Python 旋轉立方體的實現(xiàn)示例

更新時間：2024年05月13日 09:04:18 作者：????????stormsha

本文主要介紹了Python 旋轉立方體的實現(xiàn)示例,文中通過示例代碼介紹的非常詳細,對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值,需要的朋友們下面隨著小編來一起學習學習吧

效果圖

請?zhí)砑訄D片描述

運行環(huán)境

python版本：python3.x

依賴包：

$ pip install pygame
$ pip install numpy

完整代碼

import numpy as np  # 導入 NumPy 庫，用于數(shù)值計算和處理多維數(shù)組
import pygame  # 導入 Pygame 庫，用于游戲開發(fā)和圖形界面設計

# 定義屏幕的寬度和高度
WIDTH = 800
HEIGHT = 800

# 定義顏色常量
BLACK = (0, 0, 0)  # 黑色
WHITE = (255, 255, 255)  # 白色


class Cube:
    """
    表示一個立方體。
    """

    def __init__(self, pos: np.ndarray, a: float) -> None:
        """
        初始化立方體。
        :param pos: 立方體的中心位置，是一個包含三個元素的 NumPy 數(shù)組。
        :param a: 立方體的邊長。
        """
        self.pos = pos  # 立方體的中心位置
        self.angle = np.pi / 4  # 立方體的旋轉角度，初始化為 45 度
        self.center_offset = np.array([-a / 2, -a / 2, -a / 2])  # 立方體頂點到中心的偏移量
        self.edges = np.array([  # 立方體的邊，是一個包含 12 條邊的數(shù)組
            # 前臉的四條邊
            np.array([np.array([0, 0, 0]), np.array([a, 0, 0])]),
            np.array([np.array([a, 0, 0]), np.array([a, a, 0])]),
            np.array([np.array([a, a, 0]), np.array([0, a, 0])]),
            np.array([np.array([0, a, 0]), np.array([0, 0, 0])]),
            # 右臉的四條邊
            np.array([np.array([0, 0, 0]), np.array([0, 0, a])]),
            np.array([np.array([a, a, 0]), np.array([a, a, a])]),
            np.array([np.array([a, 0, 0]), np.array([a, 0, a])]),
            np.array([np.array([0, a, 0]), np.array([0, a, a])]),
            # 上臉的四條邊
            np.array([np.array([0, 0, a]), np.array([a, 0, a])]),
            np.array([np.array([a, 0, a]), np.array([a, a, a])]),
            np.array([np.array([a, a, a]), np.array([0, a, a])]),
            np.array([np.array([0, a, a]), np.array([0, 0, a])]),
        ])

    def draw(self, screen: pygame.surface.Surface, rotation_rate: float) -> None:
        """
        在屏幕上繪制立方體。
        :param screen: 要繪制立方體的 Pygame 屏幕對象。
        :param rotation_rate: 立方體的旋轉速率，用于控制立方體旋轉的速度。
        """
        # 將立方體的邊加上中心偏移量，得到實際的頂點位置
        rotated_cube = np.add(self.edges, self.center_offset)

        # 計算繞 X、Y、Z 軸旋轉的矩陣
        rotation_matrix_x = np.array([
            [1, 0, 0],
            [0, np.cos(self.angle), -np.sin(self.angle)],
            [0, np.sin(self.angle), np.cos(self.angle)]
        ])
        rotation_matrix_y = np.array([
            [np.cos(self.angle), 0, np.sin(self.angle)],
            [0, 1, 0],
            [-np.sin(self.angle), 0, np.cos(self.angle)]
        ])
        rotation_matrix_z = np.array([
            [np.cos(self.angle), -np.sin(self.angle), 0],
            [np.sin(self.angle), np.cos(self.angle), 0],
            [0, 0, 1],
        ])

        # 對立方體進行旋轉
        rotated_cube = np.matmul(rotated_cube, rotation_matrix_x)
        rotated_cube = np.matmul(rotated_cube, rotation_matrix_y)
        rotated_cube = np.matmul(rotated_cube, rotation_matrix_z)

        # 將旋轉后的立方體移動到正確的位置
        moved_cube = np.add(self.pos, rotated_cube)

        # 在屏幕上繪制立方體的邊
        for edge in moved_cube:
            # 獲取邊的兩個端點的屏幕坐標
            start_pos = edge[0][0:2]
            end_pos = edge[1][0:2]
            # 繪制邊
            pygame.draw.line(screen, WHITE, start_pos, end_pos)

