Arduinoで作るRGBマトリックス・オーディオビジュアライザー：ステップバイステップガイド

必要な部品と材料

Arduino UNO	×1
Adafruit NeoPixel Shield for Arduino（40個のRGB NeoPixel搭載）	×1
SparkFun Spectrum Shield（MSGEQ7×2搭載、ステレオ7バンドスペクトルアナライザー）	×1
ProtoStax Enclosure for Arduino（スタッカブル・モジュラー型エンクロージャー）	×1
SPST OFF-(ON) 青色プッシュボタンスイッチ	×1
3.5mm アイソレート型ステレオジャック パネルマウント	×2
90° アングル 3.5mm オーディオケーブル	×2
3.5mm ステレオ オス-オス パッチコード 6フィート	×1

必要な工具と機械

• コードレス ドリル/ドライバー

プロジェクト概要

この記事では、Arduino、RGB LEDマトリックスシールド、オーディオスペクトラムアナライザーシールドを使ってRGB LEDマトリックス・オーディオビジュアライザーを構築し、エンクロージャーに収めて完成品としてオーディオシステムの横に飾れるようにする手順を解説します。

オーディオスペクトラム解析

SparkFun Spectrum Shieldを使用。2つのMSGEQ7グラフィックイコライザーフィルターでステレオ音声入力を7バンド（チャンネルごと）に分割し、ArduinoのADCで各バンドの振幅を読み取ります。Arduinoサンプルスケッチが付属しています。

RGB LEDマトリックス

Adafruit NeoPixel Shield for Arduinoを使用。40個のRGB NeoPixel（WS2812）が搭載され、赤・緑・青のLEDとドライバーチップが一体化した表面実装パッケージで、単一ワイヤーで制御可能。シールド上ではチェーン接続されており、Adafruit_NeoMatrixライブラリで簡単に制御できます。

エンクロージャー

筆者が開発したスタッカブル・モジュラー型エンクロージャーシステム「ProtoStax」を使用。プロトタイピングの各段階に対応し、最初はオープンアクセスで保護し、後から側壁と天板を追加可能。横方向にも縦方向にもスタックでき、プロトタイピングの拡張に合わせて拡張できます。ここではArduino Uno/LeonardoおよびMega/Dueフットプリント対応のクリアアクリル製ProtoStaxを使用。2つのシールドを収納可能（若干の加工必要）。クリアで頑丈、ゴム足付きでテーブルを保護し、オーディオシステムの横に飾って光のショーを楽しめます。

ステップ1：Arduinoをエンクロージャーベースプレートに取り付け

Arduino（Uno）をベースプレートに固定。これにより保護されつつフルオープンアクセスが可能。準備ができたら側壁と天板をネジで固定して密閉できます。以下のスライドショーで手順を確認（各画像のキャプションに番号と説明）。

全手順をアニメーションGIFで確認：

ステップ2：SparkFun Spectrum ShieldをArduino用に準備

Spectrum Shieldにはヘッダーが付属していませんが、NeoPixel Shieldにはスタッキングヘッダーとプレーンヘッダーの両方が付属。NeoPixel Shieldを最上段に配置したいのでプレーンヘッダーを使用し、スタッキングヘッダーをSpectrum Shield用に流用します。

しかしスタッキングヘッダー装着時、Arduino UnoのUSBと電源ポートが干渉してカチッとハマりません。

以下の2つの修正で解決：

• Spectrum ShieldのUSB/電源ポート上部（プロトタイピングエリアで未使用）をカット。1列分の穴だけ犠牲になります。
• スタッキングヘッダーの脚が長すぎる場合は少しカットして高さ調整。

これでしっかり装着できます。

ステップ3：Adafruit NeoPixel ShieldをSpectrum Shieldのスタッキングヘッダーに装着

NeoPixel ShieldをSpectrum Shieldの上に重ねます。付属のプレーンヘッダーをはんだ付けし、端子コネクタもはんだ付け（今回はArduinoから給電するため未使用。全LEDが同時に点灯しないためArduinoの供給電力で賄える）。

ステップ4：デモコードの解説

デモコードは大きく2部構成：

• スペクトラム解析と結果保存
• 8×5 NeoPixelマトリックスへの表示/配色変換

デモコード全文：GitHub

スペクトラム解析

Spectrum Shield Hookup Guideも参照。STROBEピンとRESETピンにデジタルシーケンスを書き込んでMSGEQ7チップを初期化。その後、7つの周波数バンドそれぞれの振幅を読み取ります。各バンド読み取り後にSTROBEピンをパルス駆動して次のバンドへ。値はFrequencies_One[7]とFrequencies_Two[7]に格納（ステレオ2ch分）。Arduinoの10bit ADCで読み取るため0-1023の値になり、各周波数帯の振幅を表します。

//Declare Spectrum Shield pin connections #define STROBE 4 #define RESET 5 #define DC_One A0 #define DC_Two A1 //Define spectrum variables int freq_amp; int Frequencies_One[7]; int Frequencies_Two[7]; int i; void setup() { ... //Initialize Spectrum Analyzers digitalWrite(STROBE, LOW); delay(1); digitalWrite(RESET, HIGH); delay(1); digitalWrite(STROBE, HIGH); delay(1); digitalWrite(STROBE, LOW); delay(1); digitalWrite(RESET, LOW); ... } void loop() { ... Read_Frequencies(); ... } /*******************Pull frquencies from Spectrum Shield********************/ void Read_Frequencies(){ ... //Read frequencies for each band for (freq_amp = 0; freq_amp<7; freq_amp++) { Frequencies_One[freq_amp] = (analogRead(DC_One) + analogRead(DC_One) ) >> 1 ; Frequencies_Two[freq_amp] = (analogRead(DC_Two) + analogRead(DC_Two) ) >> 1; ... digitalWrite(STROBE, HIGH); digitalWrite(STROBE, LOW); } } 

