Python利用3D引擎做一個(gè)太陽系行星模擬器

更新時(shí)間：2023年01月06日 16:23:08 作者：Leleprogrammer

Python有一個(gè)不錯(cuò)的3D引擎——Ursina。本文就來利用Ursina這一3D引擎做一個(gè)太陽系行星模擬器，感興趣的小伙伴可以跟隨小編一起學(xué)習(xí)一下

這次，我們再來用Ursina引擎來做一個(gè)太陽系行星模擬器吧！

想要了解Ursina 3D引擎的基本使用方法的話，查看我的另一篇文章：詳解Python 3D引擎Ursina如何繪制立體圖形

這一次，我們要實(shí)現(xiàn)的效果如下

首先，送上本次需要用到的資源

Earth.jpg

Jupiter.jpg

Mars.jpg

Mercury.jpg

Neptune.jpg

Saturn.jpg

Sun.jpg

Uranus.jpg

Venus.jpg

現(xiàn)在，就開始寫代碼吧！

首先，導(dǎo)入我們需要的模塊，導(dǎo)入3D引擎ursina，數(shù)學(xué)庫math，ursina中自帶的第一人稱，sys，random隨機(jī)庫

from ursina import *
from math import *
from ursina.prefabs.first_person_controller import FirstPersonController
import sys
import random as rd

然后，創(chuàng)建app

app=Ursina()

將窗口設(shè)置為全屏，并設(shè)置背景顏色

window.fullscreen=True
window.color=color.black

定義一個(gè)列表，來儲存生成的星

planets=[]

引入所有星球的材質(zhì)

sun_texture=load_texture("texture/Sun.png")
mercury_texture=load_texture("texture/Mercury.png")
venus_texture=load_texture("texture/Venus.png")
earth_texture=load_texture("texture/Earth.png")
mars_texture=load_texture("texture/Mars.png")
jupiter_texture=load_texture("texture/Jupiter.png")
saturn_texture=load_texture("texture/Saturn.png")
uranus_texture=load_texture("texture/Uranus.png")
neptune_texture=load_texture("texture/Neptune.png")

創(chuàng)建一個(gè)類Planet，繼承自實(shí)體Entity，傳入_type是星的類型，pos是位置，scale是縮放

angle：每次更新的時(shí)候行星圍繞太陽轉(zhuǎn)的弧度

fastMode的值為1或0，表示是否讓行星圍繞太陽公轉(zhuǎn)速度增加到200倍

rotation：星球傾斜度，這里我們隨機(jī)生成

rotspeed：星球自轉(zhuǎn)的速度

rotMode：表示沿著xyz軸的其中一條進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，自動(dòng)選擇

_type存儲星球類型

texture則是材質(zhì)，通過eval獲得該變量

然后進(jìn)行超類的初始化，model是sphere，也就是球體形狀，texture表示貼圖，color顏色設(shè)置為white，position傳入坐標(biāo)

定義turn方法，傳入angle，只要不是太陽，就進(jìn)行自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)操作，如果是快速模式，則速度增加到200倍，然后計(jì)算得出新的xy坐標(biāo)，并用exec進(jìn)行自傳操作

最后定義input方法，接受用戶輸入，注意，這里方法名必須用input，因?yàn)樗窍到y(tǒng)自動(dòng)調(diào)用的，它總會(huì)向其傳入一個(gè)參數(shù)，為按下的按鍵名字，我們就進(jìn)行判斷，如果按下回車，則進(jìn)行快速模式和普通模式間的切換

class Planet(Entity):
    def __init__(self,_type,pos,scale=2):
        self.angle=rd.uniform(0.0005,0.01)
        self.fastMode=0
        self.rotation=(rd.randint(0,360) for i in range(3))
        self.rotspeed=rd.uniform(0.25,1.5)
        self.rotMode=rd.choice(["x","y","z"])
        self._type=_type
        texture=eval(f"{_type}_texture")
        super().__init__(model="sphere",
                         scale=scale,
                         texture=texture,
                         color=color.white,
                         position=pos)
 
    def turn(self,angle):
        if self._type!="sun":
            if self.fastMode:
                angle*=200
            self.x=self.x*cos(radians(angle))-self.y*sin(radians(angle))
            self.y=self.x*sin(radians(angle))+self.y*cos(radians(angle))
            exec(f"self.rotation_{self.rotMode}+=self.rotspeed")
 
    def input(self,key):
        if key=="enter":
            self.fastMode=1-self.fastMode

