怎么用Python OpenGL绘制一场烟花盛会

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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 npimport wxglimport wxgl.wxplot as pltdef 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 mvs = 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 npimport wxglimport wxgl.wxplot as pltdef 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, tmaxdef 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 mdef 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 mif __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。

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