概要

Raspberry Pi PicoのPIO (Programmable I/O) を活用し、HUB75規格のLEDマトリクス（32×64ドット）にて 30fps・4096色 の動画（MP4ファイルから変換したデータ）を表示するプログラムを実装しました。
※以前公開した記事「ラズパイPicoでMP4動画データをLEDマトリクスに表示」のプログラムをアップデートしました。

実際の動作の様子は、以下のデモ動画（YouTube）からご覧いただけます。
YouTubeの動作デモ動画

成果物

ソースコード、バイナリファイル、および使い方は以下のGitHubリポジトリにまとめています。
shiomachisoft / PicoMtrx

ハードウェア構成

本システムで使用した主なハードウェアは以下の通りです。

項目	詳細
マイコンボード	Raspberry Pi Pico (RP2040)
ドットマトリクスLED	WAVESHARE-20591（Pico-RGB-Matrix-P3-64x32）（64×32ドット / RGB各2階調 / HUB75規格 / Picoを直接装着可能）WIKI

実現したスペック

表示フレームレート: 30 fps
表現色数: 4096色（RGB各4bit / 16階調 PWM制御）

システム構成とデータの流れ

PC側で事前にMP4ファイルからマトリクスデータを作成した後、Picoへ送信して表示させる構成です。

①変換: PCアプリでMP4ファイルを読み込み、マトリクス用のデータに変換。
②送信: PCからPicoへ、マトリクスデータをUSB通信で送信。
③表示: Picoがデータを受信し、ドットマトリクスLEDの表示を更新。

LEDマトリクスの描画・階調制御の仕組み

WAVESHARE-20591（Pico-RGB-Matrix-P3-64x32）は、全32行のパネルを上下16行ずつに分け、同時に2行ずつ選択して点灯させる 1/16ダイナミックスキャン方式を採用しています。
なお、各LED素子自体は物理的に「点灯 (1)」か「消灯 (0)」の2状態しか出力できません。

スキャン時間とフレームレート:

1行あたりのスキャン時間: 10 μs
1フレーム内のスキャン回数: $16\text{行} \times 16\text{階調(※1)} = \mathbf{256\text{回}}$
1フレームの完成時間: $10\mu s \times 256\text{回} = 2,560\mu s$ （約 2.56 ミリ秒 / リフレッシュレート：約 390 Hz）

(※1): 例として、あるピクセルの赤色成分の階調値が 8（輝度 50%）の場合、以下のように動作します。

点灯回数: 1行あたり全16回のスキャン(1スキャン10μs)のうち、8スキャンで点灯し、残り8スキャンは消灯します。人間の目の残像効果により「50%の明るさ（中間の濃さ）の赤色」として認識されます。

PIO (Programmable I/O) による高速パラレル転送

HUB75規格のLEDマトリクスは、クロックピン（CLK）の立ち上がりエッジに同期して、上下各ラインのカラーデータ（R1, G1, B1 / R2, G2, B2）を内部のシフトレジスタへ順次流し込む構造になっています。
横1行（64列）の描画データを送るには、データ出力とCLKのHigh/Low切り替えを64回連続で行う必要があり、これらをCPUのGPIO操作（ソフトウェア制御）で行うと、クロック生成とピン制御のオーバーヘッドだけでCPUリソースを使い果たしてしまいます。

そこで、ラズパイPicoの PIO (Programmable I/O) を活用し、2行のアセンブリ命令で高速なハードウェア自動転送を実現しました。

PIOプログラム (`rgb_matrix.pio`)

.program rgb_matrix
.side_set 1

.wrap_target
    out pins, 8        side 0
    nop                side 1
.wrap

PIOの動作解説

out pins, 8 side 0:
TX FIFO（送信バッファ）から1ピクセル分（8ビット）のデータを取り出し、R1/G1/B1/R2/G2/B2が割り当てられたGPIOへ出力します。同時に side-set 機能により、クロックピン (CLK) を Low に駆動します。
nop side 1:
何も実行せず（nop）、side-set 機能により クロックピン (CLK) を High に立ち上げます。この立ち上がりエッジにより、LEDマトリクス側のシフトレジスタにデータが確定・ラッチされます。
オートプル（Auto-pull）と64列分の転送シーケンス:
C-SDK初期化部分で sm_config_set_out_shift(&c, true, true, 32); を指定しています。
これにより、CPU側は32ビット（4ピクセル分）のデータをTX FIFOに書き込むだけで、PIOが自動的に8ビットずつ切り出してシフトアウト（オートプル）を行います。
横1行あたり64列（64ピクセル）の転送に対し、CPUは32ビットデータを 16回送信（$4 \times 16 = 64\text{ピクセル}$）するだけ で完了します。