        # 更新立方體的旋轉角度
        self.angle += rotation_rate


def main():
    """
    主函數(shù)，啟動 Pygame 并創(chuàng)建旋轉的立方體。
    """
    # 初始化 Pygame
    pygame.init()
    # 創(chuàng)建屏幕對象
    screen = pygame.display.set_mode((WIDTH, HEIGHT))
    # 設置窗口標題
    pygame.display.set_caption("旋轉立方體 By stormsha")
    # 創(chuàng)建立方體對象，中心位于 (400, 400, 200)，邊長為 200
    cube = Cube(np.array([400, 400, 200]), 200)

    # 主循環(huán)
    running = True
    while running:
        # 處理 Pygame 事件，如關閉窗口等
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                running = False

        # 清空屏幕
        screen.fill(BLACK)
        # 繪制立方體
        cube.draw(screen, 0.001)
        # 更新屏幕
        pygame.display.flip()


if __name__ == "__main__":
    # 如果腳本被直接運行，則執(zhí)行主函數(shù)
    main()

實現(xiàn)思路

使用Pygame和NumPy創(chuàng)建旋轉立方體

在這篇文章中，我們將詳細介紹如何使用Python的Pygame庫和NumPy庫創(chuàng)建一個旋轉的立方體。我們將逐步講解代碼的實現(xiàn)思路，并解釋關鍵部分的作用。

1. 導入庫和定義常量

首先，我們需要導入所需的庫，包括NumPy和Pygame。NumPy庫用于數(shù)值計算和處理多維數(shù)組，而Pygame庫用于游戲開發(fā)和圖形界面設計。

import numpy as np  # 導入 NumPy 庫，用于數(shù)值計算和處理多維數(shù)組
import pygame  # 導入 Pygame 庫，用于游戲開發(fā)和圖形界面設計

# 定義屏幕的寬度和高度
WIDTH = 800
HEIGHT = 800

# 定義顏色常量
BLACK = (0, 0, 0)  # 黑色
WHITE = (255, 255, 255)  # 白色

2. 創(chuàng)建Cube類

接下來，我們創(chuàng)建一個名為Cube的類，用于表示立方體。在Cube類的構造函數(shù)中，我們初始化立方體的中心位置、旋轉角度和邊長。

class Cube:
    """
    表示一個立方體。
    """

    def __init__(self, pos: np.ndarray, a: float) -> None:
        """
        初始化立方體。
        :param pos: 立方體的中心位置，是一個包含三個元素的 NumPy 數(shù)組。
        :param a: 立方體的邊長。
        """
        self.pos = pos  # 立方體的中心位置
        self.angle = np.pi / 4  # 立方體的旋轉角度，初始化為 45 度
        self.center_offset = np.array([-a / 2, -a / 2, -a / 2])  # 立方體頂點到中心的偏移量
        self.edges = np.array([  # 立方體的邊，是一個包含 12 條邊的數(shù)組
            # 前臉的四條邊
            np.array([np.array([0, 0, 0]), np.array([a, 0, 0])]),
            np.array([np.array([a, 0, 0]), np.array([a, a, 0])]),
            np.array([np.array([a, a, 0]), np.array([0, a, 0])]),
            np.array([np.array([0, a, 0]), np.array([0, 0, 0])]),
            # 右臉的四條邊
            np.array([np.array([0, 0, 0]), np.array([0, 0, a])]),
            np.array([np.array([a, a, 0]), np.array([a, a, a])]),
            np.array([np.array([a, 0, 0]), np.array([a, 0, a])]),
            np.array([np.array([0, a, 0]), np.array([0, a, a])]),
            # 上臉的四條邊
            np.array([np.array([0, 0, a]), np.array([a, 0, a])]),
            np.array([np.array([a, 0, a]), np.array([a, a, a])]),
            np.array([np.array([a, a, a]), np.array([0, a, a])]),
            np.array([np.array([0, a, a]), np.array([0, 0, a])]),
        ])

