VPython三维仿真（NO.6）操作场景与摄像机

VPython中控制场景的类为canvas，参考见官网网址：
https://www.glowscript.org/docs/VPythonDocs/canvas.html

常用选项

场景创建与设置大小、颜色

场景大小和颜色可以在创建canvas对象时设置，width参数设置场景宽度，height参数设置场景高度，background参数设置背景颜色，title参数为窗口的名称，显示在浏览器内容窗口左上角。以下创建一个场景scene1，宽1200，高700，背景白色，如图1。

scene1=canvas(title='No.1',width=1200,height=700,background=vec(1,1,1))

图1

场景中心

center属性控制场景开始时，视口中心的位置，显示画面中心平移至center位置处。
例如

scene1=canvas(title='No.1',center=vector(1,4,8))

或

scene1=canvas(title='No.1')
scene1.center=vector(1,4,8)

截屏

Scene1.capture(“filename”)可将屏幕画面保存到文件filename.png中，注意截取画面内容的时机。

显示文字

title属性可设置显示在图形窗口左上方的文字，可以显示多行文字，可显示Html文本。

title="Now \n <b>click the box</b>."

显示如图2。

图2

控制显示窗口

控制显口（View）的属性有range、center、forward、fov、camera.pos
定义见图3。

图3

测试各属性

以下代码按下P键后输出range、center、forward、fov、camera.pos的值，可观察不同动作影响的数据。鼠标滚轮缩放改变camera.pos的值；Ctrl+鼠标左键旋转场景，改变forward值；Shift+鼠标左键移动场景，改变center和camera.pos的值。以上操作fov不会改变。

 while True:ev=scene1.waitfor('keyup')if ev.event=='keyup':if ev.key=='p':print("fov:"+str(scene1.fov))print("camera.pos:"+str(scene1.camera.pos))print("center:"+str(scene1.center))print("forward:"+str(scene1.forward))print("range:"+str(scene1.range))print("======")

控制策略

经测试，不要设置camera.pos，camera.pos设置后，center会自动改变，导致看不到模型；
在程序中控制视口需要先设置center、forward，设置range控制远近，camera.pos会自动设置到使模型可见，以上设置过程fov不变。
fov越大，近大远小的透视效果越明显，fov默认设置为60度。
以下代码改变range可改变可视范围，相当于缩放。

scene1.center=vector(0,0,0)
scene1.forward=vector(-0.5,-0.5,-0.5) 
scene1.range=5000

range=10000与range=5000如图4。

图4

使用摄像机控制窗口

控制摄像机的属性见下图。

视口跟踪目标

scene.camera.follow(aa) #视口跟随飞机

scene.camera.follow函数简化了视口跟随模型的代码，否则需要获取模型当前位置并赋值给scene.camera.pos。视口跟随模型后，scence.forward控制视口相对模型的角度。

视口角度控制

以下使视口从上方斜向下指向飞机

scene1.forward = scene1.forward.rotate(angle=-PI / 6, axis=vec(1, 0, 0)) #绕x轴转30度
scene1.forward = scene1.forward.rotate(angle=PI / 4, axis=vec(0, 1, 0)) #绕y轴转45度

