Огонь с двух концов ленты: зеркальный камин и палитровое пламя

Каминную полку я подсвечивал лентой в сорок пикселей, уложенной вдоль, и огонь из базового Fire2012 поджигал с одного края. По отдельности всё выглядело прилично, но по смыслу — нет: огонь жил на трети длины, а остальные две трети ленты были декорацией к нему. Настоящий камин горит по всей длине, и пламя поднимается где гуще, где реже. Пересказывать массив жара с нуля не буду — модель температур, случайное остывание и вспышки у дна уже разобраны в уроке про Fire2012, — здесь идём дальше по трём местам, которые тот урок честно оставил за кадром.

Первое место — геометрия: как разложить жар, чтобы пламя горело с обоих концов и встречалось в середине. Второе — цвет: HeatColor жёстко натягивает на жар один и тот же маршрут чёрный-красный-оранжевый-жёлтый, а хочется управлять раскладкой — свечная головня, газовая синева, угли. Третье — масштаб: на длинной ленте всплывают и цена кадра, и ток, и остывание, подобранное под другую длину. По ходу добавим поверх огня редкие угольки, которые вылетают выше пламени и гаснут в воздухе.

Чистое решение для двустороннего огня — не один массив с хитрым индексом, а два независимых поля по половине ленты: heatL и heatR, каждое длиной N/2, каждое со своим поджигом у своего края. Внутри каждое поле живёт по классике: случайное остывание каждой ячейки, подъём от края внутрь, вспышки у корня. Рисовка зеркальная: пиксель i получает цвет heatL[i], пиксель N-1-i — цвет heatR[i], и оба пламени растут с концов навстречу. В центре они встречаются, и стык получается сам собой: жар с двух сторон подтягивает соседние ячейки вверх, картина в середине выглядит как самый горячий участок, хотя никакого специального кода для шва нет.

А вот одни общий heat[] на всю ленту с зеркальным индексом — решение, которое я пробовал первым и похоронил. При зеркалировании центральная ячейка и её сосед дважды участвуют в подъёме друг друга, и в центре образуется капкан: жар не остывает как остальные, а подпитывается сам от себя. На длинной ленте это выглядит как яркая полоса-перемычка посередине, которая не умирает никогда. Отдельные поля лечат это автоматически — в каждой половине центральная ячейка обычная, и остывает как все.

Направление стоит фиксировать сразу. Поля считаются в координатах «расстояние от своего края», а не в номерах пикселей ленты: тогда перенос скетча на ленту другой длины — это правка одного числа HALF, и физика не едет. Если лента висит разъёмом вниз, зеркальная рисовка разъедется с горизонтом — тот же приём из урока про Fire2012: рисовать в leds[N-1-i] или физически перевернуть ленту, но решать это надо до сверления, проверив один пиксель в нулевой ячейке.

Цвет через палитру — второй уровень свободы. В базовой версии цвет делает HeatColor(heat[i]) — один жёсткий маршрут на все случаи. В примере Fire2012WithPalette из комплекта библиотеки сделано иначе: жар становится индексом палитры — ColorFromPalette(gPal, heat[i], 255, LINEARBLEND), где gPal по умолчанию равен HeatColors_p. Картина та же, но маршрут теперь переменная: подставьте палитру с приглушёнными краями — получится свечная головня; сдвиньте опорные в синий — газовая плита; то, что в однотонной версии правилось экспериментами с CHSV, здесь становится отдельными строками опорных точек. Как устроены палитры и их индексы — урок про CRGBPalette16, там же про шестнадцать опорных и смешивание.

Третий аргумент ColorFromPalette — яркость — у огня не гуляет: он держит 255, а общий потолок задаётся FastLED.setBrightness. Мерцать пламенем через третий аргумент я пробовал — получается рябь поверх физики: жар-то не менялся, а цвет подскочил. Если нужен порыв — правьте поджиг и остывание, пусть физика остаётся честной.

