Огонь на WS2812: классический эффект Fire

Упрощённый огонь из урока про эффекты я собрал за десять минут и через час выключил. Пламя выглядело как неисправная ёлка: у дна дёргались случайные красно-оранжевые точки, остальная лента тлела угрюмыми угольками, а о живом костре речи не шло. Час я потратил на подбор яркостей, пока не признал: проблема не в ленте и не в моих руках, а в подходе. Я раскрашивал пиксели напрямую, когда настоящий огонь раскрашивает не пиксели, а тепло. В этом уроке разберём Fire2012 — самый известный и самый переписываемый алгоритм огня для FastLED из официальных примеров: массив температур, случайное остывание, подъём жара и вспышки у дна. В симуляторе ниже он крутится на шестнадцати пикселях, в коде — версия для настоящей ленты. И про масштаб сразу: на шестнадцати пикселях огонь выглядит свечой, на шестидесяти — костром, а матрица 16×16 уже даёт пламя с задником. Алгоритм один и тот же, меняется только длина массива.

Главная мысль алгоритма: цвет вообще не выбирается. Для каждого пикселя хранится число — температура от 0 (холодно) до 255 (раскалено), — а цвет вычисляется из неё одной функцией: низкая температура даёт чёрный и тёмно-красный, средняя — красный и оранжевый, высокая — жёлтый и почти белый. Массив heat[] живёт отдельным буфером рядом с leds[], как второй экран: вы пересчитываете его каждый кадр, а затем одним циклом переносите в цвет. Такой двухслойный каркас стоит запомнить — он же собирает дым, воду и любую «физику» на ленте. Кадры по-прежнему рисуются по таймеру millis(): мы собирали этот каркас в уроке про millis() вместо delay(), здесь ничего нового не появится.

Шаг первый — остывание. Каждый кадр из температуры каждого пикселя вычитается случайное число. Случайное — не для красоты: при одинаковом остывании фронт пламени ползёт ровной «лесенкой», а живой огонь выедает жар пятнами. Классический пример берёт COOLING = 55 и считает вычитание как random8(0, (55 × 10) / N + 2): для ленты на 60 пикселей это 0–11 за кадр, для моих шестнадцати — 0–36. Формула звучит странно, пока не прочитаешь её вслух: чем короче лента, тем сильнее остывает каждый пиксель за кадр — иначе на коротком куске жар дойдёт до конца и застрянет там навсегда. На шестнадцати пикселях я иногда поднимаю COOLING до 70 — пламя становится ниже и деловитее. Ещё деталь: на плате вычитание пишут в байт через qsub8, а в симуляторе ниже я заменю его на if с проверкой — целочисленный массив честно принимает минус, и это нагляднее для разбора.

Шаг второй — подъём: у огня есть направление. Каждая ячейка берёт треть от суммы жара двух ячеек ниже: heat[i] = (heat[i − 1] + heat[i − 2] + heat[i − 2]) / 3. Нижняя соседка входит в формулу с весом ×2 — это гасит рваные фронты, и пламя тянется вверх со скоростью примерно пиксель за кадр. Вес ×2 у heat[i − 2] — не опечатка: (a + 2b) / 3 — старое целочисленное сглаживание, которое существовало до всяких цифровых фильтров; попробуйте убрать второй член, и фронт станет рваным. Проходить цикл надо от вершины к дну, в обратную сторону: если идти снизу вверх, вы запишете в верхние ячейки уже обновлённый жар, и волна полетит вдвое быстрее расчётной. Шаг третий — поджиг: с шансом SPARKING = 84 из 255, то есть примерно каждый третий кадр, в одном из четырёх нижних пикселей температура прыгает на 160–255. Именно вспышки дают характер — без них пламя догорает и превращается в тёплую лампочку.

В полном коде встретятся две незнакомые функции с приставкой q. qsub8(a, b) — вычитание с прижимом к нулю, qadd8(a, b) — сложение с потолком 255. Они нужны, потому что температура хранится в байте: обычное вычитание из нуля перевернёт байт в 255, и холодный пиксель вспыхнет белым посреди тёмной ленты. Поиск таких «случайных белых пикселей» — классический вечер с отладочной печатью, и q-функции его предотвращают бесплатно.

Цвет из температуры здесь делает HeatColor(heat[i]) — встроенная функция FastLED, которая натягивает на диапазон 0–255 градиент «чёрный — тёмно-красный — красный — оранжевый — жёлтый — белый». Как она устроена внутри — тема третьего урока этого пакета: это та самая раскладка HeatColors_p, только без ручек настройки. Диапазоны у неё и у жара совпадают один в один: температура 30 — тлеющий тёмно-красный, 130 — красный, 200 — оранжевый, 255 — бело-жёлтый кончик; никаких map() между слоями не нужно. В симуляторе движка нет ни HeatColor, ни random8, поэтому там тот же алгоритм собран на примитивах: случайность берётся из обычного random(), прижимы написаны через if, а цвет считается через CHSV — оттенок 0–31, красно-оранжевый сектор колеса оттенков, и яркость, равная температуре. Пламя в симуляторе выглядит чуть проще, но алгоритм внутри — ровно тот, что в коде выше.

Полезно заранее знать, что отличает Fire2012 от упрощённой версии при взгляде глазами зрителя. Смотрите на пламя как на процесс: жар рождается в нижних пикселях, проходит вверх около пикселя за кадр — при кадре в 20 мс это примерно 50 пикселей в секунду, на метровой ленте в 60 пикселей жар поднимается за секунду с четвертью, — и тает по дороге из-за остывания. Языки получаются сами: вспышки разной силы догоняют друг друга на подъёме, а формула трети стачивает разрывы между ними. В упрощённом огне языков не было — жар там не двигался, а просто гас на месте. Если ваш огонь равномерно рдеет снизу доверху без намёка на языки, поднимите COOLING: жар остывает слишком лениво и застревает, вместо того чтобы выгорать пятнами.

Настройка огня под сцену — это три ручки, и крутить их стоит по очереди, по одной. COOLING — высота пламени: 40–50 даёт стену огня на всю ленту, 70–90 — каминный огонёк, а дальше 100 я не заходил — пламя вырождается в красные искры у дна. SPARKING — характер: ниже 50 огонь тлеет ровно и скучно, 84 — классический костёр, 150 и больше — вспышки летят постоянно. Задержка кадра управляет темпом жизни: 20 мс — живой огонь, 40 мс — пламя замедленной съёмки, на больших лентах так хочется разглядывать языки. Мои рабочие пресеты: «камин» — COOLING 70, SPARKING 60, кадр 25 мс, пламя невысокое и редкие вспышки; «пожар» — COOLING 45, SPARKING 150, всё летает. И про питание: огонь почти никогда не заливает ленту белым, поэтому реальный ток заметно ниже худшего случая в 60 мА на пиксель, о котором писал урок про питание ленты — но блок питания всё равно считайте по максимальной яркости, которую допускаете.