Προγραμματίζοντας τα χρώματα – μοντέλο RGB – με τα LEDs του κινητού ρομπότ THYMIO (Δραστηριότητα 13)

Του Νίκου Δαπόντε

Όσο δουλεύω και πειραματίζομαι ο ίδιος με το παιδαγωγικό εργαλείο-κινητό ρομποτάκι Thymio (μου θυμίζει τα ρομποτάκια εδάφους του Papert  όπως φαίνεται στη φωτογραφία)

 τόσο πιο πολλές δυνατότητες μου αποκαλύπτονται. Πρόκειται για ένα δρόμο που ελπίζω να προκαλεί το ενδιαφέρον για την Τεχνολογία και τη ρομποτική τόσο των εκπαιδευτικών όσο και των μαθητών Δημοτικού και Γυμνασίου. Κι αυτό, βέβαια, σημαίνει ότι χρειάζεται πολύ δουλειά με στόχο τη διεύρυνση των ορίων επινόησης δραστηριοτήτων «Εκπαιδευτικής Ρομποτικής», κατάλληλων για τους μαθητές, στο πλαίσιο πάντα της προσέγγισης STEAM (Science, Technology, Engineering, Art, Mathematics).

Με το ρομποτάκι Thymio μπορείς να έχεις στη διάθεσή σου συνολικά 35.937 διαφορετικά χρώματα που δημιουργούνται, για παράδειγμα, στην πάνω επιφάνεια του (top) από τη σύνθεση τριών βασικών χρωμάτων {κόκκινο, πράσινο, μπλε —Red, Green, Bleu}. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσαμε να αξιοποιήσουμε το Thymio για μια  διδασκαλία των χρωμάτων μέσα από πειραματισμό με ποικίλες δραστηριότητες. Τα παραπάνω βασικά χρώματα προέρχονται από τρία «λεντάκια» (Leds) που το καθένα  εκπέμπει μια από τις τρεις βασικές ακτινοβολίες RGB (Red, Green, Bleu – κόκκινο, πράσινο, μπλε) οπότε μιλάμε για Led κόκκινου ή πράσινου ή μπλε χρώματος.

Προτού παρουσιάσουμε μια σειρά από ρομποτικές – προγραμματιστικές δραστηριότητες – με ένα από τα κεντρικά θέματα τα χρώματα και τη σύνθεσή τους – με το Thymio:

Α) Ας δούμε συνοπτικά τη Φυσική των χρωμάτων και το χρωματικό μοντέλο RGB (Red – Green – Bleu)

Β) Ας πειραματιστούμε με τους κανόνες προσθετικής μείξης RGB (κόκκινο, πράσινο, μπλε) με τη βοήθεια ενός interactive project που έφτιαξα στο περιβάλλον του Scratch.

Α. Η φυσική των χρωμάτων: To Χρωματικό Μοντέλο RGB (Κόκκινο – Πράσινο – Μπλε)  

Από το 17ο αιώνα, μετά τις εργασίες του Νεύτωνα αναφορικά με την Οπτική, γνωρίζουμε ότι το χρώμα δεν είναι ύλη αλλά μια αίσθηση. Με άλλα λόγια, δεν υπάρχει πάρα μόνο το ΦΩΣ. Χάρη στον Ισαάκ Νεύτωνα αμφισβητήθηκε ότι το ηλιακό φως είναι ένα απλό χρώμα και απέδειξε πειραματικά ότι το ηλιακό φως αποτελείται από πολλά χρώματα. Με άλλα λόγια διατύπωσε τη θεωρία ότι το φως είναι σύνθετο.

Στο πρώτο του πείραμα ο Νεύτωνας είδε μια εντυπωσιακή πολύχρωμη φωτεινή λωρίδα παρόμοια με αυτήν του ουράνιου τόξου! Αλλά δεν έμεινε σ’ αυτό μια και υπέθεσε ότι το πρίσμα συνέβαλλε στο διαχωρισμό των χρωμάτων που το αποτελούσαν και προχώρησε στην πειραματική επιβεβαίωση με το γνωστό πείραμα:

Από τα πειράματα ο Νεύτωνα οδηγήθηκε στη μελέτη του χρωματικού φάσματος και καθιέρωσε τα επτά χρώματα του φάσματος (βλέπε πίνακα) ως ΒΑΣΙΚΑ εφόσον η ανάμειξή τους παρήγαγε λευκό φως. Επίσης, συμπέρανε ότι στο φάσμα του λευκού φωτός δεν υπάρχουν όλα τα χρώματα που βλέπουμε, όπως για παράδειγμα το καφέ χρώμα.

