Python+OpenGL制作一个元宵花灯

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。

代码中用的公牛和老虎的花灯纹理，请点击下载：公牛、老虎。

到此这篇关于python+opengl制作一个元宵花灯的文章就介绍到这了,更多相关python opengl元宵花灯内容请搜索以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持！