Мерцание свечи: живое пламя вместо случайной стрельбы

Свеча из ленты — самый частый запрос после костра: три пикселя, тёплый цвет, и вроде бы всё готово. Я собрал её по первому попавшемуся рецепту — менять яркость случайным числом двадцать раз в секунду — и получил не свечу, а неисправную гирлянду: пиксель нервно дёргался с полным диапазоном от тьмы до максимума, и через минуту на него было больно смотреть. Настоящая свеча рядом с этой версией выглядела как эталон стабильности.

Причина в том, как видит глаз. Он прощает медленные изменения любого размера, но высокочастотный хаос — нет: скачок яркости каждые 50 мс читается не как пламя, а как помеха в проводе. Пламя свечи на самом деле меняется медленно — его несёт воздух, а воздух инертен, — плюс изредка подрагивает от сквозняка. То есть живое мерцание складывается из двух вещей: плавного дрейфа вокруг среднего уровня и редких коротких рывков. Уберите первое — получится мигалка, уберите второе — ночник с периодом, который засекается по часам.

Здесь разбираем именно эту сборку: базовый уровень, два несинхронных медленных колебания, редкий рывок с затуханием, тёплый оттенок и объём из трёх пикселей. Это не огонь из Fire2012 — там поле жара поднимается по ленте, а свеча стоит на месте и живёт яркостью. И не звёздное мерцание из урока про искры — звёзды вспыхивают на тёмном фоне редкими точками, а свеча горит непрерывно и меняется оттенком настроения, не выключаясь.

Модель собирается из трёх слоёв. Первый — базовый уровень, около шестидесяти процентов яркости: свеча никогда не гаснет и не вспыхивает в полную силу. Второй — дрейф: два медленных колебания с разными периодами, скажем 1,7 секунды и 0,7 секунды, сложенные вместе. Периоды несинхронны, поэтому сумма не повторяется заметно глазу — в отличие от одиночной синусоиды из урока про дыхание, у которой период засекается за десять секунд. На настоящей плате роль дрейфа обычно отдают шуму Перлина: inoise8 от бегущей координаты времени даёт именно такой плавный непериодический гуляющий уровень — механика шума разобрана в отдельном уроке.

Третий слой — рывки. Раз в несколько секунд, с вероятностью, привязанной к силе «сквозняка», яркость получает единичный скачок на 25–65 пунктов, и дальше этот скачок затухает сам: каждый кадр остаток умножается на девять десятых. Получается характерный жест пламени — короткий подскок и мягкий спад, а не дребезг. Всё вместе держится в кадре 30 мс: быстрее не нужно, медленнее — и рывки сливаются с дрейфом.

Цвет — половина эффекта. Воск живёт в тёплом углу колеса оттенков из урока про HSV: оттенок 18–26, насыщенность 200–230. И оттенок пусть слегка гуляет — два-четыре шага медленным колебанием: чистая горизонтальная прямая оттенка выдаёт матрицу так же, как прямая яркости. Если пламя кажется ядовитым — вы ушли в оранжевый 30+, если серым — задрали насыщенность ниже 180.

Главная грабля этого скетча — темп шума. inoise8 принимает координату, и если скормить ей сырой millis(), пламя будет дрожать как осиновый лист: за секунду координата пробегает тысячу единиц, а шум на таком шаге меняется десятки раз. Делитель — обязательный слой: millis() / 50 даёт двадцать шагов в секунду по медленной оси, и уровень успевает «дышать». Вторая грабля — пределов: сумма базового уровня, дрейфа и рывка легко вылезает за 255, а результат обёртки байта вы увидите как внезапную тьму вместо вспышки. constrain в середине скетча — не украшение, а страховка.

Почему ровно три пикселя: пламя объёмно, и его нижняя точка — фитиль — всегда темнее и теплее, кончик — светлее. Развал яркости v, три четверти, половина с лёгким сдвигом оттенка рисует этот объём даже на ленте, повёрнутой боком. Больше пяти пикселей на одну свечу не берите: начинается «факел», и глаз требует уже движения вверх — а это другая задача, поле жара из Fire2012.

Ток — грань, на которой свеча обычно и живёт. Три пикселя в полную белую яркость берут порядка шестидесяти миллиампер, а свечной диапазон 30-70 из 255 держит ток около пятнадцати-двадцати — на батарейном ночнике это разница между заменой питания раз в месяц и раз в неделю. Отсюда же верхняя граница базового уровня: выше восьмидесяти процентов свеча физически правдивей, но греет блок питания и выбеливает глаз, привыкший к темноте. Если лента длинная, а свеча нужна одна, ведите её на первых трёх пикселях и гасите остальные на ноль — буфер это позволяет, и каждый негорящий пиксель экономит свои миллиамперы.

Переключите кнопку и просто посмотрите минуту. Дешёвый режим выдаёт себя мгновенно: у случайной стрельбы нет ни истории, ни инерции — яркость не помнит, где была кадр назад. Живая версия движется: между двумя рывками уровень успевает проплыть по дрейфу, и глаз спокойно называет это пламенем. Именно контраст между режимами — лучший аргумент против рецептов из первых ссылок поиска.

Ручкой сквозняка слушайте частоту рывков: на нуле свеча почти спокойна — только дрейф, на сотне — живёт в постоянном лёгком волнении. Порог вероятности draft / 8 + 2 подобран так, чтобы даже при нулевой ручке редкий рывок случался: совсем ровное пламя — тоже фальшь, у настоящей свечи воздух никогда не стоит.

Одинокая свеча из трёх пикселей редко живёт сама по себе — обычно это режим в ночнике или bedside-лампе. Каркас трёх режимов с сохранением состояния после перезагрузки уже разобран в уроке про ночник на EEPROM: свеча там встаёт младшим режимом с самым низким бюджетом яркости — базовые 150 из 255 при трёх горящих пикселях съедают меньше, чем один пиксель на полной яркости, и ночник можно оставлять на всю ночь.

Если свечей нужно много — каминная полка, витрина, десять штук по комнате — та же модель раскладывается на массив: каждая свеча получает собственную фазу дрейфа и собственный таймер рывков. Главное правило, которое я вынес из этого: рассинхронизируйте фазы, а не частоты. Одинаковые частоты с разными фазами рано или поздно совпадут и синхронно мигнут — а разные фазы живут независимо вечно.

Практика рассинхрона на массиве: каждой свече достаётся свой сдвиг координаты шума — плюс сорок-пятьдесят единиц на номер — и свой период рывков, собранный из случайного при старте с сохранённым зерном. Без сдвига десять свечей на одной inoise8 дышат синхронно, как хор, и глаз мгновенно раскусывает подделку; со сдвигом даже одинаково собранные тройки пикселей живут каждая своей жизнью. Случайный период рывков добивает иллюзию: интервалы 2-6 секунд, выбранные random на каждом узле, не дают глазу поймать общий такт. Это всё те же пять строк на свечу — просто выполненные восемь раз с разными числами.