Ο Νεύτωνας συνέχισε τα πειράματα του με σκοπό να αναζητήσει τον ελάχιστο αριθμό βασικών χρωμάτων του φάσματος με βάση τα οποία θα πετύχαινε τη σύνθεση του λευκού φωτός. Φαίνεται ότι έψαχνε προς λάθος κατεύθυνση μια και είχε την ιδέα ότι αυτά θα πρέπει να είναι ίδια με τα βασικά χρώματα – βαφές του ζωγράφου: κόκκινο, κίτρινο, μπλε.
Στις αρχές του 19ου αιώνα ο Thomas Young διετύπωσε την «Τριχρωματική Θεωρία» (Course of Lectures on Natural Philosophy, 1807) σύμφωνα με την οποία η χρωματική όραση βασίζεται σε τρεις χρωματικούς υποδοχείς του ανθρώπινου ματιού που αντιστοιχούσαν σε τρία φασματικά βασικά χρώματα: Το κόκκινο, το πράσινο και το μπλε. Επίσης, υπολόγισε τα μήκη κύματος των επτά χρωμάτων – ακτινοβολιών του ορατού φάσματος του Νεύτωνα.

Στα μέσα του 19ου αιώνα και ο φυσικός Maxwell (1857) δέχθηκε ότι υπάρχει διαφορά ανάμεσα σε μια θεωρία του χρώματος ως χρωστικής ύλης στη ζωγραφική και σε μια θεωρία φωτός όπως αυτή του Young. Επίσης επεσήμανε ότι η επιλογή των τριών βασικών χρωμάτων Red – Green – Blue, Kόκκινο, Πράσινο, Mπλε) θα μπορούσε να είναι οποιαδήποτε άλλη, αρκεί ο συνδυασμός των χρωμάτων, σε σωστές αναλογίες, να παράγει το λευκό.
Το 1965, μετά από πειράματα επιβεβαιώθηκε ότι στον αμφιβληστροειδή χιτώνα του ανθρώπινου ματιού υπάρχουν ειδικά κύτταρα (ονομάζονται φωτοϋποδοχείς ή φωτοαισθητήρες) που είναι υπεύθυνα τόσο για την αντίληψη του αμυδρού φωτός (ραβδία) όσο για την αντίληψη των χρωμάτων (κωνία):

Σημείωση 1. Τα ραβδία είναι εξειδικευμένα στην αίσθηση της έντασης του φωτός που πέφτει στο μάτι μας και ενεργοποιούνται μόνο αν φθάνουν σ’ αυτό 500 φωτόνια το δευτερόλεπτο. Από την άλλη, τα κωνία ενεργοποιούνται και με 10 φωτόνια ανά δευτερόλεπτο.

Σημείωση 2. Ο χαρακτηρισμός του χρώματος ενός αντικειμένου είναι κάτι πολύ περισσότερο από την απόδοση ενός μήκους κύματος. Για παράδειγμα, ακόμα και το ζωηρό κόκκινο χρώμα μιας ντομάτας περιλαμβάνει μια ευρεία γκάμα μηκών κύματος στην περιοχή του ορατού φάσματος.

Ας συνοψίσουμε. Τα χρώματα είναι μία κωδικοποίηση του ανθρώπινου νευρικού συστήματος για να διακρίνει τα μήκη κύματος του φωτός (από 400 nm έως 700 nm) που διεγείρουν το μάτι μας. Όταν στο μάτι του ανθρώπου προσπέσουν δύο ακτινοβολίες με διαφορετικά μήκη κύματος η ανθρώπινη όραση συνθέτει τα χρώματα δημιουργώντας καινούργια.

Με άλλα λόγια στηριζόμενοι σε κάποια χρώματα τα οποία ονομάζουμε βασικά ή πρωτογενή μπορούμε να συνθέσουμε τα υπόλοιπα.

Β. Το χρωματικό μοντέλο RGB: Κανόνες προσθετικής μείξης RGB (κόκκινο, πράσινο, μπλε)

Σ’ αυτό το μοντέλο κάθε χρώμα μπορεί να παρασταθεί με μία τριάδα αριθμών και τιμές από 0 έως 255. Το μοντέλο βασίζεται στο γεγονός ότι όταν μία οθόνη δεν εκπέμπει φως εμφανίζεται μαύρη. Τα υπόλοιπα χρώματα δημιουργούνται με υπέρθεση των τριών βασικών με συγκεκριμένη αναλογία. Για το λόγο αυτό, το μοντέλο RGB χαρακτηρίζεται και ως προσθετικό: Με την ανάμειξη φωτεινών ακτίνων R, G, B παράγονται άλλα χρώματα. Επομένως, το χρωματικό μοντέλο κωδικοποιεί όλα τα χρώματα που μπορούν να εμφανιστούν σε μία οθόνη (συνήθως υπολογιστή).

