Manim 一个特漂亮的Python数学动画开发模块

开发 前端
如果你用Python的目的是数据分析,可以直接安装Anaconda:Python数据分析与挖掘好帮手—Anaconda,它内置了Python和pip.

Manim 是3b1b开源的一个特别漂亮的数学动画模块。

我们能够基于Manim绘制许多解释性的动画,比如下面这个:

图片

也支持函数图像:

图片

甚至是一些3D视图和矩阵变换,Manim都可以轻易实现:

图片

图片

如果你是一个数学课程的演讲者,或者你需要给观众演示某些数学公式的图形,那么Manim就是你的不二之选。

Manim 支持 Python 3.7 及以上版本,推荐Python3.8.

1.准备

开始之前,你要确保Python和pip已经成功安装在电脑上,如果没有,可以访问这篇文章:超详细Python安装指南 进行安装。

(可选1) 如果你用Python的目的是数据分析,可以直接安装Anaconda:Python数据分析与挖掘好帮手—Anaconda,它内置了Python和pip.

(可选2) 此外,推荐大家用VSCode编辑器,它有许多的优点:Python 编程的最好搭档—VSCode 详细指南。

请选择以下任一种方式输入命令安装依赖:1. Windows 环境 打开 Cmd (开始-运行-CMD)。2. MacOS 环境 打开 Terminal (command+空格输入Terminal)。3. 如果你用的是 VSCode编辑器 或 Pycharm,可以直接使用界面下方的Terminal.

conda create --name manim pythnotallow=3.8 # 创建虚拟环境
conda activate manim # 切换到此虚拟环境
pip install manimgl # 安装manim

安装完毕后在终端输入 manimgl,会出现如下的界面,说明安装完成。

图片

2. Manim 基本使用

首先学会画一个基本的数学图形,如圆圈:

from manimlib import *

class SquareToCircle(Scene):
def construct(self):
circle = Circle()
circle.set_fill(BLUE, opacity=0.5)
circle.set_stroke(BLUE_E, width=4)

self.add(circle)

编写完毕后,在终端里敲下这行命令:

manimgl 你的py文件名.py SquareToCircle

就能弹出一个图形界面,绘制完成:

图片

你还可以操作弹出的这个窗口:

  • 滚动鼠标中键来上下移动画面
  • 按住键盘上 z 键的同时滚动鼠标中键来缩放画面
  • 按住键盘上 f 键的同时移动鼠标来平移画面
  • 按住键盘上 d 键的同时移动鼠标来改变三维视角
  • 按下键盘上 r 键恢复到最初的视角

最后,你可以通过按 q来关闭窗口并退出程序。

接下来,我们学习如何让圆形变成方形:

# 公众号: Python实用宝典
from manimlib import *

class CircleToSquare(Scene):
def construct(self):
square = Square()
square.set_fill(BLUE, opacity=0.5)
square.set_stroke(BLUE_E, width=4)
circle = Circle()

self.play(ShowCreation(circle))
self.wait()
self.play(ReplacementTransform(circle, square))
self.wait()

ShowCreation: 演示圆圈绘制过程。

ReplacementTransform: 延时从第一个参数的图形变化到第二个参数的图形的过程。

self.wait(): 等待上个play操作执行完成。

终端运行命令:

manimgl 你的py文件名.py CircleToSquare

效果如下:

图片

再来一个复杂一点的演示,增加拉伸、旋转和变换:

# 公众号: Python实用宝典
from manimlib import *

class CircleToSquare(Scene):
def construct(self):
square = Square()
square.set_fill(BLUE, opacity=0.5)
square.set_stroke(BLUE_E, width=4)
circle = Circle()

self.play(ShowCreation(circle))
self.wait()
self.play(ReplacementTransform(circle, square))
self.wait()
# 在水平方向上拉伸到四倍
self.play(square.animate.stretch(4, dim=0))
self.wait()
# 旋转90°
self.play(Rotate(square, TAU / 4))
self.wait()
# 在向右移动2单位同时缩小为原来的1/4
self.play(square.animate.shift(2 * RIGHT), square.animate.scale(0.25))
self.wait()
# 为了非线性变换,给square增加10段曲线(不会播放动画)
square.insert_n_curves(10)
# 给square上的所有点施加f(z)=z^2的复变换
self.play(square.animate.apply_complex_function(lambda z: z**2))
self.wait()

square.animate.stretch: 将图形拉伸第一个参数的倍数,第二个维度指明方向,dim=0为水平方向,dim=1为垂直方向。

square.animate.shift: 可以调整图形位置和大小。

square.animate.apply_complex_function: 增加函数复变换。

效果如下:

