【.NET 与树莓派】WS28XX 灯带的颜色渐变动画

2021-12-15

在上一篇水文中,老周演示了 WS28XX 的基本使用。在文末老周说了本篇介绍颜色渐变动画的简单实现。

在正式开始前,说一下题外话。

第一件事,最近树莓派的价格猛涨,相信有关注的朋友都知道了。所以,如果你不是急着用,可以先别买。或者,可以选择 Raspberry Pi 400,这个配置比 4B 高一点,这个目前价格比较正常。Pi 400 就是那个藏在键盘里的树莓派。其实,官网上面的价格已经调回原来的价格了,只是某宝上的那些 Jian 商,还在涨价。

第二件事,树莓派上的应用是不是可以用 C 来写?这是废话了。树莓派上运行的是 Linux 系统,当然可以了。有伙伴会说,用.NET体验如何?老周可以告诉你:完全没问题,这个库大部分API老周都做过实验。.net Iot 库的性能你不用担心,因为最近几年.NET的性能提升很大,更何况.NET只是封装了底层API的调用,当指令传递到系统驱动层,其效率和 C 是一样的。你不妨想想,连 Python 这种性能差得没有天敌的编程语言都能玩物联网,.NET 你还怕啥呢。尽管目前开源的库不多,但官方给的 Devices 也基本覆盖各种传感器模块。

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好了,F话就聊到这儿,接下来正片开始。

让WS28XX 控制灯带产生动画,其本质上就是每隔一段时间更新一下每个灯珠的颜色。由于人眼的反应速度和处理能力比不上猫,所以我们会看到动画。咱们看到的是动画,但老周估计喵喵们看到的是PPT。

所以,所谓颜色渐变动画,首先,你要确定两种颜色——起始色和最终色,比如从绿色变成红色,绿色是起始,红色是终点。

然后,我们要算出起始色与终点色之间,R、G、B 各值间的差值。

假设,我们的延时 d = 40 ms(精确到毫秒就够,不用考虑微秒纳秒,反正你眼睛看不到),然后咱们要从红色变成蓝色。

红:R=255, G=0, B=0

蓝:R=0, G=0, B=255

计算差距,终点减去起点,不管正负。

dif_R = 0-255 = -255

dif_G = 0-0 = 0

dif_B = 255-0 = 255

这样我们就看到,从红到蓝,R的值是递减的,G不变,B的值是递增的。我们先不去想算法对不对,不妨继续推算:

第一轮循环,R=255-1=254, G=0,B=0+1=1,Sleep 40;

第二轮循环,R=255-2=253,G=0,B=0+2=2,Sleep 40;

第三轮循环,R=255-3=252,G=0,B=0+3=3,Sleep 40

……

直到把目标值变成 R=0,G=0,B=255。每一轮循环之间,会暂停 40 ms。

可是,算法还真不能这么简单,咱们忽略了一个问题,请看下面的举例:

假设要从 R=120,G=200,B=10 变成 R=255,G=100,B=60

计算差值:difR = 255-120=135,difG=100-200=-100,difB=60-10=50。RGB之间的差值并不相等,如果我们每轮循环都 +1 或 -1,那么会存在一个问题:有的值可能早已到达终值,而有的值还没到达终值。这种情况灯光的渐变过程会看起来不太顺畅。

所以,我们必须解决的问题就是要在 N 轮循环之后,RGB三个值要同时到达终值。这么一来,差值大的要渐变得快一些,差值小的要渐变得慢一些。跑得快的等一下跑得慢的,形成统一战线,同时到达终点。

因此,渐变过程中循环的次数必须统一,但每次循环里面,RGB改变的量不同,但N轮循环过后会同时到达终值。

举例,从 R1=100,G1=0,B1=230 变为 R2=20,G2=72,B2=57

那么,差值:

  dR = 20-100=-80

  dG = 72-0=72

  dB = 57-230=-173

假如循环次数为80次,可以理解为分 80 个步长来完成,设 step = 80。接下来就得算出这80步中,每一步里RGB各值要变化多少(单位步长)。

  pR = dR / 80=-80/80 = -1

  pG = dG / 80 = 72 / 80 = 0.9

  pB = dB / 80 = -173 / 80 = -2.16

再设某一轮循环(某一步)为 i ,于是

for i = 0; i <= 80; i++

  R = R1 + i * -1;

  G = G1 + i * 0.9;

  B = B1 + i * -2.16;

