引言
3D动画在数据可视化和图形学中具有重要意义，能够生动地展示复杂的三维结构和运动。在这篇博客中，我们将使用Python来实现一个动态旋转的3D立方体。通过利用Matplotlib库，我们能够轻松创建和动画化3D立方体。
准备工作
前置条件
在开始之前，你需要确保你的系统已经安装了Matplotlib库。如果你还没有安装它，可以使用以下命令进行安装：
代码语言：javascript复制pip install matplotlibMatplotlib是一个强大的Python绘图库，支持生成各种静态、动态和交互式的图形。
代码实现与解析
导入必要的库
我们首先需要导入Matplotlib库和其他必要的模块：
代码语言：javascript复制import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from matplotlib.animation import FuncAnimation初始化3D立方体
我们需要定义3D立方体的顶点和边：
代码语言：javascript复制# 定义立方体的顶点
vertices = np.array([
[1, 1, 1],
[1, 1, -1],
[1, -1, 1],
[1, -1, -1],
[-1, 1, 1],
[-1, 1, -1],
[-1, -1, 1],
[-1, -1, -1]
])
# 定义立方体的边
edges = [
[0, 1], [0, 2], [0, 4], [1, 3], [1, 5],
[2, 3], [2, 6], [3, 7], [4, 5], [4, 6],
[5, 7], [6, 7]
]绘制立方体
我们定义一个函数来绘制立方体：
代码语言：javascript复制def draw_cube(ax, vertices, edges):
for edge in edges:
points = vertices[edge]
ax.plot3D(*zip(*points), color="b")旋转立方体
我们定义一个旋转矩阵来旋转立方体：
代码语言：javascript复制def rotate(vertices, angle_x, angle_y, angle_z):
# 旋转矩阵
rotation_x = np.array([
[1, 0, 0],
[0, np.cos(angle_x), -np.sin(angle_x)],
[0, np.sin(angle_x), np.cos(angle_x)]
])
rotation_y = np.array([
[np.cos(angle_y), 0, np.sin(angle_y)],
[0, 1, 0],
[-np.sin(angle_y), 0, np.cos(angle_y)]
])
rotation_z = np.array([
[np.cos(angle_z), -np.sin(angle_z), 0],
[np.sin(angle_z), np.cos(angle_z), 0],
[0, 0, 1]
])
# 应用旋转
return np.dot(vertices, rotation_x).dot(rotation_y).dot(rotation_z)创建动画
我们使用FuncAnimation创建动画效果：
代码语言：javascript复制fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')
def update(frame):
ax.cla()
angle = np.radians(frame)
rotated_vertices = rotate(vertices, angle, angle, angle)
draw_cube(ax, rotated_vertices, edges)
ax.set_xlim([-2, 2])
ax.set_ylim([-2, 2])
ax.set_zlim([-2, 2])
ani = FuncAnimation(fig, update, frames=360, interval=30)
plt.show()完整代码
代码语言：javascript复制import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from matplotlib.animation import FuncAnimation
# 定义立方体的顶点
vertices = np.array([
[1, 1, 1],
[1, 1, -1],
[1, -1, 1],
[1, -1, -1],
[-1, 1, 1],
[-1, 1, -1],
[-1, -1, 1],
[-1, -1, -1]
])
# 定义立方体的边
edges = [
[0, 1], [0, 2], [0, 4], [1, 3], [1, 5],
[2, 3], [2, 6], [3, 7], [4, 5], [4, 6],
[5, 7], [6, 7]
]
# 绘制立方体函数
def draw_cube(ax, vertices, edges):
for edge in edges:
points = vertices[edge]
ax.plot3D(*zip(*points), color="b")
# 旋转立方体函数
def rotate(vertices, angle_x, angle_y, angle_z):
# 旋转矩阵
rotation_x = np.array([
[1, 0, 0],
[0, np.cos(angle_x), -np.sin(angle_x)],
[0, np.sin(angle_x), np.cos(angle_x)]
])
rotation_y = np.array([
[np.cos(angle_y), 0, np.sin(angle_y)],
[0, 1, 0],
[-np.sin(angle_y), 0, np.cos(angle_y)]
])
rotation_z = np.array([
[np.cos(angle_z), -np.sin(angle_z), 0],
[np.sin(angle_z), np.cos(angle_z), 0],
[0, 0, 1]
])
# 应用旋转
return np.dot(vertices, rotation_x).dot(rotation_y).dot(rotation_z)
# 创建动画
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')
def update(frame):
ax.cla()
angle = np.radians(frame)
rotated_vertices = rotate(vertices, angle, angle, angle)
draw_cube(ax, rotated_vertices, edges)
ax.set_xlim([-2, 2])
ax.set_ylim([-2, 2])
ax.set_zlim([-2, 2])
ani = FuncAnimation(fig, update, frames=360, interval=30)
plt.show()
