代碼也浪漫:用Python放一場煙花秀!

來源：集智小編? ? ? ? 鏈接：

https://jizhi.im/blog/post/py_make_fireworks

天天敲代碼的朋友，有沒有想過代碼也可以變得很酷炫又浪漫？今天就教大家用Python模擬出綻放的煙花，工作之余也可以隨時讓程序為自己放一場煙花秀。

這個有趣的小項目并不復雜，只需一點可視化技巧，100余行Python代碼和程序庫Tkinter，最后我們就能達到下面這個效果：

學完本教程后，你也能做出這樣的煙花秀。

整體概念梳理

我們的整個理念比較簡單。

如上圖示，我們這里通過讓畫面上一個粒子分裂為X數(shù)量的粒子來模擬爆炸效果。粒子會發(fā)生“膨脹”，意思是它們會以恒速移動且相互之間的角度相等。這樣就能讓我們以一個向外膨脹的圓圈形式模擬出煙花綻放的畫面。經(jīng)過一定時間后，粒子會進入“自由落體”階段，也就是由于重力因素它們開始墜落到地面，仿若綻放后熄滅的煙花。

基本知識：用Python和Tkinter設計煙花

這里不再一股腦把數(shù)學知識全丟出來，我們邊寫代碼邊說理論。首先，確保你安裝和導入了Tkinter，它是Python的標準 GUI 庫，廣泛應用于各種各樣的項目和程序開發(fā)，在Python中使用 Tkinter 可以快速的創(chuàng)建 GUI 應用程序。

import?tkinter?as?tk
from?PIL?import?Image,?ImageTk
from?time?import?time,?sleep
from?random?import?choice,?uniform,?randint
from?math?import?sin,?cos,?radians

除了Tkinter之外，為了能讓界面有漂亮的背景，我們也導入PIL用于圖像處理，以及導入其它一些包，比如time，random和math。它們能讓我們更容易的控制煙花粒子的運動軌跡。

Tkinter應用的基本設置如下：

root?=?tk.Tk()

為了能初始化Tkinter，我們必須創(chuàng)建一個Tk()根部件（root widget），它是一個窗口，帶有標題欄和由窗口管理器提供的其它裝飾物。該根部件必須在我們創(chuàng)建其它小部件之前就創(chuàng)建完畢，而且只能有一個根部件。

w?=?tk.Label(root,?text="Hello?Tkinter!")

這一行代碼包含了Label部件。該Label調(diào)用中的第一個參數(shù)就是父窗口的名字，即我們這里用的“根”。關鍵字參數(shù)“text”指明顯示的文字內(nèi)容。你也可以調(diào)用其它小部件：Button，Canvas等等。

w.pack()
root.mainloop()

接下來的這兩行代碼很重要。這里的打包方法是告訴Tkinter調(diào)整窗口大小以適應所用的小部件。窗口直到我們進入Tkinter事件循環(huán)，被root.mainloop()調(diào)用時才會出現(xiàn)。在我們關閉窗口前，腳本會一直在停留在事件循環(huán)。

將煙花綻放轉譯成代碼

現(xiàn)在我們設計一個對象，表示煙花事件中的每個粒子。每個粒子都會有一些重要的屬性，支配了它的外觀和移動狀況：大小，顏色，位置，速度等等。

'''
particles?類

粒子在空中隨機生成隨機，變成一個圈、下墜、消失

屬性:
????-?id:?粒子的id
????-?x,?y:?粒子的坐標
????-?vx,?vy:?在坐標的變化速度
????-?total:?總數(shù)
????-?age:?粒子存在的時長
????-?color:?顏色
????-?cv:?畫布
????-?lifespan:?最高存在時長

'''
class?part:

 ? ?def?__init__(self,?cv,?idx,?total,?explosion_speed,?x=0.,?y=0.,?vx?=?0.,?vy?=?0.,?size=2.,?color?=?'red',?lifespan?=?2,?**kwargs):
????????self.id?=?idx
????????self.x?=?x
????????self.y?=?y
????????self.initial_speed?=?explosion_speed
????????self.vx?=?vx
????????self.vy?=?vy
????????self.total?=?total
????????self.age?=?0self.color?=?color
????????self.cv?=?cv
????????self.cid?=?self.cv.create_oval(
????????????x?-?size,?y?-?size,?x?+?size,
????????????y?+?size,?fill=self.color)
????????self.lifespan?=?lifespan

如果我們回過頭想想最開始的想法，就會意識到必須確保每個煙花綻放的所有粒子必須經(jīng)過3個不同的階段，即“膨脹”“墜落”和“消失”。所以我們向粒子類中再添加一些運動函數(shù)，如下所示：

def?update(self,?dt):
????#?粒子膨脹if?self.alive()?and?self.expand():
????????move_x?=?cos(radians(self.id*360/self.total))*self.initial_speed
????????move_y?=?sin(radians(self.id*360/self.total))*self.initial_speed
????????self.vx?=?move_x/(float(dt)*1000)
????????self.vy?=?move_y/(float(dt)*1000)
????????self.cv.move(self.cid,?move_x,?move_y)

