用 Python 创作酷炫的几何图形

lsekfe

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：

　　2. turtle例子
　　我们通过一个简单的例子来了解turtle的基本操作

1. 　import turtle
   
2. 　　
   
3. 　　# screen 画布属性设置
   
4. 　　canvas = turtle.Screen()
   
5. 　　canvas.bgcolor("white")
   
6. 　　
   
7. 　　# 画笔设置
   
8. 　　pen = turtle.Pen()
   
9. 　　pen.hideturtle()
   
10. 　　pen.color('red', 'yellow')
    
11. 　　
    
12. 　　# 开始画第一个部分，并填充颜色
    
13. 　　pen.begin_fill()
    
14. 　　while True:
    
15. 　　    pen.forward(200)
    
16. 　　    pen.left(170)
    
17. 　　    if abs(pen.pos()) < 1:
    
18. 　　        break
    
19. 　　pen.end_fill()
    
20. 　　
    
21. 　　# 提笔， 移动位置，画第二个部分
    
22. 　　pen.penup()
    
23. 　　pen.goto(-100, -100)
    
24. 　　pen.pendown()
    
25. 　　
    
26. 　　for i in range(5):
    
27. 　　    pen.forward(30) #长度300像素
    
28. 　　    pen.right(144) #转角144度
    
29. 　　
    
30. 　　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, Turtle在Screen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")
　　3. 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：

1. 　import turtle
   
2. 　　from turtle import *  #从turtle中导出所有模块
   
3. 　　radius = 100     #半径为100
   
4. 　　color("black", "black")  #画线颜色黑色，填充颜色黑色
   
5. 　　begin_fill()  #开始填充
   
6. 　　circle(radius/2, 180)  #逆时针画圈，半径为50,180°
   
7. 　　circle(radius, 180)  #逆时针画圈，半径为100,180°
   
8. 　　left(180)  #转向180°
   
9. 　　circle(-radius/2, 180)  #顺时针画圈，半径50,180°
   
10. 　　end_fill()  #填充结束
    
11. 　　#移动到画太极图黑色的小圈位置，开始画小白圈
    
12. 　　left(90)#左转向90°，海龟头垂直水平线向上
    
13. 　　penup()#提笔，不留痕迹
    
14. 　　forward(radius*0.35)#向前，半径的0.35=35像素
    
15. 　　right(90)#右转向90°，海龟头与右侧水平线同向
    
16. 　　pendown()#落笔，开始画线
    
17. 　　#开始画太极图黑色部分的小白圈
    
18. 　　color("white", "white")#画线颜色为白色，填充颜色为白色
    
19. 　　begin_fill()#开始填充
    
20. 　　circle(radius*0.15)#逆时针画圈，半径的0.15=15像素（35+15+15+35=100）
    
21. 　　end_fill() #填充结束
    
22. 　　
    
23. 　　left(90)#左转向90°
    
24. 　　penup()#提笔，不留痕迹
    
25. 　　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
    
26. 　　pendown()#落笔，开始留下痕迹
    
27. 　　left(90)#左转90°，此时海龟头与左侧水平同向
    
28. 　　#开始画太极图白色部分里的小黑圈
    
29. 　　color("black", "black")#画线颜色为黑色，填充为黑色
    
30. 　　begin_fill()#开始填充
    
31. 　　circle(radius*0.15)#开始逆时针画圈，半径的0.15=15个像素
    
32. 　　end_fill() #填充完毕
    
33. 　　
    
34. 　　right(90)#再右转90°，此时海龟头垂直水平线向上
    
35. 　　penup()#提笔，不留痕迹
    
36. 　　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
    
37. 　　right(90)#右转90°，海龟头与右侧水平线同向
    
38. 　　pendown()#落笔，开始留下痕迹
    
39. 　　circle(radius, 180)#逆时针画圈，半径100,180°，画太极图的白色部分的大圈
    
40. 　　hideturtle()#隐藏笔头hideturtle
    
41. 　　turtle.done()

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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。

　　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:

1. import turtle, time
   
2. 　　 # 初始不更新画面
   
3. 　　 turtle.tracer(0)
   
4. 　　
   
