python動畫
如果我們想要動畫演示一個如下圓展開的效果并把結果保存成GIF，需要怎么編程才能實現呢？本文就帶大家一起看學習python實現動畫。
python畫圓
我們可以使用matplotlib.animation.FuncAnimation渲染動畫
class matplotlib.animation.FuncAnimation(fig, func, frames=None, init_func=None, fargs=None, save_count=None, *, cache_frame_data=True, **kwargs)[source]
詳細參數可以看文檔，對我們常規使用比較有用的是下面四個參數
fig: 圖像句柄，也就是
plt.subplots()返回的第一個值；-
func：每一幀更新數據會調用的函數，該函數的簽名為
def func(frame, *fargs) -> iterable_of_artists其中第一個參數是幀序號，我們可以用這個參數來控制動態的數據生成。而且還需要注意該函數返回的是一個迭代器。
init_fun: 動畫初始化的時候會調用的函數，我們可以在這個函數里面進行數據初始化；
frames： 總的動畫幀數。
話不多說，我們先用這個類來畫一個靜態的圓。代碼如下
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import FuncAnimation
fig, ax = plt.subplots()
# 使用紅色畫圓
circle, = plt.plot([], [], 'r')
# 圓的半徑，這里設置為2， 可以自己修改
radius = 2
# 圓采樣1000個點
num_pts = 1000
# 每個小圓弧對應的角度
delta_angle = 2.0 * np.pi / num_pts
angles = [delta_angle * i for i in range(0, 1000)]
# 圓上的點的x和y坐標
circle_x = radius * np.cos(angles)
circle_y = radius * np.sin(angles)
def init():
# 設置坐標軸的x軸范圍
ax.set_xlim(-3, 3)
# 設置坐標軸的y軸范圍
ax.set_ylim(-3, 3)
# 設置圓的數據
circle.set_data(circle_x, circle_y)
return circle,
def update(frame):
return circle,
ani = FuncAnimation(fig, update, frames=100,
init_func=init, blit=True)
plt.show()
運行可以得到如下圖
從上面代碼我們可以看到，update函數沒有進行任何操作，主要是我們這就是一個靜態的圓，數據不需要改變。
多個數據渲染
上面的圖像中我們只有一組數據，也就是只有圓的這一組數據。那如果我們有多組數據怎么處理呢？比如我們需要再圓的最右邊畫一條切線，那就需要兩組數據。我們怎么來傳入多組數據呢？
觀察上面的代碼，我們是使用
circle, = plt.plot([], [], 'r')
也就是使用plt.plot的第一個返回值來傳入數據的。在返回的時候返回的是circle,。為什么要這么操作呢？返回值的地方是因為init和update函數都要求可迭代對象，所以我們返回元組。
如果我們需要傳入多個值怎么處理呢？顯然一個plt.plot的返回值是不夠的。所以我們使用多個返回組組成一個list來裝載數據。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import FuncAnimation
radius = 2
num_pts = 1000
delta_angle = 2.0 * np.pi / num_pts
angles = [delta_angle * i for i in range(0, 1000)]
circle_x = radius * np.cos(angles)
circle_y = radius * np.sin(angles)
line_x = [radius, radius]
line_y = [-2*radius, 2*radius]
fig, ax = plt.subplots()
# 主要是這個地方，用兩個返回值來更新兩組數據
circle_line = [plt.plot([], [], 'r')[0], plt.plot([], [], 'g--')[0]]
def init():
ax.set_xlim(-6, 6)
ax.set_ylim(-6, 6)
circle_line[0].set_data(circle_x, circle_y)
circle_line[1].set_data(line_x, line_y)
return circle_line
def update(frame):
return circle_line
ani = FuncAnimation(fig, update, frames=100,
init_func=init, blit=True)
plt.show()
運行可以得到下圖
動畫
前面我們都是畫的靜態數據，update函數基本沒用。這一節我們就在update函數里面更新數據。
我們要實現的動畫相當于從圓的最左邊把圓剪開，然后不斷展開，最后整個圓展開成一條直線。里面比較重要的一點就是展開過程的點的坐標怎么求。
在本文的實現里面，在t時刻我們選定一個基礎點，圓上基礎點之前的點不動，基礎點之后的點在基礎點和基礎點的下一個點組成的直線上面，相鄰點的長度為每個小段的圓弧長度。
那時間t怎么來呢？我們前面不是說了update函數的第一個參數就是幀編號，而frames指定了總的幀數。對于上半部分圓，第0幀的時候，我們需要使用這個點做base點；第frames-1幀的時候需要使用第0個點做base點。根據這個關系我們就可以計算出第i幀的時候需要使用哪一個點做base點。
最后還需要解決的是如何保存為GIF動畫。其實animation有個save函數就可以很方便實現。
最后的實現代碼如下：
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import FuncAnimation
radius = 2.0
num_pts = 1000
delta_angle = 2.0 * np.pi / num_pts
angles = [delta_angle * i for i in range(0, 1000)]
circle_x = radius * np.cos(angles)
circle_y = radius * np.sin(angles)
line_x = [radius, radius]
line_y = [-7, 7]
num_frames = 50
arc_length_top = np.array(angles[0:499]) * radius
arc_length_bot = arc_length_top[499:0:-1] * (-1.0)
fig, ax = plt.subplots()
circle_line = [ plt.plot([], [], 'r-')[0], plt.plot([], [], 'g--')[0], plt.plot([], [], 'b')[0], plt.plot([], [], 'b')[0],]
def init():
ax.set_xlim(-7, 7)
ax.set_ylim(-7, 7)
circle_line[0].set_data(circle_x, circle_y)
circle_line[1].set_data(line_x, line_y)
return circle_line
def update(frame):
# y = 498 - 498/num_frames * i
base = int(498.0 - 498.0 / num_frames * (frame + 1))
dir_x = circle_x[base + 1] - circle_x[base]
dir_y = circle_y[base + 1] - circle_y[base]
arc_x_top = circle_x[0:500].copy()
arc_y_top = circle_y[0:500].copy()
for i in range(base + 1, 500):
arc_x_top[i] = circle_x[base] + dir_x * (i - base)
arc_y_top[i] = circle_y[base] + dir_y * (i - base)
arc_x_bot = arc_x_top[500:0:-1]
arc_y_bot = -arc_y_top[500:0:-1]
circle_line[2].set_data(arc_x_top, arc_y_top)
circle_line[3].set_data(arc_x_bot, arc_y_bot)
return circle_line
ani = FuncAnimation(fig, update, frames=num_frames,
init_func=init, blit=True)
ani.save('ani.gif', writer='imagemagick', fps=15)
plt.show()
得到的圖就是
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