Python+OpenGL制作一个元宵花灯

Olive ·

更新时间:2024-11-10

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1.准备

2.快速体验

3.模型动画

4.子图布局

5.颜色映射

6.走马灯

又是一年元宵节，作为程序员的你，打算怎么过呢？如果昨天情人节的红包发得手软又心疼，不妨静下心来，了解一下三维数据可视化，顺便做一盏花灯送给女朋友，也许比红包更能讨她欢心呢。

1.准备

三维数据快速可视化工具，我喜欢用WxGL。这是一个基于PyOpenGL的三维数据可视化库，提供类似Matplotlib风格的3D绘图函数。如果熟悉NumPy和Matplotlib的话，只需要几分钟时间就可以学会使用WxGL的交互式绘图。

WxGL模块使用pip命令安装。

pip install wxgl

安装完成后，可以在Python IDLE中查看版本信息。

>>> import wxgl
>>> wxgl.version
'0.8.5'

2.快速体验

元宵、花灯和月亮，是元宵节的三大主题元素。我们就以一个文艺范儿的月亮开启WxGL的体验之旅吧。

import wxgl.wxplot as plt
plt.title('江天一色无纤尘，皎皎空中孤月轮')
plt.uvsphere((0,0,0), 1, lon=(0,360), lat=(90,-90), texture='res/moon.jpg', light=None)
plt.text('众里寻他千百度，', pos=(1.2,-0.3,0), size=128)
plt.text('蓦然回首，', pos=(1.2,-0.5,0), size=128)
plt.text('那人却在灯火阑珊处。', pos=(1.2,-0.7,0), size=128)
plt.show()

这几行代码，使用uvsphere球面函数绘制了一个中心点在三维坐标系原点、半径为1的月亮。忽略模块名的话，这些代码和Matplotlib的风格几乎是完全一致的，甚至函数名都是相同的。

运行show函数会弹出一个窗口，显示绘制的模型。窗口底部提供了一组工具按钮，可以设置系统参数、切换画布风格、显示或隐藏坐标网格、播放动画、保存或录制屏幕等。和Matplotlib一样，该窗口将阻塞程序运行，直至关闭该窗口。

3.模型动画

通过transform参数传递一个以时间长度为参数的函数给uvsphere球面函数，就可以让上面的月亮转动起来。

import wxgl.wxplot as plt
plt.title('江天一色无纤尘，皎皎空中孤月轮')
plt.uvsphere((0,0,0), 1, 
    lon = (0,360), 
    lat = (90,-90), 
    texture = 'res/moon.jpg', 
    transform = lambda duration : ((0, 1, 0, (0.02*duration)%360),),
    light = None # 关闭灯光效果，环境光会自动增强
)
plt.text('众里寻他千百度，', pos=(1.2,-0.3,0), size=128)
plt.text('蓦然回首，', pos=(1.2,-0.5,0), size=128)
plt.text('那人却在灯火阑珊处。', pos=(1.2,-0.7,0), size=128)
plt.show()

代码中lambda函数——当然也可以是普通的函数，其参数duration是以毫秒为单位的时间长度。该函数返回月球围绕一个向量（此处为(0,1,0)，即y轴）旋转的角度。点击播放按钮，月球即开始以20°/s的速度旋转。

对了，差点儿忘记提供月球的纹理图片了。点击此处可下载不带水印的月球纹理图片。

4.子图布局

在一张画布上可以任意放置多个子图。下面的代码演示了子图布局函数subplot的经典用法。实际上，这个函数比Matplotlib的同名函数更灵活和便捷。

import wxgl.wxplot as plt
plt.subplot(121)
plt.title('经纬度网格生成球体')
plt.uvsphere((0,0,0), 1, color='coral', fill=False, slices=15)
plt.subplot(122)
plt.title('正八面体迭代细分生成球体')
plt.isosphere((0,0,0), 1, color='cyan', fill=False, iterations=2)
plt.show()

