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보다 정교한 색의 혼합
PIC12 마이크로컨트롤러와 데모보드를 통한 RGB LED 출력 광원의 정밀한 믹싱 기법 구현
2017년 02월 16일 (목) 10:22:00 편집부 editor@lednewskorea.com
By 브라이언 톰슨(Brian Tompson), 스티븐 앨런(Stephen Allen) , 마이크로칩 테크놀로지 (www.microchip.com)
 
그래픽 아티스트는 예술성이 가미된 작품을 의도대로 표현하고 브랜드 일관성을 강화하기 위해 정확하게 딱 맞는 색을 만들어 내고자 한다. 하지만 다양한 장치와 매체에서 색을 정확히 표현하는 일은 여전히 어려운 과제이다.
 
색상 값을 표현하는 데에는 CMYK, RGB, CIE, HunterLab을 비롯한 다양한 방법이 있다. 사람의 눈에 존재하는 세 종류의 원추 세포로 인해, 세 가지 다른 변수를 사용하면 어떠한 특정 색이라도 표현할 수 있다.

널리 사용되는 색 표현법 중 하나는 CIE 1931 XYZ 색 공간 다이어그램이다. 여기서 Y는 휘도(luminance) 또는 밝기를 나타내며, X와 Z의 값은 색도를 나타낸다. 회색과 백색은 색도가 동일하지만 휘도가 다르다. 이를 통해 3차원 색 공간이 표시되며 이는 사람의 눈으로 인식할 수 있는 모든 색을 포함한다.

빨강, 초록, 파랑(RGB) LED는 색을 다양하게 생성할 수 있지만, 각각의 색을 재현하면서 하나의 색에서 다른 색으로 매끄럽게 전환하는 작업은 쉽지 않다. 하지만 슬라이더를 사용하도록 마이크로컨트롤러를 프로그래밍할 경우 가능한 색을 대부분 생성할 수 있으며, 그림 1과 같이 CIE 1931 색 공간 색도(chromaticity) 다이어그램을 사용할 수도 있다.

두 가지 색을 사용하여 이를 일직선으로 연결하고 양을 달리해 색을 혼합하면, 일직선을 따라 어떤 색이라도 생성 가능하다는 것을 다이어그램을 통해 알 수 있다. 흔히 청색 LED에 노란색 인광 물질을 사용하여 백색 빛을 생성하는 것도 이와 같은 원리이다.
   
▲ 그림 1: CIE 1931 색 공간 색도 다이어그램
 
RGB 광원을 사용하여 색도 차트에 나타나는 색을 생성할 경우, 재현할 수 있는 색은 삼각형으로 제한되며 이를 ‘맥스웰의 삼각형(Maxwell’s triangle)’이라고 한다(그림 1 참조). 생성할 수 있는 색의 범위는 색 재현영역(gamut)이라고 한다.
 
컴퓨터 화면에서 다이어그램을 볼 경우 컴퓨터 화면은 색 범위를 모니터의 재현영역으로 제한하기 때문에 완벽하게 정확히 표시되지는 않는다. 가운데 나타나는 작은 하얀 점은 깨끗한 백색광을 생성할 수 있는 능력으로, 적절한 색 혼합이 이루어지고 있다는 것을 나타내는 좋은 지표이다.
 
색 혼합
 
색 혼합은 마이크로칩의 PIC12F1572 마이크로컨트롤러를 사용하여 구현할 수 있다. 이 마이크로컨트롤러는 3개의 16비트 PWM(펄스폭변조) 주변장치를 탑재해 각각의 RGB LED를 정밀하게 제어할 수 있다. 따라서 낮은 조도에서도 매끄러운 색 전환을 달성한다.
 
색 혼합 소프트웨어에서 디자이너가 색을 지정하면 마이크로컨트롤러가 필요한 계산을 수행한다. 디자이너는 데모 보드를 통해 모드 1 HSVW 슬라이더 동작을 사용하여 이를 간편하게 생성할 수 있다. HSV는 색상(hue), 채도(saturation), 명도(value)를 나타내며, W는 백색을 포함하도록 수정되었다는 것을 나타낸다. 데모 보드는 또한 색도 차트 선택기를 사용하는 모드 2로 재설정할 수 있다.
 
보드는 USB로 연결하거나 3V 리튬 코인셀 또는 AAAA 배터리를 이용해 구동할 수 있다. 그림 2는 HSVW 슬라이더로 설정된 보드를 나타낸다.
   
▲ 그림 2: HSVW 슬라이더로 설정된 색 혼합 데모 보드
 
먼저 슬라이더 모드로 구동하는 경우, 보드는 HSVW 컬러 휠(color wheel)을 순환한다. 일정 주기 후 배터리 전력을 보존하기 위해 LED는 깜박이기 시작한다. 보드 가장자리의 슬라이더를 사용하여 표현하고자 하는 색을 선택할 수 있다. 그림 3은 백색을 포함하도록 수정된 컬러 휠을 보여준다.
   
