Pixelnetz

Worum geht es?

Im grossen Fenster des 2. Stocks der Pädagogischen Hochschule Schwyz hängt ein LED-Netz, welches das gesamte Fenster von 7m x 3m ausfüllt. Es handelt sich um 140 x 60 einzeln steuerbare LEDs im Abstand von je 5cm, die als eine Art grosser Bildschirm verwendet werden können.

 
Pixelnetz in der Jubiläumsnacht (Foto: Eva Marinus)

Warum machen wir das?

• 20 Jahre-Jubiläum der PHSZ: Am 27.09.2024 feierte die PHSZ ihr 20-jähriges Bestehen mit einem Tag der Abteilung Forschung & Entwicklung. Das Pixelnetz entstand als ein Beitrag des Instituts für Medien und Schule und ist ein Projekt im Bereich der Informatikdidaktik.

• Signaletik-Element der PHSZ: Das Pixelnetz könnte künftig dazu genutzt werden, zu besonderen Anlässen Besucherinnen und Besucher mit einer Botschaft zu begrüssen oder zu Interaktionen mit dem Pixelnetz einzuladen.

• Spielwiese für unsere Studierenden:: Im Rahmen der Informatikdidaktikmodule sollen unsere Studierenden Scratch-Programme auf dem Pixelnetz anzeigen lassen können. Eine erste Umsetzung ist ein Adventskalender, bei dem vom 1. bis 24. Dezember täglich eine andere Scratch-Animation einer Studierendengruppe auf dem Pixelnetz angezeigt wird.

• Projektidee für den Informatikunterricht: Das Projekt wurde absichtlich so geplant und umgesetzt, dass es von den finanziellen und zeitlichen Aufwendungen auch im Freifach Informatik einer Sekundarschule umsetzbar ist. Es soll ein motivierendes Informatikprojekt sein, mit dem sich auch gewisse Grundprinzipien der Informatik erklären bzw. verstehen lassen. (Für die Primarschule ist eine reduzierte Version denkbar, bei welcher die Schülerinnen und Schüler primär die Scratch-Programme entwickeln, die danach das Pixelnetz steuern).

Was kann man damit machen?

• Bilder und Animationen anzeigen: ...

• Scratch-Programme anzeigen: Es ist möglich, die Bühne eines Scratch-Programmes (Auflösung 480 x 360) herunterzurechnen auf 140 x 60 und auf dem Pixelnetz anzuzeigen.

• Interaktionen mit der Umgebung integrieren: Scratch erlaubt es u.a. auf Bewegungen zu reagieren, die eine an den Computer angeschlossene Kamera erfasst. Damit wird es möglich, auf Aktivitäten in der Umgebung zu reagieren. So kann ein Scratch-Programm z.B. auf Personen im Blickfeld der Kamera reagieren - es ist auch möglich, einfache Computerspiele durch Bewegungen vor der Kamera zu steuern).

Wie funktioniert das?

Wie funktioniert die Hardware?

Das PixelNetz besteht aus aus einem Netzwerk von ganz vielen LEDs mit jeweils einem winzigen Computerchip (Neopixel WS2811).

Alle Pixel sind elektrisch mit 3 Drähten hintereinander als lange Schlange verbunden. 2 Drähte liefern Strom, ein Draht das Signal.

Das Signal besteht aus einer sehr langen Folge von Nullen und Einsen. Jedes Pixel schnappt sich die ersten 24 bits des Signals, macht draus einen RGB-Farbwert den es dann anzeigt und gibt den Rest des Signals dem nächsten Pixel weiter.

Konkret besteht unser Pixelnetz aus 7 hintereinandergeschalteten Netzen à 60 x 20 Pixeln, was eine Gesamtauflösung von 140 x 60 Pixel ergibt.
Gesteuert wird das Pixelnetz von einem Rechner, auf dem Python und Scratch läuft.

Wie funktioniert die Software?

Auf einem Computer (z.B. einem Raspberry Pi 5) läuft ein Python-Programm, das in einer Endlosschleufe einen Ausschnitt des Bildschirms nimmt, auf die Auflösung des Pixelnetzes (hier: 140 x 60 Pixel) herunterrechnet und dann als Bitfolge an das Pixelnetz ausgibt. In Pseudocode in etwas:

Wiederhole fortlaufend
    setze pixelschlange = LEER
    Mache ein Foto des Bildschirmausschnitts (x1,y1,x2,y2)
        Verkleinere das Foto auf die Grösse(140,60)
        Für y = 1 bis 60
            Für x = 1 bis 140
                Füge den Farbwert an der Stelle (x,y) als Binärwert zu pixelschlange hinzu
            Nächtes x
        Nächstes y
    Schicke pixelschlange ans Pixelnetz

(Der tatsächliche Python-Code ist hier abrufbar).

Was wurde konkret am Jubiläum dargestellt?

Für das Jubiläum haben wir ein Scratch-Programm erstellt, das verschiedene Animationen erlaubt:

1. Stellt das Logo in verschiedenen Farben dar
2. Zählt auf 20 und zeigt dann das drehende Logo der PHSZ

• c stellt die Kamera ein, die dann dem Vorplatz Bewegungen erkennt (geht aber nicht hier im Browser)
• d stellt die Kamera wieder ab.
• e macht das Kamerabild sichtbar (wieder abschalten mit c)

https://scratch.mit.edu/projects/1073687610/editor/

Scratch-Prozeduren

Hier die konkreten Scratch-Prozeduren, die wir am Jubiläumsanlass verwendet haben: