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python manim如何实现排序算法动画-天道酬勤-花开半夏

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python manim如何实现排序算法动画-天道酬勤-花开半夏

python manim如何实现排序算法动画

admin
03-03 13:32
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这篇文章主要介绍了python manim如何实现排序算法动画的相关知识,内容详细易懂,操作简单快捷,具有一定借鉴价值,相信大家阅读完这篇python manim如何实现排序算法动画文章都会有所收获,下面我们一起来看看吧。

    什么是 manim

    Manim 是一个用于精确编程动画的引擎,专为创建解释性数学视频而设计。

    注意,有两个主要版本的 manim。该存储库最初是 3Blue1Brown 的作者的个人项目,目的是为这些视频制作动画,此处提供了视频专用代码。2020 年,一群开发人员将其分叉成现在的社区版,目标是更稳定、更好地测试、更快地响应社区贡献,以及更友好地开始使用。

    冒泡排序介绍

    冒泡排序(Bubble Sort)也是一种简单直观的排序算法。它重复地走访过要排序的数列,一次比较两个元素,如果他们的顺序错误就把他们交换过来。走访数列的工作是重复地进行直到没有再需要交换,也就是说该数列已经排序完成。这个算法的名字由来是因为越小的元素会经由交换慢慢”浮”到数列的顶端。

    算法步骤

    • 比较相邻的元素。如果第一个比第二个大,就交换他们两个。

    • 对每一对相邻元素作同样的工作,从开始第一对到结尾的最后一对。这步做完后,最后的元素会是最大的数。

    • 针对所有的元素重复以上的步骤,除了最后一个。

    • 持续每次对越来越少的元素重复上面的步骤,直到没有任何一对数字需要比较。

    初始化元素

    比如我们需要排序数组为: [4,2,3,1,5]

    首先,需要在 manim 场景上初始化我们的需要排序的所有元素,这里用矩形来表示。

    在 manim 中,可以用 Rectangle 来初始化矩形,然后我们通过设置元素不同的高度来表示不同的元素大小。

    • main.py

    from manimlib import *
    class Test(Scene):
        def construct(self):
            COLOR = [BLUE, GREEN, RED, PINK, ORANGE, MAROON_B, TEAL, PURPLE_B, GREY_BROWN]
            arr = [4,2,3,1,5]
            g = VGroup()
            for i in range(len(arr)):
                r1=Rectangle(width=1,height=arr[i],fill_color=COLOR[i%len(COLOR)],fill_opacity=1)
                t1=Text(str(arr[i])).scale(0.5)
                rec = VGroup(r1,t1)
                g.add(rec)
            g.arrange(RIGHT,aligned_edge=DOWN)
            self.add(g)
            self.wait()

    使用下面的命令运行上面的代码:

    manimgl main.py BubbleSort

    ManimGL v1.6.1
    [11:27:18] INFO     Using the default configuration file, which you can modify in `/Users/zheng/anaconda3/envs/manim/lib/python3.10/site-packages/manimlib/default_config.yml`                                                                                         config.py:265
               INFO     If you want to create a local configuration file, you can create a file named `custom_config.yml`, or run `manimgl –config`                                                                                                                       config.py:266
    [11:27:20] INFO     Tips: You are now in the interactive mode. Now you can use the keyboard and the mouse to interact with the scene. Just press `q` if you want to quit.

    运行后,就会出现一个窗口显示画面。

    代码说明

    上面代码中,通过继承父类 Scene 然后重新父类的 construct 来构建一个场景。

    然后在场景中添加了矩形(Rectangle)和文本(Text),并且将这两个元素添加到了 VGroup 类中。

    再用一个 VGroup 来包含所有的 VGroup,通过调用 arrange 方法来排列这些元素。第一个 RIGHT 参数表示所有元素向右依次排列,aligned_edge 表示对齐的边,这里我们传入 DOWN 将底边对齐。

