili) e di far comunicare il sistema Theremino e B-Ticino via software (lo stesso PC gestisce tutti e due i sistemi e anche B-Ticino usa VbNet) Stiamo preparando le applicazioni che faranno da ponte tra i due sistemi.

Preistoria della illuminazione computerizzata

Il sistema Theremino raccoglie oltre trenta anni di esperienze sui sistemi computerizzati di controllo luci e sull’input-output per PC. Qui si può leggere un elenco cronologico dei progetti passati: contacts/the-theremino-history


Apparecchi illuminanti di vario tipo

Theremino System - Chinese RGB lighting

I classici lampadari cinesi sono ottimi diffusori per la luce dei led ma si potrebbero usare anche vecchie lampade a gas oppure a olio, oppure le plafoniere a luce diffusa che montavano lampade a incandescenza. I migliori materiali per diffondere la luce sono la plastica opalina e il vetro opalino.

Le strisce di led sono più facili da usare perché diffondono la luce su una lunga superficie, basta posizionarle in modo che i singoli led non siano direttamente visibili come spiegato nei prossimi capitoli.

Una volta installato l’impianto, qualunque sia la sua configurazione, lo si potrà usare per molte applicazioni interessanti:

1) Effetto “Wall Washer” che regola il colore a seconda delle ore del giorno e del colore del cielo. Con Theremino Script si possono programmare queste variazioni tenendo conto di tutte le variabili e le temporizzazioni desiderate.

2) Effetto “Back lighting” che tinge il muro dietro al monitor o televisore con il colore medio del video che si sta guardando. Questo diminuisce l’affaticamento della vista perché maggiore luce fa stringere la pupille e mettere meglio a fuoco l’immagine del video.

3) Cambiacolore automatico che tinge la stanza di colori delicati, che sfumano lentamente, con un effetto molto rilassante. I colori sono controllabili con ThereminoRGB o con qualche riga di Theremino Script.

4) Illuminazione “psichedelica” che segue l’andamento della musica con i colori. Anche l’effetto stroboscopico è possibile perché i led hanno una risposta rapidissima.

Theremino System - TV Back Lighting

Un esempio di TV BackLighting

Theremino System - TV RGB Backlighting

Un esempio di Wall Washing.

I sistemi attualmente in commercio, per quanto costosissimi, cambiano i colori casualmente o in modo manuale, con un telecomando, come visibile in questo esempio.

Ma solo con il sistema Theremino un installatore può comporre sistemi High-end, completamente programmabili, per intonare le pareti con i colori del cielo, la temperatura, i suoni, il mattino, la sera e le stagioni.


Una palla psichedelica – la PsycoBall

In queste immagini e in questo video di YouTube si vede la luminosità di una PsycoBall a 32 led comparata con i monitor e la luce ambiente. Guardando il video si deve tenere conto che la WebCam satura i colori ed è lenta (pochi frames per secondo).

La PsycoBall può essere un ottimo gadget USB da regalare alla ragazza o da usare per le “cene eleganti”, si fa con un Master, tre transistor, qualche led e una palla di recupero, per un totale di circa 25 Euro.

Si possono saldare led, resistori e transistor su un pezzetto di millefori. Attenzione a comprare led che siano davvero ultra luminosi, se sono da circa 130 gradi devono essere da almeno 1000 mcd, se invece sono da circa 20 gradi devono essere da almeno 10000 mcd.

Per una PsycoBall si devono usare led da 130 gradi in modo da ottenere una buona miscelazione dei colori. Con led da 20 gradi oltre a usare una palla di buon materiale opalino si dovrebbe anche aggiungere uno schermo diffusore interno.

Ogni led deve avere un resistore in serie (da regolare a seconda del colore dei led per dargli 20 mA) Non si deve usare un unico resistore per tutti perché i led non sono sufficientemente uguali tra loro (abbiamo verificato che, con un resistore in comune, alcuni led possono ricevere una corrente anche doppia rispetto ad altri e quindi potrebbero bruciarsi in breve tempo)

Attenzione a scegliere bene i resistori per ogni colore in modo che ogni led non superi i 20 mA. Con 20 mA i led durano praticamente per sempre (circa 50000 ore, più di 5 anni sempre accesi alla massima luce) Ma già con soli 25 mA si dimezza la loro vita. Si consiglia di non superare mai i 25 mA nemmeno per brevi periodi. Non si possono trovare resistori di valore esatto ma si cerchino il resistori più vicini per stare tra 18 a 22 mA.