在上面的代碼中，我們定義了立方體的12條邊，包括前臉、右臉和上臉的邊。每條邊由兩個頂點組成，使用NumPy的數(shù)組表示。

3. 實現(xiàn)Cube類的draw方法

接下來，我們實現(xiàn)Cube類的draw方法，用于在屏幕上繪制立方體。在draw方法中，我們首先將立方體的邊加上中心偏移量，得到實際的頂點位置。然后，我們計算繞X、Y、Z軸旋轉的矩陣，并對立方體進行旋轉。最后，我們將旋轉后的立方體移動到正確的位置，并在屏幕上繪制立方體的邊。

def draw(self, screen: pygame.surface.Surface, rotation_rate: float) -> None:
        """
        在屏幕上繪制立方體。
        :param screen: 要繪制立方體的 Pygame 屏幕對象。
        :param rotation_rate: 立方體的旋轉速率，用于控制立方體旋轉的速度。
        """
        # 將立方體的邊加上中心偏移量，得到實際的頂點位置
        rotated_cube = np.add(self.edges, self.center_offset)

        # 計算繞 X、Y、Z 軸旋轉的矩陣
        rotation_matrix_x = np.array([
            [1, 0, 0],
            [0, np.cos(self.angle), -np.sin(self.angle)],
            [0, np.sin(self.angle), np.cos(self.angle)]
        ])
        rotation_matrix_y = np.array([
            [np.cos(self.angle), 0, np.sin(self.angle)],
            [0, 1, 0],
            [-np.sin(self.angle), 0, np.cos(self.angle)]
        ])
        rotation_matrix_z = np.array([
            [np.cos(self.angle), -np.sin(self.angle), 0],
            [np.sin(self.angle), np.cos(self.angle), 0],
            [0, 0, 1],
        ])

        # 對立方體進行旋轉
        rotated_cube = np.matmul(rotated_cube, rotation_matrix_x)
        rotated_cube = np.matmul(rotated_cube, rotation_matrix_y)
        rotated_cube = np.matmul(rotated_cube, rotation_matrix_z)

        # 將旋轉后的立方體移動到正確的位置
        moved_cube = np.add(self.pos, rotated_cube)

        # 在屏幕上繪制立方體的邊
        for edge in moved_cube:
            # 獲取邊的兩個端點的屏幕坐標
            start_pos = edge[0][0:2]
            end_pos = edge[1][0:2]
            # 繪制邊
            pygame.draw.line(screen, WHITE, start_pos, end_pos)

        # 更新立方體的旋轉角度
        self.angle += rotation_rate

在上面的代碼中，我們使用NumPy的matmul函數(shù)進行矩陣乘法，以實現(xiàn)立方體的旋轉。然后，我們使用pygame的draw.line函數(shù)在屏幕上繪制立方體的邊。

4. 實現(xiàn)主函數(shù)

最后，我們實現(xiàn)主函數(shù)main，用于啟動Pygame并創(chuàng)建旋轉的立方體。在主函數(shù)中，我們首先初始化Pygame，并創(chuàng)建屏幕對象。然后，我們創(chuàng)建一個Cube對象，并進入主循環(huán)。在主循環(huán)中，我們處理Pygame事件，清空屏幕，繪制立方體，并更新屏幕。

def main():
    """
    主函數(shù)，啟動 Pygame 并創(chuàng)建旋轉的立方體。
    """
    # 初始化 Pygame
    pygame.init()
    # 創(chuàng)建屏幕對象
    screen = pygame.display.set_mode((WIDTH, HEIGHT))
    # 設置窗口標題
    pygame.display.set_caption("旋轉立方體 By stormsha")
    # 創(chuàng)建立方體對象，中心位于 (400, 400, 200)，邊長為 200
    cube = Cube(np.array([400, 400, 200]), 200)

    # 主循環(huán)
    running = True
    while running:
        # 處理 Pygame 事件，如關閉窗口等
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                running = False

        # 清空屏幕
        screen.fill(BLACK)
        # 繪制立方體
        cube.draw(screen, 0.001)
        # 更新屏幕
        pygame.display.flip()

if __name__ == "__main__":
    # 如果腳本被直接運行，則執(zhí)行主函數(shù)
    main()

在上面的代碼中，我們使用pygame的event.get函數(shù)獲取事件，并判斷是否為關閉窗口事件。如果是關閉窗口事件，則退出主循環(huán)。然后，我們使用screen.fill函數(shù)清空屏幕，并使用cube.draw函數(shù)繪制立方體。最后，我們使用pygame的display.flip函數(shù)更新屏幕。

到此這篇關于Python 旋轉立方體的實現(xiàn)示例的文章就介紹到這了,更多相關Python 旋轉立方體內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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