用 Python 創(chuàng)作酷炫的幾何圖形

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1. 什么是turtle

turtle又稱為海龜繪圖，是Wally Feurzeig, Seymour Papert 和 Cynthia Solomon 于 1967 年所創(chuàng)造的 Logo 編程語言的python實現(xiàn)。turtle是基于tkinter圖形界面設計的。

turtle模擬了人在畫布前畫畫的過程：給你一支筆（Pen）， 下筆（pendown），移動畫筆繪制你的圖形，然后填色等等。turtle提供了幾種簡單的命令，通過組合他們的順序，只要夠耐心，turtle可以畫出令人驚嘆的作品，很適合用來引導小朋友學習編程。

先來感受下作品：

2. turtle例子

我們通過一個簡單的例子來了解turtle的基本操作

import?turtle

#?screen?畫布屬性設置
canvas?=?turtle.Screen()
canvas.bgcolor("white")

#?畫筆設置
pen?=?turtle.Pen()
pen.hideturtle()
pen.color('red',?'yellow')

#?開始畫第一個部分，并填充顏色
pen.begin_fill()
while?True:
????pen.forward(200)
????pen.left(170)
????if?abs(pen.pos())?<?1:
????????break
pen.end_fill()

#?提筆，?移動位置，畫第二個部分
pen.penup()
pen.goto(-100,?-100)
pen.pendown()

for?i?in?range(5):
????pen.forward(30)?#長度300像素
????pen.right(144)?#轉角144度

turtle.done()

• 畫筆申明：如果畫筆上有很多畫筆需要 申明 turtle.Pen()，否則 默認是一個畫筆，無需申明，如turtle.forward(50)就是表示畫筆向前移動50
• 畫筆顏色：color('red', 'yellow')， 第一個red表示畫筆顏色， yellow表示填充顏色
• 填充的范圍：begin_fill()和end_fill()之間的部分
• 畫筆的移動：forward是向前多少距離，left是向左角度， 與之對應的是向后backward 和向右right。goto()是移動到某個坐標值
• 畫筆的當前屬性：如位置pos()即海龜當前的坐標 (x,y) ，還有如朝向角度值：heading()
• 畫筆的控制：penup和pendown，默認畫筆是在pendown狀態(tài)下，只要有移動就會在畫布上畫出圖形，如果需要調整位置，在另外一個位置下筆，需要先penup，否則移動畫筆時也會有線條出來。這個和現(xiàn)實中畫畫是一樣的。
• 畫筆的可見性：正常情況下畫筆時一個箭頭的形狀，可以通過hideturtle()和showturtle()隱藏和顯示畫筆

• 設置背景顏色：bgcolor("white")

3. 其他turtle功能

• 圓形circle() 前面的例子給出的是直線的例子（直線可以構成三角形，多邊形等），另外一個重要的圖形是圓形turtle.circle(radius, extent=None, steps=None)我們來看一個太極的例子：

  import?turtle
  from?turtle?import?*??#從turtle中導出所有模塊
  radius?=?100?????#半徑為100
  color("black",?"black")??#畫線顏色黑色，填充顏色黑色
  begin_fill()??#開始填充
  circle(radius/2,?180)??#逆時針畫圈，半徑為50,180°
  circle(radius,?180)??#逆時針畫圈，半徑為100,180°
  left(180)??#轉向180°
  circle(-radius/2,?180)??#順時針畫圈，半徑50,180°
  end_fill()??#填充結束
  #移動到畫太極圖黑色的小圈位置，開始畫小白圈
  left(90)#左轉向90°，海龜頭垂直水平線向上
  penup()#提筆，不留痕跡
  forward(radius*0.35)#向前，半徑的0.35=35像素
  right(90)#右轉向90°，海龜頭與右側水平線同向
  pendown()#落筆，開始畫線
  #開始畫太極圖黑色部分的小白圈
  color("white",?"white")#畫線顏色為白色，填充顏色為白色
  begin_fill()#開始填充
  circle(radius*0.15)#逆時針畫圈，半徑的0.15=15像素（35+15+15+35=100）
  end_fill()?#填充結束
  
  left(90)#左轉向90°
  penup()#提筆，不留痕跡
  backward(radius*0.7)#后退往下走，為半徑的0.7=70，此時海龜頭朝上與水平垂直
  pendown()#落筆，開始留下痕跡
  left(90)#左轉90°，此時海龜頭與左側水平同向
  #開始畫太極圖白色部分里的小黑圈
  color("black",?"black")#畫線顏色為黑色，填充為黑色
  begin_fill()#開始填充
  circle(radius*0.15)#開始逆時針畫圈，半徑的0.15=15個像素
  end_fill()?#填充完畢
  
  right(90)#再右轉90°，此時海龜頭垂直水平線向上
  penup()#提筆，不留痕跡
  backward(radius*0.65)#后退為半徑的0.65=65個像素，往下到達太極圖黑色半圈的底點處
  right(90)#右轉90°，海龜頭與右側水平線同向
  pendown()#落筆，開始留下痕跡
  circle(radius,?180)#逆時針畫圈，半徑100,180°，畫太極圖的白色部分的大圈
  hideturtle()#隱藏筆頭hideturtle
  turtle.done()
  

