【测评TCS3472】使用 TCS3472 实现色控电子琴

t3486784401 · 发表于 2020-4-22 01:53

首先感谢 M5Stack 团队这次给试用 TCS3472 颜色识别模块！
在接下来的日子中我会逐步发表测评帖子，记录项目“色控电子琴”的开发历程。

本帖是第 3 篇测评，内容为色控电子琴(v1)的实现，含全部软硬件资料。

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【背景】
按着之前申请 TCS3472 试用时的约定，需要我实现一套色控电子琴项目，并公开全部资料。
基于前几个测评帖子的技术积累，今天已可以完成整个色控电子琴的搭建、编程，故记录之。

测评帖子#1，发现 RGB 转 XYZ 颜色矩阵有误：https://www.arduino.cn/thread-96922-1-1.html
测评帖子#2，测试 TCS3472 高分辨时丝滑程度：https://www.arduino.cn/thread-96923-1-1.html
测评帖子#3，即本帖子。

【运行原理】
所谓“色控电子琴”是我对这个项目的戏称，相对于传统键盘琴而言，色控电子琴的琴键是颜色。
TCS3472 颜色识别模块可以区分出物体的不同颜色，通过算法将颜色映射为音高，即为“色控电子琴”。

实际操作过程中，颜色的原始表达为 CIE-RGB 分量形式，是一个三维的空间；
通过变换（见测评帖子#1）可去除亮度，得到色度即 CIE-XYZ，降维为二维空间；
然而实际音高是一维线性的，因此需要通过算法将 CIE-XYZ 再次降维，获得一维空间对应音高。

【硬件搭建】
首先来张整个系统的大合照，含“色控电子琴”、待测物品，以及寂寞的 M5Stack 包装盒。

近看色控电子琴，就是个插了 ①TCS3472；②蜂鸣器；③外置电源的 UNO 主机。
所有的矩阵变换、空间降维、颜色处理、浮点计算都嵌入在 UNO 处理器中，PC不参与任何计算。

考虑到 TCS3472 逻辑电平为 3.3V，在转接板上特地搭棚 1K 电阻串在模块和 UNO 之间，
避免 5V 逻辑电压损坏模块，实测工作稳定可靠。

接下来细看每个工作单元。

首先是 TCS3472，自带白色照明，可以直接识别不发光的物体颜色，使用简便：

之后使蜂鸣器，我直接用主板蜂鸣器插在转接板上，最大程度简化接线：

最后是供电，使用两节 10440 锂电池给 VIN 供电，实际 8.0V 左右非常可靠：

【软件算法】
硬件搭建完以后，就开始软件编程，程序主框架是 Arduino UNO，
使用 Adafruit_TCS34725 类访问传感器，使用 tone/noTone 产生音高。

这里着重介绍一下 CIE-XYZ 空间到音高的算法，如下图所示。

CIE-XYZ 颜色空间中相对于白色点的 (x,y) 坐标被我转为极坐标 ρ∠φ，即：

x= ρcosφ
y= ρsinφ

转换以后 ρ对应按键力度，φ对应按键音高。规定：
当 ρ 接近零时不发声，即灰白色对应无声，只有色彩足够鲜艳才能“弹奏”音高。
当 ρ 足够大时 φ(0-360) 查表对应一维音高，不同颜色将弹奏出不同音高的音符。

由于 TCS3472 比较丝滑（见测评帖子#2），因此可以细调出很多不同的音高来。
软件中内嵌了串口调试信息，工作时串口可直接查看ρ、φ数据，用于细调音高。

【测试视频】
测试视频总计录制了两段，都是 HEIC/H265 高压格式，若打不开请升级播放器。

#1-整机测试：

v1-整机测试.rar (895.94 KB, 下载次数: 8)

#2-简单旋律：

v2-简单旋律.rar (739.86 KB, 下载次数: 6)

【附件】
最后附上项目的工程文件，包括：

#A-项目源码（Arduino IDE 1.8.3 编译通过）：

z1-ColorTune.rar (2.48 KB, 下载次数: 11)

#B-项目电路图（仅示意 UNO 外接线）：

z2-Schematic.rar (31.52 KB, 下载次数: 6)

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以上，使用 TCS3472 颜色识别模块，实现了一套“色控电子琴”，并进行了简单弹奏。
这个琴稍微弹快点就手忙脚乱的，看来以后要去打印个彩色色条才能优雅。

当然由于声音只是简单方波，不比和弦悦耳，回头有精力了搞个和弦版本的再来分享。

再次感谢 M5Stack 团队！
最后祝大家 DIY 愉快，万事如意！

plasticplant · 发表于 2020-4-22 22:57

大佬大佬，非常佩服

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