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元宵节就要到了,花灯要不要来一盏?3D的那种

专栏一步一步带你学Python
发布于 2021-02-26 阅读 114
  • 程序员
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文章目录

1 前言

说起元宵节,各位有没有觉得这是咱们中国人最浪漫的节日呢?国人向来拘谨古板,一年到头都是小心谨慎地过日子,唯有元宵节这天可以纵情豪放一把。东风夜放花千树,宝马雕车香满路,火树银花霓虹闪烁,豪车遍地美女如云。细品,你甚至都能嗅到香奈儿的味道!月上柳梢头,人约黄昏后,这又是何等的浪漫!比起烛光晚宴、鲜花加持,这份浪漫更显纯真。晚至明清,民间元宵节的喜庆气氛,堪比西班牙的奔牛节、巴西的狂欢节、泰国的泼水节。

由于众所周知的原因,估计今年的趵突泉元宵节灯会又要黄了。去哪儿体验“花市灯如昼”的节日气氛呢?Don’t worry,没有什么事能够难倒程序员——用3D技术也可以做出下图这样的走马灯,算是聊胜于无吧。

在这里插入图片描述

2 原材料

2.1 花灯纸

如下所示,还可以加上自己喜欢的图案、文字等。

在这里插入图片描述

2.2 Python环境和模块

一台安装了Python环境的电脑,Python环境需要安装以下模块。

  • numpy
  • pillow
  • wxgl

如果没有上述模块,请参考下面的命令安装。

pip install numpy
pip install pillow
pip install wxgl

NumPy和pillow是Python旗下最常用的科学计算库和图像处理库,属于常用模块。WxGL是一个基于PyOpenGL的三维数据可视化库,以wx为显示后端,提供Matplotlib风格的交互式应用模式,同时,也可以和wxPython无缝结合,在wx的窗体上绘制三维模型。关于WxGL的更多信息,请参阅我的另一篇博客《十分钟玩转3D绘图:WxGL完全手册》

3 制作工序

花灯制作工序非常简单,只需要三十行代码,可以直接在Python IDLE中以交互方式逐行执行。

3.1 导入模块

>>> import numpy as np
>>> from PIL import Image
>>> import wxgl.wxplot as plt

3.2 打开花灯纸图像

>>> fn = r'D:\temp\light0115\res\paper.png'
>>> im = np.array(Image.open(fn))/255
>>> im.shape
(400, 942, 3)

fn定义的是图像存储路径,请据实修改。Image.open(fn)打开文件,返回一个PIL对象,np.array()将PIL对象转成numpy.ndarray数组对象。除以255,将图像数据从0到255的值域范围变成0到1,适应WxGL的接口要求。查看数组的shape,显示图像分辨率为400像素高、942像素宽,每个像素有三种颜色(此处为RGB)。

3.3 根据花灯纸的大小制作龙骨

纸长942像素,卷成圆筒,半径就是149.9像素,如果把半径视为1个单位,则高度400像素相当于2.668个单位。

>>> rows, cols, deep = im.shape
>>> cols/(2*np.pi)
149.9239563925654
>>> r = 1
>>> h = 2*np.pi*rows/cols
>>> h
2.6680192387174464

接下来需要制作半径1个单位、高度2.668个单位的圆筒状龙骨了。

>>> theta = np.linspace(0, 2*np.pi, cols)
>>> x = r * np.cos(theta)
>>> y = r * np.sin(theta)
>>> z = np.linspace(0, h, rows)
>>> xs = np.tile(x, (rows,1))
>>> ys = np.tile(y, (rows,1))
>>> zs = z.repeat(cols).reshape((rows,cols))

这里的xs、ys、zs就是圆筒状龙骨上各个点的x坐标、y坐标、z坐标。下面的代码,每隔10个点抽取1个点,用mesh的方法画出龙骨形状。当然,也可以画出全部的点,那样顶点就会连成一片。

