Python 旋转立方体

文章目录

  • 效果图
  • 运行环境
  • 完整代码
  • 实现思路
    • 1. 导入库和定义常量
    • 2. 创建Cube类
    • 3. 实现Cube类的draw方法
    • 4. 实现主函数

效果图

请添加图片描述

运行环境

python版本：python3.x

依赖包：

$ pip install pygame
$ pip install numpy

完整代码

import numpy as np  # 导入 NumPy 库，用于数值计算和处理多维数组
import pygame  # 导入 Pygame 库，用于游戏开发和图形界面设计

# 定义屏幕的宽度和高度
WIDTH = 800
HEIGHT = 800

# 定义颜色常量
BLACK = (0, 0, 0)  # 黑色
WHITE = (255, 255, 255)  # 白色


class Cube:
    """
    表示一个立方体。
    """

    def __init__(self, pos: np.ndarray, a: float) -> None:
        """
        初始化立方体。
        :param pos: 立方体的中心位置，是一个包含三个元素的 NumPy 数组。
        :param a: 立方体的边长。
        """
        self.pos = pos  # 立方体的中心位置
        self.angle = np.pi / 4  # 立方体的旋转角度，初始化为 45 度
        self.center_offset = np.array([-a / 2, -a / 2, -a / 2])  # 立方体顶点到中心的偏移量
        self.edges = np.array([  # 立方体的边，是一个包含 12 条边的数组
            # 前脸的四条边
            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])]),
            # 右脸的四条边
            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])]),
            # 上脸的四条边
            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:
        """
        在屏幕上绘制立方体。
        :param screen: 要绘制立方体的 Pygame 屏幕对象。
        :param rotation_rate: 立方体的旋转速率，用于控制立方体旋转的速度。
        """
        # 将立方体的边加上中心偏移量，得到实际的顶点位置
        rotated_cube = np.add(self.edges, self.center_offset)

        # 计算绕 X、Y、Z 轴旋转的矩阵
        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],
        ])

        # 对立方体进行旋转
        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)

        # 将旋转后的立方体移动到正确的位置
        moved_cube = np.add(self.pos, rotated_cube)

        # 在屏幕上绘制立方体的边
        for edge in moved_cube:
            # 获取边的两个端点的屏幕坐标
            start_pos = edge[0][0:2]
            end_pos = edge[1][0:2]
            # 绘制边
            pygame.draw.line(screen, WHITE, start_pos, end_pos)

        # 更新立方体的旋转角度
        self.angle += rotation_rate


def main():
    """
    主函数，启动 Pygame 并创建旋转的立方体。
    """
    # 初始化 Pygame
    pygame.init()
    # 创建屏幕对象
    screen = pygame.display.set_mode((WIDTH, HEIGHT))
    # 设置窗口标题
    pygame.display.set_caption("旋转立方体 By stormsha")
    # 创建立方体对象，中心位于 (400, 400, 200)，边长为 200
    cube = Cube(np.array([400, 400, 200]), 200)

    # 主循环
    running = True
    while running:
        # 处理 Pygame 事件，如关闭窗口等
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                running = False

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


if __name__ == "__main__":
    # 如果脚本被直接运行，则执行主函数
    main()

实现思路

使用Pygame和NumPy创建旋转立方体

在这篇文章中，我们将详细介绍如何使用Python的Pygame库和NumPy库创建一个旋转的立方体。我们将逐步讲解代码的实现思路，并解释关键部分的作用。

1. 导入库和定义常量

首先，我们需要导入所需的库，包括NumPy和Pygame。NumPy库用于数值计算和处理多维数组，而Pygame库用于游戏开发和图形界面设计。

import numpy as np  # 导入 NumPy 库，用于数值计算和处理多维数组
import pygame  # 导入 Pygame 库，用于游戏开发和图形界面设计