摄像机上方向

scene.up=vector(1,0,0) #指定视口的上方向的指向

示例

视口跟随模型的动画如下。

代码

飞行.py

# -*- coding: utf-8 -*-
import pandas as pd
from vpython import *
from VPython_Lib import *PI=3.1415926scene1 = canvas(title="视口跟随目标", width=600, height=500, background=vec(1,1,1))
scene1.center=vector(0,0,0)
scene1.range=5000
scene1.autoscale = False
scene1.camera.pos=vector(6000,6000,6000)#飞机飞行
def Flying(target):#k=1#移动目标m=1000 #m为单位米i=0kk=3.14*2/250 #飞机绕圆心转动每帧角度增量target.pos.y = 3*m #固定飞行高度50米target.rotate(angle=-30*3.14/180,axis=vec(1,0,0)) #飞机倾斜30度while True:rate(25) #每秒25帧ang=i*kk #飞行绕圆心角度target.pos.x = 3*m*sin(ang)   target.pos.z = 3*m*cos(ang)target.rotate(angle=kk,axis=vec(0,1,0)) #飞机绕Y轴转动i += 1#print(str(scene1.camera.pos)+"  "+str(scene1.center))'''if k==1:scene1.capture("123") #截屏到文件123.pngk=0'''def main(): #画坐标系Coord_Sys(5000,50,100)#生成飞机aa=FileToModel('plane1.stl',makeComp=True,tail=True,model_color=vec(1,1,0))#视口跟踪目标scene1.camera.follow(aa)scene1.forward = scene1.forward.rotate(angle=-PI / 6, axis=vec(1, 0, 0))scene1.forward = scene1.forward.rotate(angle=PI / 4, axis=vec(0, 1, 0))scene1.up=vector(0,1,0)#飞机飞行Flying(aa)#以下测试控制视口属性'''while True:ev=scene1.waitfor('keyup')if ev.event=='keyup':if ev.key=='p':print("fov:"+str(scene1.fov))print("camera.pos:"+str(scene1.camera.pos))print("center:"+str(scene1.center))print("forward:"+str(scene1.forward))print("range:"+str(scene1.range))print("======")'''if __name__ == '__main__':main()

VPython_Lib.py为导入STL模型和创建直角坐标系的函数库。

#VPython_Lib.py
#导入STL模型和创建直角坐标系的函数库
# -*- coding: utf-8 -*-
from vpython import *
import numpy
from stl import mesh#从stl文件中读取数据构建模型
#file：stl文件名
#makeComp：是否构建compound，True输出compound，False输出0
#tail:是否有尾迹
#model_color：模型颜色
def FileToModel(file,makeComp=False,tail=False,model_color=vec(0.5,0.5,0.5)):temp_mesh = mesh.Mesh.from_file(file) #STL数据读入temp_meshtris=[]num=int(temp_mesh.normals.size/3) #三角面数量for a in range(num):aa = temp_mesh.vectors[a][0] #三角面顶点1bb = temp_mesh.vectors[a][1] #三角面顶点2cc = temp_mesh.vectors[a][2] #三角面顶点3nn = temp_mesh.normals[a] #三角面方向向量#建立三角形三个顶点，normal顶点方向向量，colord顶点颜色p=vector(0,0,0)a = vertex(pos=vector(aa[0], aa[1], aa[2])+p,normal=vector(nn[0], nn[1], nn[2]),color=model_color)b = vertex(pos=vector(bb[0], bb[1], bb[2])+p,normal=vector(nn[0], nn[1], nn[2]),color=model_color)c = vertex(pos=vector(cc[0], cc[1], cc[2])+p,normal=vector(nn[0], nn[1], nn[2]),color=model_color)t=triangle(v0=a,v1=b,v2=c) #由三个顶点生成三角面tris.append(t) #三角面数组if makeComp==True:tt=compound(tris,make_trail=tail) #将三角面组成组件return ttreturn 0#构建坐标系/
#axis_lenth：坐标轴长度
#axis_rad：坐标轴直径
#cone_rad：坐标箭头直径
def Coord_Sys(axis_len=100,axis_radius=1,cone_radius=1):cone_len = 3*cone_radiusx_axis_line = cylinder(pos=vector(0, 0, 0), axis=vec(axis_len, 0, 0), radius=axis_radius)x_axis_line.color = vector(255, 0, 0)x_axis_cone = cone(pos=vector(axis_len, 0, 0), axis=vec(cone_len, 0, 0), radius=cone_radius)x_axis_cone.color = vector(255, 0, 0)# y轴线和箭头y_axis_line = cylinder(pos=vector(0, 0, 0), axis=vec(0, axis_len, 0), radius=axis_radius)y_axis_line.color = vector(0, 255, 0)y_axis_cone = cone(pos=vector(0, axis_len, 0), axis=vec(0, cone_len, 0), radius=cone_radius)y_axis_cone.color = vector(0, 255, 0)# z轴线和箭头z_axis_line = cylinder(pos=vector(0, 0, 0), axis=vec(0, 0, axis_len), radius=axis_radius)z_axis_line.color = vector(0, 0, 255)z_axis_cone = cone(pos=vector(0, 0, axis_len), axis=vec(0, 0, cone_len), radius=cone_radius)z_axis_cone.color = vector(0, 0, 255)