Исследование и разработка интерактивной одежды для визуализации изображений с использованием светодиодов

АННОТАЦИЯ

В данной работе представлен обзор и анализ существующих инженерных концепций и технологий для создания интерактивного дизайна одежды; рассмотрены методы, позволяющие применить умные технологии к созданию интерактивного дизайна, а также аппаратные и программные средства, позволяющие их воплотить. Итогом работы является прототип интерактивной смарт-одежды с экраном из матрицы управляемых светодиодов, на который выводятся изображения.

ABSTRACT

This paper provides an overview and analysis of existing engineering concepts and technologies for creating interactive fashion design; methods that allow to apply smart technologies to create interactive design, as well as hardware and software that allow those methods to be implemented. As the result a prototype of interactive smart clothes with a matrix screen based on controlled LEDs was made.

Ключевые слова: интерактивная одежда, умная одежда, светодиоды, WS2812B.

Keywords: interactive clothing, smart clothing, LEDs, WS2812B.

Введение

Сегодня, производство умной одежды приобретает промышленные обороты. Инженерные подходы к дизайну одежды используются в медицине, спорте, и создании спецодежды. Однако, данное исследование будет в большей части рассматривать применение высоких технологий в индустрии моды, поскольку преследуемой целью является воплощение интерактивного дизайна одежды. Актуальность данного исследования заключается в растущем спросе на умную одежду, которая служит социальному аспекту [1], помогая владельцу одежды проявить свою индивидуальность и вызвать эмоциональный отклик у окружающих.

Вэйчжэнь Ван, Нагаи Юкари, Юань Фан [1] рассматривают внедрение интерактивной одежды в индустрии моды. В статье приводятся данные о рыночном спросе на интеллектуальные технологии в будущем среди молодежи, поскольку интерактивный дизайн одежды рождает эмоциональный отклик в окружающих и громко заявляет об индивидуальности владельца одежды.

Разновидности дисплеев

Оптическое волокно

Существует несколько способов визуализации изображений на умной одежде [2 - 3]. Например, умный текстиль может быть выходным интерфейсом, встроенным в одежду, поскольку он способен показывать различные анимированные изображения на одежде [4].

Оптическое волокно представляет собой волновод для передачи света между двумя концами волокна и, как правило, состоит из прозрачного сердечника, покрытого материалом, который имеет более низкий показатель преломления. Свет удерживается в сердечнике за счет полного внутреннего отражения и может передаваться на большие расстояния без потерь.  Оптическое волокно также устойчиво к электромагнитным полям. Благодаря малым размерам (0,125 - 2,0 мм) и относительно хорошей гибкости, оптическое волокно может приобретать различные формы и быть переплетено подобно нитям. Эти качества оптического волокна позволили создать элементы одежды из умного текстиля. Оптическое волокно может светиться не только на концах, но и в определенных выбранных местах по всей длине. Для этого оболочка волокна должна быть обработана, чтобы пропускать свет на всем протяжении волокна. Такую обработку волокна можно провести различными способами: механическим (зубчатый валик, абразивная и пескоструйная обработка), химическим (растворитель), термическим (лазер) [5].

Некоторые лаборатории разработали концепцию очень гибкого оптоволокна, основанного на силиконе. Этот метод позволяет производить в лаборатории более короткие волокна с большими диаметрами. Однако, подобные оптические волокна обычно содержат большое количество воздушных пузырьков и не имеют подходящей оптической прозрачности. В настоящее время этот вид оптоволокна в основном используется в сфере умной одежды [6].

Компания Luminex разработала и продемонстрировала различные предметы одежды и интерьера из оптоволоконной ткани, такие как подушки, рубашки, сумки и т. д. (рис. 1). Их продукты обладают красивейшим эффектом «звездного неба».

Рисунок 1. Скатерть фирмы Luminex

OLED

Кроме умного текстиля, органические светоизлучающие дисплеи или OLED, также могут применяться в качестве интерфейса для вывода интерактивных изображений. OLED-дисплеи имеют ряд преимуществ, таких как высокая яркость, большое разнообразие цветов, низкая температура в течение работы и малое энергопотребление; более того, отсутствует необходимость в панели подсветки, в отличие от ЖК-дисплеев.

OLED — это твердотельные устройства, состоящие из тонких пленок органических молекул (малая молекула OLED, полимерный OLED, P-OLED), которые излучают свет при прохождении через них электрического тока. Полимерные OLED были изобретены в 1989 году [7]. Обычно P-OLED содержат следующие составляющие: подложка (основание OLED), катод (инжектор электронов), слой органического проводящего полимера (для транспортировки «дырок» от анода), излучающий слой (состоящий из органических пластиковых молекул) и прозрачный анод (для добавления электронных «дырок»).

Но несмотря на то, что органические светодиоды потенциально являются приоритетной технологией для создания гибких дисплеев, все же существуют некоторые проблемы при их использовании. Сроки службы излучающих полимерных слоев для различных цветов сильно разнятся. Зеленые пленки OLED имеют срок службы до 200 000 ч и световую отдачу 50 кд/А, красные – 350 000 ч и 31 кд/А, синие пленки - 26 000 ч и 8 кд / А [8]. Одним из факторов короткого время службы органического светодиода является контакт с водой. Однако, для решения данной проблемы прибегают к тонкопленочной инкапсуляции для защиты излучающего слоя.