图片

3. Manim 坐标轴与函数图像

想要实现函数图像绘制,我们需要先添加坐标轴:

# 公众号: Python实用宝典
from manimlib import *

class GraphExample(Scene):
def construct(self):
axes = Axes((-3, 10), (-1, 8))
axes.add_coordinate_labels()

self.play(Write(axes, lag_ratio=0.01, run_time=1))

运行以下命令显示坐标轴:

manimgl 你的py文件名.py GraphExample

图片

坐标轴绘制完成后,就可以开始绘制图像了:

上滑查看更多代码:

class GraphExample(Scene):
def construct(self):
axes = Axes((-3, 10), (-1, 8))
axes.add_coordinate_labels()

self.play(Write(axes, lag_ratio=0.01, run_time=1))

# Axes.get_graph会返回传入方程的图像
sin_graph = axes.get_graph(
lambda x: 2 * math.sin(x),
color=BLUE,
)
# 默认情况下,它在所有采样点(x, f(x))之间稍微平滑地插值
# 但是,如果图形有棱角,可以将use_smoothing设为False
relu_graph = axes.get_graph(
lambda x: max(x, 0),
use_smoothing=False,
color=YELLOW,
)
# 对于不连续的函数,你可以指定间断点来让它不试图填补不连续的位置
step_graph = axes.get_graph(
lambda x: 2.0 if x > 3 else 1.0,
discnotallow=[3],
color=GREEN,
)

# Axes.get_graph_label可以接受字符串或者mobject。如果传入的是字符串
# 那么将将其当作LaTeX表达式传入Tex中
# 默认下,label将生成在图像的右侧,并且匹配图像的颜色
sin_label = axes.get_graph_label(sin_graph, "\\sin(x)")
relu_label = axes.get_graph_label(relu_graph, Text("ReLU"))
step_label = axes.get_graph_label(step_graph, Text("Step"), x=4)

self.play(
ShowCreation(sin_graph),
FadeIn(sin_label, RIGHT),
)
self.wait(2)
self.play(
ReplacementTransform(sin_graph, relu_graph),
FadeTransform(sin_label, relu_label),
)
self.wait()
self.play(
ReplacementTransform(relu_graph, step_graph),
FadeTransform(relu_label, step_label),
)
self.wait()

parabola = axes.get_graph(lambda x: 0.25 * x**2)
parabola.set_stroke(BLUE)
self.play(
FadeOut(step_graph),
FadeOut(step_label),
ShowCreation(parabola)
)
self.wait()

# 你可以使用Axes.input_to_graph_point(缩写Axes.i2gp)来找到图像上的一个点
dot = Dot(color=RED)
dot.move_to(axes.i2gp(2, parabola))
self.play(FadeIn(dot, scale=0.5))

# ValueTracker存储一个数值,可以帮助我们制作可变参数的动画
# 通常使用updater或者f_always让其它mobject根据其中的数值来更新
x_tracker = ValueTracker(2)
f_always(
dot.move_to,
lambda: axes.i2gp(x_tracker.get_value(), parabola)
)

self.play(x_tracker.animate.set_value(4), run_time=3)
self.play(x_tracker.animate.set_value(-2), run_time=3)
self.wait()

如果在运行的时候你出现了这样的错误:

图片

请下载安装MiKTex和dvisvgm.

MiKTex: https://miktex.org/download

Dvisvgm: https://dvisvgm.de/Downloads/

还有更多有趣的绘制案例,你可以在Manim官网上学习:

​https://docs.manim.org.cn/getting_started/example_scenes.html​

责任编辑:武晓燕 来源: Python实用宝典
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