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Python OpenGL绘制一场烟花盛会的代码

python 来源:互联网 作者:秩名 发布时间:2022-02-02 21:14:50 人浏览
摘要

忙碌了一年,今天终于放假了。原本打算好好休息一下,没成想只过了半天就觉得有点无聊。看家人和朋友们都在忙年,那我就用OpenGL导演一场烟花盛会,献给即将到来的新年吧。 一说

忙碌了一年,今天终于放假了。原本打算好好休息一下,没成想只过了半天就觉得有点无聊。看家人和朋友们都在忙年,那我就用OpenGL导演一场烟花盛会,献给即将到来的新年吧。

一说到OpenGL,很多人都会觉得复杂,其实不然。只要掌握了几个基本的概念,借助于工具软件,任何人都可以很轻松地上手。在制作烟花之前,我先介绍一下WxGL这个三维数据快速可视化工具。

 

1. 安装WxGL

WxGL是一个基于PyOpenGL的三维数据可视化库,以wx为显示后端,提供Matplotlib风格的交互式应用方式。WxGL也可以和wxPython无缝结合,在wx的窗体上绘制三维模型。使用pip命令即可快速安装WxGL及其所依赖的其他模块。

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pip install wxgl

 

2. 快速体验

下面这几行代码,绘制了一个中心在坐标原点半径为1的纯色圆球。忽略模块名的话,这些代码和Matplotlib的风格是完全一致的。

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>>> import wxgl.wxplot as plt

>>> plt.uvsphere((0,0,0), 1, color='cyan')

>>> plt.title('快速体验:$x^2+y^2=1$')

>>> plt.show()

生成一个地球模型是如此简单。

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>>> plt.uvsphere((0,0,0), 1, texture='res/earth.jpg', xflip=True, yflip=False)

>>> plt.show()

让地球自转,更是易如反掌。

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>>> plt.uvsphere((0,0,0), 1,

    texture='res/earth.jpg',

    xflip=True,

    yflip=False,

    transform = lambda tn,gms,tms : ((0, 1, 0, (0.01*tms)%360),)

)

>>> plt.show()

勾选“屏幕录制”,点击“播放”按钮,即可保存为gif文件或mp4/avi格式的视频文件。

这是代码中用的的地球纹理图片,可以直接下载使用。

 

3. 编写自己的着色器

WxGL不仅提供了线段、散点、曲面、三维等值面等一系列绘图函数,还支持用户定制着色器程序,以实现更复杂的功能。下面这个例子,用粒子技术模拟了烟花升空的过程。

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# -*- coding: utf-8 -*-

 

import numpy as np

import wxgl

import wxgl.wxplot as plt

 

def rise(n, pos, h, v, a, cycle):

    """烟花升空模型

     

    n       - 粒子数量

    pos     - 初始位置

    h       - 上升行程

    v       - 初始速度

    a       - 上升加速度

    cycle   - 循环周期

    """

     

    vshader_src = """

        #version 330 core

        in vec4 a_Position;

        in vec4 a_Color;

        in float a_Delay; // 粒子发射延迟时间(s)

        uniform float u_Ts; // 持续时间(s)

        uniform float u_V; // 初始速度

        uniform float u_A; // 上升加速度

        uniform mat4 u_MVPMatrix;

        out vec4 v_Color;

        out float v_Ts;

        void main() {

            float t = u_Ts - a_Delay;

            if (t < 0) t = 0;

             

            float s = u_V * t + 0.5 * u_A * t * t;

            gl_Position = u_MVPMatrix * vec4(a_Position.x, a_Position.y+s, a_Position.z, a_Position.w);

            gl_PointSize = 1;

            v_Color = a_Color;

            v_Ts = u_Ts;

        }

    """

     

    fshader_src = """

        #version 330 core

        in vec4 v_Color;

        uniform float u_Tmax;

        in float v_Ts;

        void main() {

            if(v_Ts > u_Tmax) discard;

             

            vec2 temp = gl_PointCoord - vec2(0.5);

            float f = dot(temp, temp);

            if(f > 0.25) discard;

