9.1.5 Bildschirm-Helligkeit regeln


Das wichtigste Eingabe- und Ausgabegerät eines Smartphones ist heute der Bildschirm (engl. Display). Auf diesem werden Bilder und Informationen dargestellt und er wird als Eingabefläche (engl. Touch-Schreen) verwendet. Die kleinste Einheit eines Bildschirms ist das Pixel.

Das Wort "Pixel" ist ein Kunstwort und kann mit "Bildelement" übersetzt werden.

  • Plural des englischen Worts "picture" (picture → pic → pics → pix)
  • erste Silbe von "element" (element → el))

Der Calliope ist ein sehr einfaches Modell eines Smartphones. Der Farbbildschirm des Calliope besteht aus einem einzigen Pixel mit drei Subpixeln.

In der folgenden Übung wird dem Calliope beigebracht bei einem Tasten-/Pindruck die Bildschirmhelligkeit zu verändern und die Einstellung der Helligkeit anzuzeigen. Dazu werden die Taster A, B und die Pins als Eingabebauteile, die 5x5 LED Lampe und die RGB LED Lampe als Ausgabebauteile und Prozessor und Speicher als Verarbeitungsbauteile verwendet:

Information: Aufbau eines Pixels

  • Klicke auf die einzelnen Schritte und informiere dich über den Aufbau eines Pixels.

Das Sonnenlicht versorgt uns seit Jahrmillionen mit Licht. Das Licht der Sonne besteht ausschließlich aus folgenden Farben:

Im Sonnenspektrum gibt es drei Grundfarben: rot, grün und blau. Neben den Grundfarben liegen die Farben gelb, cyan und violett. Im Lauf der Evolution haben sich im Auge auf der Netzhaut 4 verschiedene Lichtrezeptoren entwickelt, welche die Grundfarben wahrnehmen können:

  • Rezeptoren für "Hell-Dunkel",
  • Rezeptoren für "Rot",
  • Rezeptoren für "Grün",
  • Rezeptoren für "Blau".

In jedem Auge gibt es Millionen dieser Lichtrezeptoren, die gleichmäßig über die Netzhaut verteilt sind. Jeder Rezeptor ist mit dem Sehnerv verbunden und sendet Signale an das Gehirn:

  • Trifft Licht einer bestimmten Farbe auf die Netzhaut, werden die passenden Rezeptoren angeregt, welche ein elektrisches Signal über den Sehnerv an das Gehirn senden.

  • Im Gehirn erzeugt unser Bewusstsein aus den ankommenden Signalen ein Abbild unserer Umgebung.

  • Bei Dunkelheit ist das ankommende Licht zu schwach um Farbrezeptoren auf der Netzhaut anzuregen. Die Hell-Dunkel-Rezeptoren sind aber empfindlich genug um auch von wenig Licht angeregt werden zu können. Wir sehen zwar unsere Umgebung, können im Halbdunkel aber keine Farben mehr wahrnehmen.


Sehen ist subjektiv

Tiere nehmen die Umgebung völlig anders wahr, als wir Menschen, denn die Augen von Tieren sind anders aufgebaut, als unsere menschlichen Augen. Farben gibt es deswegen nicht "in Wirklichkeit". Farben sind ein subjektiver Sinneseindruck unseres Gehirns.

Bei rotem Licht werden nur rote Rezeptoren angeregt.

Bei grünem Licht werden nur grüne Rezeptoren angeregt.

Bei blauem Licht werden nur blaue Rezeptoren angeregt.

Wenn gelbes Licht das Auge erreicht, werden sowohl rote als auch grüne Rezeptoren gleichzeitig angeregt. Das nimmt unser Bewusstsein als Farbe "gelb" wahr:

Wenn rote und blaue Rezeptoren gleichzeitig angeregt werden, nehmen wir die Farbe "magenta" wahr:

Wenn rote und grüne Rezeptoren stark und die blauen Rezeptoren nur gering gleichzeitig angeregt werden, nehmen wir die Farbe "braun" wahr:

Wenn rote, grüne und blaue Rezeptoren gleichzeitig mit gleicher Helligkeit angeregt werden, nehmen wir die Farbe "grau" wahr. Bei voller Helligkeit wird aus der Farbe "grau" die Farbe "weiß".

Die bunte Vielfalt der Farben entsteht in unserem Gehirn, wenn unterschiedliches Licht in unser Auge fällt und die Rezeptoren deswegen gleichzeitig mit unterschiedlicher Helligkeit angeregt werden.

  • Klicke in der folgenden Simulation Sie auf "RGB Lichter".

  • Verändere die Helligkeit der einzelnen Lichtquellen und beobachte die Farbe, welche das Gehirn dann jeweils wahrnimmt.

  • Finde eine Kombination der drei Helligkeiten, um die Farben "Orange", "Braun" und "Pink" im Gehirn entstehen zu lassen.

Quelle: PhET

Der Aufbau eines Farb-Bildschirms unterstützt direkt die Art und Weise, wie wir Menschen Farben wahrnehmen. Die vielen Pixel bestehen jeweils aus drei verschiedenen Subpixeln. Es gibt ein rotes Subpixel, ein grünes Subpixel und ein blaues Subpixel.

