Python OpenGL绘制一场烟花盛会

忙碌了一年，今天终于放假了。原本打算好好休息一下，没成想只过了半天就觉得有点无聊。看家人和朋友们都在忙年，那我就用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。

到此这篇关于Python OpenGL绘制一场烟花盛会的文章就介绍到这了,更多相关Python OpenGL烟花内容请搜索猪先飞以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持猪先飞！