In genere i led rossi sono da 2 Volt, i verdi da 3 Volt e i blu da 3.2 Volt quindi i resistori dovrebbero essere da:

Rosso: circa 56 ohm (5 Volt – 2 Volt = 1 Volt / 56 ohm = 18 mA)  (oppure 47 ohm = 21 mA)
Verde: circa 100 ohm (5 Volt – 3 Volt = 2 Volt / 100 ohm = 20 mA)
Blu: circa 100 ohm (5 Volt – 3.2 Volt = 1.8 Volt / 100 ohm = 18 mA)

I led rossi sono meno efficienti ma se ne possono mettere due in serie perché necessitano di soli 2 Volt (contro i circa 3 Volt dei verdi e dei blu). Usando i led rossi a gruppi di due si possono collegare 16 led al posto di 8 e ottenere doppia luce con la stessa corrente. E questo viene davvero utile per compensare la minore efficienza dei led rossi.

La corrente totale si aggira sui 450 mA, inferiori ai 500 mA massimi di una singola presa USB.

Theremino System - RGB leds Theremino System - RGB PsycoBall

I componenti sono disposti a passo 2.54 mm in modo da poter usare facilmente un ritaglio di millefori da 18 per 11 fori. Questo file PsycoBall_EagleProject contiene le immagini e il progetto completo, in formato Eagle.

Non è proprio necessario usare il massimo dei led e il massimo della corrente. Se si usano 32 led di buona qualità si ottiene una luminosità fortissima, sicuramente in grado di “psichedelizzare” una stanza di medie dimensioni.

Intendiamoci però, si parla di lavorare nella penombra, come quando si guarda un film. Se si vogliono sistemi in grado di colorare i muri anche di giorno si devono usare led ad alta potenza come indicato qui: hardware/outputs/led-drivers oppure strisce di led come indicato nei prossimi paragrafi di questa stessa pagina.

Un esempio di PsycoBall con soli tre led

   Theremino - RGB Psychedelic Ball

La  palla di questo video non è molto luminosa, contiene solo tre led, pilotati direttamente dai segnali a 3.3 Volt dei pin. Una vera PsycoBall dovrebbe contenere 32 led ultraluminosi, pilotati con corrente molto maggiore dai 5Volt dell’USB.


Le strisce di led per illuminazione

I led stanno diventando abbastanza efficienti da fare vera concorrenza a tutte le altre tecniche di illuminazione. I led ad alta potenza sprecano molta energia in calore e sono scomodi da usare perché necessitano di un dissipatore di calore in alluminio. Invece le strisce da 30 o 60 led per metro stanno invadendo il campo della illuminazione domestica con i loro vantaggi, danno luce diffusa, non scaldano, sono facili da incollare lungo il soffitto e possono essere regolate in luminosità e in colore.

Tipi di strisce di led:
Theremino System - led-5050-vs-3528      

  • Con led 3528 o con led 5050 – Le strisce con led 3528 sono da scartare, i nuovi led 5050 danno tre volte più luce senza costare il triplo. Fare attenzione che siano proprio loro.
  • Da 30 o da 60 led per metro – Quelle da 60 led per metro sono da scegliere per fare doppia luce con la stessa lunghezza.
  • Impermeabili o no – Quelle impermeabili sono coperte da gomma siliconica trasparente. Per usarle in casa sono migliori quelle normali, costano meno.

Colori delle strisce:

  • RGB – Si possono regolare per ottenere tutti i colori ma sono meno efficienti delle strisce bianche.
  • Bianco caldo – Le migliori da usare nei casi normali, quando non si desidera regolare il colore ma solo la luminosità. Fanno più luce delle strisce RGB, circa il doppio.
  • Bianco freddo – Fanno leggermente più luce delle bianche calde ma la luce azzurrina è  abbastanza innaturale per chi è abituato alle normali lampade a incandescenza. Forse abituandosi potrebbero andare bene.
  • Colore singolo (Rosso, Verde, Blu, Giallo, Arancio, Viola) – Da usare solo in casi speciali ma non adatte alla normale illuminazione casalinga.

Collocare le strisce

In una stanza normale, non predisposta con appositi alloggiamenti in cartongesso o stucco, si può applicare una “L” in plastica o in alluminio lungo il bordo del muro, a dieci centimetri dal soffitto e appoggiarvi le strisce sopra, rivolgendole verso il soffitto. In alternativa si può fissare la “L” sul soffitto e rivolgere le strisce verso i muri, oppure usare una “S” e illuminare sia il soffitto che i muri. In tutti i casi sia il soffitto che i muri devono essere rigorosamente bianchi. Il colore, se necessario, lo daranno i led.

Esistono molti profili per le strisce di led, in allumino o plastica, anche con copertura trasparente antipolvere e diffondente ma sono tutti costosissimi, anche più delle strisce stesse. Si consiglia quindi una semplice profilato a “L” in plastica o alluminio.

