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手把手教你用Python绘制圣诞树 | Manim实践

作者：Gausst松鼠会 | 2024-03-27 17:45:19

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watermark.construct

来源：Python数据之道 (ID:PyDataLab)

作者：阳哥

01写在前面

大家好，我是阳哥。

前几天，我跟大家介绍了视频制作工具 Manim，不少同学都觉得不错，想进一步学习。

用 python 制作高逼格的数学动画

刚好圣诞节快要到了，我之前在视频号「Python数据之道」上发了圣诞树制作的视频。

今天，我来介绍下视频中的效果是怎么制作的。

02Manim 基础知识

如何运行 Manim

用 Manim 绘制图形，首先需要引入 Manim 库，然后将需要绘制的内容封装到一个类(class) 里面。

from manim import *

对于编辑好的程序文件（例如christmas-intro.py 文件），需要在同一个文件夹下运行命令来运行程序，命令格式如下：

manim -pql christmas-intro.py DemoSquare

上面的命令行中：

manim 是运行程序的主要标志用语；
p 表示程序运行后会进行预览（图片或视频）；
ql 表示低质量（quality low）, 其他的选项有 -ql, -qm, -qh, -qk, 分别表示低质量、正常质量、高质量、4K质量；
christmas-intro.py 是py代码文件；
DemoSquare 是 py代码文件中的一个类；

命令行中，还有其他许多参数可以设置，可以通过社区版的支持文档来进一步了解：

https://docs.manim.community/en/stable/tutorials/configuration.html#command-line-arguments

圣诞树中的元素

绘制圣诞树，有不少同学是用 Python 的 Turtle 包来绘制的，在这里我用 Manim 进行了绘制，效果如下：

在视频中，一共绘制了 3 颗不同的圣诞树，这里以下面的这棵树为例，来介绍 Manim 的一些用法。

对于圣诞树中的细分元素，通过观察，只涉及到正方形和圆形，以及填充不同的颜色。

绘制正方形

用 Manim 绘制正方形，Manim 提供了类对象 Square 来绘制，如下：


class DemoSquare(Scene):
    def construct(self):
        # WaterMark.construct(self)
        r = 1
        sq = Square(
            side_length=2*r,
            color=GREEN_LEMON,
            )
        self.add(sq)

通过下面的命令来运行：

manim -pql christmas-intro.py DemoSquare

绘制效果如下：

如果需要对正方形进行填充，则可以设置参数 fill_color 和 fill_opacity ，代码和效果如下：


class DemoSquare(Scene):
    def construct(self):
        # WaterMark.construct(self)
        r = 1
        sq = Square(
            side_length=2*r,
            color=GREEN_LEMON,
            fill_color=GREEN_LEMON, 
            fill_opacity=1,
            )
        self.add(sq)

绘制圆形

对于绘制圆形，与绘制正方形类似，Manim 提供了类对象 Circle 来绘制，如下：


class DemoCircle(Scene):
    def construct(self):
        # WaterMark.construct(self)
        r = 1
        circle = Circle(
            radius=r,
            color=GREEN_LEMON,
            fill_color=GREEN_LEMON,
            fill_opacity=1,
        )
        self.play(Create(circle))
        self.wait()

运行的命令行如下：

manim -pql --disable_caching christmas-intro.py DemoCircle --format=gif

其中：

--format=gif 表示保存为 .gif ；
--disable_caching 一般是视频帧数很多的时候，加上这个参数，可以加快渲染的速度，一般情况下，可以不加这个参数。