Auf einem modernen Bildschirm kann die Helligkeit von jedem einzelnen Subpixel eingestellt werden. Die Kombination der Helligkeit von drei direkt nebeneinander liegenden Subpixeln erzeugt für unser Gehirn viele verschiedene Farben, so dass wir bunte Bilder wahrnehmen.

In der Informatik hat man sich darauf geeinigt, dass die Helligkeit eines Subpixel in 256 Stufen festgelegt wird:

  • Helligkeit 0 bedeutet, dass das Subpixel nicht leuchtet,
  • Helligkeit 255 bedeutet, dass das Subpixel in voller Helligkeit leuchtet.

Die ersten Handys hatten kleine Bildschirme mit sehr wenigen Pixel. Die Bildschirme akuteller Smartphones bestehen aus Millionen von Pixeln.


Anwendung: Calliope-Bildschirm

Beim Calliope kann durch die Angabe der Helligkeit der drei Subpixel des RGB LEDs die Farbe des RGB LEDs gesteuert werden.

Die Blöcke findest du unter "Grundlagen" und "Eingabe". Ziehe sie in den Editor, setze sie zusammen und verändere die Zahlen bei Rot, Grün und Blau.

  • Übertrage das Programm auf den Calliope.
  • Verändere die Farbe der LED des Calliope wie folgt:

  • Verändere die Zahlen bei "Rot", "Grün" und "Blau" um die RGB LED des Calliope in verschiedenen Farben leuchten zu lassen. Die Farbwerte kannst du mit folgender App erkunden:

In einem neuen Fenster starten: RGB-Pixel


Anwendung: Bildschirm-Helligkeit einstellen

Wenn alle drei Subpixel eines Pixel in genau der gleichen Helligkeit leuchten, nimmt unser Gehirn das wie folgt wahr:

  • alle drei Subpixel sind aus: "schwarz"
  • alle drei Subpixel sind mittelhell, aber gleich hell: "grau"
  • alle drei Subpixel haben volle Helligkeit: "weiß".

Im folgenden Programm soll die Helligkeit eines Bildschirms verändert werden, der nur Graustufen darstellen kann. Mit dem Calliope wird also ein Bildschirm simuliert, wie er in den allerersten Handys verbaut wurde.

  • Um die Helligkeit des Calliope-Pixels steuern zu können, wird eine Variable "bildschirmhelligkeit" festgelegt.
  • Um einstellen zu können, dass der Bildschirm eingeschaltet ist, wird eine Variable "bildschirmAn" festgelegt.

Beim Programmstart soll der Bildschirm ausgeschaltet sein:

Da das Calliope-Pixel nur Graustufen anzeigen soll, sollen alle drei Subpixel immer gleich hell leuchten. Die Variable "bildschirmhelligkeit" wird im Block "setze RGB-Farbe auf" jeweils in das Feld "Rot", "Grün" und "Blau" eingesetzt.

  • Mit dem Knopf "A" soll der Bildschirm eingeschaltet werden.

    • Wenn man den Knopf "A" drückt, wird "bildschirmAn" auf den Wert "wahr" gesetzt.
    • Wenn man den Knopf "A" drückt, wird "bildschirmhelligkeit" auf den Wert 255 gesetzt.
  • Mit dem Knopf "B" soll der Bildschirm ausgeschaltet werden.

    • Wenn man den Knopf "B" drückt, wird "bildschirmAn" auf den Wert "falsch" gesetzt.
    • Wenn man den Knopf "B" drückt, wird "bildschirmhelligkeit" auf den Wert 0 gesetzt.
  • Mit den Pins 0 bis 3 soll die Helligkeit des Bildschirms verändert werden, aber nur dann, wenn die Variable "bildschirmAn" den Wert "wahr" hat:

    • Pin 0 wird berührt: Wenn bildschirmAn = wahr, setze bildschirmhelligkeit auf 51,
    • Pin 1 wird berührt: Wenn bildschirmAn = wahr, setze bildschirmhelligkeit auf 102,
    • Pin 3 wird berührt: Wenn bildschirmAn = wahr, setze bildschirmhelligkeit auf 153,
    • Pin 4 wird berührt: Wenn bildschirmAn = wahr, setze bildschirmhelligkeit auf 204.


Programmieren

Klicke erst auf den Lösungsvorschlag, wenn dein Programm funktioniert oder du nicht weiter kommst.

Der Code


Erweiterung: Einstellung der Helligkeit in 5x5 LED anzeigen

Bei einem Smartphone wird in den Einstellungen angezeigt, auf welche Helligkeitsstufe der Bildschirm eingestellt ist. Das soll dem Calliope jetzt auch beigebracht werden.

Die Helligkeitsstufen des Bildschirms (0, 51, 102, 153, 204, 255) soll der Calliope in der 5x5 LED anzeigen.

  • Überlege dir, wie du das Programm verändern kannst, damit auf der 5x5 LED die aktuelle Helligkeitseinstellung des Calliope angezeigt wird.

  • Es könnte hilfreich sein, wenn ihr zu zweit oder in einer Gruppe eure Ideen austauscht.

  • Verändere das Programm zur Bildschirmsteuerung entsprechend eurer Ideen.

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Projektziel