接下來，我們定義Player類，繼承自FirstPersonController

為什么不直接用FirstPersonController呢？

因?yàn)閡rsina自帶的FirstPersonController自帶重力，我們這里只是作為第一人稱的視角使用，不需要重力，然后還有一些功能我們不需要用到，所以我們就寫一個(gè)類繼承下來，然后重寫它的一部分代碼即可。首先，引入全局變量planets，超類初始化，視野設(shè)置為90，將初始位置設(shè)置為地球的位置，重力（gravity）設(shè)置為0，表示沒有重力，vspeed表示上升下降時(shí)的速度，speed表示水平方向移動(dòng)的速度，mouse_sensitivity是鼠標(biāo)靈敏度，需要用Vec2的形式，注意，上面除了vspeed變量可以自己命名，其它的都不可以修改。接下來，重寫input，只接收esc按鍵的信息，當(dāng)我們按下esc時(shí)，如果鼠標(biāo)為鎖定，則釋放，如果已經(jīng)釋放，則退出程序。然后創(chuàng)建_update方法，這里我們不重寫ursina自動(dòng)調(diào)用的update方法，因?yàn)橄到y(tǒng)代碼里面，update方法還有很多操作，如果我們要重寫的話，可能還要加上把系統(tǒng)代碼復(fù)制過來，代碼過于繁瑣，這里我們自己定義一個(gè)名字，在接下來會(huì)講到的代碼中自己調(diào)用它，在該方法中，監(jiān)聽鼠標(biāo)左鍵、左shift和空格的事件，空格原本是跳躍，這里我們設(shè)置為上升，系統(tǒng)代碼是在input中接收空格鍵的信息的，我們已經(jīng)重寫過了，所以這里不會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)代碼的跳躍方法。

這里講一下input和update中進(jìn)行按鍵事件監(jiān)聽操作的不同，input每次只接收一個(gè)按鍵，而且，如果我們一個(gè)按鍵一直按下，它不會(huì)一直觸發(fā)，只會(huì)觸發(fā)一次，然后等到該按鍵釋放，才會(huì)重新對該按鍵進(jìn)行監(jiān)聽；update相當(dāng)于主循環(huán)，在任何于ursina有關(guān)的地方（比如繼承自Entity、Button這樣的類，或者是主程序）寫update方法，ursina都會(huì)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)用，我們不需要手動(dòng)調(diào)用它，在update方法中監(jiān)聽事件，我們用到了held_keys，不難發(fā)現(xiàn)，held_keys有多個(gè)元素，只要按下就為True，所以每次運(yùn)行到這里，只要按鍵按下，就執(zhí)行，而input傳入的key本身就是一個(gè)元素，所以只有一個(gè)，我們按下esc的操作不能連續(xù)調(diào)用，所以用input，其它移動(dòng)玩家的代碼時(shí)可以重復(fù)執(zhí)行的，所以寫在update（應(yīng)該說是用held_keys）中。

class Player(FirstPersonController):
    def __init__(self):
        global planets
        super().__init__()
        camera.fov=90
        self.position=planets[3].position
        self.gravity=0
        self.vspeed=2
        self.speed=600
        self.mouse_sensitivity=Vec2(160,160)
        self.on_enable()
 
    def input(self,key):
        if key=="escape":
            if mouse.locked:
                self.on_disable()
            else:
                sys.exit()
 
    def _update(self):
        if held_keys["left mouse"]:
            self.on_enable()
        if held_keys["left shift"]:
            self.y-=self.vspeed
        if held_keys["space"]:
            self.y+=self.vspeed

