Python OpenGL 绘制烟花盛会
我们用OpenGL导演一场烟花盛会，献给即将到来的新年吧。
一说到OpenGL，很多人都会觉得复杂，其实不然。只要掌握了几个基本的概念，借助于工具软件，任何人都可以很轻松地上手。在制作烟花之前，我先介绍一下WxGL这个三维数据快速可视化工具。
1. 安装WxGL
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风格的交互式应用方式。WxGL也可以和wxPython无缝结合，在wx的窗体上绘制三维模型。使用pip命令即可快速安装WxGL及其所依赖的其他模块。
pip install wxgl
2. 快速体验
下面这几行代码，绘制了一个中心在坐标原点半径为1的纯色圆球。忽略模块名的话，这些代码和Matplotlib的风格是完全一致的。
>>> import wxgl.wxplot as plt
>>> plt.uvsphere((0,0,0), 1, color='cyan')
>>> plt.title('快速体验：$x^2+y^2=1$')
>>> plt.show()
生成一个地球模型是如此简单。
>>> plt.uvsphere((0,0,0), 1, texture='res/earth.jpg', xflip=True, yflip=False) >>> plt.show()
让地球自转，更是易如反掌。
>>> plt.uvsphere((0,0,0), 1, texture='res/earth.jpg', xflip=True, yflip=False, transform = lambda tn,gms,tms : ((0, 1, 0, (0.01*tms)%360),) ) >>> plt.show()
勾选“屏幕录制”，点击“播放”按钮，即可保存为gif文件或mp4/avi格式的视频文件。
这是代码中用的的地球纹理图片，可以直接下载使用。
3. 编写自己的着色器
WxGL不仅提供了线段、散点、曲面、三维等值面等一系列绘图函数，还支持用户定制着色器程序，以实现更复杂的功能。下面这个例子，用粒子技术模拟了烟花升空的过程。
# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
import wxgl
import wxgl.wxplot as plt
def rise(n, pos, h, v, a, cycle):
"""烟花升空模型
n - 粒子数量
pos - 初始位置
h - 上升行程
v - 初始速度
a - 上升加速度
cycle - 循环周期
"""
vshader_src = """
#version 330 core
in vec4 a_Position;
in vec4 a_Color;
in float a_Delay; // 粒子发射延迟时间（s）
uniform float u_Ts; // 持续时间（s）
uniform float u_V; // 初始速度
uniform float u_A; // 上升加速度
uniform mat4 u_MVPMatrix;
out vec4 v_Color;
out float v_Ts;
void main() {
float t = u_Ts - a_Delay;
if (t < 0) t = 0;
float s = u_V * t + 0.5 * u_A * t * t;
gl_Position = u_MVPMatrix * vec4(a_Position.x, a_Position.y+s, a_Position.z, a_Position.w);
gl_PointSize = 1;
v_Color = a_Color;
v_Ts = u_Ts;
}
"""
fshader_src = """
#version 330 core
in vec4 v_Color;
uniform float u_Tmax;
in float v_Ts;
void main() {
if(v_Ts > u_Tmax) discard;
vec2 temp = gl_PointCoord - vec2(0.5);
float f = dot(temp, temp);
if(f > 0.25) discard;
gl_FragColor = vec4(v_Color.rgb, 1);
}
"""
vs = np.array(pos) + (np.random.random((n,3)) - 0.5) * h/100
color = np.tile(np.array((1.0,1.0,0.8)), (n,1))
delay = np.float32(np.absolute(np.random.randn(n))) / 10
tmax = (pow(v*v+2*a*h, 0.5)-v)/a + delay.max()
m = wxgl.Model(wxgl.POINTS, vshader_src, fshader_src, sprite=True)
m.set_vertex('a_Position', vs)
m.set_color('a_Color', color)
m.set_argument('a_Delay', delay)
m.set_argument('u_Ts', lambda tn,gms,tms:(tms/1000)%cycle)
m.set_argument('u_V', v)
m.set_argument('u_A', a)
m.set_argument('u_Tmax', tmax)
m.set_mvp_matrix('u_MVPMatrix') # 设置模型矩阵、视点矩阵和投影矩阵
return m
vs = np.array([
[-1.5,2,1], [-1.5,0,1], [1.5,2,1], [1.5,0,1],
[-1.5,2,-1], [-1.5,0,-1], [1.5,2,-1], [1.5,0,-1]])
vs = vs[[0,1,2,3,0,2,1,3,4,5,6,7,4,6,5,7,0,4,1,5,2,6,3,7]]
m = rise(n=500, pos=(0,0,0), h=1.5, v=2, a=-1.2, cycle=5)
plt.figure(zoom=0.7, elev=10)
plt.line(vs, color=(0,1,1), method='isolate') # 六面体线框，表示烟花燃放的空间
plt.model(m)
plt.show()
4. 绽放的烟花
只要理解了烟花升空的代码，很容易写出烟花在空中爆炸的着色器程序。下面的代码除了烟花升空的着色器，还提供了两种烟花爆炸的着色器，其中用到了一个纹理图片，可直接下载下面这张图使用。
如果将上面的纹理图片替换成文字，就可以在烟花爆炸的瞬间显示出文字了。WxGL提供了一个文本转PIL图形对象的函数，可以直接作为纹理使用。
# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
import wxgl
import wxgl.wxplot as plt
def rise(n, pos, h, v, a, cycle):
"""烟花升空模型
n - 粒子数量
pos - 初始位置
h - 上升行程
v - 初始速度
a - 上升加速度
cycle - 循环周期
"""
vshader_src = """
#version 330 core
in vec4 a_Position;
in vec4 a_Color;
in float a_Delay; // 粒子发射延迟时间（s）
uniform float u_Ts; // 持续时间（s）
uniform float u_V; // 初始速度
uniform float u_A; // 上升加速度
uniform mat4 u_MVPMatrix;
out vec4 v_Color;
out float v_Ts;
void main() {
float t = u_Ts - a_Delay;
if (t < 0) t = 0;
float s = u_V * t + 0.5 * u_A * t * t;
gl_Position = u_MVPMatrix * vec4(a_Position.x, a_Position.y+s, a_Position.z, a_Position.w);
gl_PointSize = 1;
v_Color = a_Color;
v_Ts = u_Ts;
}
"""
fshader_src = """
#version 330 core
in vec4 v_Color;
uniform float u_Tmax;
in float v_Ts;
void main() {
if(v_Ts > u_Tmax) discard;
vec2 temp = gl_PointCoord - vec2(0.5);
float f = dot(temp, temp);
if(f > 0.25) discard;
gl_FragColor = vec4(v_Color.rgb, 1);
}
"""
vs = np.array(pos) + (np.random.random((n,3)) - 0.5) * h/100
color = np.tile(np.array((1.0,1.0,0.8)), (n,1))
delay = np.float32(np.absolute(np.random.randn(n))) / 10
tmax = (pow(v*v+2*a*h, 0.5)-v)/a + delay.max()
m = wxgl.Model(wxgl.POINTS, vshader_src, fshader_src, sprite=True)
m.set_vertex('a_Position', vs)
m.set_color('a_Color', color)
m.set_argument('a_Delay', delay)
m.set_argument('u_Ts', lambda tn,gms,tms:(tms/1000)%cycle)
m.set_argument('u_V', v)
m.set_argument('u_A', a)
m.set_argument('u_Tmax', tmax)
m.set_mvp_matrix('u_MVPMatrix') # 设置模型矩阵、视点矩阵和投影矩阵
return m, tmax
def bomb_1(n, pos, start, a, cycle):
"""烟花爆炸模型
n - 粒子数量
pos - 位置
start - 时间
a - 下降加速度
cycle - 循环周期
"""
vshader_src = """
#version 330 core
in vec4 a_Position;
in vec3 a_Data;
uniform float u_Ts;
uniform float u_Start;
uniform float u_A;
uniform mat4 u_MVPMatrix;
out vec4 v_Color;
out float v_Ts;
void main() {
float t = u_Ts - u_Start;
if (t < 0) t = 0;
float lat = radians((a_Data.x - 0.5) * 90);
float lon = radians(a_Data.y * 360);
float r = (a_Data.z * 0.3 + 0.7) * 0.3 * t * (1 + 0.3 * a_Position.z);
float y = r * sin(lat) + a_Position.y - 0.5*u_A*t*t;
float xz = r * cos(lat);
float x = xz * cos(lon) + a_Position.x;
float z = xz * sin(lon) + a_Position.z;
gl_Position = u_MVPMatrix * vec4(x,y,z,a_Position.w);
gl_PointSize = 3 * t;
v_Ts = t;
int i = gl_VertexID % 6;
if (i == 0) v_Color = vec4(1,0,0,1);
else if (i == 1) v_Color = vec4(0,1,0,1);
else if (i == 2) v_Color = vec4(0,0,1,1);
else if (i == 3) v_Color = vec4(1,1,0,1);
else if (i == 4) v_Color = vec4(0,1,1,1);
else v_Color = vec4(1,0,1,1);
}
"""
fshader_src = """
#version 330 core
in vec4 v_Color;
in float v_Ts;
void main() {
if(v_Ts <= 0 || v_Ts > 2) discard;
vec2 temp = gl_PointCoord - vec2(0.5);
float f = dot(temp, temp);
if(f > 0.25) discard;
//float alpha = v_Color.a * exp(1-30*f) * (4-v_Ts*v_Ts)/2;
float alpha = v_Color.a * (1-4*f) * (4-v_Ts*v_Ts)/2;
gl_FragColor = vec4(v_Color.rgb, alpha);
}
"""
vs = np.tile(np.array(pos), (n,1))
data = np.float32(np.random.random((n,3)))