             

            gl_FragColor = vec4(v_Color.rgb, 1);

        }

    """

     

    vs = np.array(pos) + (np.random.random((n,3)) - 0.5) * h/100

    color = np.tile(np.array((1.0,1.0,0.8)), (n,1))

    delay = np.float32(np.absolute(np.random.randn(n))) / 10

    tmax = (pow(v*v+2*a*h, 0.5)-v)/a + delay.max()

     

    m = wxgl.Model(wxgl.POINTS, vshader_src, fshader_src, sprite=True)

    m.set_vertex('a_Position', vs)

    m.set_color('a_Color', color)

    m.set_argument('a_Delay', delay)

    m.set_argument('u_Ts', lambda tn,gms,tms:(tms/1000)%cycle)

    m.set_argument('u_V', v)

    m.set_argument('u_A', a)

    m.set_argument('u_Tmax', tmax)

    m.set_mvp_matrix('u_MVPMatrix') # 设置模型矩阵、视点矩阵和投影矩阵

     

    return m

 

vs = np.array([

    [-1.5,2,1], [-1.5,0,1], [1.5,2,1], [1.5,0,1],

    [-1.5,2,-1], [-1.5,0,-1], [1.5,2,-1], [1.5,0,-1]])

vs = vs[[0,1,2,3,0,2,1,3,4,5,6,7,4,6,5,7,0,4,1,5,2,6,3,7]]

m = rise(n=500, pos=(0,0,0), h=1.5, v=2, a=-1.2, cycle=5)

 

plt.figure(zoom=0.7, elev=10)

plt.line(vs, color=(0,1,1), method='isolate') # 六面体线框,表示烟花燃放的空间

plt.model(m)

plt.show()

 

4. 绽放的烟花

只要理解了烟花升空的代码,很容易写出烟花在空中爆炸的着色器程序。下面的代码除了烟花升空的着色器,还提供了两种烟花爆炸的着色器,其中用到了一个纹理图片,可直接下载下面这张图使用。

如果将上面的纹理图片替换成文字,就可以在烟花爆炸的瞬间显示出文字了。WxGL提供了一个文本转PIL图形对象的函数,可以直接作为纹理使用。

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# -*- coding: utf-8 -*-

 

import numpy as np

import wxgl

import wxgl.wxplot as plt

 

def rise(n, pos, h, v, a, cycle):

    """烟花升空模型

     

    n       - 粒子数量

    pos     - 初始位置

    h       - 上升行程

    v       - 初始速度

    a       - 上升加速度

    cycle   - 循环周期

    """

     

    vshader_src = """

        #version 330 core

        in vec4 a_Position;

        in vec4 a_Color;

        in float a_Delay; // 粒子发射延迟时间(s)

        uniform float u_Ts; // 持续时间(s)

        uniform float u_V; // 初始速度

        uniform float u_A; // 上升加速度

        uniform mat4 u_MVPMatrix;

        out vec4 v_Color;

        out float v_Ts;

        void main() {

            float t = u_Ts - a_Delay;

            if (t < 0) t = 0;

             

            float s = u_V * t + 0.5 * u_A * t * t;

            gl_Position = u_MVPMatrix * vec4(a_Position.x, a_Position.y+s, a_Position.z, a_Position.w);

            gl_PointSize = 1;

            v_Color = a_Color;

            v_Ts = u_Ts;

        }

    """

     

    fshader_src = """

        #version 330 core

        in vec4 v_Color;

        uniform float u_Tmax;

        in float v_Ts;

        void main() {

            if(v_Ts > u_Tmax) discard;

             

            vec2 temp = gl_PointCoord - vec2(0.5);

            float f = dot(temp, temp);

            if(f > 0.25) discard;

             

            gl_FragColor = vec4(v_Color.rgb, 1);

        }

    """

     

    vs = np.array(pos) + (np.random.random((n,3)) - 0.5) * h/100

    color = np.tile(np.array((1.0,1.0,0.8)), (n,1))

    delay = np.float32(np.absolute(np.random.randn(n))) / 10

    tmax = (pow(v*v+2*a*h, 0.5)-v)/a + delay.max()

