元宵节就要到了，手把手教你用Python打造一款3D花灯

我就是我 2022-11-04 14:22 225阅读 0赞

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今

日

鸡

汤

独有宦游人，偏惊物候新。

# 1 前言 #

说起元宵节，各位有没有觉得这是咱们中国人最浪漫的节日呢？国人向来拘谨古板，一年到头都是小心谨慎地过日子，唯有元宵节这天可以纵情豪放一把。东风夜放花千树，宝马雕车香满路，火树银花霓虹闪烁，豪车遍地美女如云。细品，你甚至都能嗅到香奈儿的味道！月上柳梢头，人约黄昏后，这又是何等的浪漫！比起烛光晚宴、鲜花加持，这份浪漫更显纯真。晚至明清，民间元宵节的喜庆气氛，堪比西班牙的奔牛节、巴西的狂欢节、泰国的泼水节。

由于众所周知的原因，估计今年的趵突泉元宵节灯会又要黄了。去哪儿体验“花市灯如昼”的节日气氛呢？Don't worry，没有什么事能够难倒程序员——用3D技术也可以做出下图这样的走马灯，算是聊胜于无吧。

![在这里插入图片描述][a3b7df72ffefc34402df85b05442c4c0.gif]

# 2 原材料 #

## 2.1 花灯纸 ##

如下所示，还可以加上自己喜欢的图案、文字等。

![8526f95b50ab42ff8202e072ab0042f7.png][]

## 2.2 Python环境和模块 ##

一台安装了Python环境的电脑，Python环境需要安装以下模块。

*  numpy
 *  pillow
 *  wxgl

如果没有上述模块，请参考下面的命令安装。

pip install numpy
    pip install pillow
    pip install wxgl

NumPy和pillow是Python旗下最常用的科学计算库和图像处理库，属于常用模块。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风格的交互式应用模式，同时，也可以和wxPython无缝结合，在wx的窗体上绘制三维模型。关于WxGL的更多信息，请参阅我的另一篇博客《十分钟玩转3D绘图：WxGL完全手册》。

# 3 制作工序 #

花灯制作工序非常简单，只需要三十行代码，可以直接在Python IDLE中以交互方式逐行执行。

## 3.1 导入模块 ##

>>> import numpy as np
    >>> from PIL import Image
    >>> import wxgl.wxplot as plt

## 3.2 打开花灯纸图像 ##

>>> fn = r'D:\temp\light0115\res\paper.png'
    >>> im = np.array(Image.open(fn))/255
    >>> im.shape
    (400, 942, 3)

fn定义的是图像存储路径，请据实修改。Image.open(fn)打开文件，返回一个PIL对象，np.array()将PIL对象转成numpy.ndarray数组对象。除以255，将图像数据从0到255的值域范围变成0到1，适应WxGL的接口要求。查看数组的shape，显示图像分辨率为400像素高、942像素宽，每个像素有三种颜色（此处为RGB）。

## 3.3 根据花灯纸的大小制作龙骨 ##

纸长942像素，卷成圆筒，半径就是149.9像素，如果把半径视为1个单位，则高度400像素相当于2.668个单位。

>>> rows, cols, deep = im.shape
    >>> cols/(2*np.pi)
    149.9239563925654
    >>> r = 1
    >>> h = 2*np.pi*rows/cols
    >>> h
    2.6680192387174464

接下来需要制作半径1个单位、高度2.668个单位的圆筒状龙骨了。

>>> theta = np.linspace(0, 2*np.pi, cols)
    >>> x = r * np.cos(theta)
    >>> y = r * np.sin(theta)
    >>> z = np.linspace(0, h, rows)
    >>> xs = np.tile(x, (rows,1))
    >>> ys = np.tile(y, (rows,1))
    >>> zs = z.repeat(cols).reshape((rows,cols))

这里的xs、ys、zs就是圆筒状龙骨上各个点的x坐标、y坐标、z坐标。下面的代码，每隔10个点抽取1个点，用mesh的方法画出龙骨形状。当然，也可以画出全部的点，那样顶点就会连成一片。

>>> plt.mesh(xs[::10,::10], ys[::10,::10], zs[::10,::10], mode='FLBL')
    >>> plt.show()

用3D的方式画出来的龙骨，效果如下。

![在这里插入图片描述][41a799cfbf16d0a6259e01f9b007274b.png]

