元宵节就要到了，花灯要不要来一盏？3D的那种

Posted 2023-02-19 天元浪子

文章目录

• 1 前言
• 2 原材料
• • 2.1 花灯纸
  • 2.2 Python环境和模块
• 3 制作工序
• • 3.1 导入模块
  • 3.2 打开花灯纸图像
  • 3.3 计算花灯的半径和高度
  • 3.4 绘制圆柱形花灯
  • 3.5 让花灯亮起来
  • 3.6 让花灯转起来
  • 3.7 制作旋转叶轮
  • 3.8 加上照明灯和提系
• 4 完整源代码

1 前言

几年前的元宵节前夕，我曾经写过一篇使用WxGL绘制3D走马灯的文章，受到很多读者的关注。今年的元宵节又要到了，这几天陆续收到许多读者私信，反映说那篇制作花灯的博文中的代码无法运行了，希望能尽快更新代码。

的确，由于WxGL的版本一直在不断更新，我以前写的很多3D的例子几乎都不可用了。正好借着今晚WxGL发布0.9.7版的热情，先更新一下3D花灯的代码吧。

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。

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的跨平台三维数据绘图工具包，提供类似Matplotlib风格的应用方式。WxGL也可以集成到wxPython和PyQt6中实现更多的功能和控制。

3 制作工序

花灯制作工序非常简单，不足30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

3.2 打开花灯纸图像

>>> image_file = '/home/xufive/MyCode/GitHub/wxgl/example/res/bull.png'
>>> w_im, h_im = Image.open(image_file).size
>>> w_im, h_im
(942, 400)

image_file是花灯纸的存储路径，请据实修改。使用Image.open()打开这个图像文件，得到图像分辨率为400像素高、942像素宽。

3.3 计算花灯的半径和高度

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。

>>> r, h = 1, 2*np.pi*h_im/w_im
>>> r, h
(1, 2.6680192387174464)

3.4 绘制圆柱形花灯

绘制3D模型前，我们得先定义好空间坐标系。通常三维空间坐标系有两种不同的习惯，一是使用y轴作为高度轴，二是使用z轴作为高度轴。两种坐标系都遵从右手定则，因此本质上并没有差别。我们就选择使用y轴作为高度轴，那么花灯圆柱的上端面圆心坐标为(0, h/2, 0)，下端面圆心坐标为(0, -h/2, 0)，圆柱半径为1。wxgl提供了圆柱绘制函数cylinder，可以方便地绘制圆柱。

>>> app = wxgl.App()
>>> app.cylinder((0,h/2,0), (0,-h/2,0), r, texture=image_file)
>>> app.show()

这里将花灯纸的文件路径传给texture参数，就实现了3D纹理贴图。如果绘制单色的圆柱，则使用color参数传入颜色即可。

3.5 让花灯亮起来

上面这个圆柱默认使用户外光照效果，看起来不够亮。我们可以自定义一个灯光，让花灯看起来足够亮。

>>> ight = wxgl.BaseLight()
>>> app = wxgl.App()
>>> app.cylinder((0,h/2,0), (0,-h/2,0), r, texture=image_file light=light)
>>> app.show()

3.6 让花灯转起来

WxGL的模型函数接收名为transform的参数以实现模型的旋转、平移、缩放。该参数是一个函数，以时间t（单位毫秒）为自变量，返回返回模型旋转、平移、缩放的任意组合序列，该序列元素可能的类型：

1. 4元组表示旋转，前3个元素表示旋转轴，第4个元素表示旋转角度
2. 3元组表示模型在xyz轴上的平移
3. 数值表示缩放系数

下面的代码，使用lambda函数让花灯以20°/s的角速度绕y逆时针轴旋转。

>>> tf = lambda t : ((0, 1, 0, (0.02*t)%360), )
>>> app = wxgl.App()
>>> app.cylinder((0,h/2,0), (0,-h/2,0), r, texture=image_file, transform=tf, light=light)
>>> app.show()

3.7 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。这里的叶轮仅仅是个样子，叶轮旋转同样使用上面的lambda函数。

>>> theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 18, endpoint=False)
>>> x = r*np.cos(theta)
>>> z = r*np.sin(theta)
>>> x[2::3] = x[1::3]
>>> x[1::3] = 0
>>> z[2::3] = z[1::3]
>>> z[1::3] = 0
>>> y = np.ones(18) * h/2 * 0.9
>>> vs = np.stack((x,y,z), axis=1)
>>> app = wxgl.App()
>>> app.cylinder((0,h/2,0), (0,-h/2,0), r, texture=image_file, transform=tf, light=light)
>>> app.surface(vs, color='#C03000', method='isolate', alpha=0.8, transform=tf)
>>> app.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。

3.8 加上照明灯和提系

照明灯用一个白色的圆球表示，提系则是黄色的一条直线，兼做照明灯的电源线。WxGL提供了圆球绘制函数isosphere和线段绘制函数line，使用风格与前面的圆柱函数保持一致。需要说明的，isosphere函数通过迭代正十二面体得到球体，参数iterate为迭代次数。这里选择1次迭代，故意让球体看起来不够光滑，是为了能够看清球的旋转。

>>> app = wxgl.App()
>>> app.cylinder((0,h/2,0), (0,-h/2,0), r, texture=image_file, transform=tf, light=light)
>>> app.surface(vs, color='#C03000', method='isolate', alpha=0.8, transform=tf)
>>> app.isosphere((0,0,0), 0.3, color='#FFFFFF', iterate=1, transform=tf)
>>> app.line([[0,0,0], [0,0.8*h,0]], color='#A0A000', width=3.0)
>>> app.show()

4 完整源代码

import numpy as np
from PIL import Image
import wxgl

image_file = 'res/bull.png'                     # 制作走马灯的图片
w_im, h_im = Image.open(image_file).size        # 获取图片宽度和高度
r, h = 1, 2*np.pi*h_im/w_im                     # 计算圆柱形花灯的直径和高度
tf = lambda t : ((0, 1, 0, (0.02*t)%360), )     # 走马灯旋转函数，以20°/s的角速度绕y逆时针轴旋转
light = wxgl.BaseLight()

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

app = wxgl.App(elev=30) # 设置高度角30°
app.title('元宵节的走马灯')
app.cylinder((0,h/2,0), (0,-h/2,0), r, texture=image_file, transform=tf, light=light)
app.isosphere((0,0,0), 0.3, color='#FFFFFF', iterate=1, transform=tf)
app.surface(vs, color='#C03000', method='isolate', alpha=0.8, transform=tf)
app.line([[0,0,0], [0,0.8*h,0]], color='#A0A000', width=3.0)
app.show()

最终效果如下图。