用 Python 創作酷炫的幾何圖形-有解無憂

1. 什么是turtle

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

turtle模擬了人在畫布前畫畫的程序：給你一支筆（Pen），下筆（pendown），移影片筆繪制你的圖形，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 畫布屬性設定
canvas = turtle.Screen()
canvas.bgcolor("white")

# 畫筆設定
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()

從上面可知turtle有兩個部分組成畫筆Turtle 和畫布Screen, Turtle在Screen上移動來作畫，

需要注意的是，turtle起始的位置是(0, 0),位于畫布中心，左邊和下邊的坐標為負值，

畫筆Turtle重要操作：

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，否則移影片筆時也會有線條出來，這個和現實中畫畫是一樣的，
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

Screen重要操作：

設定背景顏色：bgcolor("white")

3. 其他turtle功能

除了上面例子中涉及到turtle常用功能函式，還有一些重要的功能，

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中匯出所有模塊
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，

影片控制 turtle繪制影像的程序其實是動態的，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，還可以用來做影片演示或者互動游戲也是可以，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()

  # 球引數
  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()

      # 更新畫面資訊
      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

本文分享了python的logo語言turtle庫，可以繪制圖畫和影片，總結如下：

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
影片控制：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, 資料分析師；熱愛生活，熱愛寫作

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標籤：AI

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