使用python和pygame繪制繁花曲線的方法
前段時間看了一期《最強(qiáng)大腦》，里面各種繁花曲線組合成了非常美麗的圖形，一時心血來潮，想嘗試自己用代碼繪制繁花曲線，想怎么組合就怎么組合。
真實(shí)的繁花曲線使用一種稱為繁花曲線規(guī)的小玩意繪制，繁花曲線規(guī)由相互契合大小兩個圓組成，用筆插在小圓上的一個孔中，緊貼大圓的內(nèi)壁滾動，就可以繪制出漂亮的圖案。這個過程可以做一個抽象：有兩個半徑不相等的圓，大圓位置固定，小圓在大圓內(nèi)部，小圓緊貼著大圓內(nèi)壁滾動，求小圓上的某一點(diǎn)走過的軌跡。
進(jìn)一步分析，小圓的運(yùn)動可以分解為兩個部分：小圓圓心繞大圓圓心公轉(zhuǎn)、小圓繞自身圓心自轉(zhuǎn)。設(shè)大圓圓心為A，半徑為Ra，小圓圓心為B，半徑為Rb，軌跡點(diǎn)為C，半徑為Rc(BC距離)，設(shè)小圓公轉(zhuǎn)的弧度為θ [0,∞)，如圖：
因?yàn)榇髨A的圓心坐標(biāo)是固定的，要求得小圓上的某點(diǎn)的軌跡，需要先求出小圓當(dāng)前時刻的圓心坐標(biāo)，再求出小圓自轉(zhuǎn)的弧度，最后求出小圓上某點(diǎn)的坐標(biāo)。
第一步：求小圓圓心坐標(biāo)
小圓圓心的公轉(zhuǎn)軌跡是一個半徑為 RA- RB 的圓，求小圓圓心坐標(biāo)，相當(dāng)于是求半徑為 RA- RB 的圓上θ 弧度對應(yīng)的點(diǎn)的坐標(biāo)。
圓上的點(diǎn)的坐標(biāo)公式為：
x = r * cos(θ), y = r * sin(θ)
小圓圓心坐標(biāo)為：( xa+ (Ra - Rb) * cos(θ), ya + (Ra - Rb) * sin(θ) )
第二步：求小圓自轉(zhuǎn)弧度
設(shè)小圓自轉(zhuǎn)弧度為α，小圓緊貼大圓運(yùn)動，兩者走過的路程相同，因此有：
Ra *θ = Rb *α
小圓自轉(zhuǎn)弧度α = (Ra / Rb) *θ
第三步：求點(diǎn)C坐標(biāo)
點(diǎn)C相對小圓圓心B的公轉(zhuǎn)軌跡是一個半徑為 Rc 的圓，類似第一步，有：
軌跡點(diǎn)C的坐標(biāo)為：( xa+ Rc* cos(θ), ya+ Rc* sin(θ))
按照以上算法分析，用python代碼實(shí)現(xiàn)如下：
# -*- coding: utf-8 -*- import math ''' 功能： 已知圓的圓心和半徑，獲取某弧度對應(yīng)的圓上點(diǎn)的坐標(biāo) 入?yún)ⅲ? center：圓心 radius：半徑 radian：弧度 ''' def get_point_in_circle(center, radius, radian): return (center[0] + radius * math.cos(radian), center[1] - radius * math.sin(radian)) ''' 功能： 內(nèi)外圓A和B，內(nèi)圓A沿著外圓B的內(nèi)圈滾動，已知外圓圓心、半徑，已知內(nèi)圓半徑，已知公轉(zhuǎn)弧度和繞點(diǎn)半徑，計(jì)算繞點(diǎn)坐標(biāo) 入?yún)ⅲ? center_A：外圓圓心 radius_A：外圓半徑 radius_B：內(nèi)圓半徑 radius_C：繞點(diǎn)半徑 radian：公轉(zhuǎn)弧度 ''' def get_point_in_child_circle(center_A, radius_A, radius_B, radius_C, radian): # 計(jì)算內(nèi)圓圓心坐標(biāo) center_B = get_point_in_circle(center_A, radius_A - radius_B, radian) # 計(jì)算繞點(diǎn)弧度（公轉(zhuǎn)為逆時針，則自轉(zhuǎn)為順時針） radian_C = 2.0*math.pi - ((radius_A / radius_B * radian) % (2.0*math.pi)) # 計(jì)算繞點(diǎn)坐標(biāo) return get_point_in_circle(center_B, radius_C, radian_C)
有兩點(diǎn)需要注意：
（1）屏幕坐標(biāo)系左上角為原點(diǎn)，垂直向下為Y正軸，與數(shù)學(xué)坐標(biāo)系Y軸方向相反，所以第14行Y坐標(biāo)為減法；
