使用一个 LED 创建图像

必要的工具和机器

3D 打印机（通用）

应用和在线服务

	Arduino IDE
	GIMP
	Autodesk Fusion 360

关于这个项目

想法

看了几个视频，看了很多关于光绘的文章，我决定试一试。光绘涉及使用具有很长曝光时间的相机来捕捉小光源。这允许单个光在单个图像中串成长条纹。

但是如果有人想要创建更详细的图片或使用许多不同的颜色怎么办？这就是我想出的想法来构建一个 2 轴 CNC 机器，该机器具有单个 RGB LED，可以改变颜色并“绘制”图像。

计划

该项目需要四个主要组件才能工作：一台 2 轴 CNC 机器、RGB LED、SD 卡和一个能够进行长时间曝光拍摄的相机。首先，Arduino Mega 会读取 SD 卡并找到要打印的位图。

然后，它会水平穿过并点亮相应的 LED，同时每次超过图像宽度时也会向下移动一行。最后，它会稍等片刻，然后搜索下一个位图，最后在没有更多图像要创建时停止。

建造钻机

由于我在设计和制造 CNC 机床方面的经验，这一步并不太难。我想做一些模块化的东西，也可以为其他项目扩展，所以我选择了一个简单的设计，使用两个同步带连接到沿着平行铝挤压件移动的横杆上。

这使每个轴的长度可以非常定制。 X 轴的末端有 3D 打印的端盖，其中一个端盖用于安装 X 轴步进电机和轴承。

读取位图

我选择位图文件格式是因为它简单且易于阅读。根据文件格式，文件本身有几个重要地址必须读取。它们是 0x12（宽度）、0x16（高度）、0x1C（颜色深度）、0xA（像素数据的位置），最后是 0x36（像素数据通常所在的位置）。

以两个或四个字节（16 或 32 位）的块读取数据，这也将指针前进到下一个地址。 read 函数遍历并获取所有重要数据，包括偏移量和大小。然后它逐行读取每个像素。

准备图像

由于大多数相机的曝光时间最长为 30 秒，因此在这段时间内可以显示的总像素数限制为大约 288 个。这相当于大约 18 x 16 的图像。为了制作我的图像，我加载了 gimp 并开始创建非常简单的像素艺术。其中包括一个精灵球、一颗心和一个跳跃的马里奥。然后我把这三张图片放到了SD卡根目录下一个叫“bitmaps”的目录下。该程序从此文件夹中读取所有图像。

绘画程序

由于步进电机没有内部定位反馈系统，它们的位置必须由软件跟踪。我编写的程序使用网格系统跟踪 LED 的位置，以便轻松缩放。当 Arduino Mega 启动时，步进器位置设置为 0、0，然后找到并读取第一个图像。然后，LED 闪烁五次，让摄影师知道几乎可以开始拍摄了。位图的读取方式是首先循环遍历每一行，然后在每一行中读取每一列。通过了解当前的行和列，步进电机可以移动到相同的位置。在每个位置，LED 会更改为相应像素的颜色。

(re)-创建图像

插入SD卡并为电机插入12v电源后，就可以打开机器了。在我的相机上，我将其设置为 20 秒的曝光时间、F36 的光圈、100 的 ISO 和 -5 档的曝光补偿，以最大限度地减少重影效果。绘制的第一张图片是一个精灵球，见这里：

虽然有点模糊，但还是可以清楚地看到形状。然后它创建了一个心脏位图：

由于此图像只有 9 x 9 像素，因此每个单独的像素都不太明确。最后，我画了一张马里奥跳跃的图：

这张图片重影重，主要是因为色彩鲜艳的像素很多。

未来的改进思路

我创作的光绘效果比我最初想象的要好得多，但仍有改进的空间。我想做的主要事情是通过让 LED 在变暗时移动，然后仅在静止时点亮来减少模糊量。这种技术将大大提高重建图像的清晰度。