在画布上创建两个子图，使用两种不同的方式绘制球，并设置填充模式。由于使用相同的视点系统，两个子图上的模型可以保持同步。

5.颜色映射

对于数据快速可视化工具来说，颜色映射是必不可少的。下面的代码演示了ColorBar的用法。代码中的jet、Paired、rainbow等颜色映射表继承自Matplotlib库。

import numpy as np
import wxgl.wxplot as plt
vs = np.random.random((300, 3))*2-1
color = np.random.random(300)
size = np.random.randint(3, 15, size=300)
plt.scatter(vs, color, 'jet', size=size)
plt.colorbar('jet', [-1, 1], loc='right')
plt.colorbar('Paired', [-5, 5], loc='bottom', subject='温度')
plt.colorbar('rainbow', [0, 77], loc='bottom', subject='速度')
plt.title('scatter函数和colorbar函数示例')
plt.show()

WxGL允许在一张图上使用两个垂直风格的ColorBar和三个水平风格的ColorBar。

6.走马灯

去年元宵节我写过一篇绘制3D花灯的博客，用的工具也是WxGL，当时的版本还是0.6.4。牛去虎来，整整一年过去了，WxGL终于艰难地升级到了0.8.5，那篇博客中的代码也必须要升级了。

import numpy as np
import wxgl.wxplot as plt
r = 1 # 花灯半径为1
tf_bull = lambda duration : ((0, 1, 0, (0.02*duration)%360),) # 模型动画函数
# 以下生成花灯筒状龙骨
theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 361) # 在0°~360°范围内间隔1°均匀生成361个角度
xs = r * np.tile(np.cos(theta), (150,1)) # 半径为r的圆周上361点的x坐标，重复150次，得到150行361列的二维数组
zs = r * np.tile(-np.sin(theta), (150,1)) # 半径为r的圆周上361点的z坐标，重复150次，得到150行361列的二维数组
ys = np.repeat(np.linspace(2.7, 0, 150), 361).reshape(150,361) # 0~2.7范围内均匀生成150个点，每个重复361，得到150行361列的二维数组
# 以下生成花灯叶轮
theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 18, endpoint=False)
x, z = r * np.cos(theta), r * np.sin(theta)
y = np.ones(18) * 2.5
x[2::3] = x[1::3]
x[1::3] = 0
z[2::3] = z[1::3]
z[1::3] = 0
vs = np.stack((x,y,z), axis=1)
# 公牛动画函数：顺时针旋转，20°/s，向左平移1.2
tf_bull = lambda duration : ((0, 1, 0, (-0.02*duration)%360), (-1.2,0,0)) 
# 老虎动画函数：逆时针旋转，20°/s，向右平移1.2
tf_tiger = lambda duration : ((0, 1, 0, (0.02*duration)%360), (1.2,0,0)) 
plt.figure(elev=20) # 设置相机高度角为20°
# 公牛花灯
plt.mesh(xs, ys, zs, texture='res/bull.jpg', transform=tf_bull, light=None) # 花灯筒
plt.surface(vs, color=(0.75,0.2,0,0.8), transform=tf_bull) # 花灯叶轮
plt.uvsphere((0,0.8,0), 0.4, color='#FFFFFF', transform=((-1.2,0,0),), light=None) # 灯
plt.line([[0,1.2,0],[0,3.5,0]], color='red', width=3.0, transform=((-1.2,0,0),), inside=False) # 线
# 老虎花灯
plt.mesh(xs, ys, zs, texture='res/tiger.jpg', transform=tf_tiger, light=None) # 花灯筒
plt.surface(vs, color=(0.75,0.2,0,0.8), transform=tf_tiger) # 花灯叶轮
plt.uvsphere((0,0.8,0), 0.4, color='#FFFFFF', transform=((1.2,0,0),), light=None) # 灯
plt.line([[0,1.2,0],[0,3.5,0]], color='red', width=3.0, transform=((1.2,0,0),), inside=False) # 线
plt.show()

两只花灯使用相同的尺寸，画在同一个位置。花灯筒和叶轮的模型动画函数除了旋转还分别向左右移动了1.2个长度单位，而灯和线则只移动不旋转。最终效果如下图所示。