Python实现动态3D立方体：旋转的3D立方体动画

屿小夏

发布于 2024-09-25 08:40:36

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发布于 2024-09-25 08:40:36

文章被收录于专栏：IT杂谈学习

引言

3D动画在数据可视化和图形学中具有重要意义，能够生动地展示复杂的三维结构和运动。在这篇博客中，我们将使用Python来实现一个动态旋转的3D立方体。通过利用Matplotlib库，我们能够轻松创建和动画化3D立方体。

准备工作

前置条件

在开始之前，你需要确保你的系统已经安装了Matplotlib库。如果你还没有安装它，可以使用以下命令进行安装：

pip install matplotlib

Matplotlib是一个强大的Python绘图库，支持生成各种静态、动态和交互式的图形。

代码实现与解析

导入必要的库

我们首先需要导入Matplotlib库和其他必要的模块：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from matplotlib.animation import FuncAnimation

初始化3D立方体

我们需要定义3D立方体的顶点和边：

# 定义立方体的顶点
vertices = np.array([
    [1, 1, 1],
    [1, 1, -1],
    [1, -1, 1],
    [1, -1, -1],
    [-1, 1, 1],
    [-1, 1, -1],
    [-1, -1, 1],
    [-1, -1, -1]
])

# 定义立方体的边
edges = [
    [0, 1], [0, 2], [0, 4], [1, 3], [1, 5],
    [2, 3], [2, 6], [3, 7], [4, 5], [4, 6],
    [5, 7], [6, 7]
]

绘制立方体

我们定义一个函数来绘制立方体：

def draw_cube(ax, vertices, edges):
    for edge in edges:
        points = vertices[edge]
        ax.plot3D(*zip(*points), color="b")

旋转立方体

我们定义一个旋转矩阵来旋转立方体：

def rotate(vertices, angle_x, angle_y, angle_z):
    # 旋转矩阵
    rotation_x = np.array([
        [1, 0, 0],
        [0, np.cos(angle_x), -np.sin(angle_x)],
        [0, np.sin(angle_x), np.cos(angle_x)]
    ])
    rotation_y = np.array([
        [np.cos(angle_y), 0, np.sin(angle_y)],
        [0, 1, 0],
        [-np.sin(angle_y), 0, np.cos(angle_y)]
    ])
    rotation_z = np.array([
        [np.cos(angle_z), -np.sin(angle_z), 0],
        [np.sin(angle_z), np.cos(angle_z), 0],
        [0, 0, 1]
    ])
    # 应用旋转
    return np.dot(vertices, rotation_x).dot(rotation_y).dot(rotation_z)

创建动画

我们使用FuncAnimation创建动画效果：

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')

def update(frame):
    ax.cla()
    angle = np.radians(frame)
    rotated_vertices = rotate(vertices, angle, angle, angle)
    draw_cube(ax, rotated_vertices, edges)
    ax.set_xlim([-2, 2])
    ax.set_ylim([-2, 2])
    ax.set_zlim([-2, 2])

ani = FuncAnimation(fig, update, frames=360, interval=30)
plt.show()

完整代码

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from matplotlib.animation import FuncAnimation

# 定义立方体的顶点
vertices = np.array([
    [1, 1, 1],
    [1, 1, -1],
    [1, -1, 1],
    [1, -1, -1],
    [-1, 1, 1],
    [-1, 1, -1],
    [-1, -1, 1],
    [-1, -1, -1]
])

# 定义立方体的边
edges = [
    [0, 1], [0, 2], [0, 4], [1, 3], [1, 5],
    [2, 3], [2, 6], [3, 7], [4, 5], [4, 6],
    [5, 7], [6, 7]
]

# 绘制立方体函数
def draw_cube(ax, vertices, edges):
    for edge in edges:
        points = vertices[edge]
        ax.plot3D(*zip(*points), color="b")

# 旋转立方体函数
def rotate(vertices, angle_x, angle_y, angle_z):
    # 旋转矩阵
    rotation_x = np.array([
        [1, 0, 0],
        [0, np.cos(angle_x), -np.sin(angle_x)],
        [0, np.sin(angle_x), np.cos(angle_x)]
    ])
    rotation_y = np.array([
        [np.cos(angle_y), 0, np.sin(angle_y)],
        [0, 1, 0],
        [-np.sin(angle_y), 0, np.cos(angle_y)]
    ])
    rotation_z = np.array([
        [np.cos(angle_z), -np.sin(angle_z), 0],
        [np.sin(angle_z), np.cos(angle_z), 0],
        [0, 0, 1]
    ])
    # 应用旋转
    return np.dot(vertices, rotation_x).dot(rotation_y).dot(rotation_z)

# 创建动画
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')

def update(frame):
    ax.cla()
    angle = np.radians(frame)
    rotated_vertices = rotate(vertices, angle, angle, angle)
    draw_cube(ax, rotated_vertices, edges)
    ax.set_xlim([-2, 2])
    ax.set_ylim([-2, 2])
    ax.set_zlim([-2, 2])

ani = FuncAnimation(fig, update, frames=360, interval=30)
plt.show()

本文参与腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自作者个人站点/博客。

原始发表：2024-09-24，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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