python之用Numpy和matplotlib畫一個魔方
瞎鼓搗系列~
Numpy + matplotlib 畫一個魔方
前言
NumPy是Python科學(xué)計算的基本包。它是一個Python庫，提供了多維數(shù)組對象、各種派生對象(如掩碼數(shù)組和矩陣)，以及用于對數(shù)組進行快速操作的各種例程，包括數(shù)學(xué)、邏輯、形狀操作、排序、選擇、I/O、離散傅里葉變換、基本線性代數(shù)、基本的統(tǒng)計運算，隨機模擬等等。
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官方文檔
最近項目中有個碼垛規(guī)劃的需求，Numpy中的三維數(shù)組特別好用，就鼓搗了一下。
然后我看到桌子上兩年前買的魔方，好久沒玩兒過了。頭腦一熱，就想用Numpy畫個魔方出來！
開搞！
這里選擇使用Matplotlib作為可視化工具
Matplotlib GitHub
Matplotlib 官方文檔
構(gòu)建體素
為了制作魔方，主要用到Matplotlib中的一個函數(shù)voxels
voxels([x, y, z, ]/, filled, facecolors=None, edgecolors=None, **kwargs) 繪制一組填充體素 所有體素在坐標(biāo)軸上繪制為1x1x1立方體，filled[0, 0, 0]的lower corner位于原點。被遮擋的面不再繪制。
以3x3x3魔方為例：
import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np # 準(zhǔn)備一組體素坐標(biāo) n_voxels = np.ones((3, 3, 3), dtype=bool) # 繪制 ax = plt.figure().add_subplot(projection='3d') ax.voxels(n_voxels) plt.show()
可以看到，雖然出現(xiàn)了3x3x3個體素，但是體素與體素之間的沒有間隙，看起來不是很美觀。
制作間隙效果
為了讓體素與體素之間有間隙，可以對3x3x3的體素進行上采樣，即構(gòu)建一個5x5x5的體素，這樣在每一個維度，讓處于兩個體素中間的體素不顯示，即可產(chǎn)生間隙的效果。
size = np.array(n_voxels.shape) * 2 filled_2 = np.zeros(size - 1, dtype=n_voxels.dtype) filled_2[::2, ::2, ::2] = n_voxels ax = plt.figure().add_subplot(projection='3d') ax.voxels(filled_2) plt.show()
這樣間隙有了，但是間隙太大了，此時可以使用voxels函數(shù)的可選參數(shù)[x, y, z]控制每一個voxel的頂點位置，進而控制間隙的大小
# 縮小間隙 # 構(gòu)建voxels頂點控制網(wǎng)格 # x, y, z均為6x6x6的矩陣，為voxels的網(wǎng)格 # //2是為了，把索引范圍從[0 1 2 3 4 5]轉(zhuǎn)換為[0 0 1 1 2 2],這樣x,y,z范圍就回到了0~3 x, y, z = np.indices(np.array(filled_2.shape) + 1).astype(float) // 2 x[1::2, :, :] += 0.95 y[:, 1::2, :] += 0.95 z[:, :, 1::2] += 0.95
這樣間隙就看起來差不多了，接下來就是為魔方的六個面添加顏色了。
為每個面賦不同的顏色
由于只能給每個體素整體一個顏色，不能對一個體素的不同面指定不同的顏色，所以為了實現(xiàn)六個面不同顏色，只能將3x3x3的矩陣改為5x5x5，將最外邊的那一層體素厚度設(shè)小一點，近似于面，然后賦顏色。
import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np # 準(zhǔn)備一些坐標(biāo) n_voxels = np.ones((5, 5, 5), dtype=bool) # 生成間隙 size = np.array(n_voxels.shape) * 2 filled_2 = np.zeros(size - 1, dtype=n_voxels.dtype) filled_2[::2, ::2, ::2] = n_voxels # 縮小間隙 # 構(gòu)建voxels頂點控制網(wǎng)格 # x, y, z均為6x6x8的矩陣，為voxels的網(wǎng)格，3x3x4個小方塊，共有6x6x8個頂點。 # 這里//2是精髓，把索引范圍從[0 1 2 3 4 5]轉(zhuǎn)換為[0 0 1 1 2 2],這樣就可以單獨設(shè)立每個方塊的頂點范圍 x, y, z = np.indices(np.array(filled_2.shape) + 1).astype(float) //2 # 3x6x6x8，其中x,y,z均為6x6x8 x[1::2, :, :] += 0.95 y[:, 1::2, :] += 0.95 z[:, :, 1::2] += 0.95 # 修改最外面的體素的厚度，作為六個面來使用 x[0, :, :] += 0.94 y[:, 0, :] += 0.94 z[:, :, 0] += 0.94 x[-1, :, :] -= 0.94 y[:, -1, :] -= 0.94 z[:, :, -1] -= 0.94 # 去除邊角料 filled_2[0, 0, :] = 0 filled_2[0, -1, :] = 0 filled_2[-1, 0, :] = 0 filled_2[-1, -1, :] = 0 filled_2[:, 0, 0] = 0 filled_2[:, 0, -1] = 0 filled_2[:, -1, 0] = 0 filled_2[:, -1, -1] = 0 filled_2[0, :, 0] = 0 filled_2[0, :, -1] = 0 filled_2[-1, :, 0] = 0 filled_2[-1, :, -1] = 0
