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python怎么用和matplotlib画一个魔方

发布时间:2021-08-30 20:38:41 来源:亿速云 阅读:784 作者:chen 栏目:开发技术

这篇文章主要介绍“python怎么用和matplotlib画一个魔方”,在日常操作中,相信很多人在python怎么用和matplotlib画一个魔方问题上存在疑惑,小编查阅了各式资料,整理出简单好用的操作方法,希望对大家解答”python怎么用和matplotlib画一个魔方”的疑惑有所帮助!接下来,请跟着小编一起来学习吧!

目录
  • 前言

  • 开搞!

    • 构建体素

    • 制作间隙效果

    • 为每个面赋不同的颜色

  • 完整代码

    瞎鼓捣系列~
    Numpy + matplotlib 画一个魔方

    前言

    NumPy是Python科学计算的基本包。它是一个Python库,提供了多维数组对象、各种派生对象(如掩码数组和矩阵),以及用于对数组进行快速操作的各种例程,包括数学、逻辑、形状操作、排序、选择、I/O、离散傅里叶变换、基本线性代数、基本的统计运算,随机模拟等等。
    github
    官方文档

    最近项目中有个码垛规划的需求,Numpy中的三维数组特别好用,就鼓捣了一下。
    然后我看到桌子上两年前买的魔方,好久没玩儿过了。头脑一热,就想用Numpy画个魔方出来!

    python怎么用和matplotlib画一个魔方

    开搞!

    这里选择使用Matplotlib作为可视化工具
    Matplotlib GitHub
    Matplotlib 官方文档

    构建体素

    为了制作魔方,主要用到Matplotlib中的一个函数voxels

    voxels([x, y, z, ]/, filled, facecolors=None, edgecolors=None, **kwargs)
    绘制一组填充体素
    所有体素在坐标轴上绘制为1x1x1立方体,filled[0, 0, 0]的lower corner位于原点。被遮挡的面不再绘制。

    以3x3x3魔方为例:

    import matplotlib.pyplot as plt
    import numpy as np
    # 准备一组体素坐标
    n_voxels = np.ones((3, 3, 3), dtype=bool)
    # 绘制
    ax = plt.figure().add_subplot(projection='3d')
    ax.voxels(n_voxels)
    plt.show()

    python怎么用和matplotlib画一个魔方

    可以看到,虽然出现了3x3x3个体素,但是体素与体素之间的没有间隙,看起来不是很美观。

    制作间隙效果

    为了让体素与体素之间有间隙,可以对3x3x3的体素进行上采样,即构建一个5x5x5的体素,这样在每一个维度,让处于两个体素中间的体素不显示,即可产生间隙的效果。

    size = np.array(n_voxels.shape) * 2
    filled_2 = np.zeros(size - 1, dtype=n_voxels.dtype)
    filled_2[::2, ::2, ::2] = n_voxels
    
    
    ax = plt.figure().add_subplot(projection='3d')
    ax.voxels(filled_2)
    plt.show()

    python怎么用和matplotlib画一个魔方

    这样间隙有了,但是间隙太大了,此时可以使用voxels函数的可选参数[x, y, z]控制每一个voxel的顶点位置,进而控制间隙的大小

    # 缩小间隙
    # 构建voxels顶点控制网格
    # x, y, z均为6x6x6的矩阵,为voxels的网格
    # //2是为了,把索引范围从[0 1 2 3 4 5]转换为[0 0 1 1 2 2],这样x,y,z范围就回到了0~3
    x, y, z = np.indices(np.array(filled_2.shape) + 1).astype(float) // 2   
    
    x[1::2, :, :] += 0.95
    y[:, 1::2, :] += 0.95
    z[:, :, 1::2] += 0.95

    python怎么用和matplotlib画一个魔方

    这样间隙就看起来差不多了,接下来就是为魔方的六个面添加颜色了。

    为每个面赋不同的颜色

    由于只能给每个体素整体一个颜色,不能对一个体素的不同面指定不同的颜色,所以为了实现六个面不同颜色,只能将3x3x3的矩阵改为5x5x5,将最外边的那一层体素厚度设小一点,近似于面,然后赋颜色。

    import matplotlib.pyplot as plt
    import numpy as np
    
    # 准备一些坐标
    n_voxels = np.ones((5, 5, 5), dtype=bool)
    
    # 生成间隙
    size = np.array(n_voxels.shape) * 2
    filled_2 = np.zeros(size - 1, dtype=n_voxels.dtype)
    filled_2[::2, ::2, ::2] = n_voxels
    
    # 缩小间隙
    # 构建voxels顶点控制网格
    # x, y, z均为6x6x8的矩阵,为voxels的网格,3x3x4个小方块,共有6x6x8个顶点。
    # 这里//2是精髓,把索引范围从[0 1 2 3 4 5]转换为[0 0 1 1 2 2],这样就可以单独设立每个方块的顶点范围
    x, y, z = np.indices(np.array(filled_2.shape) + 1).astype(float) //2  # 3x6x6x8,其中x,y,z均为6x6x8
    
    x[1::2, :, :] += 0.95
    y[:, 1::2, :] += 0.95
    z[:, :, 1::2] += 0.95
    # 修改最外面的体素的厚度,作为六个面来使用
    x[0, :, :] += 0.94
    y[:, 0, :] += 0.94
    z[:, :, 0] += 0.94
    
    x[-1, :, :] -= 0.94
    y[:, -1, :] -= 0.94
    z[:, :, -1] -= 0.94
    # 去除边角料
    filled_2[0, 0, :] = 0
    filled_2[0, -1, :] = 0
    filled_2[-1, 0, :] = 0
    filled_2[-1, -1, :] = 0
    