Theremino System - Cheap led strip profile         Theremino System - Expensive led strip profile

In queste immagine si vedono due sistemi di fissaggio a confronto, un semplice profilato in plastica o alluminio, che può costare meno di un Euro al metro, e un profilato fatto apposta per le strisce di led, che non si riesce ad avere per meno di 10 o 15 Euro al metro.

Ingrandite la foto a sinistra per vedere i particolari. A seconda che le strisce siano una o due e che si vogliano illuminare solo il soffitto, le pareti o ambedue, si possono usare profilati di varie forme. In alcuni casi basta una semplice “L”. Non trovando un profilo a “S” lo si può costruire incollando due “L” che si trovano facilmente sia in plastica che in alluminio.

In tutti i casi si deve fare attenzione che la luce non possa colpire gli occhi in modo diretto e che la parete o il soffitto vengano illuminati bene. Prima di montare il tutto è bene fare delle prove con una sezione da un metro o con cartoncini di opportune dimensioni o con un disegno in scala della stanza.

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Adattatore tra il sistema Theremino e le strisce di led

Theremino System - RGB and White Led Strips - 10 Ampere Driver

Questo adattatore può controllare i tre colori RGB e contemporaneamente anche il bianco, in modo da fornire grande luminosità alla stanza quando serve (ad esempio per fare le pulizie) e nel contempo poter ottenere tutti i colori la sera. La corrente massima per ogni canale è oltre 10 Ampere, con i mosfet senza dissipatore. Per cui non ci si deve preoccupare di quali e quante strisce si collegano, non saranno mai troppe.

Theremino System - RGB and White Led Strips - 10 Ampere DriverTheremino System - RGB and White Led Strips - 10 Ampere DriverTheremino System - RGB and White Led Strips - 10 Ampere Driver

Tutti i fori sono a distanza 2.54 mm per cui è facile costruirlo su una basetta millefori. Anche i collegamenti si fanno facilmente con gli stessi fili tagliati dai resistori. Chi vuole fare il circuito stampato può scaricare il progetto completo in formato Eagle: Adapter_DriverRGB_EagleProject

Theremino System - Classic RGB controller with 44 keys

Questo adattatore può lavorare insieme ai soliti regolatori con telecomando a infrarossi. Li si collega in parallelo e si potranno usare tutti e due, anche contemporaneamente, con alimentatore e strisce led in comune. Quando si guarda la televisione o quando si vuole un ambiente psichedelico che segue la musica con i colori, si guida il sistema dal PC via Theremino. Quando invece si desidera una illuminazione statica il telecomando a infrarossi continua a funzionare anche col PC spento. I segnali possono arrivare sia dal PC che dal telecomando, anche contemporaneamente, le due impostazioni si sommano e si limitano automaticamente quando si raggiunge la luce piena. In ogni caso non si sforzano i led e gli altri componenti dell’impianto.


Come illuminare la parete dietro al monitor e perché

Quando si siede su un divano di un normale salotto l’occhio ha un campo visivo più o meno largo come la parete di fondo, 4 metri di larghezza e 3 di altezza e anche molto di più se si tiene conto della visione periferica.

Ma un televisore, anche se mostruosamente grande, non copre che una piccola parte del campo visivo e, in mancanza di illuminazione, tutto il resto della parete di fondo resta completamente al buio.

Dato che la pupilla si stringe secondo la media della luce che arriva, succede che che in questa situazione innaturale rimane sempre troppo aperta, con due conseguenze:

  • La messa a fuoco peggiora e l’immagine del video diventa meno nitida.
  • La luce proveniente dalla aree luminose è troppa e si produce affaticamento o anche danni alla vista, se si tengono luminosità e contrasto molto alti per lunghi periodi.

La soluzione, storicamente consigliata fino dagli inizi della televisione è di illuminare la parete posteriore con una lampada. Vedere ad esempio la lampada “Salvavista Beghelli”

Però attenzione: non si deve illuminare una piccola area attorno al televisore e lasciare al buio tutto il resto del campo visivo, questo non produce vantaggi, anzi peggiora ancora la situazione, perché la luce vicino all’immagine produce abbagliamento e porta ad alzare luminosità e contrasto.

E, purtroppo, succede anche che durante le scene scure del video si perdono i particolari scuri. L’effetto delle scene buie viene così compromesso che molti preferiscono stare senza lampada del tutto.

Ci vorrebbe una lampada che si abbassa da sola durante le scene buie… e proprio questo faremo!

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Quindi, come deve essere una buona  retro-illuminazione?

Tutta la parete di fondo deve essere illuminata in modo uniforme. Illuminare dieci centimetri intorno al monitor aumenta solo l’abbagliamento, porta ad alzare luminosità e contrasto e affatica ancora di più la vista.

La luminosità della luce deve seguire la luminosità del video o, meglio ancora, seguire anche il colore medio del video. E la luminosità deve variare in modo lineare e morbido senza scatti e abbagliamenti improvvisi.