然后在主程序中寫update方法，并在其中調(diào)用我們剛剛寫的player中的_update方法，再對星球進(jìn)行自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)操作

def update():
    global planets,player
    for planet in planets:
        planet.turn(planet.angle)
    player._update()

接下來，我們定義兩個(gè)列表，分別表示星球名稱和星球的大小，其實(shí)在實(shí)際的大小比例中，和這個(gè)相差很多，如果地球是1，太陽則大約為130000，木星和圖形分別為1500多和700多，這樣相差太大，做在程序里看起來很不尋常，所以我們這里對大多數(shù)星球的大小進(jìn)行放大縮小，把它們大小的相差拉近點(diǎn)。然后遍歷并繪制，每顆星球的間隔為前一個(gè)的10倍

ps=["sun","mercury","venus","earth","mars","jupiter","saturn","uranus","neptune"]
cp=[200,15,35,42,20,160,145,90,80]
x,y,z=0,0,0
for i,p in enumerate(ps):
    newPlanet=Planet(p,(x,y,z),cp[i])
    planets.append(newPlanet)
    x+=cp[i]*10

最后實(shí)例化player，并運(yùn)行app

player=Player()
 
if __name__ == '__main__':
    app.run()

然后就能實(shí)現(xiàn)文章前面展示的效果啦~

最后，附上代碼

from ursina import *
from math import *
from ursina.prefabs.first_person_controller import FirstPersonController
import sys
import random as rd
 
app=Ursina()
window.fullscreen=True
window.color=color.black
 
planets=[]
 
class Planet(Entity):
    def __init__(self,_type,pos,scale=2):
        self.angle=rd.uniform(0.0005,0.01)
        self.fastMode=0
        self.rotation=(rd.randint(0,360) for i in range(3))
        self.rotspeed=rd.uniform(0.25,1.5)
        self.rotMode=rd.choice(["x","y","z"])
        self._type=_type
        texture=eval(f"{_type}_texture")
        super().__init__(model="sphere",
                         scale=scale,
                         texture=texture,
                         color=color.white,
                         position=pos)
 
    def turn(self,angle):
        if self._type!="sun":
            if self.fastMode:
                angle*=200
            self.x=self.x*cos(radians(angle))-self.y*sin(radians(angle))
            self.y=self.x*sin(radians(angle))+self.y*cos(radians(angle))
            exec(f"self.rotation_{self.rotMode}+=self.rotspeed")
 
    def input(self,key):
        if key=="enter":
            self.fastMode=1-self.fastMode
 
class Player(FirstPersonController):
    def __init__(self):
        global planets
        super().__init__()
        camera.fov=90
        self.position=planets[3].position
        self.gravity=0
        self.vspeed=2
        self.speed=600
        self.mouse_sensitivity=Vec2(160,160)
        self.on_enable()
 
    def input(self,key):
        if key=="escape":
            if mouse.locked:
                self.on_disable()
            else:
                sys.exit()
 
    def _update(self):
        if held_keys["left mouse"]:
            self.on_enable()
        if held_keys["left shift"]:
            self.y-=self.vspeed
        if held_keys["space"]:
            self.y+=self.vspeed
 
def update():
    global planets,player
    for planet in planets:
        planet.turn(planet.angle)
    player._update()
 
sun_texture=load_texture("texture/Sun.png")
mercury_texture=load_texture("texture/Mercury.png")
venus_texture=load_texture("texture/Venus.png")
earth_texture=load_texture("texture/Earth.png")
mars_texture=load_texture("texture/Mars.png")
jupiter_texture=load_texture("texture/Jupiter.png")
saturn_texture=load_texture("texture/Saturn.png")
uranus_texture=load_texture("texture/Uranus.png")
neptune_texture=load_texture("texture/Neptune.png")
 
ps=["sun","mercury","venus","earth","mars","jupiter","saturn","uranus","neptune"]
cp=[200,15,35,42,20,160,145,90,80]
x,y,z=0,0,0
for i,p in enumerate(ps):
    newPlanet=Planet(p,(x,y,z),cp[i])
    planets.append(newPlanet)
    x+=cp[i]*10
 
player=Player()
 
if __name__ == '__main__':
    app.run()

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