    filled_2[:, 0, 0] = 0
    filled_2[:, 0, -1] = 0
    filled_2[:, -1, 0] = 0
    filled_2[:, -1, -1] = 0
    
    filled_2[0, :, 0] = 0
    filled_2[0, :, -1] = 0
    filled_2[-1, :, 0] = 0
    filled_2[-1, :, -1] = 0

    python怎么用和matplotlib画一个魔方

    然后就是给六个面赋不同的颜色了。

    六个方向表示:上(up)、下(down)、左(left)、右(right)、前(front)、后(back)
    六种颜色表示:黄色(yellow)、白色(white)、橙色(orange)、红色(red)、蓝色(blue)、绿色(green)
    初始的魔方组成形式为:上黄,下白,左橙,右红,前蓝,后绿。

    参考:颜色大全https://www.5tu.cn/colors/yansebiao.html

    # 给魔方六个面赋予不同的颜色
    colors = np.array(['#ffd400', "#fffffb", "#f47920", "#d71345", "#145b7d", "#45b97c"])
    facecolors = np.full(filled_2.shape, '#77787b')  # 设一个灰色的基调
    facecolors[:, :, -1] = colors[0]
    facecolors[:, :, 0] = colors[1]
    facecolors[:, 0, :] = colors[2]
    facecolors[:, -1, :] = colors[3]
    facecolors[0, :, :] = colors[4]
    facecolors[-1, :, :] = colors[5]

    python怎么用和matplotlib画一个魔方

    完整代码

    完整 代码如下:

    # -*- coding: utf-8 -*-
    # @Time : DATE:2021/8/29
    # @Author : yan
    # @Email : 1792659158@qq.com
    # @File : blogDemo.py
    
    import matplotlib.pyplot as plt
    import numpy as np
    
    
    def generate_rubik_cube(nx, ny, nz):
        """
        根据输入生成指定尺寸的魔方
        :param nx:
        :param ny:
        :param nz:
        :return:
        """
        # 准备一些坐标
        n_voxels = np.ones((nx + 2, ny + 2, nz + 2), dtype=bool)
    
        # 生成间隙
        size = np.array(n_voxels.shape) * 2
        filled_2 = np.zeros(size - 1, dtype=n_voxels.dtype)
        filled_2[::2, ::2, ::2] = n_voxels
    
        # 缩小间隙
        # 构建voxels顶点控制网格
        # x, y, z均为6x6x8的矩阵,为voxels的网格,3x3x4个小方块,共有6x6x8个顶点。
        # 这里//2是精髓,把索引范围从[0 1 2 3 4 5]转换为[0 0 1 1 2 2],这样就可以单独设立每个方块的顶点范围
        x, y, z = np.indices(np.array(filled_2.shape) + 1).astype(float) // 2  # 3x6x6x8,其中x,y,z均为6x6x8
    
        x[1::2, :, :] += 0.95
        y[:, 1::2, :] += 0.95
        z[:, :, 1::2] += 0.95
    
        # 修改最外面的面
        x[0, :, :] += 0.94
        y[:, 0, :] += 0.94
        z[:, :, 0] += 0.94
    
        x[-1, :, :] -= 0.94
        y[:, -1, :] -= 0.94
        z[:, :, -1] -= 0.94
    
        # 去除边角料
        filled_2[0, 0, :] = 0
        filled_2[0, -1, :] = 0
        filled_2[-1, 0, :] = 0
        filled_2[-1, -1, :] = 0
    
        filled_2[:, 0, 0] = 0
        filled_2[:, 0, -1] = 0
        filled_2[:, -1, 0] = 0
        filled_2[:, -1, -1] = 0
    
        filled_2[0, :, 0] = 0
        filled_2[0, :, -1] = 0
        filled_2[-1, :, 0] = 0
        filled_2[-1, :, -1] = 0
    
        # 给魔方六个面赋予不同的颜色
        colors = np.array(['#ffd400', "#fffffb", "#f47920", "#d71345", "#145b7d", "#45b97c"])
        facecolors = np.full(filled_2.shape, '#77787b')  # 设一个灰色的基调
        # facecolors = np.zeros(filled_2.shape, dtype='U7')
        facecolors[:, :, -1] = colors[0]	# 上黄
        facecolors[:, :, 0] = colors[1]	    # 下白
        facecolors[:, 0, :] = colors[2]  	# 左橙
        facecolors[:, -1, :] = colors[3]	# 右红
        facecolors[0, :, :] = colors[4]	    # 前蓝
        facecolors[-1, :, :] = colors[5]	# 后绿
    
        ax = plt.figure().add_subplot(projection='3d')
        ax.voxels(x, y, z, filled_2, facecolors=facecolors)
        plt.show()
    
    
    if __name__ == '__main__':
        generate_rubik_cube(3, 3, 3)

    可根据输入生成不同尺寸的魔方:
    4x4x4:

    python怎么用和matplotlib画一个魔方

    6x6x6

    python怎么用和matplotlib画一个魔方

    甚至是4x4x6,不过这就不是咱平时玩儿的魔方了~

    python怎么用和matplotlib画一个魔方

    到此,关于“python怎么用和matplotlib画一个魔方”的学习就结束了,希望能够解决大家的疑惑。理论与实践的搭配能更好的帮助大家学习,快去试试吧!若想继续学习更多相关知识,请继续关注亿速云网站,小编会继续努力为大家带来更多实用的文章!

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