????#?以自由落體墜落
????elif?self.alive():
????????move_x?=?cos(radians(self.id*360/self.total))
????????#?we?technically?don't?need?to?update?x,?y?because?move?will?do?the?job
 ? ? ? ?self.cv.move(self.cid,?self.vx?+?move_x,?self.vy+GRAVITY*dt)
 ? ? ? ?self.vy?+=?GRAVITY*dt

????#?如果粒子的生命周期已過，就將其移除
????elif?self.cid?is?not?None:
????????cv.delete(self.cid)
????????self.cid?=?None

當然，這也意味著我們必須定義每個粒子綻放多久、墜落多久。這部分需要我們多嘗試一些參數(shù)，才能達到最佳視覺效果。

#?定義膨脹效果的時間幀
def?expand?(self):
????return?self.age?<=?1.2

#?檢查粒子是否仍在生命周期內(nèi)
def?alive(self):
????return?self.age?<=?self.lifespan

使用Tkinter模擬

現(xiàn)在我們將粒子的移動概念化，不過很明顯，一個煙花不能只有一個粒子，一場煙花秀也不能只有一個煙花。我們下一步就是讓Python和Tkinter以我們可控的方式向天上連續(xù)“發(fā)射”粒子。

到了這里，我們需要從操作一個粒子升級為在屏幕上展現(xiàn)多個煙花及每個煙花中的多個粒子。

我們的解決思路如下：創(chuàng)建一列列表，每個子列表是一個煙花，其包含一列粒子。每個列表中的例子有相同的x,y坐標、大小、顏色、初始速度。

numb_explode?=?randint(6,10)
#?為所有模擬煙花綻放的全部粒子創(chuàng)建一列列表
for?point?in?range(numb_explode):
????objects?=?[]
????x_cordi?=?randint(50,550)
????y_cordi?=?randint(50,?150)???????
????size?=?uniform?(0.5,3)
????color?=?choice(colors)
????explosion_speed?=?uniform(0.2,?1)
????total_particles?=?randint(10,50)
????for?i?in?range(1,total_particles):
????????r?=?part(cv,?idx?=?i,?total?=?total_particles,?explosion_speed?=?explosion_speed,?x?=?x_cordi,?y?=?y_cordi,?
????????color=color,?size?=?size,?lifespan?=?uniform(0.6,1.75))
????????objects.append(r)
explode_points.append(objects)

我們下一步就是確保定期更新粒子的屬性。這里我們設置讓粒子每0.01秒更新它們的狀態(tài)，在1.8秒之后停止更新（這意味著每個粒子的存在時間為1.6秒，其中1.2秒為“綻放”狀態(tài)，0.4秒為“墜落”狀態(tài)，0.2秒處于Tkinter將其完全移除前的邊緣狀態(tài)）。

total_time?=?.0
#?在1.8秒時間幀內(nèi)保持更新
while?total_time?1.8:
????sleep(0.01)
????tnew?=?time()
????t,?dt?=?tnew,?tnew?-?t
????for?point?in?explode_points:
????????for?part?in?point:
????????????part.update(dt)
????cv.update()
????total_time?+=?dt

現(xiàn)在，我們只需將最后兩個gist合并為一個能被Tkinter調(diào)用的函數(shù)，就叫它simulate()吧。該函數(shù)會展示所有的數(shù)據(jù)項，并根據(jù)我們設置的時間更新每個數(shù)據(jù)項的屬性。在我們的主代碼中，我們會用一個alarm處理模塊after()調(diào)用此函數(shù)，after()會等待一定的時間，然后再調(diào)用函數(shù)。

我們這里設置讓Tkinter等待100個單位（1秒鐘）再調(diào)取simulate。

if?__name__?==?'__main__':
????root?=?tk.Tk()
????cv?=?tk.Canvas(root,?height=600,?width=600)
????#?繪制一個黑色背景
????cv.create_rectangle(0,?0,?600,?600,?fill="black")
????cv.pack()

????root.protocol("WM_DELETE_WINDOW",?close)
????#?在1秒后才開始調(diào)用stimulate()
????root.after(100,?simulate,?cv)
????root.mainloop()

好了，這樣我們就用Python代碼放了一場煙花秀：

本文只一個簡單版本，等進一步熟悉Tkinter后，還可以添加更多顏色更漂亮的背景照片，讓代碼為你綻放更美的煙花！

以下是全部代碼：

import?tkinter?as?tk
from?PIL?import?Image,?ImageTk
from?time?import?time,?sleep
from?random?import?choice,?uniform,?randint
from?math?import?sin,?cos,?radians