7つの周波数バンド：

• 63Hz
• 160Hz
• 400Hz
• 1kHz
• 2.5kHz
• 6.25kHz
• 16kHz

これらを3レンジに分類：

• BASS（低音域）：60-250Hz → 最初の2バンド
• MID_RANGE（中音域）：500Hz-2kHz → 次の3バンド
• TREBLE（高音域）：残り2バンド

※各バンドの最大値も別変数に記録。入力信号が弱い場合に自動スケーリングしてマトリックス表示を最適化するのに利用可能。

RGBマトリックス

Adafruit NeoPixel Überguideも参照。ここではNeoPixel Shieldの向きと座標系の番号付けを明確化します。

• 座標系では[0,0]は常に左上を指す（向きによらない）
• 幅(WIDTH)と高さ(HEIGHT)の順で指定（5×8 vs 8×5）
• 物理LED #0の位置（Adafruitロゴの位置）と、物理LEDの進行方向を確認。当ボードはPROGRESSIVE配列（行末の次のLEDが次の行の先頭へ）。幅が広い向きでは行方向、幅が狭い向きでは列方向に進行。

スライドショーの4枚の図で各向きの設定を解説。

今回は7バンドの周波数を8の次元（1つ余る）に割り当て、振幅を5の次元で表現。原点を左下（最低周波数の最小振幅）に置き、上方向に伸ばしたい。しかし座標系の[0,0]は左上固定なので、頭を左に傾けて見たイメージで初期化パラメータを決定（WIDTH=5, HEIGHT=8, TOP-RIGHT, COLUMNS PROGRESSIVE）。

NeoMatrix初期化とグラフ描画のコード抜粋：

#define NEO_MATRIX_WIDTH 5 #define NEO_MATRIX_HEIGHT 8 #define NEOPIXEL_PIN 6 // Shield maps it to pin 6 Adafruit_NeoMatrix matrix = Adafruit_NeoMatrix(NEO_MATRIX_WIDTH, NEO_MATRIX_HEIGHT, NEOPIXEL_PIN, NEO_MATRIX_TOP + NEO_MATRIX_RIGHT + NEO_MATRIX_COLUMNS + NEO_MATRIX_PROGRESSIVE, NEO_GRB + NEO_KHZ800); .... void setup() { ... matrix.begin(); matrix.setTextWrap(false); matrix.setBrightness(40); matrix.fillScreen(0); matrix.show(); ... } void loop() { static int scheme = 0; while (Serial.available() > 0) { scheme = Serial.parseInt(); } ... Graph_Frequencies(ALL, scheme); ... delay(50); } void Graph_Frequencies(CHANNEL c, SCHEME s){ ... for( row= from; row<to; row++) { int freq = (Frequencies_Two[row] > Frequencies_One[row])?Frequencies_Two[row]:Frequencies_One[row]; int numCol = (freq/FREQ_DIV_FACTOR); if (numCol > 5) numCol = 5; for (int col = 0 ; col < numCol ; col++) { ... // pick color scheme to display matrix.setPassThruColor(rgbcolor); matrix.drawPixel(col, row, (uint16_t)0); // color does not matter here matrix.setPassThruColor(); //matrix.show(); } matrix.show(); } } 

HSVカラーホイールを使用して滑らかな色遷移を実現。matrix.ColorHSV()は32bitカラーを返すがdrawPixel()は16bitカラーを期待するため、matrix.setPassThruColor()で32bitカラーを設定してからdrawPixel()を呼び、その後リセットするワークアラウンドを使用。

配色スキーム選択

3種類の配色スキームを用意：

1. 緑→赤/ピンク系（振幅小→大）
2. ピンク/ブルーシフト系
3. 全ピクセル同色でカラーホイールをサイクル

周波数レンジごと（BASS/MID/TREBLE）に色相を変える設計も盛り込み済み。シリアル入力でスキーム切替可能。

ステップ5：動作テスト

動作テスト動画はこちら（元記事参照）。

ステップ6：エンクロージャーを閉じる

トップブレース、側壁、オーディオケーブル、天板を取り付け。スライドショーで手順確認（キャプションに番号と説明）。

全手順アニメーションGIF：

ステップ7：作品を飾って、美しい音楽をさらに美しく！

自作オーディオビジュアライザーをオーディオシステムの横に置いて、クールな手作りライトショーで音楽を彩りましょう。

ステップ8：さらに発展させるアイデア

1. パネルマウントステレオジャックを側壁に追加し、配線を内部に収めて外部からはジャックのみ露出させる
2. さらに多彩なライトスキーム・パターンを追加
3. シリアル入力で周波数レンジ（BASS/MID/TREBLE/ALL）の表示ON/OFFを切替可能にする
4. モーメンタリープッシュボタンスイッチを側壁に追加して配色スキーム切替
5. 第2のスイッチで表示周波数レンジ切替
6. アクリル天板を軽くサンディングして拡散板化し、より柔らかな光効果を得る
7. ステレオジャック・スイッチ・拡散板天板を追加したアップデート版の要望があれば対応予定（コメントやメッセージでリクエストを）

他にもアイデアがあればコメントで共有を！Happy making!

コード

ProtoStax Audio Visualizer Demo

このプロジェクトで使用したコードのGitHubリポジトリ：https://github.com/protostax/ProtoStax_Audio_Visualizer_Demo