【.NET 与树莓派】WS28XX 灯带的颜色渐变动画

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。