R1、G1、B1 指的是起始颜色的值,在一次循环中,让初始值加上 i 与单位步长(pR、pG、pB)的乘积。

这么一搞,就能保证在 N 个循环后,三个值能同时到达终值。

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OK,有了上面的推演过程,我们可以把它翻译成代码。我直接封装为一个类。

    public class GradLeds
    {
        Ws28xx _leds;
        public GradLeds(Ws28xx ws) => _leds = ws;

        public void Run(Color start, Color end, int steps = 120, int delay_ms = 30)
        {
            if (steps <= 0)
                throw new Exception("steps 不能小于/等于0");
            if (delay_ms <= 0)
                throw new Exception("延时必须大于0");

            // 计算RGB的差值,不论正负
            float dR = (float)end.R - start.R;
            float dG = (float)end.G - start.G;
            float dB = (float)end.B - start.B;
            // 计算每一个步长(step)要增长的值
            float ir = dR / steps;
            float ig = dG / steps;
            float ib = dB / steps;

            // 通过宽度获取灯珠数
            int ledNum = _leds.Image.Width;
            for (var a = 0; a <= steps; a++)
            {
                // 如果运行状态为false,退出循环
                if(AppContext.TryGetSwitch("running",out bool b) && !b)
                {
                    break;
                }
                Color tc = Color.FromArgb(
                        (int)(start.R + a * ir),
                        (int)(start.G + a * ig),
                        (int)(start.B + a * ib)
                );
                // 填充所有灯珠
                for (var n = 0; n < ledNum; n++)
                {
                    _leds.Image.SetPixel(n, 0, tc);
                }
                _leds.Update();
                // 延时
                Thread.Sleep(delay_ms);
            }
        }
    }

在这个类中,我用到了 AppContext,如果你看过老周在几千年前写的博文,应该会记得这个 AppContext类,它可以用来设置一些全局开关,开关名是字符串,值是布尔值。直接用这个类,我们不需要刻意去写个类,再弄个静态字段来当全局变量了,更何况静态成员是不能跨 AppDomain 共享值的,如果多线程还得考虑同步。

在 AppContext 中老周会设置一个开关,名为 running,如果是 true,说明程序在运行;若为 false,则说明程序要退出了,就不会再渐变了。

因为这个渐变过程会持续几秒时间甚至更长,如果程序要退出,就不要再循环了,而是赶紧终止操作。

start 和 end 表示起始颜色和终点颜色,steps 表示要进行多少步(循环数),delay_ms 参数表示每一轮循环之间的延时。

 

回到主程序,调用测试。

using System.Device.Spi;
using Iot.Device.Ws28xx;
using Grdtest;
using System.Drawing;

// 初始化SPI总线
SpiConnectionSettings settings = new(0)
{
    Mode = SpiMode.Mode0,
    DataBitLength = 8,
    ClockFrequency = 2400_000
};
using SpiDevice device = SpiDevice.Create(settings);

// WS28XX,30个灯珠
Ws28xx ws = new Ws2812b(device, 30);
GradLeds grdled = new(ws);

int steps = 90; //90个循环
int delay = 25; //延时(毫秒)
// 设置运行状态
AppContext.SetSwitch("running", true);

// 按Ctrl+C时程序要退出,处理一下
Console.CancelKeyPress += async (_, e) =>
{
    e.Cancel = true;    //阻上程序马上退出
    // 关闭开关,表示程序不再运行了
    AppContext.SetSwitch("running", false);
    await Task.Delay(150);  //保险一点,等一会儿
    e.Cancel = false;   //告诉系统,可以退出了
};

// 主循环
while (AppContext.TryGetSwitch("running", out bool b) && b)
{
    // 从红变蓝
    grdled.Run(Color.Red, Color.Blue, steps, delay);
    // 从蓝变黄
    grdled.Run(Color.Blue, Color.Yellow, steps, delay);
    // 从黄变深粉色
    grdled.Run(Color.Yellow, Color.DeepPink, steps, delay);
    // 从深粉色变白色
    grdled.Run(Color.DeepPink, Color.White, steps, delay);
    // 从白变回红
    grdled.Run(Color.White, Color.Red, steps, delay);
}

// 黑灯收工
ws.Image.Clear(Color.Black);
ws.Update();

最后这两句是当退出 while 循环后,让所有灯珠熄灯(黑色表示灯灭)。

ws.Image.Clear(Color.Black);
ws.Update();

好了,咱们来看看效果,这个效果应该能接受。

 其他动画算法,大伙伴们不妨自己动手去试试。算法不一定要从网上抄,可以根据自己的理解去设计。可以做出自己的创意,你爱咋玩就咋玩。