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Python 实现火柴人的设计与实现

  • 2024-12-06
    福建
  • 本文字数:4170 字

    阅读完需:约 14 分钟

1.引言


火柴人(Stick Figure)是一种极简风格的图形,通常由简单的线段和圆圈组成,却能生动地表达人物的姿态和动作。火柴人不仅广泛应用于动画、漫画和涂鸦中,还可以作为图形学、人工智能等领域的教学和研究工具。本文旨在介绍如何使用 Python 实现火柴人的设计与绘制,通过编程的方式,让读者了解火柴人背后的基本原理和实现方法。


2.准备工作


在开始实现火柴人之前,你需要确保已经安装了 Python 环境,并且熟悉基本的 Python 编程知识。此外,为了绘制图形,我们将使用matplotlib库,这是一个强大的绘图库,适用于生成各种静态、动态和交互式的图表。


你可以通过以下命令安装matplotlib


bash复制代码
pip install matplotlib
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3.基础理论知识


火柴人的绘制主要依赖于几何图形的绘制和变换。具体来说,我们需要:


(1)定义关节:火柴人的关节包括头部、肩膀、肘部、手腕、臀部、膝盖和脚踝等。这些关节可以看作二维或三维空间中的点。

(2)绘制线段:根据关节的位置,绘制连接关节的线段,这些线段构成了火柴人的骨骼。

(3)添加圆形:在头部等关节处添加圆形,以表示关节。

(4)变换与动画:通过变换关节的位置,可以实现火柴人的动作和动画效果。


4.步骤详解


下面,我们将逐步介绍如何使用 Python 和matplotlib绘制火柴人。


(1)导入库


首先,我们需要导入matplotlib库中的pyplot模块:


import matplotlib.pyplot as plt  import numpy as np
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(2)定义关节位置


为了简单起见,我们先在二维平面上定义火柴人的关节位置。这里以一个简单的火柴人站立姿势为例:


# 定义关节位置  head = [0, 1]  torso = [0, 0]  left_shoulder = [-0.5, 0]  left_elbow = [-1, -0.5]  left_hand = [-1, -1]  right_shoulder = [0.5, 0]  right_elbow = [1, -0.5]  right_hand = [1, -1]  left_hip = [-0.5, -0.5]  left_knee = [-1, -1.5]  left_foot = [-1, -2]  right_hip = [0.5, -0.5]  right_knee = [1, -1.5]  right_foot = [1, -2]    # 将关节位置存储在一个字典中  joints = {      'head': head,      'torso': torso,      'left_shoulder': left_shoulder,      'left_elbow': left_elbow,      'left_hand': left_hand,      'right_shoulder': right_shoulder,      'right_elbow': right_elbow,      'right_hand': right_hand,      'left_hip': left_hip,      'left_knee': left_knee,      'left_foot': left_foot,      'right_hip': right_hip,      'right_knee': right_knee,      'right_foot': right_foot  }
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(3)绘制火柴人


接下来,我们编写一个函数,根据关节位置绘制火柴人:


def draw_stick_figure(joints, ax):      # 绘制身体      body_parts = [          ('torso', 'head'),          ('torso', 'left_shoulder'), ('left_shoulder', 'left_elbow'), ('left_elbow', 'left_hand'),          ('torso', 'right_shoulder'), ('right_shoulder', 'right_elbow'), ('right_elbow', 'right_hand'),          ('torso', 'left_hip'), ('left_hip', 'left_knee'), ('left_knee', 'left_foot'),          ('torso', 'right_hip'), ('right_hip', 'right_knee'), ('right_knee', 'right_foot')      ]            for start, end in body_parts:          start_pos = np.array(joints[start])          end_pos = np.array(joints[end])          ax.plot([start_pos[0], end_pos[0]], [start_pos[1], end_pos[1]], 'k-')            # 绘制头部      circle = plt.Circle(joints['head'], 0.1, color='black', fill=True)      ax.add_patch(circle)            # 绘制手部(可选)      circle = plt.Circle(joints['left_hand'], 0.05, color='black', fill=True)      ax.add_patch(circle)      circle = plt.Circle(joints['right_hand'], 0.05, color='black', fill=True)      ax.add_patch(circle)            # 绘制脚部(可选)      circle = plt.Circle(joints['left_foot'], 0.05, color='black', fill=True)      ax.add_patch(circle)      circle = plt.Circle(joints['right_foot'], 0.05, color='black', fill=True)      ax.add_patch(circle)
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(4)绘制并显示图形


最后,我们创建一个图形对象,调用绘制函数,并显示结果:


def main():      fig, ax = plt.subplots()      ax.set_aspect('equal')      ax.axis('off')  # 关闭坐标轴            draw_stick_figure(joints, ax)            plt.show()    if __name__ == "__main__":      main()
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5.常见问题解答