>>> plt.mesh(xs[::10,::10], ys[::10,::10], zs[::10,::10], mode='FLBL')
>>> plt.show()

用3D的方式画出来的龙骨,效果如下。
在这里插入图片描述

3.4 给龙骨贴上花灯纸

有了龙骨,接下来就可以把花灯纸贴在龙骨上了。继续操作之前,记得先把刚才弹出的3D龙骨窗口关闭。

>>> plt.mesh(xs, ys, zs, im)
>>> plt.show()

不过,你会立刻发现,花灯纸上下方向贴反了。没关系,我们可以像下面这样反转方向。

>>> plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1])
>>> plt.show()

怎么样,是不是有一点走马灯的雏形了呢?
在这里插入图片描述

3.5 制作旋转叶轮

走马灯之所以能够转动,是因为里面有蜡烛加热形成上升气流,推动顶部的叶轮旋转,从而带动花灯旋转。当然,这里的叶轮仅仅是个样子,花灯旋转依赖另外的机制实现。

>>> theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 18, endpoint=False)
>>> x = r * np.cos(theta)
>>> y = r * np.sin(theta)
>>> x[2::3] = x[1::3]
>>> x[1::3] = 0
>>> y[2::3] = y[1::3]
>>> y[1::3] = 0
>>> z = np.ones(18) * h * 0.9
>>> vs = np.stack((x,y,z), axis=1)
>>> plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1])
>>> plt.surface(vs, color='#C03000', method='T', mode='FCBC', alpha=0.8)
>>> plt.show()

叶轮设计有6片,用三角形模拟,颜色深红,透明度0.8,整体效果略显粗糙了一点。
在这里插入图片描述

3.6 加上照明灯和提系

照明灯用一个白色的圆球表示,提系则是红色的一条直线,兼做照明灯的电源线。

>>> plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1])
>>> plt.surface(vs, color='#C03000', method='T', mode='FCBC', alpha=0.8)
>>> plt.sphere((0,0,h*0.4), 0.4, '#FFFFFF', slices=60, mode='FCBC')
>>> plt.plot((0,0), (0,0), (0.4*h, 1.5*h), width=3.0, style='solid', cmap='hsv', caxis='z')

3.7 让花灯转起来

花灯旋转的实现非常简单,只需要给show方法一个rotation参数就可以。

plt.show(rotation='h-')

最终的花灯效果如下。
在这里插入图片描述

4 完整源代码

有了上面的解说,完整的源代码就不用注释了。全部代码三十余行,各位可自行扩展,制作出更多的花灯来。

# -*- coding: utf-8 -*-

import numpy as np
from PIL import Image
import wxgl.wxplot as plt

im = np.array(Image.open('res/paper.png'))/255
rows, cols, deep = im.shape

r, h = 1, 2*np.pi*rows/cols
theta = np.linspace(0, 2*np.pi, cols)
x = r*np.cos(theta)
y = r*np.sin(theta)
z = np.linspace(0, h, rows)
xs = np.tile(x, (rows,1))
ys = np.tile(y, (rows,1))
zs = z.repeat(cols).reshape((rows,cols))

theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 18, endpoint=False)
x = r*np.cos(theta)
y = r*np.sin(theta)
x[2::3] = x[1::3]
x[1::3] = 0
y[2::3] = y[1::3]
y[1::3] = 0
z = np.ones(18) * h * 0.9
vs = np.stack((x,y,z), axis=1)

plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1])
plt.surface(vs, color='#C03000', method='T', mode='FCBC', alpha=0.8)
plt.sphere((0,0,h*0.4), 0.4, '#FFFFFF', slices=60, mode='FCBC')
plt.plot((0,0), (0,0), (0.4*h, 1.5*h), width=3.0, style='solid', cmap='hsv', caxis='z')
plt.show(rotation='h-')

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励志做一条安静的鳄鱼。

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