#?模擬重力
GRAVITY?=?0.05
#?顏色選項（隨機或者按順序）
colors?=?['red',?'blue',?'yellow',?'white',?'green',?'orange',?'purple',?'seagreen',?'indigo',?'cornflowerblue']

'''
particles?類

粒子在空中隨機生成隨機，變成一個圈、下墜、消失

屬性:
????-?id:?粒子的id
????-?x,?y:?粒子的坐標
????-?vx,?vy:?在坐標的變化速度
????-?total:?總數(shù)
????-?age:?粒子存在的時長
????-?color:?顏色
????-?cv:?畫布
????-?lifespan:?最高存在時長

'''


class?Particle:

????def?__init__(self,?cv,?idx,?total,?explosion_speed,?x=0.,?y=0.,?vx=0.,?vy=0.,?size=2.,?color='red',?lifespan=2,
?????????????????**kwargs):
????????self.id?=?idx
????????self.x?=?x
????????self.y?=?y
????????self.initial_speed?=?explosion_speed
????????self.vx?=?vx
????????self.vy?=?vy
????????self.total?=?total
????????self.age?=?0self.color?=?color
????????self.cv?=?cv
????????self.cid?=?self.cv.create_oval(
????????????x?-?size,?y?-?size,?x?+?size,
????????????y?+?size,?fill=self.color)
????????self.lifespan?=?lifespan

????def?update(self,?dt):
????????self.age?+=?dt

????????#?粒子范圍擴大
 ? ? ? ?if?self.alive()?and?self.expand():
???????? ? ?move_x?=?cos(radians(self.id?*?360?/?self.total))?*?self.initial_speed
???????? ? ?move_y?=?sin(radians(self.id?*?360?/?self.total))?*?self.initial_speed
???????? ? ?self.cv.move(self.cid,?move_x,?move_y)
???????? ? ?self.vx?=?move_x?/?(float(dt)?*?1000)

????????#?以自由落體墜落
 ? ? ?  elif?self.alive():
???????? ? ?move_x?=?cos(radians(self.id?*?360?/?self.total))
???????? ? ?#?we?technically?don't?need?to?update?x,?y?because?move?will?do?the?job
 ? ? ? ? ? ?self.cv.move(self.cid,?self.vx?+?move_x,?self.vy?+?GRAVITY?*?dt)
???????? ? ?self.vy?+=?GRAVITY?*?dt

????????#?移除超過最高時長的粒子
 ? ? ? ?elif?self.cid?is?not?None:
???????? ? ?cv.delete(self.cid)
???????? ? ?self.cid?=?None

????#?擴大的時間
 ? ?def?expand?(self):
???? ? ?return?self.age?<=?1.2

????#?粒子是否在最高存在時長內(nèi)
 ? ?def?alive(self):
???? ? ?return?self.age?<=?self.lifespan

'''
循環(huán)調(diào)用保持不停
'''
def?simulate(cv):
????t?=?time()
????explode_points?=?[]
????wait_time?=?randint(10,?100)
????numb_explode?=?randint(6,?10)
????#?創(chuàng)建一個所有粒子同時擴大的二維列表
 ? ?for?point?in?range(numb_explode):
????????objects?=?[]
????????x_cordi?=?randint(50,?550)
????????y_cordi?=?randint(50,?150)
????????speed?=?uniform(0.5,?1.5)
????????size?=?uniform(0.5,?3)
????????color?=?choice(colors)
????????explosion_speed?=?uniform(0.2,?1)
????????total_particles?=?randint(10,?50)
????????for?i?in?range(1,?total_particles):
????????????r?=?Particle(cv,?idx=i,?total=total_particles,?explosion_speed=explosion_speed,?x=x_cordi,?y=y_cordi,
?????????????????????????vx=speed,?vy=speed,?color=color,?size=size,?lifespan=uniform(0.6,?1.75))
????????????objects.append(r)
????????explode_points.append(objects)

????total_time?=?.0
 ? ?#?1.8s內(nèi)一直擴大
 ? ?while?total_time?????????sleep(0.01)
????????tnew?=?time()
????????t,?dt?=?tnew,?tnew?-?t
????????for?point?in?explode_points:
???????? ? ?for?item?in?point:
????????????????item.update(dt)
????????cv.update()
????????total_time?+=?dt
????#?循環(huán)調(diào)用
????root.after(wait_time,?simulate,?cv)


def?close(*ignore):
 ? ?"""退出程序、關閉窗口"""
 ? ?global?root
????root.quit()


if?__name__?==?'__main__':
????root?=?tk.Tk()
????cv?=?tk.Canvas(root,?height=400,?width=600)
????#?選一個好看的背景會讓效果更驚艷！
????image?=?Image.open("./image.jpg")
????photo?=?ImageTk.PhotoImage(image)

????cv.create_image(0,?0,?image=photo,?anchor='nw')
????cv.pack()

????root.protocol("WM_DELETE_WINDOW",?close)
????root.after(100,?simulate,?cv)
????root.mainloop()

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