元宵节,程序员用 Python 送你一盏 3D 花灯

业界 作者:CSDN 2021-02-26 14:18:59 阅读:68


【CSDN 编者按】元宵佳节,一起赏花灯。


作者 | 许向武       责编 | 张红月
出处 | https://blog.csdn.net/xufive/article/details/114058247

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。


原材料

花灯纸

如下所示,还可以加上自己喜欢的图案、文字等。


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 numpypip install pillowpip 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》https://xufive.blog.csdn.net/article/details/108958992。


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。

导入模块

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

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)。

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>>> h2.6680192387174464

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。

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?

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。


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')

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。

完整代码

# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as npfrom PIL import Imageimport wxgl.wxplot as plt
im = np.array(Image.open('res/paper.png'))/255rows, cols, deep = im.shape
r, h = 1, 2*np.pi*rows/colstheta = 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] = 0y[2::3] = y[1::3]y[1::3] = 0z = np.ones(18) * h * 0.9vs = 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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