使用Python制作一盞 3D 花燈喜迎元宵佳節

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說起元宵節，各位有沒有覺得這是咱們中國人最浪漫的節日呢？國人向來拘謹古板，一年到頭都是小心謹慎地過日子，唯有元宵節這天可以縱情豪放一把。東風夜放花千樹，寶馬雕車香滿路，火樹銀花霓虹閃爍，豪車遍地美女如雲。細品，你甚至都能嗅到香奈兒的味道！月上柳梢頭，人約黃昏後，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，民間元宵節的喜慶氣氛，堪比西班牙的奔牛節、巴西的狂歡節、泰國的潑水節。

由於眾所周知的原因，估計今年的趵突泉元宵節燈會又要黃瞭。去哪兒體驗“花市燈如晝”的節日氣氛呢？Don’t worry，沒有什麼事能夠難倒程序員——用3D技術也可以做出下圖這樣的走馬燈，算是聊勝於無吧。

1.原材料

花燈紙

如下所示，還可以加上自己喜歡的圖案、文字等。

Python環境和模塊

一臺安裝瞭Python環境的電腦，Python環境需要安裝以下模塊。

  • numpy
  • pillow
  • wxgl

如果沒有上述模塊，請參考下面的命令安裝。

pip install numpy
pip install pillow
pip install wxgl

NumPy和 pillow 是 Python 旗下最常用的科學計算庫和圖像處理庫，屬於常用模塊。WxGL 是一個基於 PyOpenGL 的三維數據可視化庫，以 wx 為顯示後端，提供 Matplotlib 風格的交互式應用模式，同時，也可以和 wxPython 無縫結合，在wx的窗體上繪制三維模型。

2.制作工序

花燈制作工序非常簡單，隻需要三十行代碼，可以直接在Python IDLE中以交互方式逐行執行。

導入模塊

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

打開花燈紙圖像

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

fn定義的是圖像存儲路徑，請據實修改。Image.open(fn)打開文件，返回一個PIL對象，np.array()將PIL對象轉成numpy.ndarray數組對象。除以255，將圖像數據從0到255的值域范圍變成0到1，適應WxGL的接口要求。查看數組的shape，顯示圖像分辨率為400像素高、942像素寬，每個像素有三種顏色（此處為RGB）。

根據花燈紙的大小制作龍骨

紙長942像素，卷成圓筒，半徑就是149.9像素，如果把半徑視為1個單位，則高度400像素相當於2.668個單位。

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

接下來需要制作半徑1個單位、高度2.668個單位的圓筒狀龍骨瞭。

>>> 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))

這裡的xs、ys、zs就是圓筒狀龍骨上各個點的x坐標、y坐標、z坐標。下面的代碼，每隔10個點抽取1個點，用mesh的方法畫出龍骨形狀。當然，也可以畫出全部的點，那樣頂點就會連成一片。

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

用3D的方式畫出來的龍骨，效果如下。

給龍骨貼上花燈紙

有瞭龍骨，接下來就可以把花燈紙貼在龍骨上瞭。繼續操作之前，記得先把剛才彈出的3D龍骨窗口關閉。

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

不過，你會立刻發現，花燈紙上下方向貼反瞭。沒關系，我們可以像下面這樣反轉方向。

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

怎麼樣，是不是有一點走馬燈的雛形瞭呢？

制作旋轉葉輪

走馬燈之所以能夠轉動，是因為裡面有蠟燭加熱形成上升氣流，推動頂部的葉輪旋轉，從而帶動花燈旋轉。當然，這裡的葉輪僅僅是個樣子，花燈旋轉依賴另外的機制實現。

>>> 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()

葉輪設計有6片，用三角形模擬，顏色深紅，透明度0.8，整體效果略顯粗糙瞭一點。

加上照明燈和提系

照明燈用一個白色的圓球表示，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')

讓花燈轉起來

花燈旋轉的實現非常簡單，隻需要給show方法一個rotation參數就可以。

plt.show(rotation='h-')

最終的花燈效果如下。

3.完整代碼

# -*- 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-')

到此這篇關於使用Python制作一盞 3D 花燈喜迎元宵佳節的文章就介紹到這瞭,更多相關Python制作 3D 花燈內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

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