1 前言
说起元宵节，各位有没有觉得这是咱们中国人最浪漫的节日呢？国人向来拘谨古板，一年到头都是小心谨慎地过日子，唯有元宵节这天可以纵情豪放一把。东风夜放花千树，宝马雕车香满路，火树银花霓虹闪烁，豪车遍地美女如云。细品，你甚至都能嗅到香奈儿的味道！月上柳梢头，人约黄昏后，这又是何等的浪漫！比起烛光晚宴、鲜花加持，这份浪漫更显纯真。晚至明清，民间元宵节的喜庆气氛，堪比西班牙的奔牛节、巴西的狂欢节、泰国的泼水节。
由于众所周知的原因，估计今年的趵突泉元宵节灯会又要黄了。去哪儿体验“花市灯如昼”的节日气氛呢？Don't worry，没有什么事能够难倒程序员——用3D技术也可以做出下图这样的走马灯，算是聊胜于无吧。
2 原材料
2.1 花灯纸
如下所示，还可以加上自己喜欢的图案、文字等。
2.2 Python环境和模块
一台安装了Python环境的电脑，Python环境需要安装以下模块。
-
numpy
-
pillow
-
wxgl
如果没有上述模块，请参考下面的命令安装。
1pip install numpy 2pip install pillow 3pip install wxgl 4
NumPy和pillow是Python旗下最常用的科学计算库和图像处理库，属于常用模块。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风格的交互式应用模式，同时，也可以和wxPython无缝结合，在wx的窗体上绘制三维模型。关于WxGL的更多信息，请参阅我的另一篇博客《十分钟玩转3D绘图：WxGL完全手册》。
3 制作工序
花灯制作工序非常简单，只需要三十行代码，可以直接在Python IDLE中以交互方式逐行执行。
3.1 导入模块
1>>> import numpy as np 2>>> from PIL import Image 3>>> import wxgl.wxplot as plt 4
3.2 打开花灯纸图像
1>>> fn = r'D:\temp\light0115\res\paper.png' 2>>> im = np.array(Image.open(fn))/255 3>>> im.shape 4(400, 942, 3) 5
fn定义的是图像存储路径，请据实修改。Image.open(fn)打开文件，返回一个PIL对象，np.array()将PIL对象转成numpy.ndarray数组对象。除以255，将图像数据从0到255的值域范围变成0到1，适应WxGL的接口要求。查看数组的shape，显示图像分辨率为400像素高、942像素宽，每个像素有三种颜色（此处为RGB）。
3.3 根据花灯纸的大小制作龙骨
纸长942像素，卷成圆筒，半径就是149.9像素，如果把半径视为1个单位，则高度400像素相当于2.668个单位。
1>>> rows, cols, deep = im.shape 2>>> cols/(2*np.pi) 3149.9239563925654 4>>> r = 1 5>>> h = 2*np.pi*rows/cols 6>>> h 72.6680192387174464 8
接下来需要制作半径1个单位、高度2.668个单位的圆筒状龙骨了。
1>>> theta = np.linspace(0, 2*np.pi, cols) 2>>> x = r * np.cos(theta) 3>>> y = r * np.sin(theta) 4>>> z = np.linspace(0, h, rows) 5>>> xs = np.tile(x, (rows,1)) 6>>> ys = np.tile(y, (rows,1)) 7>>> zs = z.repeat(cols).reshape((rows,cols)) 8
这里的xs、ys、zs就是圆筒状龙骨上各个点的x坐标、y坐标、z坐标。下面的代码，每隔10个点抽取1个点，用mesh的方法画出龙骨形状。当然，也可以画出全部的点，那样顶点就会连成一片。
1>>> plt.mesh(xs[::10,::10], ys[::10,::10], zs[::10,::10], mode='FLBL') 2>>> plt.show() 3
用3D的方式画出来的龙骨，效果如下。
3.4 给龙骨贴上花灯纸
有了龙骨，接下来就可以把花灯纸贴在龙骨上了。继续操作之前，记得先把刚才弹出的3D龙骨窗口关闭。
1>>> plt.mesh(xs, ys, zs, im) 2>>> plt.show() 3
不过，你会立刻发现，花灯纸上下方向贴反了。没关系，我们可以像下面这样反转方向。
1>>> plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1]) 2>>> plt.show() 3
怎么样，是不是有一点走马灯的雏形了呢？
3.5 制作旋转叶轮
走马灯之所以能够转动，是因为里面有蜡烛加热形成上升气流，推动顶部的叶轮旋转，从而带动花灯旋转。当然，这里的叶轮仅仅是个样子，花灯旋转依赖另外的机制实现。
1>>> theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 18, endpoint=False) 2>>> x = r * np.cos(theta) 3>>> y = r * np.sin(theta) 4>>> x[2::3] = x[1::3] 5>>> x[1::3] = 0 6>>> y[2::3] = y[1::3] 7>>> y[1::3] = 0 8>>> z = np.ones(18) * h * 0.9 9>>> vs = np.stack((x,y,z), axis=1) 10>>> plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1]) 11>>> plt.surface(vs, color='#C03000', method='T', mode='FCBC', alpha=0.8) 12>>> plt.show() 13
叶轮设计有6片，用三角形模拟，颜色深红，透明度0.8，整体效果略显粗糙了一点。
3.6 加上照明灯和提系
照明灯用一个白色的圆球表示，提系则是红色的一条直线，兼做照明灯的电源线。
1>>> plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1]) 2>>> plt.surface(vs, color='#C03000', method='T', mode='FCBC', alpha=0.8) 3>>> plt.sphere((0,0,h*0.4), 0.4, '#FFFFFF', slices=60, mode='FCBC') 4>>> plt.plot((0,0), (0,0), (0.4*h, 1.5*h), width=3.0, style='solid', cmap='hsv', caxis='z') 5
3.7 让花灯转起来
花灯旋转的实现非常简单，只需要给show方法一个rotation参数就可以。
1plt.show(rotation='h-') 2
最终的花灯效果如下。
4 完整源代码
有了上面的解说，完整的源代码就不用注释了。全部代码三十余行，各位可自行扩展，制作出更多的花灯来。
1# -*- coding: utf-8 -*- 2 3import numpy as np 4from PIL import Image 5import wxgl.wxplot as plt 6 7im = np.array(Image.open('res/paper.png'))/255 8rows, cols, deep = im.shape 9 10r, h = 1, 2*np.pi*rows/cols 11theta = np.linspace(0, 2*np.pi, cols) 12x = r*np.cos(theta) 13y = r*np.sin(theta) 14z = np.linspace(0, h, rows) 15xs = np.tile(x, (rows,1)) 16ys = np.tile(y, (rows,1)) 17zs = z.repeat(cols).reshape((rows,cols)) 18 19theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 18, endpoint=False) 20x = r*np.cos(theta) 21y = r*np.sin(theta) 22x[2::3] = x[1::3] 23x[1::3] = 0 24y[2::3] = y[1::3] 25y[1::3] = 0 26z = np.ones(18) * h * 0.9 27vs = np.stack((x,y,z), axis=1) 28 29plt.mesh(xs, ys, zs, im[::-1]) 30plt.surface(vs, color='#C03000', method='T', mode='FCBC', alpha=0.8) 31plt.sphere((0,0,h*0.4), 0.4, '#FFFFFF', slices=60, mode='FCBC') 32plt.plot((0,0), (0,0), (0.4*h, 1.5*h), width=3.0, style='solid', cmap='hsv', caxis='z') 33plt.show(rotation='h-') 34
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