     

    m = wxgl.Model(wxgl.POINTS, vshader_src, fshader_src, sprite=True)

    m.set_vertex('a_Position', vs)

    m.set_color('a_Color', color)

    m.set_argument('a_Delay', delay)

    m.set_argument('u_Ts', lambda tn,gms,tms:(tms/1000)%cycle)

    m.set_argument('u_V', v)

    m.set_argument('u_A', a)

    m.set_argument('u_Tmax', tmax)

    m.set_mvp_matrix('u_MVPMatrix') # 设置模型矩阵、视点矩阵和投影矩阵

     

    return m, tmax

 

def bomb_1(n, pos, start, a, cycle):

    """烟花爆炸模型

     

    n       - 粒子数量

    pos     - 位置

    start   - 时间

    a       - 下降加速度

    cycle   - 循环周期

    """

     

    vshader_src = """

        #version 330 core

        in vec4 a_Position;

        in vec3 a_Data;

        uniform float u_Ts;

        uniform float u_Start;

        uniform float u_A;

        uniform mat4 u_MVPMatrix;

        out vec4 v_Color;

        out float v_Ts;

        void main() {

            float t = u_Ts - u_Start;

            if (t < 0) t = 0;

             

            float lat = radians((a_Data.x - 0.5) * 90);

            float lon = radians(a_Data.y * 360);

            float r = (a_Data.z * 0.3 + 0.7) * 0.3 * t * (1 + 0.3 * a_Position.z);

            float y = r * sin(lat) + a_Position.y - 0.5*u_A*t*t;

            float xz = r * cos(lat);

            float x = xz * cos(lon) + a_Position.x;

            float z = xz * sin(lon) + a_Position.z;

             

            gl_Position = u_MVPMatrix * vec4(x,y,z,a_Position.w);

            gl_PointSize = 3 * t;

            v_Ts = t;

             

            int i = gl_VertexID % 6;

            if (i == 0) v_Color = vec4(1,0,0,1);

            else if (i == 1) v_Color = vec4(0,1,0,1);

            else if (i == 2) v_Color = vec4(0,0,1,1);

            else if (i == 3) v_Color = vec4(1,1,0,1);

            else if (i == 4) v_Color = vec4(0,1,1,1);

            else v_Color = vec4(1,0,1,1);

        }

    """

     

    fshader_src = """

        #version 330 core

        in vec4 v_Color;

        in float v_Ts;

        void main() {

            if(v_Ts <= 0 || v_Ts > 2) discard;

             

            vec2 temp = gl_PointCoord - vec2(0.5);

            float f = dot(temp, temp);

            if(f > 0.25)  discard;

             

            //float alpha = v_Color.a * exp(1-30*f) * (4-v_Ts*v_Ts)/2;

            float alpha = v_Color.a * (1-4*f) * (4-v_Ts*v_Ts)/2;

            gl_FragColor = vec4(v_Color.rgb, alpha);

        }

    """

     

    vs = np.tile(np.array(pos), (n,1))

    data = np.float32(np.random.random((n,3)))

     

    m = wxgl.Model(wxgl.POINTS, vshader_src, fshader_src, sprite=True, opacity=False)

    m.set_vertex('a_Position', vs)

    m.set_argument('a_Data', data)

    m.set_argument('u_Start', start)

    m.set_argument('u_A', a)

    m.set_argument('u_Ts', lambda tn,gms,tms:(tms/1000)%cycle)

    m.set_mvp_matrix('u_MVPMatrix') # 设置模型矩阵、视点矩阵和投影矩阵

     

    return m

 

def bomb_2(pos, start, texture, a, size, cycle):

    """烟花爆炸模型

     

    pos     - 位置

    start   - 时间

    texture - 纹理

    a       - 下降加速度

    cycle   - 循环周期

    """

     

    vshader_src = """

        #version 330 core

        in vec4 a_Position;

        uniform float u_Ts;

        uniform float u_Start;

        uniform float u_A;

        uniform float u_Size;

        uniform mat4 u_MVPMatrix;

        out float v_Ts;

        void main() {

            float t = u_Ts - u_Start;

            if (t < 0) t = 0;