## 3.4 给龙骨贴上花灯纸 ##

有了龙骨，接下来就可以把花灯纸贴在龙骨上了。继续操作之前，记得先把刚才弹出的3D龙骨窗口关闭。

>>> plt.mesh(xs, ys, zs, im)
    >>> plt.show()

不过，你会立刻发现，花灯纸上下方向贴反了。没关系，我们可以像下面这样反转方向。

>>> plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1])
    >>> plt.show()

怎么样，是不是有一点走马灯的雏形了呢？

![在这里插入图片描述][fc3010f0981a3af0fc74cc9a21ca2d4a.png]

## 3.5 制作旋转叶轮 ##

走马灯之所以能够转动，是因为里面有蜡烛加热形成上升气流，推动顶部的叶轮旋转，从而带动花灯旋转。当然，这里的叶轮仅仅是个样子，花灯旋转依赖另外的机制实现。

>>> theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 18, endpoint=False)
    >>> x = r * np.cos(theta)
    >>> y = r * np.sin(theta)
    >>> x[2::3] = x[1::3]
    >>> x[1::3] = 0
    >>> y[2::3] = y[1::3]
    >>> y[1::3] = 0
    >>> z = np.ones(18) * h * 0.9
    >>> vs = np.stack((x,y,z), axis=1)
    >>> plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1])
    >>> plt.surface(vs, color='#C03000', method='T', mode='FCBC', alpha=0.8)
    >>> plt.show()

叶轮设计有6片，用三角形模拟，颜色深红，透明度0.8，整体效果略显粗糙了一点。

![在这里插入图片描述][1e5d5f4daccc78761b822af9f65e4365.png]

## 3.6 加上照明灯和提系 ##

照明灯用一个白色的圆球表示，提系则是红色的一条直线，兼做照明灯的电源线。

>>> plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1])
    >>> plt.surface(vs, color='#C03000', method='T', mode='FCBC', alpha=0.8)
    >>> plt.sphere((0,0,h*0.4), 0.4, '#FFFFFF', slices=60, mode='FCBC')
    >>> plt.plot((0,0), (0,0), (0.4*h, 1.5*h), width=3.0, style='solid', cmap='hsv', caxis='z')

## 3.7 让花灯转起来 ##

花灯旋转的实现非常简单，只需要给show方法一个rotation参数就可以。

plt.show(rotation='h-')

最终的花灯效果如下。

![在这里插入图片描述][e31c97c874b6e11d746228a5c1eafa69.png]

# 4 完整源代码 #

有了上面的解说，完整的源代码就不用注释了。全部代码三十余行，各位可自行扩展，制作出更多的花灯来。

# -*- coding: utf-8 -*-
    
    import numpy as np
    from PIL import Image
    import wxgl.wxplot as plt
    
    im = np.array(Image.open('res/paper.png'))/255
    rows, cols, deep = im.shape
    
    r, h = 1, 2*np.pi*rows/cols
    theta = np.linspace(0, 2*np.pi, cols)
    x = r*np.cos(theta)
    y = r*np.sin(theta)
    z = np.linspace(0, h, rows)
    xs = np.tile(x, (rows,1))
    ys = np.tile(y, (rows,1))
    zs = z.repeat(cols).reshape((rows,cols))
    
    theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 18, endpoint=False)
    x = r*np.cos(theta)
    y = r*np.sin(theta)
    x[2::3] = x[1::3]
    x[1::3] = 0
    y[2::3] = y[1::3]
    y[1::3] = 0
    z = np.ones(18) * h * 0.9
    vs = np.stack((x,y,z), axis=1)
    
    plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1])
    plt.surface(vs, color='#C03000', method='T', mode='FCBC', alpha=0.8)
    plt.sphere((0,0,h*0.4), 0.4, '#FFFFFF', slices=60, mode='FCBC')
    plt.plot((0,0), (0,0), (0.4*h, 1.5*h), width=3.0, style='solid', cmap='hsv', caxis='z')
    plt.show(rotation='h-')

**---\--\---\---\---\--\---** End **---\--\---\--\---\---\--\-**

![510fda50bd4dcff7217aa6111a200023.png][]

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[Python_Excel_CSV]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU3MzQxMjE2NA%3D%3D&chksm=fcc0aef9cbb727ef4c24528f53dda6190967df92d93fdc3dd048192481322a9e121c49a3efa4&idx=1&mid=2247493842&scene=21&sn=41f45474f977e1b08ed7efbc012b9281#wechat_redirect
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