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用 Python 创作酷炫的几何图形

turtle又称为海龟绘图,是Wally Feurzeig, Seymour Papert 和 Cynthia Solomon 于 1967 年所创造的 Logo 编程语言的python实现。turtle是基于tkinter图形界面设计的。

作者:wedo实验君 来源:Python中文社区 |2021-06-10 22:26

本文转载自微信公众号「Python中文社区」,作者wedo实验君。转载本文请联系Python中文社区公众号。

1. 什么是turtle

turtle又称为海龟绘图,是Wally Feurzeig, Seymour Papert 和 Cynthia Solomon 于 1967 年所创造的 Logo 编程语言的python实现。turtle是基于tkinter图形界面设计的。

turtle模拟了人在画布前画画的过程:给你一支笔(Pen), 下笔(pendown),移动画笔绘制你的图形,然后填色等等。turtle提供了几种简单的命令,通过组合他们的顺序,只要够耐心,turtle可以画出令人惊叹的作品,很适合用来引导小朋友学习编程。

先来感受下作品:

2. turtle例子

我们通过一个简单的例子来了解turtle的基本操作

  1. import turtle 
  2.  
  3. # screen 画布属性设置 
  4. canvas = turtle.Screen() 
  5. canvas.bgcolor("white"
  6.  
  7. # 画笔设置 
  8. pen = turtle.Pen() 
  9. pen.hideturtle() 
  10. pen.color('red''yellow'
  11.  
  12. # 开始画第一个部分,并填充颜色 
  13. pen.begin_fill() 
  14. while True
  15.     pen.forward(200) 
  16.     pen.left(170) 
  17.     if abs(pen.pos()) < 1: 
  18.         break 
  19. pen.end_fill() 
  20.  
  21. # 提笔, 移动位置,画第二个部分 
  22. pen.penup() 
  23. pen.goto(-100, -100) 
  24. pen.pendown() 
  25.  
  26. for i in range(5): 
  27.     pen.forward(30) #长度300像素 
  28.     pen.right(144) #转角144度 
  29.  
  30. turtle.done() 

从上面可知turtle有两个部分组成画笔Turtle 和 画布Screen, Turtle在Screen上移动来作画。

需要注意的是,turtle起始的位置是(0, 0),位于画布中心,左边和下边的坐标为负值。

画笔Turtle重要操作:

  • 画笔申明:如果画笔上有很多画笔需要 申明 turtle.Pen(),否则 默认是一个画笔,无需申明,如turtle.forward(50)就是表示画笔向前移动50
  • 画笔颜色:color('red', 'yellow'), 第一个red表示画笔颜色, yellow表示填充颜色
  • 填充的范围:begin_fill()和end_fill()之间的部分
  • 画笔的移动:forward是向前多少距离,left是向左角度, 与之对应的是向后backward 和向右right。goto()是移动到某个坐标值
  • 画笔的当前属性:如位置pos()即海龟当前的坐标 (x,y) ,还有如朝向角度值:heading()
  • 画笔的控制:penup和pendown,默认画笔是在pendown状态下,只要有移动就会在画布上画出图形,如果需要调整位置,在另外一个位置下笔,需要先penup,否则移动画笔时也会有线条出来。这个和现实中画画是一样的。
  • 画笔的可见性:正常情况下画笔时一个箭头的形状,可以通过hideturtle()和showturtle()隐藏和显示画笔

Screen重要操作:

  • 设置背景颜色:bgcolor("white")

3. 其他turtle功能

除了上面例子中涉及到turtle常用功能函数,还有一些重要的功能。

  • 圆形circle() 前面的例子给出的是直线的例子(直线可以构成三角形,多边形等),另外一个重要的图形是圆形turtle.circle(radius, extent=None, steps=None)

我们来看一个太极的例子:

  1. import turtle 
  2. from turtle import *  #从turtle中导出所有模块 
  3. radius = 100     #半径为100 
  4. color("black""black")  #画线颜色黑色,填充颜色黑色 
  5. begin_fill()  #开始填充 
  6. circle(radius/2, 180)  #逆时针画圈,半径为50,180° 
  7. circle(radius, 180)  #逆时针画圈,半径为100,180° 
  8. left(180)  #转向180° 
  9. circle(-radius/2, 180)  #顺时针画圈,半径50,180° 
  10. end_fill()  #填充结束 
  11. #移动到画太极图黑色的小圈位置,开始画小白圈 
  12. left(90)#左转向90°,海龟头垂直水平线向上 
  13. penup()#提笔,不留痕迹 
  14. forward(radius*0.35)#向前,半径的0.35=35像素 
  15. right(90)#右转向90°,海龟头与右侧水平线同向 
  16. pendown()#落笔,开始画线 
  17. #开始画太极图黑色部分的小白圈 
  18. color("white""white")#画线颜色为白色,填充颜色为白色 
  19. begin_fill()#开始填充 
  20. circle(radius*0.15)#逆时针画圈,半径的0.15=15像素(35+15+15+35=100) 
  21. end_fill() #填充结束 
  22.  
  23. left(90)#左转向90° 
  24. penup()#提笔,不留痕迹 
  25. backward(radius*0.7)#后退往下走,为半径的0.7=70,此时海龟头朝上与水平垂直 
  26. pendown()#落笔,开始留下痕迹 
  27. left(90)#左转90°,此时海龟头与左侧水平同向 
  28. #开始画太极图白色部分里的小黑圈 
  29. color("black""black")#画线颜色为黑色,填充为黑色 
  30. begin_fill()#开始填充 
  31. circle(radius*0.15)#开始逆时针画圈,半径的0.15=15个像素 
  32. end_fill() #填充完毕 
  33.  
  34. right(90)#再右转90°,此时海龟头垂直水平线向上 
  35. penup()#提笔,不留痕迹 
  36. backward(radius*0.65)#后退为半径的0.65=65个像素,往下到达太极图黑色半圈的底点处 
  37. right(90)#右转90°,海龟头与右侧水平线同向 
  38. pendown()#落笔,开始留下痕迹 
  39. circle(radius, 180)#逆时针画圈,半径100,180°,画太极图的白色部分的大圈 
  40. hideturtle()#隐藏笔头hideturtle 
  41. turtle.done() 
  • radius:半径, radius 为正值则朝逆时针方向绘制圆弧,否则朝顺时针方向
  • extent:表示是否画部分的圆,如半圆是180,默认是一整个圆
  • steps:是表示画圆用多少个多边形来画。圆其实是无穷多个多边形来近似得到。不过一般情况下,一定程度的多边形,肉眼就会人为圆的幅度是光滑的

