.NET|.NET 与树莓派WS28XX 灯带的颜色渐变动画效果的实现 .NET与树莓派WS28XX灯带的颜色渐

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。
【.NET|.NET 与树莓派WS28XX 灯带的颜色渐变动画效果的实现】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）。