用 Python 创作酷炫的几何图形

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  1. 什么是turtle

turtle又称为海龟绘图,是Wally Feurzeig, Seymour Papert 和 Cynthia Solomon 于 1967 年所创造的 Logo 编程语言的python实现。turtle是基于tkinter图形界面设计的。

turtle模拟了人在画布前画画的过程:给你一支笔(Pen), 下笔(pendown),移动画笔绘制你的图形,然后填色等等。turtle提供了几种简单的命令,通过组合他们的顺序,只要够耐心,turtle可以画出令人惊叹的作品,很适合用来引导小朋友学习编程。

先来感受下作品:

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  1. turtle例子

我们通过一个简单的例子来了解turtle的基本操作


          
import turtle  
  
# screen 画布属性设置  
canvas = turtle.Screen()  
canvas.bgcolor("white")  
  
# 画笔设置  
pen = turtle.Pen()  
pen.hideturtle()  
pen.color('red', 'yellow')  
  
# 开始画第一个部分,并填充颜色  
pen.begin_fill()  
while True:  
    pen.forward(200)  
    pen.left(170)  
    if abs(pen.pos()) < 1:  
        break  
pen.end_fill()  
  
# 提笔, 移动位置,画第二个部分  
pen.penup()  
pen.goto(-100, -100)  
pen.pendown()  
  
for i in range(5):  
    pen.forward(30) #长度300像素  
    pen.right(144) #转角144度  
  
turtle.done()  
  

      

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从上面可知turtle有两个部分组成画笔 Turtle 和 画布 Screen , TurtleScreen 上移动来作画。

需要注意的是,turtle起始的位置是(0, 0),位于画布中心,左边和下边的坐标为负值。

画笔 Turtle 重要操作:

  • 画笔申明:如果画笔上有很多画笔需要 申明 turtle.Pen(),否则 默认是一个画笔,无需申明,如 turtle.forward(50) 就是表示画笔向前移动50
  • 画笔颜色:color('red', 'yellow'), 第一个red表示画笔颜色, yellow表示填充颜色
  • 填充的范围:begin_fill()和end_fill()之间的部分
  • 画笔的移动:forward是向前多少距离,left是向左角度, 与之对应的是向后backward 和向右right。goto()是移动到某个坐标值
  • 画笔的当前属性:如位置pos()即海龟当前的坐标 (x,y) ,还有如朝向角度值:heading()
  • 画笔的控制:penup和pendown,默认画笔是在pendown状态下,只要有移动就会在画布上画出图形,如果需要调整位置,在另外一个位置下笔,需要先penup,否则移动画笔时也会有线条出来。这个和现实中画画是一样的。
  • 画笔的可见性:正常情况下画笔时一个箭头的形状,可以通过hideturtle()和showturtle()隐藏和显示画笔

Screen 重要操作:

  • 设置背景颜色:bgcolor("white")
  1. 其他turtle功能

除了上面例子中涉及到turtle常用功能函数,还有一些重要的功能。

  • 圆形circle() 前面的例子给出的是直线的例子(直线可以构成三角形,多边形等),另外一个重要的图形是圆形 turtle.circle(radius, extent=None, steps=None)

我们来看一个太极的例子:


                
import turtle  
from turtle import *  #从turtle中导出所有模块  
radius = 100     #半径为100  
color("black", "black")  #画线颜色黑色,填充颜色黑色  
begin_fill()  #开始填充  
circle(radius/2, 180)  #逆时针画圈,半径为50,180°  
circle(radius, 180)  #逆时针画圈,半径为100,180°  
left(180)  #转向180°  
circle(-radius/2, 180)  #顺时针画圈,半径50,180°  
end_fill()  #填充结束  
#移动到画太极图黑色的小圈位置,开始画小白圈  
left(90)#左转向90°,海龟头垂直水平线向上  
penup()#提笔,不留痕迹  
forward(radius*0.35)#向前,半径的0.35=35像素  
right(90)#右转向90°,海龟头与右侧水平线同向  
pendown()#落笔,开始画线  
#开始画太极图黑色部分的小白圈  
color("white", "white")#画线颜色为白色,填充颜色为白色  
begin_fill()#开始填充  
circle(radius*0.15)#逆时针画圈,半径的0.15=15像素(35+15+15+35=100end_fill() #填充结束  
  