▲ 그림 3: HSVW 슬라이더

이 모드에서 그림 2의 RA0 및 RA1 핀은 정전식 터치 슬라이더와 함께 동작하도록 구성된다. 이렇게 하면 손가락으로 누르기 및 슬라이드 동작으로 다양한 색 값을 선택할 수 있다(단, 1차원적 색 선택으로 제한됨). 모드 2에서는 그림 1에서처럼 화면 상의 색도 차트에서 원하는 색을 선택한다.
 
여기서 RA0 및 RA1 핀은 EUSART 직렬 인터페이스로 구성되며, 값은 USB 직렬 연결을 통해 보드로 전송된다. PIC16F1455는 USB 메시지를 EUSART 9600baud 형식으로 변환한다. 그림 4는 이 모드에서의 설정을 나타낸다.
   
▲ 그림 4: 색도 차트 선택기로 설정된 색 혼합 데모 보드
 
LED의 색 재현영역에 포함되지 않는 색을 지정할 경우, 오류 메시지가 표시되고 색 출력이 업데이트 되지 않는다. 색이 재현영역 범위 안에 있으면 새로운 색이 표시된다.

튜닝

각각의 색을 동일한 양의 루멘(lumen)으로 표시하기 위해서는 저항 값을 설정해야 한다. 이 데모에서 저항 값은 빨강 202Ω, 초록색 325Ω, 청색 61Ω으로 계산됐다. 각 LED는 색 값을 얻기 위해 채도 미터를 사용하여 측정되었다.

광도는 온도에 따라 달라질 수 있으며, 이러한 차이는 LED 유형에 따라 매우 크게 나타날 수 있다. 따라서 최종 애플리케이션에서, 특히 야외에서 사용하는 경우 이러한 특성을 고려해야 한다.

사람의 눈은 약 200Hz에서 깜박임을 감지할 수 있으며, 50Hz 및 60Hz 빛에서는 혼변조(intermodulation)가 발생할 수 있다. 따라서 LED 조명은 200Hz 이상에서 스위칭하는 것이 바람직하다. PIC12F1572에서 PWM 주변장치의 경우 그 주기는 깜박임을 감지할 수 있는 수준보다 훨씬 높다.

PWM 주변장치는 특정 부하가 켜져 있는 시간의 길이를 달리한다. PWM 주기에서 부하가 켜져 있는(On) 시간의 비율을 듀티 사이클(duty cycle)이라고 하며, 부하에 공급되는 전력의 백분율에 해당한다. 일반적으로 PWM를 이용한 전력 제어는 전력 출력 조절을 위한 정밀하고 효율적인 방법으로 간주되고 있다.

색도 차트

보드는 색도 차트에 나타나는 색의 범위를 시연하도록 설계되었다. 색은 RGB 값으로 변환되어 최종적인 색을 생성하기 위해 혼합된다. 빨강, 초록, 파랑의 각 LED는 고유한 듀티 사이클 또는 밝기를 가지며, 이는 PWM 주변장치에 의해 제어할 수 있다. 개별 PWM은 각각 16비트 분해능을 가지므로 매우 낮은 듀티 사이클에서도 매끄러운 색 전환을 제공한다.

소프트웨어는 직렬 메시지를 수신하도록 구성되며, 데이터를 사용해 ColorMix 루틴을 호출한다. 이 과정은 계산 집약적인 작업이어서 PWM 값을 계산하는 데 약 7.7ms(16MHz 오실레이터 클럭의 경우)가 소요된다. 만약 이러한 루틴을 사용하여 계속 변화하는 색을 계산한다면, 갱신율은 130Hz로 낮아지고 매끄럽게 변화되지 못한다.

ColorMix 루틴은 C 언어로 개발되었다. PIC 디바이스는 역행렬법, 곱셈, 스케일링을 수행하여 원하는 색을 생성한다. 모든 계산은 정수로 수행된다. 스케일링은 전체에 걸쳐 수행되고, 그 값은 긴 32비트 변수 유형을 넘지 않는다.

하드웨어 구성

데모 보드는 공장 출하 시 설정에 따라 슬라이더 모드로 동작하도록 구성되고 프로그래밍된다. 이 모드에서 보드를 사용하려면 PIC12F1572를 RGBSlider 소프트웨어로 프로그래밍해야 하며, PIC16F1455 는 삭제해야 한다.

보드를 색도 선택기 모드에서 사용하려면 PIC12F1572를 RGBChroma 소프트웨어로 프로그래밍하고, PIC16F1455는 RGBChroma USB 소프트웨어로 프로그래밍해야 한다.

결론

디지털 사이니지(digital signage) 및 기타 광고 애플리케이션에서 LED가 널리 이용됨에 따라, 회사 브랜드의 일부가 되는 정확한 색 재현이 더욱 중요해지고 있다. 이 글에서는 어떻게 색 혼합을 수행하고, PIC12F1572 및 PIC16F1455 마이크로컨트롤러를 탑재한 데모 보드를 사용하여 정확한 색 혼합을 어떻게 계산하는지 살펴보았다.
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