然后就是給六個面賦不同的顏色了。
六個方向表示：上(up)、下(down)、左(left)、右(right)、前(front)、后(back)
六種顏色表示：黃色(yellow)、白色(white)、橙色(orange)、紅色(red)、藍色(blue)、綠色(green)
初始的魔方組成形式為：上黃，下白，左橙，右紅，前藍，后綠。
參考：顏色大全https://www.5tu.cn/colors/yansebiao.html
# 給魔方六個面賦予不同的顏色 colors = np.array(['#ffd400', "#fffffb", "#f47920", "#d71345", "#145b7d", "#45b97c"]) facecolors = np.full(filled_2.shape, '#77787b') # 設(shè)一個灰色的基調(diào) facecolors[:, :, -1] = colors[0] facecolors[:, :, 0] = colors[1] facecolors[:, 0, :] = colors[2] facecolors[:, -1, :] = colors[3] facecolors[0, :, :] = colors[4] facecolors[-1, :, :] = colors[5]
完整代碼
完整 代碼如下：
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Time : DATE:2021/8/29
# @Author : yan
# @Email : 1792659158@qq.com
# @File : blogDemo.py
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
def generate_rubik_cube(nx, ny, nz):
"""
根據(jù)輸入生成指定尺寸的魔方
:param nx:
:param ny:
:param nz:
:return:
"""
# 準(zhǔn)備一些坐標(biāo)
n_voxels = np.ones((nx + 2, ny + 2, nz + 2), dtype=bool)
# 生成間隙
size = np.array(n_voxels.shape) * 2
filled_2 = np.zeros(size - 1, dtype=n_voxels.dtype)
filled_2[::2, ::2, ::2] = n_voxels
# 縮小間隙
# 構(gòu)建voxels頂點控制網(wǎng)格
# x, y, z均為6x6x8的矩陣，為voxels的網(wǎng)格，3x3x4個小方塊，共有6x6x8個頂點。
# 這里//2是精髓，把索引范圍從[0 1 2 3 4 5]轉(zhuǎn)換為[0 0 1 1 2 2],這樣就可以單獨設(shè)立每個方塊的頂點范圍
x, y, z = np.indices(np.array(filled_2.shape) + 1).astype(float) // 2 # 3x6x6x8，其中x,y,z均為6x6x8
x[1::2, :, :] += 0.95
y[:, 1::2, :] += 0.95
z[:, :, 1::2] += 0.95
# 修改最外面的面
x[0, :, :] += 0.94
y[:, 0, :] += 0.94
z[:, :, 0] += 0.94
x[-1, :, :] -= 0.94
y[:, -1, :] -= 0.94
z[:, :, -1] -= 0.94
# 去除邊角料
filled_2[0, 0, :] = 0
filled_2[0, -1, :] = 0
filled_2[-1, 0, :] = 0
filled_2[-1, -1, :] = 0
filled_2[:, 0, 0] = 0
filled_2[:, 0, -1] = 0
filled_2[:, -1, 0] = 0
filled_2[:, -1, -1] = 0
filled_2[0, :, 0] = 0
filled_2[0, :, -1] = 0
filled_2[-1, :, 0] = 0
filled_2[-1, :, -1] = 0
# 給魔方六個面賦予不同的顏色
colors = np.array(['#ffd400', "#fffffb", "#f47920", "#d71345", "#145b7d", "#45b97c"])
facecolors = np.full(filled_2.shape, '#77787b') # 設(shè)一個灰色的基調(diào)
# facecolors = np.zeros(filled_2.shape, dtype='U7')
facecolors[:, :, -1] = colors[0] # 上黃
facecolors[:, :, 0] = colors[1] # 下白
facecolors[:, 0, :] = colors[2] # 左橙
facecolors[:, -1, :] = colors[3] # 右紅
facecolors[0, :, :] = colors[4] # 前藍
facecolors[-1, :, :] = colors[5] # 后綠
ax = plt.figure().add_subplot(projection='3d')
ax.voxels(x, y, z, filled_2, facecolors=facecolors)
plt.show()
if __name__ == '__main__':
generate_rubik_cube(3, 3, 3)
可根據(jù)輸入生成不同尺寸的魔方：
4x4x4:
6x6x6
甚至是4x4x6，不過這就不是咱平時玩兒的魔方了~
到此這篇關(guān)于python之用Numpy和matplotlib畫一個魔方的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Numpy matplotlib畫魔方內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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