程序員的浪漫：利用Python 3D技術(shù)制作元宵節(jié)走馬花燈，體驗(yàn)“花市燈如晝”的節(jié)日氣氛

一、前言

說(shuō)起元宵節(jié)，各位有沒(méi)有覺(jué)得這是咱們中國(guó)人最浪漫的節(jié)日呢？國(guó)人向來(lái)拘謹(jǐn)古板，一年到頭都是小心謹(jǐn)慎地過(guò)日子，唯有元宵節(jié)這天可以縱情豪放一把。東風(fēng)夜放花千樹(shù)，寶馬雕車(chē)香滿路，火樹(shù)銀花霓虹閃爍，豪車(chē)遍地美女如云。細(xì)品，你甚至都能嗅到香奈兒的味道！月上柳梢頭，人約黃昏后，這又是何等的浪漫！比起燭光晚宴、鮮花加持，這份浪漫更顯純真。晚至明清，民間元宵節(jié)的喜慶氣氛，堪比西班牙的奔牛節(jié)、巴西的狂歡節(jié)、泰國(guó)的潑水節(jié)。

由于眾所周知的原因，估計(jì)今年的趵突泉元宵節(jié)燈會(huì)又要黃了。去哪兒體驗(yàn)“花市燈如晝”的節(jié)日氣氛呢？Don’t worry，沒(méi)有什么事能夠難倒程序員——用3D技術(shù)也可以做出下圖這樣的走馬燈，算是聊勝于無(wú)吧。

二、原材料

2.1 花燈紙

如下所示，還可以加上自己喜歡的圖案、文字等。

2.2 Python環(huán)境和模塊

一臺(tái)安裝了 Python 環(huán)境的電腦，Python 環(huán)境需要安裝以下模塊。

• ?numpy?
• ?pillow?
• ?wxgl?

如果沒(méi)有上述模塊，請(qǐng)參考下面的命令安裝。

pip install numpy
pip install pillow
pip install wxgl

NumPy 和 pillow 是 Python 旗下最常用的科學(xué)計(jì)算庫(kù)和圖像處理庫(kù)，屬于常用模塊。WxGL 是一個(gè)基于 PyOpenGL 的三維數(shù)據(jù)可視化庫(kù)，以 wx 為顯示后端，提供 Matplotlib 風(fēng)格的交互式應(yīng)用模式，同時(shí)，也可以和 wxPython 無(wú)縫結(jié)合，在 wx 的窗體上繪制三維模型。

三、制作工序

花燈制作工序非常簡(jiǎn)單，只需要三十行代碼，可以直接在 Python IDLE 中以交互方式逐行執(zhí)行。

3.1 導(dǎo)入模塊

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

3.2 打開(kāi)花燈紙圖像

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

fn 定義的是圖像存儲(chǔ)路徑，請(qǐng)據(jù)實(shí)修改。?Image.open(fn)?打開(kāi)文件，返回一個(gè) PIL 對(duì)象，?np.array() ?將 PIL 對(duì)象轉(zhuǎn)成 ?numpy.ndarray? 數(shù)組對(duì)象。除以255，將圖像數(shù)據(jù)從 0 到 255 的值域范圍變成0到1，適應(yīng) WxGL 的接口要求。查看數(shù)組的 shape，顯示圖像分辨率為400 像素高、942 像素寬，每個(gè)像素有三種顏色（此處為RGB）。

3.3 根據(jù)花燈紙的大小制作龍骨

紙長(zhǎng) 942 像素，卷成圓筒，半徑就是 149.9 像素，如果把半徑視為1個(gè)單位，則高度 400 像素相當(dāng)于 2.668 個(gè)單位。

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

接下來(lái)需要制作半徑1個(gè)單位、高度2.668個(gè)單位的圓筒狀龍骨了。

>>> 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))

這里的 ?xs?、?ys?、?zs? 就是圓筒狀龍骨上各個(gè)點(diǎn)的x坐標(biāo)、y坐標(biāo)、z坐標(biāo)。下面的代碼，每隔10個(gè)點(diǎn)抽取1個(gè)點(diǎn)，用 ?mesh? 的方法畫(huà)出龍骨形狀。當(dāng)然，也可以畫(huà)出全部的點(diǎn)，那樣頂點(diǎn)就會(huì)連成一片。

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

用3D的方式畫(huà)出來(lái)的龍骨，效果如下。

3.4 給龍骨貼上花燈紙

有了龍骨，接下來(lái)就可以把花燈紙貼在龍骨上了。繼續(xù)操作之前，記得先把剛才彈出的3D龍骨窗口關(guān)閉。

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

不過(guò)，你會(huì)立刻發(fā)現(xiàn)，花燈紙上下方向貼反了。沒(méi)關(guān)系，我們可以像下面這樣反轉(zhuǎn)方向。

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

怎么樣，是不是有一點(diǎn)走馬燈的雛形了呢？

3.5 制作旋轉(zhuǎn)葉輪

走馬燈之所以能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，是因?yàn)槔锩嬗邢灎T加熱形成上升氣流，推動(dòng)頂部的葉輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)花燈旋轉(zhuǎn)。當(dāng)然，這里的葉輪僅僅是個(gè)樣子，花燈旋轉(zhuǎn)依賴(lài)另外的機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

>>> 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()

葉輪設(shè)計(jì)有6片，用三角形模擬，顏色深紅，透明度0.8，整體效果略顯粗糙了一點(diǎn)。

3.6 加上照明燈和提系

照明燈用一個(gè)白色的圓球表示，提系則是紅色的一條直線，兼做照明燈的電源線。

>>> 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 讓花燈轉(zhuǎn)起來(lái)

花燈旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，只需要給 ?show? 方法一個(gè) ?rotation? 參數(shù)就可以。

plt.show(rotation='h-')

最終的花燈效果如下。

四、完整源代碼

有了上面的解說(shuō)，完整的源代碼就不用注釋了。全部代碼三十余行，各位可自行擴(kuò)展，制作出更多的花燈來(lái)。

# -*- 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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來(lái)源：CSDN

作者：天元浪子

原標(biāo)題：元宵節(jié)就要到了，花燈要不要來(lái)一盞？3D的那種

原文地址：https://xufive.blog.csdn.net/article/details/114058247