# 定义屏幕的宽度和高度
WIDTH = 800
HEIGHT = 800

# 定义颜色常量
BLACK = (0, 0, 0)  # 黑色
WHITE = (255, 255, 255)  # 白色

2. 创建Cube类

接下来，我们创建一个名为Cube的类，用于表示立方体。在Cube类的构造函数中，我们初始化立方体的中心位置、旋转角度和边长。

class Cube:
    """
    表示一个立方体。
    """

    def __init__(self, pos: np.ndarray, a: float) -> None:
        """
        初始化立方体。
        :param pos: 立方体的中心位置，是一个包含三个元素的 NumPy 数组。
        :param a: 立方体的边长。
        """
        self.pos = pos  # 立方体的中心位置
        self.angle = np.pi / 4  # 立方体的旋转角度，初始化为 45 度
        self.center_offset = np.array([-a / 2, -a / 2, -a / 2])  # 立方体顶点到中心的偏移量
        self.edges = np.array([  # 立方体的边，是一个包含 12 条边的数组
            # 前脸的四条边
            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])]),
            # 右脸的四条边
            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])]),
            # 上脸的四条边
            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])]),
        ])

在上面的代码中，我们定义了立方体的12条边，包括前脸、右脸和上脸的边。每条边由两个顶点组成，使用NumPy的数组表示。

3. 实现Cube类的draw方法

接下来，我们实现Cube类的draw方法，用于在屏幕上绘制立方体。在draw方法中，我们首先将立方体的边加上中心偏移量，得到实际的顶点位置。然后，我们计算绕X、Y、Z轴旋转的矩阵，并对立方体进行旋转。最后，我们将旋转后的立方体移动到正确的位置，并在屏幕上绘制立方体的边。

def draw(self, screen: pygame.surface.Surface, rotation_rate: float) -> None:
        """
        在屏幕上绘制立方体。
        :param screen: 要绘制立方体的 Pygame 屏幕对象。
        :param rotation_rate: 立方体的旋转速率，用于控制立方体旋转的速度。
        """
        # 将立方体的边加上中心偏移量，得到实际的顶点位置
        rotated_cube = np.add(self.edges, self.center_offset)

        # 计算绕 X、Y、Z 轴旋转的矩阵
        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],
        ])

        # 对立方体进行旋转
        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)

        # 将旋转后的立方体移动到正确的位置
        moved_cube = np.add(self.pos, rotated_cube)

        # 在屏幕上绘制立方体的边
        for edge in moved_cube:
            # 获取边的两个端点的屏幕坐标
            start_pos = edge[0][0:2]
            end_pos = edge[1][0:2]
            # 绘制边
            pygame.draw.line(screen, WHITE, start_pos, end_pos)

        # 更新立方体的旋转角度
        self.angle += rotation_rate

在上面的代码中，我们使用NumPy的matmul函数进行矩阵乘法，以实现立方体的旋转。然后，我们使用pygame的draw.line函数在屏幕上绘制立方体的边。

4. 实现主函数

最后，我们实现主函数main，用于启动Pygame并创建旋转的立方体。在主函数中，我们首先初始化Pygame，并创建屏幕对象。然后，我们创建一个Cube对象，并进入主循环。在主循环中，我们处理Pygame事件，清空屏幕，绘制立方体，并更新屏幕。

def main():
    """
    主函数，启动 Pygame 并创建旋转的立方体。
    """
    # 初始化 Pygame
    pygame.init()
    # 创建屏幕对象
    screen = pygame.display.set_mode((WIDTH, HEIGHT))
    # 设置窗口标题
    pygame.display.set_caption("旋转立方体 By stormsha")
    # 创建立方体对象，中心位于 (400, 400, 200)，边长为 200
    cube = Cube(np.array([400, 400, 200]), 200)

    # 主循环
    running = True
    while running:
        # 处理 Pygame 事件，如关闭窗口等
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                running = False

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

if __name__ == "__main__":
    # 如果脚本被直接运行，则执行主函数
    main()

在上面的代码中，我们使用pygame的event.get函数获取事件，并判断是否为关闭窗口事件。如果是关闭窗口事件，则退出主循环。然后，我们使用screen.fill函数清空屏幕，并使用cube.draw函数绘制立方体。最后，我们使用pygame的display.flip函数更新屏幕。

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