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Una soluzione bellissima, ma da scartare

Prima di tutto guardate questo video.

Theremino System - Adalight

E’ un effetto bellissimo, fantastico, scenografico, grandioso!!!

Ma noi NON seguiremo questa strada: Illuminare una zona ristretta intorno al TV produce un apparente allargamento della immagine ma non risolve il problema della retroilluminazione, anzi peggiora l’abbagliamento, riduce ulteriormente la nitidezza della immagine e stanca ancora di più la vista.

Per chi lo vuole a tutti i costi, consigliamo di NON rifarlo con Theremino, ma di comprare il kit Adalight di Adafruit. Questo kit è semplice, affidabile e funziona alla grande (come tutti i prodotti di Adafruit tra l’altro)

Però non comprate le strisce di led Adafruit per usarle con l’alimentazione USB del sistema Theremino. I led RGB delle strisce Adafruit sono poco efficienti e vanno bene solo perché sono molti e sono alimentati dal 220. Inoltre hanno una proprietà che per la retroilluminazione non ci interessa, sono indirizzabili singolarmente, e quindi sono anche piuttosto costosi.

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La soluzione che consigliamo

Illuminare tutto il campo visivo, quindi tutta la parete posteriore o anche tutte le pareti della stanza, con colore uniforme ricavato dalla media del segnale video. Usare strisce di led lunghe posizionate in basso o sullo spigolo del soffitto. Oppure usare uno o più lampadari, o palle luminose, per illuminare tutta la stanza. In tutti i casi si deve evitare che la luce vada a colpire la superficie del video o abbagliare l’occhio degli utenti con luce diretta. Per evitarlo si possono usare schermi opachi o diffondenti in posizione adeguata.

Durante le scene luminose non importa che tutta la stanza sia piuttosto illuminata, questo non toglie realismo al video. Durante le scene scure invece, la illuminazione deve seguire lentamente sia il colore che la luminosità media del segnale video, fino al buio completo, o quasi.

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Estrarre i tre canali RGB dal segnale video

Per ottenere la massima qualità non si devono leggere solo i pixel dei bordi del video (come fanno alcuni sistemi di pseudo-allargamento del video) ma tutti i pixel del segnale video, che purtroppo sono mille volte di più (bordi = qualche migliaio / totale = qualche milione)

Un microcontrollore non riesce a leggere i milioni di pixel di una immagine video con la necessaria velocità (almeno 30 volte al secondo), non si può fare con un Arduino e neanche i PIC 24 del sistema Theremino possono farlo.

Quindi, per non sacrificare la fluidità di risposta o la qualità della media, si deve accedere direttamente al segnale della scheda video o in arrivo da una WebCam e il software deve per forza risiedere sul PC, usare DirectX o DirectShow e una vera CPU con coprocessore matematico e pipeline.

Non meno importante è riuscire a fare questo senza affaticare troppo la CPU, per evitare di cuocere i condensatori elettrolitici dell’alimentatore del core della CPU, che si trovano sempre vicinissimi alla CPU e patiscono il calore.

Gli elettrolitici ogni 10 gradi centigradi in più dimezzano la loro vita e qui si tratta di lavorare per tutto il tempo di un film senza soste. Quindi attenzione, il consumo di CPU deve stare sotto al 20%. Inoltre se si vuole stare attenti anche alla efficienza energetica è meglio stare molto più bassi. Con un buon software, basato su Direct Show, si riesce a stare anche sotto allo 1%.

Theremino System -

Stiamo completando Theremino VideoInput con l’uscita RGB.

La nostra soluzione prevede di usare una WebCam in modo da funzionare con qualunque materiale video. Il kit Adalight di Adafruit, ad esempio, può funzionare solo se il segnale video proviene dal computer e non se proviene dal digitale terrestre. Usando una WebCam si eliminano questi problemi e non è necessario fare complicati collegamenti con prese SCART, convertitori video o costose prese pass-trough.

Si possono usare WebCams a basso costo (anche meno di 10 Euro) perché una qualità minima e una risoluzione di 320 x 240 sono più che sufficienti per questa applicazione. Infine, dato che il consumo di CPU è basso, si possono anche leggere contemporaneamente più WebCams e rilevare, oltre al colore del video, anche il colore del cielo.


Ottenere i moduli del sistema

Il team del sistema Theremino si occupa solo di ricerca e non vende hardware. Il sistema è completamente “Freeware”, “Open Source”, “No Profit” e “DIY”, ma esistono produttori che possono fornire i moduli assemblati e collaudati a un ottimo prezzo. Difficilmente si potrebbe auto-costruirli spendendo meno. Un elenco dei produttori in questa pagina: www.theremino.com/contacts/producers


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