可以看出太极图有2个小半圆和2个大半圆,以及2个更小的整圆构成。

  • 动画控制 turtle绘制图像的过程其实是动态的,每绘制一个部分画面可以理解为一个视频帧,画完视频就结束。所以turtle除了可以绘制图形,还可以用来做动画演示或者交互游戏也是可以。下面以一个例子说明下:
  1. import turtle, time 
  2.  # 初始不更新画面 
  3.  turtle.tracer(0) 
  4.  
  5.  # 地板墙 
  6.  wall = turtle.Pen() 
  7.  wall.pencolor('red'
  8.  wall.pensize(10) 
  9.  wall.hideturtle() 
  10.  wall.penup() 
  11.  wall.goto(-300, -200) 
  12.  wall.pendown() 
  13.  wall.forward(600) 
  14.  
  15.  # 小球 
  16.  R = 15 
  17.  ball = turtle.Turtle('circle'
  18.  ball.shapesize(R / 10) 
  19.  ball.penup() 
  20.  pos_x, pos_y = [100, 100] 
  21.  pos_x, pos_y = ball.pos() 
  22.  ball.goto(pos_x, pos_y) 
  23.  wall_x, wall_y = wall.pos() 
  24.  
  25.  # 球参数 
  26.  FPS = 60  # 每秒60帧 
  27.  G = 0.03  # 模拟重力加速度 
  28.  DRAG = 0.9956 # 阻力 
  29.  v_y = 1 # 初始速度 
  30.  
  31.  while True
  32.  
  33.      # 清除印章 
  34.      ball.clearstamps() 
  35.  
  36.      v_y += G  # 模拟重力加速度 
  37.      if pos_y - R - 10 < wall_y:  # 撞地面 
  38.          v_y *= -1 
  39.  
  40.      pos_x, pos_y = pos_x, pos_y - v_y 
  41.      ball.goto(pos_x, pos_y) 
  42.      v_y = v_y * DRAG 
  43.  
  44.      # 通过印章显示球 
  45.      ball.stamp() 
  46.  
  47.      # 更新画面信息 
  48.      turtle.update() 
  49.      time.sleep(1 / FPS) 

4. 更多的例子

  • 玫瑰曲线
  1. from turtle import * 
  2. from math import * 
  3. color("red"
  4. def draw(a,end): 
  5.     t=0 
  6.     while t<(14*end): 
  7.         x=a*sin(t*3.14)*cos(t) 
  8.         y=a*sin(t*3.14)*sin(t) 
  9.         goto(x,y) 
  10.         t=t+0.03 
  11.  
  12. draw(100,3.14) 
  13. done() 

  • 螺旋
  1. import turtle 
  2. t=turtle.Pen() 
  3. for x in range(360): 
  4.     t.forward(x) 
  5.     t.left(59) 
  6.  
  7. done() 

  • 扇子
  1. from turtle import * 
  2. forward(200) 
  3. left(90) 
  4. fillcolor('red'
  5. begin_fill() 
  6. circle(100,180) 
  7. end_fill() 
  8. left(90) 
  9. forward(100) 
  10. for i in range(17): 
  11.     left(10) 
  12.     pencolor('yellow'
  13.     forward(100) 
  14.     backward(100) 
  15. left(100) 
  16. pensize(10) 
  17. pencolor('red'
  18. forward(100) 
  19. hideturtle() 
  20. done() 

5. 总结

本文分享了python的logo语言turtle库,可以绘制图画和动画。总结如下:

  • turtle两个重要元素:画布Screen和画笔Turtle
  • 默认当前为一个画笔,turtle.Pen()申明多个画笔
  • 画笔属性:颜色color, 大小pensize,位置pos
  • 画笔填充:begin_fill()和end_fill()
  • 画笔移动:前后forward和backward, 角度left和right
  • 圆形画笔:circle
  • 画笔控制:penup 和pendown
  • 动画控制:update和trace追踪

6. 参考资料

https://docs.python.org/zh-cn/3/library/turtle.html#

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】

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