  • radius:半徑， radius 為正值則朝逆時針方向繪制圓弧，否則朝順時針方向

  • extent：表示是否畫部分的圓，如半圓是180，默認是一整個圓

  • steps：是表示畫圓用多少個多邊形來畫。圓其實是無窮多個多邊形來近似得到。不過一般情況下，一定程度的多邊形，肉眼就會人為圓的幅度是光滑的

可以看出太極圖有2個小半圓和2個大半圓，以及2個更小的整圓構成。

• 動畫控制 turtle繪制圖像的過程其實是動態(tài)的，每繪制一個部分畫面可以理解為一個視頻幀，畫完視頻就結束。所以turtle除了可以繪制圖形，還可以用來做動畫演示或者交互游戲也是可以。下面以一個例子說明下:

  ??import?turtle,?time
  ??#?初始不更新畫面
  ??turtle.tracer(0)
  
  ??#?地板墻
  ??wall?=?turtle.Pen()
  ??wall.pencolor('red')
  ??wall.pensize(10)
  ??wall.hideturtle()
  ??wall.penup()
  ??wall.goto(-300,?-200)
  ??wall.pendown()
  ??wall.forward(600)
  
  ??#?小球
  ??R?=?15
  ??ball?=?turtle.Turtle('circle')
  ??ball.shapesize(R?/?10)
  ??ball.penup()
  ??pos_x,?pos_y?=?[100,?100]
  ??pos_x,?pos_y?=?ball.pos()
  ??ball.goto(pos_x,?pos_y)
  ??wall_x,?wall_y?=?wall.pos()
  
  ??#?球參數(shù)
  ??FPS?=?60??#?每秒60幀
  ??G?=?0.03??#?模擬重力加速度
  ??DRAG?=?0.9956?#?阻力
  ??v_y?=?1?#?初始速度
  
  ??while?True:
  
  ??????#?清除印章
  ??????ball.clearstamps()
  
  ??????v_y?+=?G??#?模擬重力加速度
  ??????if?pos_y?-?R?-?10?<?wall_y:??#?撞地面
  ??????????v_y?*=?-1
  
  ??????pos_x,?pos_y?=?pos_x,?pos_y?-?v_y
  ??????ball.goto(pos_x,?pos_y)
  ??????v_y?=?v_y?*?DRAG
  
  ??????#?通過印章顯示球
  ??????ball.stamp()
  
  ??????#?更新畫面信息
  ??????turtle.update()
  ??????time.sleep(1?/?FPS)
  

  
  

4. 更多的例子

• 玫瑰曲線

  from?turtle?import?*
  from?math?import?*
  color("red")
  def?draw(a,end):
  ????t=0
  ????while?t<(14*end):
  ????????x=a*sin(t*3.14)*cos(t)
  ????????y=a*sin(t*3.14)*sin(t)
  ????????goto(x,y)
  ????????t=t+0.03
  
  draw(100,3.14)
  done()
  

• 螺旋

  import?turtle
  t=turtle.Pen()
  for?x?in?range(360):
  ????t.forward(x)
  ????t.left(59)
  
  done()
  

• 扇子

  from?turtle?import?*
  forward(200)
  left(90)
  fillcolor('red')
  begin_fill()
  circle(100,180)
  end_fill()
  left(90)
  forward(100)
  for?i?in?range(17):
  ????left(10)
  ????pencolor('yellow')
  ????forward(100)
  ????backward(100)
  left(100)
  pensize(10)
  pencolor('red')
  forward(100)
  hideturtle()
  done()
  

5. 總結

• turtle兩個重要元素：畫布Screen和畫筆Turtle
• 默認當前為一個畫筆，turtle.Pen()申明多個畫筆
• 畫筆屬性：顏色color， 大小pensize，位置pos
• 畫筆填充:begin_fill()和end_fill()
• 畫筆移動：前后forward和backward， 角度left和right
• 圓形畫筆：circle
• 畫筆控制：penup 和pendown
• 動畫控制：update和trace追蹤

6. 參考資料

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

作者簡介：wedo實驗君, 數(shù)據(jù)分析師；熱愛生活，熱愛寫作

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