5. 　　 # 地板墙
   
6. 　　 wall = turtle.Pen()
   
7. 　　 wall.pencolor('red')
   
8. 　　 wall.pensize(10)
   
9. 　　 wall.hideturtle()
   
10. 　　 wall.penup()
    
11. 　　 wall.goto(-300, -200)
    
12. 　　 wall.pendown()
    
13. 　　 wall.forward(600)
    
14. 　　
    
15. 　　 # 小球
    
16. 　　 R = 15
    
17. 　　 ball = turtle.Turtle('circle')
    
18. 　　 ball.shapesize(R / 10)
    
19. 　　 ball.penup()
    
20. 　　 pos_x, pos_y = [100, 100]
    
21. 　　 pos_x, pos_y = ball.pos()
    
22. 　　 ball.goto(pos_x, pos_y)
    
23. 　　 wall_x, wall_y = wall.pos()
    
24. 　　
    
25. 　　 # 球参数
    
26. 　　 FPS = 60  # 每秒60帧
    
27. 　　 G = 0.03  # 模拟重力加速度
    
28. 　　 DRAG = 0.9956 # 阻力
    
29. 　　 v_y = 1 # 初始速度
    
30. 　　
    
31. 　　 while True:
    
32. 　　
    
33. 　　     # 清除印章
    
34. 　　     ball.clearstamps()
    
35. 　　
    
36. 　　     v_y += G  # 模拟重力加速度
    
37. 　　     if pos_y - R - 10 < wall_y:  # 撞地面
    
38. 　　         v_y *= -1
    
39. 　　
    
40. 　　     pos_x, pos_y = pos_x, pos_y - v_y
    
41. 　　     ball.goto(pos_x, pos_y)
    
42. 　　     v_y = v_y * DRAG
    
43. 　　
    
44. 　　     # 通过印章显示球
    
45. 　　     ball.stamp()
    
46. 　　
    
47. 　　     # 更新画面信息
    
48. 　　     turtle.update()
    
49. 　　     time.sleep(1 / FPS)

复制代码

　　4. 更多的例子
　　玫瑰曲线

1. from turtle import *
   
2. 　　from math import *
   
3. 　　color("red")
   
4. 　　def draw(a,end):
   
5. 　　    t=0
   
6. 　　    while t<(14*end):
   
7. 　　        x=a*sin(t*3.14)*cos(t)
   
8. 　　        y=a*sin(t*3.14)*sin(t)
   
9. 　　        goto(x,y)
   
10. 　　        t=t+0.03
    
11. 　　
    
12. 　　draw(100,3.14)
    
13. 　　done()

复制代码

　　螺旋

1. 　import turtle
   
2. 　　t=turtle.Pen()
   
3. 　　for x in range(360):
   
4. 　　    t.forward(x)
   
5. 　　    t.left(59)
   
6. 　　
   
7. 　　done()

复制代码

　　扇子

1. from turtle import *
   
2. 　　forward(200)
   
3. 　　left(90)
   
4. 　　fillcolor('red')
   
5. 　　begin_fill()
   
6. 　　circle(100,180)
   
7. 　　end_fill()
   
8. 　　left(90)
   
9. 　　forward(100)
   
10. 　　for i in range(17):
    
11. 　　    left(10)
    
12. 　　    pencolor('yellow')
    
13. 　　    forward(100)
    
14. 　　    backward(100)
    
15. 　　left(100)
    
16. 　　pensize(10)
    
17. 　　pencolor('red')
    
18. 　　forward(100)
    
19. 　　hideturtle()
    
20. 　　done()

复制代码

　　5. 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

bellas

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