【manim】之圓規動畫

来源:https://www.cnblogs.com/wang_yb/archive/2023/01/31/17079903.html
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概要 前端時間做尺規作圖相關的動畫的時候,封裝了一個圓規的動畫,順便研究了下 manim 庫的動畫函數。 manim 本身就是做動畫的庫,所以,基於它封裝自定義的動畫非常方便。 動畫原理 對於單個的元素,manim本身就提供了非常多的動畫函數。 比如:創建/消除的動畫,移動元素的動畫,旋轉元素的動畫 ...


概要

前端時間做尺規作圖相關的動畫的時候,封裝了一個圓規的動畫,順便研究了下 manim 庫的動畫函數。

manim 本身就是做動畫的庫,所以,基於它封裝自定義的動畫非常方便。

動畫原理

對於單個的元素,manim本身就提供了非常多的動畫函數。
比如:創建/消除的動畫,移動元素的動畫,旋轉元素的動畫等等,具體可以參考: Animations

如果是做一些簡單的演示視頻的話,這些內置的動畫函數滿足要求綽綽有餘。
但是,對於多個元素聯動的動畫,則需要編寫各個元素之間的聯動規則,來封裝符合要求的動畫。

下麵以圓規動畫為例,演示多元素動畫如何封裝。

圓規動畫目的還是畫出一個 圓弧,只是在繪製的圓弧的過程中展示了圓弧的起點,終點以及連接起點終點之間的線。
這樣,實際使用圓規作圖的時候,可以更好的理解 圓弧是如何畫出來的。

函數的簽名如下:


def ruler(sc: Scene, p1, p2, angle=PI, axis=OUT):
    """
    圓規動畫


    Parameters
    ---------
    sc
        繪製動畫的場景
    p1
        代表圓規的針,繪製時不動的點
    p2
        代表圓規的筆芯,繪製圓弧的點
    angle
        繪製圓弧的角度,預設PI,相當於繪製半個圓
    axis
        只有2個值 IN/OUT,分別表示順時針還是逆時針作弧
    """
    # 省略。。。
    return arc

各個參數的含義參見註釋。

實現動畫的思路如下:

  1. 構建3個元素,也就是d1(根據參數中p1坐標繪製的點),d2(根據參數中p2坐標繪製的點)以及 dl(連接p1和p2的虛線)
  2. 設置dl的動畫,隨著 d1d2變化不斷重新繪製(這裡 d1其實是不會變的)
  3. 再設置圓弧的動畫,隨著 d2的變動,不斷繪製新的圓弧
  4. 通過 manim自帶的動畫函數讓 d2先動,其他動畫則會隨之一起
  5. 最後刪除不必要的元素,只保留圓弧在 場景(sc)中
def ruler(sc: Scene, p1, p2, angle=PI, axis=OUT):
    """
    圓規動畫


    Parameters
    ---------
    sc
        繪製動畫的場景
    p1
        代表圓規的針,繪製時不動的點
    p2
        代表圓規的筆芯,繪製圓弧的點
    angle
        繪製圓弧的角度,預設PI,相當於繪製半個圓
    axis
        只有2個值 IN/OUT,分別表示順時針還是逆時針作弧
    """
    d1 = Dot(point=p1, color=RED)
    d2 = Dot(point=p2, color=GREEN)
    dl = DashedLine(d1.get_center(), d2.get_center())

    r = np.linalg.norm(p2 - p1)
    arc = ArcBetweenPoints(p2, p2)

    dl.add_updater(lambda z: z.become(DashedLine(d1.get_center(), d2.get_center())))
    if np.array_equal(axis, OUT):
        arc.add_updater(
            lambda z: z.become(
                ArcBetweenPoints(p2, d2.get_center(), radius=r, stroke_color=GREEN)
            )
        )
    if np.array_equal(axis, IN):
        arc.add_updater(
            lambda z: z.become(
                ArcBetweenPoints(d2.get_center(), p2, radius=r, stroke_color=GREEN)
            )
        )

    sc.add(d1, d2, dl, arc)
    sc.play(
        Rotate(
            d2,
            about_point=d1.get_center(),
            axis=axis,
            angle=angle,
            rate_func=linear,
        )
    )

    arc.clear_updaters()
    dl.clear_updaters()
    sc.remove(d1, d2, dl)
    return arc

動畫效果

封裝之後,使用起來非常簡單:

# -*- coding: utf-8 -*-
from manim import *
import numpy as np


class Sample(Scene):
    def construct(self):
        ruler(self, np.array([-1, 0, 0]), np.array([-1, 1, 0]))
        ruler(self, np.array([1, 0, 0]), np.array([1, 1, 0]), axis=IN)
        self.wait()

上面演示了逆時針(預設是逆時針)和順時針方式繪製半圓。
out.gif

各個元素的顏色等相關屬性,沒有暴露到函數參數中,可以直接在代碼中修改。
這裡主要演示如何基於 manim製作多元素動畫的。


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