瞎鼓搗系列~Numpy + matplotlib 畫一個魔方

NumPy是Python科學計算的基本包。它是一個Python庫，提供了多維數(shù)組對象、各種派生對象(如掩碼數(shù)組和矩陣)，以及用于對數(shù)組進行快速操作的各種例程，包括數(shù)學、邏輯、形狀操作、排序、選擇、I/O、離散傅里葉變換、基本線性代數(shù)、基本的統(tǒng)計運算，隨機模擬等等。github官方文檔

最近項目中有個碼垛規(guī)劃的需求，Numpy中的三維數(shù)組特別好用，就鼓搗了一下。然后我看到桌子上兩年前買的魔方，好久沒玩兒過了。頭腦一熱，就想用Numpy畫個魔方出來！

這里選擇使用Matplotlib作為可視化工具Matplotlib GitHubMatplotlib 官方文檔

為了制作魔方，主要用到Matplotlib中的一個函數(shù)voxels

voxels([x, y, z, ]/, filled, facecolors=None, edgecolors=None, **kwargs)繪制一組填充體素所有體素在坐標軸上繪制為1x1x1立方體，filled[0, 0, 0]的lower corner位于原點。被遮擋的面不再繪制。

以3x3x3魔方為例：

import matplotlib.pyplot as pltimport numpy as np# 準備一組體素坐標n_voxels = np.ones((3, 3, 3), dtype=bool)# 繪制ax = plt.figure().add_subplot(projection=’3d’)ax.voxels(n_voxels)plt.show()

可以看到，雖然出現(xiàn)了3x3x3個體素，但是體素與體素之間的沒有間隙，看起來不是很美觀。

為了讓體素與體素之間有間隙，可以對3x3x3的體素進行上采樣，即構建一個5x5x5的體素，這樣在每一個維度，讓處于兩個體素中間的體素不顯示，即可產(chǎn)生間隙的效果。

size = np.array(n_voxels.shape) * 2filled_2 = np.zeros(size - 1, dtype=n_voxels.dtype)filled_2[::2, ::2, ::2] = n_voxelsax = plt.figure().add_subplot(projection=’3d’)ax.voxels(filled_2)plt.show()

這樣間隙有了，但是間隙太大了，此時可以使用voxels函數(shù)的可選參數(shù)[x, y, z]控制每一個voxel的頂點位置，進而控制間隙的大小

# 縮小間隙# 構建voxels頂點控制網(wǎng)格# x, y, z均為6x6x6的矩陣，為voxels的網(wǎng)格# //2是為了，把索引范圍從[0 1 2 3 4 5]轉換為[0 0 1 1 2 2],這樣x,y,z范圍就回到了0~3x, y, z = np.indices(np.array(filled_2.shape) + 1).astype(float) // 2 x[1::2, :, :] += 0.95y[:, 1::2, :] += 0.95z[:, :, 1::2] += 0.95

這樣間隙就看起來差不多了，接下來就是為魔方的六個面添加顏色了。

由于只能給每個體素整體一個顏色，不能對一個體素的不同面指定不同的顏色，所以為了實現(xiàn)六個面不同顏色，只能將3x3x3的矩陣改為5x5x5，將最外邊的那一層體素厚度設小一點，近似于面，然后賦顏色。

import matplotlib.pyplot as pltimport numpy as np# 準備一些坐標n_voxels = np.ones((5, 5, 5), dtype=bool)# 生成間隙size = np.array(n_voxels.shape) * 2filled_2 = np.zeros(size - 1, dtype=n_voxels.dtype)filled_2[::2, ::2, ::2] = n_voxels# 縮小間隙# 構建voxels頂點控制網(wǎng)格# x, y, z均為6x6x8的矩陣，為voxels的網(wǎng)格，3x3x4個小方塊，共有6x6x8個頂點。# 這里//2是精髓，把索引范圍從[0 1 2 3 4 5]轉換為[0 0 1 1 2 2],這樣就可以單獨設立每個方塊的頂點范圍x, y, z = np.indices(np.array(filled_2.shape) + 1).astype(float) //2 # 3x6x6x8，其中x,y,z均為6x6x8x[1::2, :, :] += 0.95y[:, 1::2, :] += 0.95z[:, :, 1::2] += 0.95# 修改最外面的體素的厚度，作為六個面來使用x[0, :, :] += 0.94y[:, 0, :] += 0.94z[:, :, 0] += 0.94x[-1, :, :] -= 0.94y[:, -1, :] -= 0.94z[:, :, -1] -= 0.94# 去除邊角料filled_2[0, 0, :] = 0filled_2[0, -1, :] = 0filled_2[-1, 0, :] = 0filled_2[-1, -1, :] = 0filled_2[:, 0, 0] = 0filled_2[:, 0, -1] = 0filled_2[:, -1, 0] = 0filled_2[:, -1, -1] = 0filled_2[0, :, 0] = 0filled_2[0, :, -1] = 0filled_2[-1, :, 0] = 0filled_2[-1, :, -1] = 0