（2）默認(rèn)公轉(zhuǎn)為逆時針，則自轉(zhuǎn)為順時針，所以第30行求自轉(zhuǎn)弧度時，使用了2π - α%(2π)；
坐標(biāo)已經(jīng)計(jì)算出來，接下來使用pygame繪制。思想是以0.01弧度為一個步長，不斷計(jì)算出新的坐標(biāo)，把一系列坐標(biāo)連起來就會形成軌跡圖。
為了能夠形成一個封閉圖形，還需要知道繪制點(diǎn)什么時候會重新回到起點(diǎn)。想了一個辦法，以X軸正半軸為基準(zhǔn)線，每次繪制點(diǎn)到達(dá)基準(zhǔn)線，計(jì)算此時繪制點(diǎn)與起點(diǎn)的距離，達(dá)到一定精度認(rèn)為已經(jīng)回到起點(diǎn)，形成封閉圖形。
''' 計(jì)算兩點(diǎn)距離（平方和） '''
def get_instance(p1, p2):
return (p1[0] - p2[0]) * (p1[0] - p2[0]) + (p1[1] - p2[1]) * (p1[1] - p2[1])
'''
功能：
獲取繞點(diǎn)路徑的所有點(diǎn)的坐標(biāo)
入?yún)ⅲ?
center：外圓圓心
radius_A：外圓半徑
radius_B：內(nèi)圓半徑
radius_C：繞點(diǎn)半徑
shift_radian：每次偏移的弧度，默認(rèn)0.01，值越小，精度越高，計(jì)算量越大
'''
def get_points(center, radius_A, radius_B, radius_C, shift_radian=0.01):
# 轉(zhuǎn)為實(shí)數(shù)
radius_A *= 1.0
radius_B *= 1.0
radius_C *= 1.0
P2 = 2*math.pi # 一圈的弧度為 2PI
R_PER_ROUND = int(P2/shift_radian/4) + 1 # 一圈需要走多少步（弧度偏移多少次）
# 第一圈的起點(diǎn)坐標(biāo)
start_point = get_point_in_child_circle(center, radius_A, radius_B, radius_C, 0)
points = [start_point]
# 第一圈的路徑坐標(biāo)
for r in range(1, R_PER_ROUND):
points.append(get_point_in_child_circle(center, radius_A, radius_B, radius_C, shift_radian*r))
# 以圈為單位，每圈的起始弧度為 2PI*round，某圈的起點(diǎn)坐標(biāo)與第一圈的起點(diǎn)坐標(biāo)距離在一定范圍內(nèi)，認(rèn)為路徑結(jié)束
for round in range(1, 100):
s_radian = round*P2
s_point = get_point_in_child_circle(center, radius_A, radius_B, radius_C, s_radian)
if get_instance(s_point, start_point) < 0.1:
break
points.append(s_point)
for r in range(1, R_PER_ROUND):
points.append(get_point_in_child_circle(center, radius_A, radius_B, radius_C, s_radian + shift_radian*r))
return points
再加上繪制代碼，完整代碼如下：
# -*- coding: utf-8 -*-
import math
import random
'''
功能：
已知圓的圓心和半徑，獲取某弧度對應(yīng)的圓上點(diǎn)的坐標(biāo)
入?yún)ⅲ?
center：圓心
radius：半徑
radian：弧度
'''
def get_point_in_circle(center, radius, radian):
return (center[0] + radius * math.cos(radian), center[1] - radius * math.sin(radian))
'''
功能：
內(nèi)外圓A和B，內(nèi)圓A沿著外圓B的內(nèi)圈滾動，已知外圓圓心、半徑，已知內(nèi)圓半徑、公轉(zhuǎn)弧度，已知繞點(diǎn)半徑，計(jì)算繞點(diǎn)坐標(biāo)
入?yún)ⅲ?