m = wxgl.Model(wxgl.POINTS, vshader_src, fshader_src, sprite=True, opacity=False)
m.set_vertex('a_Position', vs)
m.set_argument('a_Data', data)
m.set_argument('u_Start', start)
m.set_argument('u_A', a)
m.set_argument('u_Ts', lambda tn,gms,tms:(tms/1000)%cycle)
m.set_mvp_matrix('u_MVPMatrix') # 设置模型矩阵、视点矩阵和投影矩阵
return m
def bomb_2(pos, start, texture, a, size, cycle):
"""烟花爆炸模型
pos - 位置
start - 时间
texture - 纹理
a - 下降加速度
cycle - 循环周期
"""
vshader_src = """
#version 330 core
in vec4 a_Position;
uniform float u_Ts;
uniform float u_Start;
uniform float u_A;
uniform float u_Size;
uniform mat4 u_MVPMatrix;
out float v_Ts;
void main() {
float t = u_Ts - u_Start;
if (t < 0) t = 0;
if (t < 2) gl_PointSize = t * u_Size/2 * (1 + 0.3 * a_Position.z);
else gl_PointSize = u_Size * (1 + 0.3 * a_Position.z);
gl_Position = u_MVPMatrix * vec4(a_Position.x, a_Position.y-0.5*u_A*t*t, a_Position.z, a_Position.w);
v_Ts = t;
}
"""
fshader_src = """
#version 330 core
uniform sampler2D u_Fireworks;
in float v_Ts;
void main() {
if(v_Ts <= 0 || v_Ts > 2) discard;
vec4 color = texture2D(u_Fireworks, gl_PointCoord);
gl_FragColor = vec4(color.rgb, color.a*(4-v_Ts*v_Ts)/2);
}
"""
vs = np.array(pos).reshape(-1,3)
m = wxgl.Model(wxgl.POINTS, vshader_src, fshader_src, sprite=True)
m.set_vertex('a_Position', vs)
m.set_argument('u_A', a)
m.set_argument('u_Size',size)
m.set_argument('u_Start', start)
m.set_argument('u_Ts', lambda tn,gms,tms:(tms/1000)%cycle)
m.add_texture('u_Fireworks', texture, wxgl.TEXTURE_2D, yflip=False)
m.set_mvp_matrix('u_MVPMatrix') # 设置模型矩阵、视点矩阵和投影矩阵
return m
if __name__ == '__main__':
vs = np.array([[-1.5,2,1], [-1.5,0,1], [1.5,2,1], [1.5,0,1], [-1.5,2,-1], [-1.5,0,-1], [1.5,2,-1], [1.5,0,-1]])
vs = vs[[0,1,2,3,0,2,1,3,4,5,6,7,4,6,5,7,0,4,1,5,2,6,3,7]]
plt.figure(zoom=0.5, elev=10)
plt.line(vs, color=(0,1,1,0), method='isolate') # 六面体线框，表示烟花燃放的空间
# ------------------------------
h, v, a, cycle = 1.7, 2.2, -1.2, 4
for i, ch in enumerate('新春快乐'):
x = -1.5 + i
m1, start = rise(n=300, pos=(x,0,1), h=h, v=v, a=a, cycle=cycle)
m2 = bomb_1(200, (x,h,1), start, a=0.1, cycle=cycle)
m3 = bomb_2((x,h,1), start, wxgl.text2image(ch, 96, (1,0,0)), a=0.1, size=100, cycle=cycle)
plt.model(m1)
plt.model(m2)
plt.model(m3)
# -------------------------------
for i in range(20):
x, z = (np.random.random()-0.5)*4, (np.random.random()-0.5)*2
h, v, a = 1.5+(np.random.random()-0.5)*0.4, 2.2, -1.2
cycle = np.random.randint(4, 7)
m1, start = rise(n=300, pos=(x,0,z), h=h, v=v, a=a, cycle=cycle)
m2 = bomb_1(200, (x,h,z), start, a=0.1, cycle=cycle)
plt.model(m1)
plt.model(m2)
# -------------------------------
for i in range(20):
x, z = (np.random.random()-0.5)*4, (np.random.random()-0.5)*2
h, v, a = 1.5+(np.random.random()-0.5)*0.4, 2.3, -1.2
cycle = np.random.randint(4, 7)
m1, start = rise(n=300, pos=(x,0,z), h=h, v=v, a=a, cycle=cycle)
m2 = bomb_2((x,h,z), start, 'res/fw.png', a=0.1, size=300, cycle=cycle)
plt.model(m1)
plt.model(m2)
plt.show()
最终的效果如下面的gif所示。
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