Пары COOLING и SPARKING — весь характер пламени, и крутить их стоит по очереди, а не разом. COOLING 55 при поле в 30 ячеек даёт высокие языки, 80 прижимает огонь к краям, 30 растягивает жар по всей половине в ровное тление. SPARKING 84 — вспышка в среднем на каждый третий кадр; поднимете к 150 — пламя кипит и плещется, опустите к 40 — горит как ночник. Свечная головня у меня получилась на COOLING 95 со SPARKING 60, камин — на паре из скетча, и никакая третья ручка этого не добавила.

Разбор упирается в две цифры. Остывание масштабируется по длине поля, а не по ленте: формула (COOLING умножить на 10) разделить на N и прибавить 2 здесь получает N = 30 — половинку, — и это принципиально: посчитать её от всей ленты в 60 пикселей значит вдвое ослабить остывание, и пламя завалит всю длину жаром. Вторая цифра — кадр. При 15 мс и 60 пикселях show() на 800 кГц занимает около 1,8 мс — десятую часть бюджета; на 144 пикселях это уже 4,3 мс, треть кадра, и потолок FPS падает. Сколько стоит вывод и как его считать — считали в уроке про время кадра; для огня вывод — не мелочь: при длинной ленте кадр 15 мс на глаз склеивается в желе, и честнее перейти на 20-25 мс, чем держать FPS в убыток физике.

И про ток — приятный бонус огня. Пиксель WS2812B в белом на полной яркости берёт до 50-60 мА, но огонь живёт красным и оранжевым: синий канал почти нулевой, зелёный — четверть, и реальное потребление пламени — порядка 15-25 мА на пиксель. Камин на 144 пикселей в пике берёт два-три ампера, а не восемь, и это одна из причин, почему огонь — эффект для автономных сцен: бюджет питания из урока про яркость и ток он съедает вчетверо дешевле белой заливки.

Крутите ручку и смотрите на центр. На левом краю пламя живёт от углов: жар долетает до середины, и центральная пара пикселей горит почти не переставая — это та самая встреча полей. На правом краю остывание прижимает огонь к углам, и середина живёт тлением. Порыв кнопкой показывает другое: вспышки у корней учащаются, обе стенки вздымаются, а после отпускания камин спадает сам — никакого отдельного кода затухания не нужно, физика остывания делает это бесплатно.

Телеметрия в Serial — не украшение. Значение midL — жар в центре левой половины — показывает, докидывает ли пламя до середины: при низкой ручке оно держится в диапазоне 60-150, при высокой падает к нулю. Когда будете переносить настройки на плату, сверяйтесь именно с серединой поля: симулятор шестнадцатипиксельный, и на длинной ленте пропорции остывания придётся пересчитать по формуле из скетча, иначе камин либо задохнётся, либо зальёт всё.

Живому камину не хватает мелочи, которой нет в алгоритме: отдельных угольков, которые вылетают выше языков и гаснут в воздухе. Поверх огня это делается вторым слоем: раз в несколько секунд случайный пиксель в верхней трети получает яркую тёплую точку, которая дальше просто тает тем же fadeToBlackBy, что гасит и остальное. Механика искр с затуханием разобрана в отдельном уроке — здесь она встаёт на подложку: угольку нужна высота, а её даёт уже горящий жар, поэтому точку стоит рисовать там, где пламя сейчас яркое. Частота — редкая: один уголёк на два-три секунды читается как искра, шесть в секунду — как пожар в микроволновке.

Вторая сценическая деталь — тление под пламенем. Камину не идёт полный ноль в паузах: пока жар спал, лента чернеет, и следующий поджиг выглядит как вспышка в темноте. Лечится подложкой: перед рисовкой пламени весь кадр получает минимальную тёплую подмешку — пара-тройка единиц красного в нижней трети, — и камин всегда «тёплый на ощупь», даже когда пламя присело. Ночью этот же камин приглушается глобально: бюджет яркости на ночь — тема ночная версия ночника на EEPROM, и огонь вписывается туда младшим режимом наравне со свечой.