center_A：外圓圓心
radius_A：外圓半徑
radius_B：內(nèi)圓半徑
radius_C：繞點(diǎn)半徑
radian：公轉(zhuǎn)弧度
'''
def get_point_in_child_circle(center_A, radius_A, radius_B, radius_C, radian):
# 計(jì)算內(nèi)圓圓心坐標(biāo)
center_B = get_point_in_circle(center_A, radius_A - radius_B, radian)
# 計(jì)算繞點(diǎn)弧度（公轉(zhuǎn)為逆時針，則自轉(zhuǎn)為順時針）
radian_C = 2.0*math.pi - ((radius_A / radius_B * radian) % (2.0*math.pi))
# 計(jì)算繞點(diǎn)坐標(biāo)
center_C = get_point_in_circle(center_B, radius_C, radian_C)
center_B_Int = (int(center_B[0]), int(center_B[1]))
return center_B_Int, center_C
''' 計(jì)算兩點(diǎn)距離（平方和） '''
def get_instance(p1, p2):
return (p1[0] - p2[0]) * (p1[0] - p2[0]) + (p1[1] - p2[1]) * (p1[1] - p2[1])
'''
功能：
獲取繞點(diǎn)路徑的所有點(diǎn)的坐標(biāo)
入?yún)ⅲ?
center：外圓圓心
radius_A：外圓半徑
radius_B：內(nèi)圓半徑
radius_C：繞點(diǎn)半徑
shift_radian：每次偏移的弧度，默認(rèn)0.01，值越小，精度越高，計(jì)算量越大
'''
def get_points(center_A, radius_A, radius_B, radius_C, shift_radian=0.01):
# 轉(zhuǎn)為實(shí)數(shù)
radius_A *= 1.0
radius_B *= 1.0
radius_C *= 1.0
P2 = 2*math.pi # 一圈的弧度為 2PI
R_PER_ROUND = int(P2/shift_radian) + 1 # 一圈需要走多少步（弧度偏移多少次）
# 第一圈的起點(diǎn)坐標(biāo)
start_center, start_point = get_point_in_child_circle(center_A, radius_A, radius_B, radius_C, 0)
points = [start_point]
centers = [start_center]
# 第一圈的路徑坐標(biāo)
for r in range(1, R_PER_ROUND):
center, point = get_point_in_child_circle(center_A, radius_A, radius_B, radius_C, shift_radian*r)
points.append(point)
centers.append(center)
# 以圈為單位，每圈的起始弧度為 2PI*round，某圈的起點(diǎn)坐標(biāo)與第一圈的起點(diǎn)坐標(biāo)距離在一定范圍內(nèi)，認(rèn)為路徑結(jié)束
for round in range(1, 100):
s_radian = round*P2
s_center, s_point = get_point_in_child_circle(center_A, radius_A, radius_B, radius_C, s_radian)
if get_instance(s_point, start_point) < 0.1:
break
points.append(s_point)
centers.append(s_center)
for r in range(1, R_PER_ROUND):
center, point = get_point_in_child_circle(center_A, radius_A, radius_B, radius_C, s_radian + shift_radian*r)
points.append(point)
centers.append(center)
print(len(points)/R_PER_ROUND)
return centers, points
import pygame
from pygame.locals import *
pygame.init()
screen = pygame.display.set_mode((600, 400))
clock = pygame.time.Clock()
color_black = (0, 0, 0)
color_white = (255, 255, 255)
color_red = (255, 0, 0)
color_yello = (255, 255, 0)
center = (300, 200)
radius_A = 150
radius_B = 110
radius_C = 50
test_centers, test_points = get_points(center, radius_A, radius_B, radius_C)
test_idx = 2
draw_point_num_per_tti = 5
while True:
for event in pygame.event.get():
if event.type==pygame.QUIT:
pygame.quit()
exit(0)
screen.fill(color_white)
pygame.draw.circle(screen, color_black, center, int(radius_A), 2)
if test_idx <= len(test_points):
pygame.draw.aalines(screen, (0, 0, 255), False, test_points[:test_idx], 1)
if test_idx < len(test_centers):
pygame.draw.circle(screen, color_black, test_centers[test_idx], int(radius_B), 1)
pygame.draw.aaline(screen, color_black, test_centers[test_idx], test_points[test_idx], 1)
test_idx = min(test_idx + draw_point_num_per_tti, len(test_points))
clock.tick(50)
pygame.display.flip()
效果：
以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。
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