Электролюминесцентный текстиль

Как и в случае OLED-дисплеев, электролюминесцентный текстиль, также состоит из проводящей подложки, электролюминесцентного соединения и проводящего прозрачного электрода. Наиболее часто используемое электролюминесцентное соединение основано на сульфиде цинка (ZnS), который легирован металлом для получения различных цветов. Электролюминесцентная пудра, смешанная со связующим веществом, может применяться при печати на текстиле или шелкографии. Основная проблема заключается в гибком прозрачном электроде.

Стоит отметить, что электролюминесцентное-соединение более устойчиво к кислороду и воде, чем OLED-соединение, поскольку полная инкапсуляция не является необходимой.

Светодиодный дисплей

Светодиоды (LED, light emitting diodes) имеют низкую стоимость, малые размеры и доступны в различных цветах. Это позволяет использовать данные электронные компоненты для создания гибких дисплеев на текстильной основе с возможностью отображения анимированной графики или изображений. Для создания LED-экрана, который может быть помещен на одежду, каждый светодиод крепится на гибкую подложку, которая может быть, например, текстильная, и подключается к электронному устройству, способному индексировать каждый светодиод и регулировать его яркость и выводимое на него изображение.

 Китайская компания Huasun Technology занимается изготовлением больших LED-занавесов.  Минимальный размер подобного занавеса равен 1 квадратному метру. Главное преимущество подобных дисплеев заключается в том, что они являются складными и легкими. LED-занавес компании Huasun Technology может соответствовать любым форме и размеру, его широко используют для выполнения различных 2D и 3D форм, таких как круг, треугольник, цилиндр, конус и так далее, и он имеет частоту обновления изображения 10 кГц. Материал, из которого изготавливаются занавесы – DFR (dry film resist, сухой пленочный резист), что обеспечивает огнеупорность, водонепроницаемость и защиту от царапин (рис. 2).

Рисунок 2. LED-занавес компании Huasun Technology

E-Ink

Впечатляющим прототипом умной обуви являются новые кроссовки ShiftWear (рис. 3). Данный прототип также имеет возможность менять внешний вид на ходу. Кроссовки ShiftWear обладают цветными гибкими E-Ink дисплеями, способными постоянно транслировать заданное изображение [9]. Идея встроенных гибких экранов в обувь не является новой, однако, в прототипе обуви ShiftWear E-Ink экраны способны не только отображать градации серого, но также способны визуализировать цветные изображения и анимации. К сожалению, прототип не обладает подсветкой экранов, поэтому транслируемое изображение не будет видно в темноте.

Разработчики ShiftWear обещают сделать кроссовки полностью водонепроницаемыми, что означает, что обувь будет безопасно надевать в дождь, и, также, обувь можно будет стирать в стиральной машине. Подошва кроссовок будет укреплена кевларовым волокном. Внутри кроссовок ShiftWear будет размещена устойчивая к изгибам электроника, которая способна заряжаться от ходьбы.

Рисунок 3. Прототип кроссовок ShiftWear

На странице проекта пока содержится недостаточно информации о технических характеристиках ShiftWear, но сообщается, что время работы аккумуляторов на одном заряде будет внушительной, поскольку электронные чернила потребляют малое количество энергии.

Выбор аппаратной базы

Износоустойчивость умной одежды, содержащей светодиодный дисплей, рассматривается Мэтью Луи Мауриелло, Майклом Губбелсом, Джоном Э. Фрелихом [10]. Исследование включает данные об износостойкости светодиодной матрицы, так как тесты проводились во время фитнес-тренировки, которая включала бег на длинные дистанции. Гибкие светодиодные дисплеи показали впечатляющую способность транслировать четкие и яркие изображения на открытом воздухе, а также отличную стабильную работу. Более того, светодиодная матрица обеспечивает выбор размещения дисплея на одежде благодаря своим легкому весу и пластичности. Потенциал использования дисплеев для интерактивного дизайна был продемонстрирован с помощью параллельного прототипирования. Таким образом, на основании данного исследования был сделан выбор в сторону экрана матрицы светодиодов.

WS2812B

Управляемый светодиод состоит из одного или нескольких светодиодных элементов, каждый из которых подключен к интегрированному чипу управления, таким образом, элементы образуют светодиодный пиксель. Светодиоды могут быть объединены в цепочку [11], например, в такую как светодиодная лента или матрица (расположение цепочки зигзагом). Однако, адресация к каждому из светодиодных пикселей может быть независимой, подобной обращению к элементу одномерного или двумерного массива. Уже готовую светодиодную ленту или матрицу можно адаптировать под требуемый для проекта размер, требуется всего лишь припаять дополнительные светодиоды, или же отрезать ненужные. В любом случае, для этого важно соблюдать правильность подключения программируемых светодиодов WS2812B, которые содержат четыре пина: 1- питание, 2-выход, 3- вход, 4- земля [12] (рис. 4).