效果如下：

在代码中添加了 play 、Create 因此会有动态的效果了。

03绘制圣诞树

对于这个圣诞树，在用 Manim 制作时，对于形状部分可以分为三个部分，如下：

第 1 部分和第 3 部分，相对而言要简单些，第2部分，看起来复杂些，但其实也是由三个类似的单元组合起来的。

绘制第2部分

对于第2部分中的每一个细分单元，可以用通过一个自定义函数来实现：


def draw_tree(n, buff=1):
  shapes = Group()
  for i in range(4):
      sq_lst = [
          Square(
              side_length=2 * r,
              color=GREEN_LEMON,
              fill_color=GREEN_LEMON,
              fill_opacity=1,
          )
          for j in range(2 * (i + n) + 1)
      ]
      sq_group = Group(*sq_lst).arrange(RIGHT)
      sq_group.to_edge(UP, buff=buff)
      if i == 2:
          sq_side_lst = [
              Square(
                  side_length=2 * r,
                  color=YELLOW,
                  fill_color=YELLOW,
                  fill_opacity=1,
              )
              for j in range(2)
          ]
          sq_side_group = Group(*sq_side_lst)
          sq_side_group[0].next_to(sq_group, LEFT)
          sq_side_group[1].next_to(sq_group, RIGHT)
          self.add(sq_side_group[0])
          self.wait(time_wait)
          for sq in sq_group:
              self.add(sq)
              self.wait(time_wait)
          self.add(sq_side_group[1])
          self.wait(time_wait)
          shapes.add(sq_side_group[0])
          shapes.add(sq_group)
          shapes.add(sq_side_group[1])
      elif i == 3:
          circle_side_lst = [
              Circle(
                  radius=r,
                  color=RED_LEMON,
                  fill_color=RED_LEMON,
                  fill_opacity=1,
              )
              for j in range(2)
          ]
          circle_side_group = Group(*circle_side_lst)
          circle_side_group[0].next_to(sq_group, LEFT)
          circle_side_group[1].next_to(sq_group, RIGHT)
          self.add(circle_side_group[0])
          self.wait(time_wait)
          for sq in sq_group:
              self.add(sq)
              self.wait(time_wait)
          self.add(circle_side_group[1])
          self.wait(time_wait)
          shapes.add(circle_side_group[0])
          shapes.add(sq_group)
          shapes.add(circle_side_group[1])
 
      else:
          shapes.add(sq_group)
          for sq in sq_group:
              self.add(sq)
              self.wait(time_wait)
 
      buff += buff_gap
  return shapes

上面这个代码片段，看起来很长，其实逻辑还是不复杂的。主要是根据图形之间的布局关系来编写代码的。有兴趣的同学可以先自行研究下。

通过上面的这个自定义函数，咱们可以将第二部分绘制出来，关键代码如下：


tree_caps = Group()
        for n in range(3):
            tree_cap = draw_tree(n, buff=buff_gap * 2 + buff_gap * n * 4)
            tree_caps.add(tree_cap)

绘制第3部分

第3部分，在代码中，我称之为 tree_root ，主要是绘制正方形组成的矩形方阵，然后控制视频演示的顺序。

代码如下：


tree_root = Group()
  for i in range(3):
      sq_lst = [
          Square(
              side_length=2 * r,
              color=RED_LEMON,
              fill_color=RED_LEMON,
              fill_opacity=1,
          )
          for j in range(5)
      ]
      sq_group = Group(*sq_lst).arrange(RIGHT)
      tree_root.add(sq_group)
  for i in range(1, len(tree_root)):
      tree_root[i].next_to(tree_root[i - 1], DOWN, buff=buff_gap / 2)
 
  tree_root.next_to(tree_caps, DOWN, buff=buff_gap / 2)
 
  for i in range(len(tree_root)):
      for j in range(len(tree_root[i])):
          self.add(tree_root[i][j])
          self.wait(time_wait)
  self.wait()

缩小放大效果

对于图形的所辖和放大效果，在 Manim 中，可以通过 animate 以及 scale 的设置来实现：


tree = Group(circle, tree_caps, tree_root)
self.play(tree.animate.move_to(ORIGIN).scale(0.5), run_time=4)
self.play(tree.animate.scale(2), run_time=4)

完整的代码

这颗树的完整代码，我已经封装在 christmas-intro.py 文件的类 Tree02 中，大家可以运行下面的命令来运行代码：

manim -pql christmas-intro.py Tree02

完整的代码文件 christmas-intro.py，大家可以在公众号「Python数据之道」回复 manim 来获取。

代码文件 christmas-intro.py 中，还包括 Tree01 和 Tree03，大家也可以运行看看。

对于代码运行过程中的一些问题，欢迎一起交流，也祝大家圣诞快乐~~