用Python和Pygame创造粉色粒子爱心：3D渲染的艺术

news2025/4/10 9:06:04

引言

在计算机图形学中，3D效果的2D渲染是一个迷人的领域。今天，我将分享一个使用Python和Pygame库创建的粉色粒子爱心效果。这个项目不仅视觉效果惊艳，而且代码简洁易懂，非常适合图形编程初学者学习3D渲染的基础概念。

项目概述

这个程序创建了一个由5000个粉色粒子组成的3D爱心，在黑色背景中优雅旋转。粒子会根据其深度改变大小和亮度，创造出真实的3D透视效果。

技术实现

1. 初始化设置

import pygame
import math
import random
from pygame.locals import *

# 初始化pygame
pygame.init()

# 设置窗口
WIDTH, HEIGHT = 550, 400
screen = pygame.display.set_mode((WIDTH, HEIGHT))
pygame.display.set_caption("粉色花生米")

# 颜色定义
BLACK = (0, 0, 0)
PINK = (255, 182, 193)  # 粉红色
LIGHT_PINK = (255, 209, 220)  # 浅粉色

2. 粒子类设计

粒子类是项目的核心，负责每个粒子的3D位置、颜色和渲染：

class Particle:
    def __init__(self):
        # 使用球坐标生成爱心形状的点
        theta = random.uniform(0, math.pi)
        phi = random.uniform(0, 2 * math.pi)
        
        # 爱心形状的球坐标转换
        r = self.heart_shape(theta, phi)
        
        # 转换为3D笛卡尔坐标
        self.x = r * math.sin(theta) * math.cos(phi)
        self.y = r * math.sin(theta) * math.sin(phi)
        self.z = r * math.cos(theta)
        
        # 添加随机扰动使粒子分布更自然
        self.x += random.uniform(-0.3, 0.3)
        self.y += random.uniform(-0.3, 0.3)
        self.z += random.uniform(-0.3, 0.3)
        
        # 粒子属性
        self.base_color = random.choice([PINK, LIGHT_PINK])
        self.base_size = random.uniform(0.5, 1.5)
        self.angle_x = 0
        self.angle_y = 0
        self.angle_z = 0

3. 爱心形状算法

爱心形状是通过球坐标转换实现的数学魔法：

def heart_shape(self, theta, phi):
    """将球坐标转换为爱心形状"""
    t = theta * 2  # 映射到0-2π
    heart_factor = (13*math.cos(t) - 5*math.cos(2*t) - 2*math.cos(3*t) - math.cos(4*t)) / 13
    
    # 转换为球体形状
    r = 10 * (0.8 + 0.2 * heart_factor)
    return r

这个公式基于心形线的极坐标方程，经过调整后适合在3D空间中使用。

4. 3D旋转与投影

粒子在3D空间中的旋转和2D投影是创造3D效果的关键：

def update(self):
    # 旋转角度增量
    self.angle_x += 0.002
    self.angle_y += 0.003
    self.angle_z += 0.001
    
    # 3D旋转 - 绕x、y、z轴旋转
    y_rot = self.y * math.cos(self.angle_x) - self.z * math.sin(self.angle_x)
    z_rot = self.y * math.sin(self.angle_x) + self.z * math.cos(self.angle_x)
    
    x_rot = self.x * math.cos(self.angle_y) + z_rot * math.sin(self.angle_y)
    z_rot = -self.x * math.sin(self.angle_y) + z_rot * math.cos(self.angle_y)
    
    x_final = x_rot * math.cos(self.angle_z) - y_rot * math.sin(self.angle_z)
    y_final = x_rot * math.sin(self.angle_z) + y_rot * math.cos(self.angle_z)
    
    # 透视投影
    scale = 15
    distance = 10
    
    # 计算2D坐标
    x_proj = WIDTH//2 + int(x_final * scale)
    y_proj = HEIGHT//2 - int(y_final * scale)
    
    # 根据深度调整大小和颜色
    depth_factor = (z_rot + distance) / (2 * distance)
    self.curr_size = max(1, int(self.base_size * depth_factor))
    
    color_factor = min(1.0, max(0.4, depth_factor * 1.3))
    r = min(255, max(0, int(self.base_color[0] * color_factor)))
    g = min(255, max(0, int(self.base_color[1] * color_factor)))
    b = min(255, max(0, int(self.base_color[2] * color_factor)))
    self.curr_color = (r, g, b)
    
    return x_proj, y_proj

5. 主循环与渲染

# 创建5000个粒子
particles = [Particle() for _ in range(5000)]

# 主循环
clock = pygame.time.Clock()
running = True

while running:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == QUIT:
            running = False
    
    # 清屏并添加淡出效果
    screen.fill(BLACK)
    fade_surface = pygame.Surface((WIDTH, HEIGHT), pygame.SRCALPHA)
    fade_surface.fill((0, 0, 0, 15))  # 淡出拖尾效果
    screen.blit(fade_surface, (0, 0))
    
    # 绘制所有粒子
    for particle in particles:
        particle.draw(screen)
    
    # 添加文字
    font = pygame.font.SysFont('微软雅黑', 30)
    text = font.render("particles", True, (255, 255, 255))
    screen.blit(text, (WIDTH//2 - text.get_width()//2, 30))
    
    pygame.display.flip()
    clock.tick(60)

pygame.quit()