    最后使用 self.add() 方法把 VGroup 添加到场景中。

    Rectangle 类定义了矩形的创建

    元素交换动画

    通过算法步骤的第一步:比较相邻的元素。如果第一个比第二个大,就交换他们两个。就涉及到了交换的动画。

    一开始,我用 manim 提供的 CyclicReplace 方法来交换两个元素。效果如下:

    self.play(CyclicReplace(g[0], g[1]))
    self.wait()

    交换是交换了,但是交换后对齐的边变成了顶部对齐了,不符合预期。于是继续查看文档,最终决定使用元素的 target 属性来进行交换动画的制作。

    上面我们要交换 g(0)g(1) 两个元素,所以我们定义这两个交换元素的 target

    g[0].generate_target()
    g[0].target.next_to(g[1],ORIGIN,aligned_edge=DOWN)
    g[1].generate_target()
    g[1].target.next_to(g[0],ORIGIN,aligned_edge=DOWN)

    generate_target() 表示生成元素的 target, next_to() 表示将元素移动到指定的位置。

    比如 g[0],我们先生成元素的 target,然后操作 target 将元素通过 next_to 方法移动到 g[1] 的位置。其中 ORIGIN 表示 g[1] 的所在位置。 我们对 g[1] 的元素也做类似的操作。

    然后使用 MoveToTarget 来将元素转换到定义的 target 上,通过调用 self.play() 方法来播放动画。

    self.play(MoveToTarget(g[0]),MoveToTarget(g[1]))

    实现代码

    根据上面的知识点,接下来就可以编写一个冒泡排序的动画了。

    这里在初始化场景元素时,额外添加了一个数组来存放所有场景元素,因为在交换元素位置后,也要交换对应索引下的元素,如果直接用 VGroup 来交换时,会出现问题。

        self.g[j],self.g[j+1] = self.g[j+1],self.g[j]
    TypeError: 'VGroup' object does not support item assignment

    所以用额外的数组去接收。

    还添加了一个 Indicate 方法,当涉及到对应交换的元素时,会做一个类似对焦的动作。

    from manimlib import *
    class BubbleSort(Scene):
        def construct(self):
            self.COLOR = [BLUE, GREEN, RED, PINK, ORANGE, MAROON_B, TEAL, PURPLE_B, GREY_BROWN]
            self.bubbleSort([4,2,3,1,5])
        def init_vmobj(self,arr):
            '''
                初始化场景元素
            '''
            self.vmArr = []
            g = VGroup()
            for i in range(len(arr)):
                r1=Rectangle(width=1,height=arr[i]/2,fill_color=self.COLOR[i%len(self.COLOR)],fill_opacity=1)
                t1=Text(str(arr[i])).scale(0.5)
                rec = VGroup(r1,t1)
                self.vmArr.append(rec)
                g.add(rec)
            g.arrange(RIGHT,aligned_edge=DOWN)
            self.add(g)
            self.wait()
        def bubbleSort(self,arr):
            '''
                冒泡排序
            '''
            self.init_vmobj(arr)
            for i in range(1, len(arr)):
                for j in range(0, len(arr)-i):
                    self.play(Indicate(self.vmArr[j]))
                    self.play(Indicate(self.vmArr[j+1],color=RED))
                    if arr[j] > arr[j+1]:
                        arr[j], arr[j + 1] = arr[j + 1], arr[j]
                        self.cyc_move(self.vmArr[j],self.vmArr[j+1])
                        self.vmArr[j],self.vmArr[j+1] = self.vmArr[j+1],self.vmArr[j]
            return arr
        def cyc_move(self,vm1,vm2):
            '''
                交换两个元素位置
            '''
            vm1.generate_target()
            vm1.target.next_to(vm2,ORIGIN,aligned_edge=DOWN)
            vm2.generate_target()
            vm2.target.next_to(vm1,ORIGIN,aligned_edge=DOWN)
            self.play(MoveToTarget(vm1),MoveToTarget(vm2))
            self.wait()

    关于“python manim如何实现排序算法动画”这篇文章的内容就介绍到这里,感谢各位的阅读!相信大家对“python manim如何实现排序算法动画”知识都有一定的了解,大家如果还想学习更多知识,欢迎关注花开半夏行业资讯频道。

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