用python实现3D花灯

1 前言
说起元宵节，各位有没有觉得这是咱们中国人最浪漫的节日呢？国人向来拘谨古板，一年到头都是小心谨慎地过日子，唯有元宵节这天可以纵情豪放一把。东风夜放花千树，宝马雕车香满路，火树银花霓虹闪烁，豪车遍地美女如云。细品，你甚至都能嗅到香奈儿的味道！月上柳梢头，人约黄昏后，这又是何等的浪漫！比起烛光晚宴、鲜花加持，这份浪漫更显纯真。晚至明清，民间元宵节的喜庆气氛，堪比西班牙的奔牛节、巴西的狂欢节、泰国的泼水节。

 

由于众所周知的原因，估计今年的趵突泉元宵节灯会又要黄了。去哪儿体验“花市灯如昼”的节日气氛呢？Don’t worry，没有什么事能够难倒程序员——用3D技术也可以做出下图这样的走马灯，算是聊胜于无吧。

2 原材料

2.1 花灯纸

如下所示，还可以加上自己喜欢的图案、文字等。

 

 

2.2 Python环境和模块

一台安装了Python环境的电脑，Python环境需要安装以下模块。

numpy
pillow
wxgl
如果没有上述模块，请参考下面的命令安装。

pip install numpy
pip install pillow
pip install wxgl

NumPy和pillow是Python旗下最常用的科学计算库和图像处理库，属于常用模块。WxGL是一个基于PyOpenGL的三维数据可视化库，以wx为显示后端，提供Matplotlib风格的交互式应用模式，同时，也可以和wxPython无缝结合，在wx的窗体上绘制三维模型。

 

3 制作工序

花灯制作工序非常简单，只需要三十行代码，可以直接在Python IDLE中以交互方式逐行执行。

 

3.1 导入模块

>>> import numpy as np
>>> from PIL import Image
>>> import wxgl.wxplot as plt

 

3.2 打开花灯纸图像

>>> fn = r'D:\temp\light0115\res\paper.png'
>>> im = np.array(Image.open(fn))/255
>>> im.shape
(400, 942, 3)

 

fn定义的是图像存储路径，请据实修改。Image.open(fn)打开文件，返回一个PIL对象，np.array()将PIL对象转成numpy.ndarray数组对象。除以255，将图像数据从0到255的值域范围变成0到1，适应WxGL的接口要求。查看数组的shape，显示图像分辨率为400像素高、942像素宽，每个像素有三种颜色（此处为RGB）。

 

3.3 根据花灯纸的大小制作龙骨

纸长942像素，卷成圆筒，半径就是149.9像素，如果把半径视为1个单位，则高度400像素相当于2.668个单位

>>> rows, cols, deep = im.shape
>>> cols/(2*np.pi)
149.9239563925654
>>> r = 1
>>> h = 2*np.pi*rows/cols
>>> h
2.6680192387174464

 

接下来需要制作半径1个单位、高度2.668个单位的圆筒状龙骨了。

>>> theta = np.linspace(0, 2*np.pi, cols)
>>> x = r * np.cos(theta)
>>> y = r * np.sin(theta)
>>> z = np.linspace(0, h, rows)
>>> xs = np.tile(x, (rows,1))
>>> ys = np.tile(y, (rows,1))
>>> zs = z.repeat(cols).reshape((rows,cols))

 

这里的xs、ys、zs就是圆筒状龙骨上各个点的x坐标、y坐标、z坐标。下面的代码，每隔10个点抽取1个点，用mesh的方法画出龙骨形状。当然，也可以画出全部的点，那样顶点就会连成一片。

>>> plt.mesh(xs[::10,::10], ys[::10,::10], zs[::10,::10], mode='FLBL')
>>> plt.show()

 

用3D的方式画出来的龙骨，效果如下。

3.4 给龙骨贴上花灯纸

有了龙骨，接下来就可以把花灯纸贴在龙骨上了。继续操作之前，记得先把刚才弹出的3D龙骨窗口关闭。

>>> plt.mesh(xs, ys, zs, im)
>>> plt.show()

 

不过，你会立刻发现，花灯纸上下方向贴反了。没关系，我们可以像下面这样反转方向。

>>> plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1])
>>> plt.show()

 

怎么样，是不是有一点走马灯的雏形了呢？

 

3.5 制作旋转叶轮

走马灯之所以能够转动，是因为里面有蜡烛加热形成上升气流，推动顶部的叶轮旋转，从而带动花灯旋转。当然，这里的叶轮仅仅是个样子，花灯旋转依赖另外的机制实现。

>>> theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 18, endpoint=False)
>>> x = r * np.cos(theta)
>>> y = r * np.sin(theta)
>>> x[2::3] = x[1::3]
>>> x[1::3] = 0
>>> y[2::3] = y[1::3]
>>> y[1::3] = 0
>>> z = np.ones(18) * h * 0.9
>>> vs = np.stack((x,y,z), axis=1)
>>> plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1])
>>> plt.surface(vs, color='#C03000', method='T', mode='FCBC', alpha=0.8)
>>> plt.show()

 

叶轮设计有6片，用三角形模拟，颜色深红，透明度0.8，整体效果略显粗糙了一点。

3.6 加上照明灯和提系

照明灯用一个白色的圆球表示，提系则是红色的一条直线，兼做照明灯的电源线。

>>> plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1])
>>> plt.surface(vs, color='#C03000', method='T', mode='FCBC', alpha=0.8)
>>> plt.sphere((0,0,h*0.4), 0.4, '#FFFFFF', slices=60, mode='FCBC')
>>> plt.plot((0,0), (0,0), (0.4*h, 1.5*h), width=3.0, style='solid', cmap='hsv', caxis='z')

 

3.7 让花灯转起来

花灯旋转的实现非常简单，只需要给show方法一个rotation参数就可以。

plt.show(rotation='h-')

 

最终的花灯效果如下。

4 完整源代码

有了上面的解说，完整的源代码就不用注释了。全部代码三十余行，各位可自行扩展，制作出更多的花灯来。

# -*- coding: utf-8 -*-

import numpy as np
from PIL import Image
import wxgl.wxplot as plt

im = np.array(Image.open('res/paper.png'))/255
rows, cols, deep = im.shape

r, h = 1, 2*np.pi*rows/cols
theta = np.linspace(0, 2*np.pi, cols)
x = r*np.cos(theta)
y = r*np.sin(theta)
z = np.linspace(0, h, rows)
xs = np.tile(x, (rows,1))
ys = np.tile(y, (rows,1))
zs = z.repeat(cols).reshape((rows,cols))

theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 18, endpoint=False)
x = r*np.cos(theta)
y = r*np.sin(theta)
x[2::3] = x[1::3]
x[1::3] = 0
y[2::3] = y[1::3]
y[1::3] = 0
z = np.ones(18) * h * 0.9
vs = np.stack((x,y,z), axis=1)

plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1])
plt.surface(vs, color='#C03000', method='T', mode='FCBC', alpha=0.8)
plt.sphere((0,0,h*0.4), 0.4, '#FFFFFF', slices=60, mode='FCBC')
plt.plot((0,0), (0,0), (0.4*h, 1.5*h), width=3.0, style='solid', cmap='hsv', caxis='z')
plt.show(rotation='h-')

 

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