代码

• 光绘计划

光绘程序C/C++

//部分来自Adafruit的位图读取功能#include #include #include "DRV8825.h"#define MOTOR_STEPS 200#define RPM 150#define MICROSTEPS 4//引脚定义#define STEPPER_X_DIR 7#define STEPPER_X_STEP 6#define STEPPER_X_EN 8#define STEPPER_Y_DIR 4#define STEPPER_Y_STEP 5#define STEPPER_Y_EN 12#define X 0#define Y 1#define X_DIR_FLAG -1 //1 或-FLAG_1 翻转方向 //1 或-FLAG_1 翻转方向1 或 -1 翻转方向#define STEPS_PER_MM (3.75 * MICROSTEPS) //移动 1mm 所需的步数#define SPACE_BETWEEN_POSITIONS 5 //每次移动 5mm#define R A0#define G A1#define B A2#define SD_CS 22int currentPositions[] ={0, 0};DRV8825 stepperX(MOTOR_STEPS, STEPPER_X_DIR, STEPPER_X_STEP, STEPPER_X_EN);DRV8825 stepperY(MOTOR_STEPS, STEPPER_Y_DIR, STEPPER_Y_STEP, STEPPER_Y_EN);120 setup(10begin);120 init_steppers(); SD.begin(SD_CS); createBitmaps(); stepperX.disable(); stepperY.disable(); while(1);}void loop() {}void createBitmaps(){ File dir =SD.open("bitmaps"); while(true){ 文件位图 =dir.openNextFile();如果（！位图）{ 中断；油漆位图（位图）；延迟（15000）； } }#define BUFFPIXEL 20void paintBitmap(File bmpFile){ int bmpWidth, bmpHeight; uint8_t bmpDepth; uint32_t bmpImageOffset; uint32_t 行大小； // 并非总是 =bmpWidth;可能有填充 uint8_t sdbuffer[3 * BUFFPIXEL]; // 像素缓冲区（每像素 R+G+B） uint8_t buffidx =sizeof(sdbuffer); // 当前位置在 sdbuffer boolean goodBmp =false; // 在有效的标头解析上设置为 true boolean flip =true; // BMP 自下而上存储 int w, h, row, col; uint8_t r, g, b; uint32_t pos =0，startTime =毫秒（）； Serial.println(); Serial.print("加载图像'"); Serial.print(bmpFile.name()); Serial.println('\''); // 打开 SD 卡上请求的文件 // 解析 BMP 头 if (read16(bmpFile) ==0x4D42) { // BMP 签名 Serial.print("File size:"); Serial.println(read32(bmpFile)); （无效）read32（bmpFile）； // 读取并忽略创建者字节 bmpImageOffset =read32(bmpFile); // 图像数据开始 Serial.print("Image Offset:"); Serial.println(bmpImageOffset, DEC); // 读取 DIB 头 Serial.print("Header size:"); Serial.println(read32(bmpFile)); bmpWidth =read32(bmpFile); bmpHeight =read32(bmpFile); if (read16(bmpFile) ==1) { // # 平面 -- 必须是 '1' bmpDepth =read16(bmpFile); // 每像素位数 Serial.print("Bit Depth:"); Serial.println(bmpDepth); if ((bmpDepth ==24) &&(read32(bmpFile) ==0)) { // 0 =未压缩的 goodBmp =true; // 支持的 BMP 格式——继续！ Serial.print("图片尺寸："); Serial.print(bmpWidth); Serial.print('x'); Serial.println(bmpHeight); // BMP 行被填充（如果需要）到 4 字节边界 rowSize =(bmpWidth * 3 + 3) &~3; // 如果 bmpHeight 为负，则图像为自上而下的顺序。 // 这不是经典，而是在野外观察到的。如果（bmpHeight <0）{ bmpHeight =-bmpHeight;翻转 =假； } // 要加载的裁剪区域 w =bmpWidth; h =bmpHeight; if(bmpWidth*bmpHeight>290){ //Too large Serial.println("文件太大无法打印。");返回; } for(uint8_t i=0; i<5;i++){analogWrite(R, 150);延迟（500）；模拟写入（R，0）；延迟（500）； } for (row =0; row=sizeof(sdbuffer)) { // 实际上 bmpFile.read(sdbuffer, sizeof(sdbuffer)); buffidx =0; // 将索引设置为开始 } // 将像素从 BMP 格式转换为 TFT 格式，推送显示 b =sdbuffer[buffidx++]; g =sdbuffer[buffidx++]; r =sdbuffer[buffidx++]; moveToPosition(col, row);激活LED（r，g，b）； // 优化！ //tft.pushColor(tft.Color565(r,g,b)); } // 结束像素analogWrite(R, 0);模拟写入（G，0）；模拟写入（B，0）； } // 结束扫描线 Serial.print("Loaded in "); Serial.print(millis() - startTime); Serial.println("毫秒"); } // 结束goodBmp } } bmpFile.close(); moveToPosition(0,0); if (!goodBmp) Serial.println("BMP 格式无法识别。");}uint16_t read16(File f) { uint16_t result; ((uint8_t *)&result)[0] =f.read(); // LSB ((uint8_t *)&result)[1] =f.read(); // MSB 返回结果；}uint32_t read32(File f) { uint32_t result; ((uint8_t *)&result)[0] =f.read(); // LSB ((uint8_t *)&result)[1] =f.read(); ((uint8_t *)&result)[2] =f.read(); ((uint8_t *)&result)[3] =f.read(); // MSB 返回结果；}void activateLED(int r, int g, int b){ Serial.print(F("LED has value of:")); Serial.print(r); Serial.print(", "); Serial.print(g); Serial.print(", "); Serial.println(b);模拟写入（R，R）；模拟写入（G，g）； AnalogWrite(B, b);}void moveToPosition(int x, int y){ int newPosX =(x-currentPositions[X])*STEPS_PER_MM*X_DIR_FLAG*SPACE_BETWEEN_POSITIONS; int newPosY =(y-currentPositions[Y])*STEPS_PER_MM*Y_DIR_FLAG*SPACE_BETWEEN_POSITIONS; stepperX.move(newPosX); stepperY.move(newPosY);当前位置[X] =x;当前位置[Y] =y; Serial.print("步进位置："); Serial.print(currentPositions[X]); Serial.print(", "); Serial.println(currentPositions[Y]);}void init_steppers(){ stepperX.begin(RPM); stepperX.setEnableActiveState(LOW); stepperX.enable(); stepperX.setMicrostep(MICROSTEPS); stepperY.begin(RPM); stepperY.setEnableActiveState(LOW); stepperY.enable(); stepperY.setMicrostep(MICROSTEPS);}

定制零件和外壳

示意图