left(90)#左转向90°  
penup()#提笔,不留痕迹  
backward(radius*0.7)#后退往下走,为半径的0.7=70,此时海龟头朝上与水平垂直  
pendown()#落笔,开始留下痕迹  
left(90)#左转90°,此时海龟头与左侧水平同向  
#开始画太极图白色部分里的小黑圈  
color("black", "black")#画线颜色为黑色,填充为黑色  
begin_fill()#开始填充  
circle(radius*0.15)#开始逆时针画圈,半径的0.15=15个像素  
end_fill() #填充完毕  
  
right(90)#再右转90°,此时海龟头垂直水平线向上  
penup()#提笔,不留痕迹  
backward(radius*0.65)#后退为半径的0.65=65个像素,往下到达太极图黑色半圈的底点处  
right(90)#右转90°,海龟头与右侧水平线同向  
pendown()#落笔,开始留下痕迹  
circle(radius, 180)#逆时针画圈,半径100,180°,画太极图的白色部分的大圈  
hideturtle()#隐藏笔头hideturtle  
turtle.done()  

            
  • radius:半径, radius 为正值则朝逆时针方向绘制圆弧,否则朝顺时针方向
  • extent:表示是否画部分的圆,如半圆是180,默认是一整个圆
  • steps:是表示画圆用多少个多边形来画。圆其实是无穷多个多边形来近似得到。不过一般情况下,一定程度的多边形,肉眼就会人为圆的幅度是光滑的

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可以看出太极图有2个小半圆和2个大半圆,以及2个更小的整圆构成。

  • 动画控制 turtle绘制图像的过程其实是动态的,每绘制一个部分画面可以理解为一个视频帧,画完视频就结束。所以turtle除了可以绘制图形,还可以用来做动画演示或者交互游戏也是可以。下面以一个例子说明下:

              
  import turtle, time  
  # 初始不更新画面  
  turtle.tracer(0)  
  
  # 地板墙  
  wall = turtle.Pen()  
  wall.pencolor('red')  
  wall.pensize(10)  
  wall.hideturtle()  
  wall.penup()  
  wall.goto(-300, -200)  
  wall.pendown()  
  wall.forward(600)  
  
  # 小球  
  R = 15  
  ball = turtle.Turtle('circle')  
  ball.shapesize(R / 10)  
  ball.penup()  
  pos_x, pos_y = [100, 100]  
  pos_x, pos_y = ball.pos()  
  ball.goto(pos_x, pos_y)  
  wall_x, wall_y = wall.pos()  
  
  # 球参数  
  FPS = 60  # 每秒60帧  
  G = 0.03  # 模拟重力加速度  
  DRAG = 0.9956 # 阻力  
  v_y = 1 # 初始速度  
  
  while True:  
  
      # 清除印章  
      ball.clearstamps()  
  
      v_y += G  # 模拟重力加速度  
      if pos_y - R - 10 < wall_y:  # 撞地面  
          v_y *= -1  
  
      pos_x, pos_y = pos_x, pos_y - v_y  
      ball.goto(pos_x, pos_y)  
      v_y = v_y * DRAG  
  
      # 通过印章显示球  
      ball.stamp()  
  
      # 更新画面信息  
      turtle.update()  
      time.sleep(1 / FPS)  

          

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  1. 更多的例子

  • 玫瑰曲线

              
from turtle import *  
from math import *  
color("red")  
def draw(a,end):  
    t=0  
    while t<(14*end):  
        x=a*sin(t*3.14)*cos(t)  
        y=a*sin(t*3.14)*sin(t)  
        goto(x,y)  
        t=t+0.03  
  
draw(100,3.14)  
done()  

          

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  • 螺旋

              
import turtle  
t=turtle.Pen()  
for x in range(360):  
    t.forward(x)  
    t.left(59)  
  
done()  

          

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  • 扇子

              
from turtle import *  
forward(200)  
left(90)  
fillcolor('red')  
begin_fill()  
circle(100,180)  
end_fill()  
left(90)  
forward(100)  
for i in range(17):  
    left(10)  
    pencolor('yellow')  
    forward(100)  
    backward(100)  
left(100)  
pensize(10)  
pencolor('red')  
forward(100)  
hideturtle()  
done()  

          

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  1. 总结

本文分享了python的logo语言turtle库,可以绘制图画和动画。总结如下:

  • turtle两个重要元素:画布Screen和画笔Turtle
  • 默认当前为一个画笔,turtle.Pen()申明多个画笔
  • 画笔属性:颜色color, 大小pensize,位置pos
  • 画笔填充:begin_fill()和end_fill()
  • 画笔移动:前后forward和backward, 角度left和right
  • 圆形画笔:circle
  • 画笔控制:penup 和pendown
  • 动画控制:update和trace追踪
  1. 参考资料

作者简介:wedo实验君, 数据分析师;热爱生活,热爱写作

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