(1)火柴人看起来扭曲或比例不对:这通常是由于关节位置定义不合理或线段连接错误导致的。检查关节位置和连接顺序是否正确。

(2)图形显示不全:确保设置ax.set_aspect('equal'),使得图形按等比例显示。

(3)如何添加动画效果:可以使用matplotlibFuncAnimation类,通过不断更新关节位置来实现动画效果。


6.成果案例分享


通过上述步骤,你已经成功绘制了一个简单的火柴人。接下来,我们可以尝试更复杂的姿势和动画效果。例如,通过改变关节位置,实现火柴人的跳跃、行走等动作。


下面是一个简单的动画示例,展示火柴人从左到右移动的过程:


import matplotlib.animation as animation    def update_position(frame, joints):      # 这里我们简单地将火柴人向右移动      translation = 0.1 * frame      for key in joints.keys():          joints[key][0] += translation      return joints    def animate(frame):      global joints_anim      joints_anim = update_position(frame, joints_anim)      ax.clear()      ax.set_aspect('equal')      ax.axis('off')      draw_stick_figure(joints_anim, ax)    def main_animation():      fig, ax = plt.subplots()      global joints_anim      joints_anim = {key: value.copy() for key, value in joints.items()}  # 复制初始关节位置      ani = animation.FuncAnimation(fig, animate, frames=100, interval=100)      plt.show()    if __name__ == "__main__":      main_animation()
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7.案例代码示例


以下是完整的代码示例,包括所有步骤和注释:


import matplotlib.pyplot as plt  import numpy as np  import matplotlib.animation as animation    # 定义关节位置  joints = {      'head': [0, 1],      'torso': [0, 0],      'left_shoulder': [-0.5, 0],      'left_elbow': [-1, -0.5],      'left_hand': [-1, -1],      'right_shoulder': [0.5, 0],      'right_elbow': [1, -0.5],      'right_hand': [1, -1],      'left_hip': [-0.5, -0.5],      'left_knee': [-1, -1.5],      'left_foot': [-1, -2],      'right_hip': [0.5, -0.5],      'right_knee': [1, -1.5],      'right_foot': [1, -2]  }    # 将关节位置转换为numpy数组,以便进行数学运算  joints = {key: np.array(value) for key, value in joints.items()}    # 绘制火柴人的函数  def draw_stick_figure(joints, ax):      # 清除之前的绘图      ax.clear()            # 设置坐标轴的比例和限制      ax.set_aspect('equal')      ax.set_xlim(-2, 2)      ax.set_ylim(-2.5, 1.5)            # 定义身体部分和对应的颜色(可选)      body_parts = [          ('torso', 'head', 'black'),          ('torso', 'left_shoulder', 'black'), ('left_shoulder', 'left_elbow', 'black'), ('left_elbow', 'left_hand', 'black'),          ('torso', 'right_shoulder', 'black'), ('right_shoulder', 'right_elbow', 'black'), ('right_elbow', 'right_hand', 'black'),          ('torso', 'left_hip', 'black'), ('left_hip', 'left_knee', 'black'), ('left_knee', 'left_foot', 'black'),          ('torso', 'right_hip', 'black'), ('right_hip', 'right_knee', 'black'), ('right_knee', 'right_foot', 'black')      ]            # 绘制火柴人的各个部分      for part in body_parts:          start_joint, end_joint, color = part[0], part[1], part[2] if len(part) > 2 else 'black'          ax.plot([joints[start_joint][0], joints[end_joint][0]], [joints[start_joint][1], joints[end_joint][1]], color=color, linewidth=2)            # 显示网格(可选)      ax.grid(True)    # 创建图形和坐标轴  fig, ax = plt.subplots()    # 初始化函数(用于动画)  def init():      draw_stick_figure(joints, ax)      return []  # 返回空列表,因为我们没有需要更新的艺术家对象    # 动画更新函数  def update(frame):      # 这里可以添加使火柴人移动或改变姿势的逻辑      # 例如,简单地旋转手臂或腿      # 但为了简化,我们在这里不改变关节位置      draw_stick_figure(joints, ax)      return []  # 同样返回空列表    # 创建动画  ani = animation.FuncAnimation(fig, update, frames=100, init_func=init, blit=True, interval=100)    # 显示图形  plt.show()
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请注意以下几点:


(1)我将关节位置转换为了numpy数组,以便在需要时进行数学运算(虽然在这个简单的例子中并没有用到)。

(2)在draw_stick_figure函数中,我添加了设置坐标轴比例和限制的代码,以及一个可选的网格显示。

(3)在body_parts列表中,我添加了颜色参数,但在这个例子中,我默认使用了黑色。你可以根据需要更改颜色。

(4)在update函数中,我没有改变关节位置,因此火柴人在动画中保持静止。你可以根据需要添加逻辑来改变火柴人的姿势或位置。

(5)我使用了FuncAnimation来创建动画,并设置了 100 帧和每帧之间的间隔为 100 毫秒。你可以根据需要调整这些参数。


运行这段代码将显示一个包含静止火柴人的窗口,并且由于动画的设置,它会每隔 100 毫秒重新绘制一次(尽管看起来是静止的,因为关节位置没有改变,感兴趣的读者朋友可以尝试改变关节位置)。


文章转载自:TechSynapse

原文链接:https://www.cnblogs.com/TS86/p/18475210

体验地址:http://www.jnpfsoft.com/?from=infoq

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