             

            if (t < 2) gl_PointSize = t * u_Size/2 * (1 + 0.3 * a_Position.z);

            else gl_PointSize = u_Size * (1 + 0.3 * a_Position.z);

             

            gl_Position = u_MVPMatrix * vec4(a_Position.x, a_Position.y-0.5*u_A*t*t, a_Position.z, a_Position.w);

            v_Ts = t;

        }

    """

     

    fshader_src = """

        #version 330 core

        uniform sampler2D u_Fireworks;

        in float v_Ts;

        void main() {

            if(v_Ts <= 0 || v_Ts > 2) discard;

             

            vec4 color = texture2D(u_Fireworks, gl_PointCoord);

            gl_FragColor = vec4(color.rgb, color.a*(4-v_Ts*v_Ts)/2);

        }

    """

     

    vs = np.array(pos).reshape(-1,3)

     

    m = wxgl.Model(wxgl.POINTS, vshader_src, fshader_src, sprite=True)

    m.set_vertex('a_Position', vs)

    m.set_argument('u_A', a)

    m.set_argument('u_Size',size)

    m.set_argument('u_Start', start)

    m.set_argument('u_Ts', lambda tn,gms,tms:(tms/1000)%cycle)

    m.add_texture('u_Fireworks', texture, wxgl.TEXTURE_2D, yflip=False)

    m.set_mvp_matrix('u_MVPMatrix') # 设置模型矩阵、视点矩阵和投影矩阵

     

    return m

 

if __name__ == '__main__':

    vs = np.array([[-1.5,2,1], [-1.5,0,1], [1.5,2,1], [1.5,0,1], [-1.5,2,-1], [-1.5,0,-1], [1.5,2,-1], [1.5,0,-1]])

    vs = vs[[0,1,2,3,0,2,1,3,4,5,6,7,4,6,5,7,0,4,1,5,2,6,3,7]]

     

    plt.figure(zoom=0.5, elev=10)

    plt.line(vs, color=(0,1,1,0), method='isolate') # 六面体线框,表示烟花燃放的空间

     

    # ------------------------------

    h, v, a, cycle = 1.7, 2.2, -1.2, 4

    for i, ch in enumerate('新春快乐'):

        x = -1.5 + i

        m1, start = rise(n=300, pos=(x,0,1), h=h, v=v, a=a, cycle=cycle)

        m2 = bomb_1(200, (x,h,1), start, a=0.1, cycle=cycle)

        m3 = bomb_2((x,h,1), start, wxgl.text2image(ch, 96, (1,0,0)), a=0.1, size=100, cycle=cycle)

        plt.model(m1)

        plt.model(m2)

        plt.model(m3)

     

    # -------------------------------

    for i in range(20):

        x, z = (np.random.random()-0.5)*4, (np.random.random()-0.5)*2

        h, v, a = 1.5+(np.random.random()-0.5)*0.4, 2.2, -1.2

        cycle = np.random.randint(4, 7)

        m1, start = rise(n=300, pos=(x,0,z), h=h, v=v, a=a, cycle=cycle)

        m2 = bomb_1(200, (x,h,z), start, a=0.1, cycle=cycle)

        plt.model(m1)

        plt.model(m2)

     

    # -------------------------------

    for i in range(20):

        x, z = (np.random.random()-0.5)*4, (np.random.random()-0.5)*2

        h, v, a = 1.5+(np.random.random()-0.5)*0.4, 2.3, -1.2

        cycle = np.random.randint(4, 7)

        m1, start = rise(n=300, pos=(x,0,z), h=h, v=v, a=a, cycle=cycle)

        m2 = bomb_2((x,h,z), start, 'res/fw.png', a=0.1, size=300, cycle=cycle)

        plt.model(m1)

        plt.model(m2)

     

    plt.show()   

最终的效果如下面的gif所示。


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原文链接 : https://blog.csdn.net/xufive/article/details/122743824
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