然后就是給六個面賦不同的顏色了。

六個方向表示：上(up)、下(down)、左(left)、右(right)、前(front)、后(back)六種顏色表示：黃色(yellow)、白色(white)、橙色(orange)、紅色(red)、藍色(blue)、綠色(green)初始的魔方組成形式為：上黃，下白，左橙，右紅，前藍，后綠。

參考：顏色大全https://www.5tu.cn/colors/yansebiao.html

# 給魔方六個面賦予不同的顏色colors = np.array([’#ffd400’, '#fffffb', '#f47920', '#d71345', '#145b7d', '#45b97c'])facecolors = np.full(filled_2.shape, ’#77787b’) # 設一個灰色的基調facecolors[:, :, -1] = colors[0]facecolors[:, :, 0] = colors[1]facecolors[:, 0, :] = colors[2]facecolors[:, -1, :] = colors[3]facecolors[0, :, :] = colors[4]facecolors[-1, :, :] = colors[5]

完整 代碼如下：

# -*- coding: utf-8 -*-# @Time : DATE:2021/8/29# @Author : yan# @Email : 1792659158@qq.com# @File : blogDemo.pyimport matplotlib.pyplot as pltimport numpy as npdef generate_rubik_cube(nx, ny, nz): ''' 根據(jù)輸入生成指定尺寸的魔方 :param nx: :param ny: :param nz: :return: ''' # 準備一些坐標 n_voxels = np.ones((nx + 2, ny + 2, nz + 2), dtype=bool) # 生成間隙 size = np.array(n_voxels.shape) * 2 filled_2 = np.zeros(size - 1, dtype=n_voxels.dtype) filled_2[::2, ::2, ::2] = n_voxels # 縮小間隙 # 構建voxels頂點控制網(wǎng)格 # x, y, z均為6x6x8的矩陣，為voxels的網(wǎng)格，3x3x4個小方塊，共有6x6x8個頂點。 # 這里//2是精髓，把索引范圍從[0 1 2 3 4 5]轉換為[0 0 1 1 2 2],這樣就可以單獨設立每個方塊的頂點范圍 x, y, z = np.indices(np.array(filled_2.shape) + 1).astype(float) // 2 # 3x6x6x8，其中x,y,z均為6x6x8 x[1::2, :, :] += 0.95 y[:, 1::2, :] += 0.95 z[:, :, 1::2] += 0.95 # 修改最外面的面 x[0, :, :] += 0.94 y[:, 0, :] += 0.94 z[:, :, 0] += 0.94 x[-1, :, :] -= 0.94 y[:, -1, :] -= 0.94 z[:, :, -1] -= 0.94 # 去除邊角料 filled_2[0, 0, :] = 0 filled_2[0, -1, :] = 0 filled_2[-1, 0, :] = 0 filled_2[-1, -1, :] = 0 filled_2[:, 0, 0] = 0 filled_2[:, 0, -1] = 0 filled_2[:, -1, 0] = 0 filled_2[:, -1, -1] = 0 filled_2[0, :, 0] = 0 filled_2[0, :, -1] = 0 filled_2[-1, :, 0] = 0 filled_2[-1, :, -1] = 0 # 給魔方六個面賦予不同的顏色 colors = np.array([’#ffd400’, '#fffffb', '#f47920', '#d71345', '#145b7d', '#45b97c']) facecolors = np.full(filled_2.shape, ’#77787b’) # 設一個灰色的基調 # facecolors = np.zeros(filled_2.shape, dtype=’U7’) facecolors[:, :, -1] = colors[0]# 上黃 facecolors[:, :, 0] = colors[1] # 下白 facecolors[:, 0, :] = colors[2] # 左橙 facecolors[:, -1, :] = colors[3]# 右紅 facecolors[0, :, :] = colors[4] # 前藍 facecolors[-1, :, :] = colors[5]# 后綠 ax = plt.figure().add_subplot(projection=’3d’) ax.voxels(x, y, z, filled_2, facecolors=facecolors) plt.show()if __name__ == ’__main__’: generate_rubik_cube(3, 3, 3)

可根據(jù)輸入生成不同尺寸的魔方：4x4x4:

6x6x6

甚至是4x4x6，不過這就不是咱平時玩兒的魔方了~

到此這篇關于python之用Numpy和matplotlib畫一個魔方的文章就介紹到這了,更多相關Numpy matplotlib畫魔方內容請搜索好吧啦網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持好吧啦網(wǎng)！