Рисунок 4. Растиновка программируемого светодиода WS2812B

Каждый программируемый светодиод состоит из трех независимых диодов (красный, зеленый, синий) внутри круглого рассеивателя и управляется 24-битным (по 8 бит на светодиод) программируемым драйвером. Таким образом, каждый пиксель может независимо отображать ~16 (то есть 256 x 256 x 256) миллионов. Чипсет, который управляет каждым пикселем, использует импульс частотой 2,5 кГц широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для изменения яркости, то есть яркость зависит от скорости мигания светодиода, в идеале, скорость, должна превышать скорость, восприятия человеческого глаза.

Arduino MKR1000

Микроконтроллер Arduino MKR1000 является недорогим и компактным решением, обладающим WiFi-функционалом. Основой данной платы является однокристальная система (SoC) Atmel ATSAMW25, входящая в семейство устройств, созданных для воплощения проектов в области IoT. В ATSAMW25 систему также встроена антенна, выполненная в форме печатной платы, которая способна поддерживать один канал данных.

Плата Arduino MKR1000 имеет пониженное энергопотребление, а расположение пинов соответствует распиновке платы Arduino Uno, что может являться крайне полезным при использовании MKR1000 с более старыми проектами. По сравнению с предыдущими платами Arduino, MKR1000 имеет меньшую частоту, а именно 48 МГц, и небольшое количество (256 КБ) flash-памяти. Но данные недостатки технических характеристик имеют и положительную сторону – заряд батареи будет тратиться намного дольше, а значит, устройство проработает на одном заряде долгое время.

Аппаратная часть

На рисунке 5 показан эскиз будущего устройства для визуализации изображений, выполненный с помощью программы Fritzing. Блок из 4х батарей класса ААА обеспечивает достаточное питание микроконтроллера в размере 5В. Далее показан сам микроконтроллер Arduino MKR1000 и подключенный к нему дисплей, состоящий из двух гибких LED-матриц на основе программируемых RGB-диодов WS2812B.

Рисунок 5. Эскиз аппаратной части комплекса

Для создания программы визуализации интерактивных изображений и ее загрузки на микроконтроллер Arduino MRK1000 была выбрана среда разработки Arduino IDE, поставляемая официальным сайтом Arduino.

Чтобы вывести изображение на матрицу, нужно найти способ перевести его в массив цветов для каждого пикселя. Для этого была использована программа lcd-image-converter, которая является отличным инструментом для создания растровых изображений (bitmaps).  Для преобразования изображения в массив, был выбран тип изображения «Цветное», а направление сканирования – прямое, сверху вниз. Глубина цвета была выбрана 24-бита.  

Результат работы запрограммированного аппаратного комплекса по выводу изображений представлен на рисунке 6.

Рисунок 6. Запрограммированный аппаратного комплекса по выводу изображений

Список литературы:

1. Weizhen W., Yukari Y., Yuan F. Human-centered design blending smart technology with emotional responses: case study on interactive clothing for couples, International conference on engineering design, 2017
2. Aleksandrova M., Specifics and Challenges to Flexible Organic Light-Emitting Devices, Hindawi Publishing Corporation Advances in Materials Science and Engineering, 2016, 8 pages.
3. Kim J., Kim Y., Oh J., Kim K. Interactive Smart Fashion Using User-Oriented Visible Light Communication: The Case of Modular Strapped Cuffs and Zipper Slider Types, Hindawi Wireless Communications and Mobile Computing, 2017, 13 pages.
4. Berglin L. Smart Textiles and Wearable Technology – A study of smart textiles in fashion and clothing, The Swedish School of Textiles University of Borås, 2013
5. Lee M., Park E., Kim M. Integration of plastic optical fiber into textile structures, Smart Clothing Technology And Applications, CRC Press, Boca Raton, 2012
6. Rothmaier M., Luong M., Clemens F. Textile pressure sensor made of flexible plastic optical fibers, Sensors 8 (7), 2008, 4318-4329
7. Koncar V. Optics Photonics News, 2005
8. Bidd I. Polymer OLED Technology – A Peek at the Development for Display and Lighting Applications, 2010
9. Letícia J., Pedri V. Design and Internet of Things for the footware industry: future perspectives, Coloqio de moda, 2018
10. Mauriello1 M., Gubbels M., Froehlich J. Social Fabric Fitness: The Design and Evaluation of Wearable E-Textile Displays to Support Group Running, Department of Computer Science1, College Of Information Studies, University of Maryland, College Park, 2016
11. Grzelakowski C. Recent improvement in connecting electronic components to flexible textile structures, Proceedings, 11th World Textile Conference AUTEX 2011 (Mulhouse, France), 2011, 798-806
12. http://www.adafruit.com/datasheets/WS2812B.pdf (Дата обращения 15.03.2019)
13. Nygaard R., Frumkes T. LEDs: Convenient, inexpensive sources for visual experimentation. Vision Research, 1982