Σκέφτηκα να χρησιμοποιήσω το περιβάλλον του scratch για να φτιάξω ένα μικρό εξειδικευμένο πρόγραμμα (applet, που τρέχει και στο διαδίκτυο) με σκοπό να πειραματιστώ με την ανάμιξη των βασικών χρωμάτων του φωτός. Με την ευκαιρία σκέφτηκα να συγκεντρώσω τις τιμές RGB για τα πιο γνωστά χρώματα (τα περισσότερα τα είχα ακουστά από τότε που ήμουνα παιδί και τώρα τα βλέπω να δημιουργούνται στην οθόνη του υπολογιστή) και να ελέγχω κατά πόσο γνωρίζω τα χρώματα: Πληκτρολογώ το όνομα ενός χρώματος (από αυτά που έβαλα σε μια λίστα) αφού προηγουμένως φανταστώ πώς θα είναι. Το πρόγραμμα μου απαντάει τόσο με το χρώμα όσο και με τις αντίστοιχες τιμές στο μοντέλο RGB.

Στη διάθεσή μας έχουμε τρεις προβολείς σε μια σκοτεινή αίθουσα: έναν με κόκκινο φίλτρο, ένα δεύτερο με πράσινο φίλτρο και έναν τρίτο με μπλε φίλτρο.

Η επιλογή του χρώματος επιτυγχάνεται με τις τιμές των εντάσεων καθενός από τους προβολείς με τη βοήθεια των μεταβολέων Red – Green – Blue. Αν θέλω να «δω» ένα από τα χρώματα της λίστας πρέπει να πατήσω το πλήκτρο «Κενό» (space) και να πληκτρολογήσω επιθυμητό όνομα.

Τα αποτελέσματα του πειραματισμού

1.Αν θέσω στους τρεις προβολείς τις τιμές (0, 0, 0) τότε η σύνθεσή τους είναι ΜΑΥΡΟ (απουσία φωτός).

2. Αν θέσω στους τρεις προβολείς τις μέγιστες τιμές (255, 255, 255) τότε η σύνθεσή τους είναι ΛΕΥΚΟ = Κόκκινο + Πράσινο + Μπλε. Θυμόμαστε, λοιπόν, ότι η σύνθεση των τριών χρωμάτων με μέγιστες εντάσεις μας δίνει λευκό.

3. α. Αν αναμείξω Κόκκινο (255) και Μπλε (255) φροντίζοντας, βέβαια, να μην έχω Πράσινο (0) τότε η σύνθεσή τους είναι MAGENTA (βιολετί). Αυτό το χρώμα, το magenta, είναι δευτερεύον μια και προκύπτει από την ανάμειξη δύο βασικών.
Κόκκινο + Μπλε = Magenta (το συμπληρωματικό χρώμα του Πράσινου)

3. β. Αν αναμείξω Κόκκινο (255) και Πράσινο (255) φροντίζοντας, βέβαια, να μην έχω Μπλε (0) τότε η σύνθεσή τους είναι ΚΙΤΡΙΝO (άλλο ένα δευτερεύον χρώμα)
Κόκκινο + Πράσινο = Κίτρινο (το συμπληρωματικό χρώμα του Μπλε)

3. γ. Αν αναμείξω Μπλε (255) και Πράσινο (255) φροντίζοντας, βέβαια, να μην έχω Κόκκινο (0) τότε η σύνθεσή τους είναι ΚΥΑΝΟ (άλλο ένα δευτερεύον χρώμα).
Μπλε + Πράσινο = Κυανό (το συμπληρωματικό χρώμα του Κόκκινου)
Ορισμός: Δευτερεύον χρώμα, χαρακτηρίζεται εκείνο που δημιουργείται από την ανάμειξη δύο βασικών χρωμάτων.
Ορισμός: Συμπληρωματικό χρώμα, χαρακτηρίζεται εκείνο που όταν συνδυασθεί με ένα άλλο όμοιό του δίνει λευκό.

4. Αν θέσω στα R, G, B ίδιο επίπεδο έντασης, τότε το αποτέλεσμα της μείξης είναι γκρι χρώμα.