Project Patchouli: scopri il Tablet Open Source che supporta tutte le penne Wacom, Huion e XP-Pen

La grafica digitale e le interfacce uomo-macchina hanno subìto una trasformazione radicale grazie all’evoluzione dei tablet grafici e delle penne elettroniche. La precisione, la reattività e la capacità di trasmettere informazioni complesse come pressione e inclinazione hanno permesso ad artisti, designer e ingegneri di interagire con le macchine in modi prima impensabili. Tuttavia, la maggior parte di questi dispositivi professionali rimane chiusa e proprietaria: le informazioni sui protocolli di comunicazione delle penne, sul design dei sensori e sulla gestione dei segnali EMR (Electro-Magnetic Resonance) sono riservate, limitando la possibilità di studio, personalizzazione e sperimentazione.

Project Patchouli propone un approccio aperto e pratico alla tecnologia EMR per tablet con penna. Il progetto EMR mira a fornire input a latenza ultrabassa e compatibilità con le penne più diffuse sul mercato, come molte serie Wacom, Huion e XP-Pen, offrendo una base replicabile per progetti hardware personalizzati.

Il promotore dell’iniziativa documenta meccanismi fisici, circuiti, algoritmi DSP e decodifica dei protocolli delle penne, integrando riferimenti concreti a tecnologie di ampio utilizzo.

Contesto tecnico e obiettivi progettuali

La tecnologia EMR si basa sull’interazione tra una matrice di bobine trasmittenti e una penna passiva che modula il campo elettromagnetico. Project Patchouli colloca questa dinamica al centro di un’implementazione aperta e documentata. L’obiettivo primario è uscire dall’ecosistema proprietario fornendo progetti di coil array e front end RF che possano essere assemblati con componenti elettroniche facilmente reperibili, riducendo così la barriera d’ingresso per prototipazione e ricerca.

Il valore aggiunto riguarda sia la latenza dell’input — cruciale per applicazioni creative e CAD — sia la portabilità del design verso form factor diversi, come tablet all-in-one e pannelli integrati. Per rendere concreti questi obiettivi, vengono illustrati esempi pratici come l’uso di fogli di ferrite e schermature sul retro del PCB per migliorare il rapporto segnale/rumore, oltre a tecniche per ottimizzare la scansione della matrice di bobine e l’elaborazione del segnale.

Le implicazioni pratiche includono la possibilità di adattare l’implementazione per supportare penne Wacom, Huion o XP-Pen, gestendo differenze nei protocolli di comunicazione e nelle caratteristiche di eccitazione delle bobine. Infine, la documentazione integrata aiuta a valutare i compromessi tra sensibilità, consumo energetico e complessità del front end RF quando si progetta un dispositivo EMR a uso sperimentale o commerciale.

Architettura hardware: matrice di bobine e front end RF

Al centro della piattaforma Patchouli vi è una matrice di bobine che funge da sensore e trasmettitore. Queste bobine generano campi elettromagnetici capaci di interagire con la penna EMR, la quale, a sua volta, induce correnti rilevate e trasformate in segnali elettrici. La disposizione e il design della matrice sono ottimizzati per massimizzare la risoluzione spaziale e il rapporto segnale/rumore, due elementi critici per garantire precisione e fluidità nel tracciamento della penna.

Il segnale raccolto dalla matrice viene è da un front end RF, composto da amplificatori, filtri e convertitori analogico-digitali. La sezione analogica ha la funzione di isolare il segnale utile da eventuali interferenze ambientali, amplificarlo e prepararlo per la fase di elaborazione digitale. Un microcontrollore, tipicamente della famiglia STM32, gestisce l’acquisizione dei dati, la sincronizzazione delle bobine, il preprocessing digitale e la comunicazione con il computer host tramite interfaccia USB.

Elaborazione digitale del segnale e algoritmi

L’elaborazione digitale è cruciale per trasformare le misure analogiche in coordinate, pressione e dati di stato della penna. Project Patchouli propone pipeline DSP che includono filtraggio, estrazione dell’inviluppo, normalizzazione e stima dei picchi temporali.

Il firmware implementa una pipeline complessa di demodulazione, filtraggio adattivo e calcolo delle coordinate. La demodulazione consente di estrarre ampiezza e fase dal segnale ricevuto, mentre il filtraggio adattivo riduce il rumore e le interferenze. Successivamente, le coordinate X e Y della punta della penna sono calcolate utilizzando algoritmi di triangolazione avanzati e metodi numerici iterativi, con l’obiettivo di mantenere la latenza più bassa possibile.

Oltre alla posizione, il firmware gestisce anche informazioni aggiuntive come pressione, inclinazione della penna e pulsanti, elementi fondamentali per un’esperienza utente completa. I dati provengono dai protocolli di comunicazione specifici di ciascun produttore di penne EMR, i quali differiscono per codifica, sequenze di sincronizzazione e formati di pacchetto.

Patchouli affronta la complessità di questi protocolli documentandoli in modo sistematico, permettendo l’uso di penne di diversi brand sulla stessa piattaforma.

Compatibilità della penna e decodifica dei protocolli

La compatibilità con le penne commerciali è uno dei punti di forza dichiarati: Project Patchouli adotta un approccio documentale verso i protocolli delle penne, includendo riferimenti a linee prodotti quali Wacom Intuos, Bamboo, Graphire e altre famiglie note.

Le penne comunicano tramite link di dati che possono usare modalità diverse — ad esempio modalità identificativa, seriale o modalità operativa standard — e richiedono la decodifica di stream che seguono schemi differenti, per recuperare ID, numero di serie e dati di pressione.

Implementazione sperimentale, test e risultati

Patchouli è concepito per essere replicabile. I file per la produzione dei circuiti stampati, il firmware e gli strumenti di sviluppo sono disponibili pubblicamente.

Ciò permette ai ricercatori e agli hobbisti di costruire il tablet, programmare il microcontrollore e testare le funzionalità di tracciamento e gestione della penna. L’integrazione con driver open-source come OpenTabletDriver consente di estendere le capacità del dispositivo e adattarlo alle esigenze di diversi sistemi operativi.

I prototipi realizzati hanno già dimostrato che è possibile ottenere prestazioni comparabili a tablet commerciali, con latenza minima e alta precisione. La modularità del design consente inoltre di sperimentare configurazioni alternative, ottimizzazioni del segnale e nuove geometrie della matrice di bobine.

Licenze e filosofia open source

Patchouli abbraccia pienamente la filosofia open source. Il design hardware è rilasciato sotto CERN Open Hardware License, garantendo la possibilità di modifica e miglioramento.

Firmware e software sono distribuiti sotto licenza libera GNU GPLv3, mentre la documentazione è protetta da Creative Commons Attribution 4.0. Questo approccio non solo tutela i diritti dei creatori, ma promuove la diffusione della conoscenza e lo sviluppo collaborativo, permettendo a chiunque di replicare, modificare e migliorare il sistema.

Project Patchouli non è soltanto un tablet open source, ma una piattaforma completa per comprendere e innovare nell’ambito della tecnologia EMR. La combinazione di hardware accessibile, algoritmi di elaborazione avanzata, compatibilità multi-penna e documentazione dettagliata lo rende uno strumento unico per sviluppatori, maker e ricercatori. Grazie a Patchouli, il complesso mondo dei tablet professionali EMR diventa esplorabile e modificabile, aprendo nuove possibilità per la prototipazione, l’educazione tecnologica e lo sviluppo di interfacce digitali avanzate.