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Manim实现水波纹特效

news 2025/9/21 10:26:26

本文将介绍如何使用ManimCE框架实现一个水波纹特效，让你的数学动画更加生动有趣。

1. 实现原理

水波纹特效通过WaterRipple类实现，这是一个自定义的Animation子类。让我们从代码角度来分析其实现原理：

1.1. 核心数据结构

class WaterRipple(Animation):def __init__(self, mobject, scene=None, num_ripples=5, max_outer_radius=3,min_inner_radius=1, run_time=2, wave_speed=1.0,color=BLUE, fade_out=True, **kwargs):# 初始化参数设置self.num_ripples = num_ripplesself.max_outer_radius = max_outer_radiusself.min_inner_radius = min_inner_radiusself.wave_speed = wave_speedself.color = colorself.fade_out = fade_outself.ripples = []self.mobject = mobjectself.scene = scene# 颜色处理逻辑self.color_list = color if isinstance(color, list) else [color] * num_ripplesif len(self.color_list) < num_ripples:self.color_list = self.color_list * (num_ripples // len(self.color_list) + 1)self.color_list = self.color_list[:num_ripples]# 创建波纹对象for i in range(num_ripples):c = Annulus(inner_radius=0, outer_radius=0,color=self.color_list[i], stroke_width=2, fill_opacity=0,)c.move_to(mobject.get_center())self.ripples.append(c)# 将波纹添加到场景if self.scene is not None:for ripple in self.ripples:self.scene.add(ripple)super().__init__(mobject, run_time=run_time, **kwargs)

从代码中可以看出，WaterRipple类采用了以下核心设计：

波纹数据结构：使用Annulus（圆环）作为基本波纹单元，通过self.ripples列表存储多个波纹对象
颜色处理：支持单一颜色或渐变色列表，自动处理颜色不足时的循环使用
场景集成：提供可选的scene参数，方便将波纹直接添加到场景中

1.2. 动画插值算法

动画的核心在于interpolate_mobject方法，它定义了动画如何随时间变化：

def interpolate_mobject(self, alpha: float) -> None:# 计算每个波纹的半径和透明度for i in range(self.num_ripples):# 每个波纹有不同的相位偏移phase_offset = i * (np.pi / self.num_ripples)# 使用正弦函数计算半径和透明度，实现波动效果time_progress = (alpha + phase_offset * 0.2) % 1radius = self.max_outer_radius * time_progressif self.fade_out:# 透明度随半径增大而减小，使用正弦函数使淡出更自然opacity = max(0, np.sin(time_progress * np.pi))else:opacity = 1# 应用变换，使用对应的颜色new_c = Annulus(inner_radius=self.min_inner_radius,outer_radius=radius,color=self.color_list[i],stroke_width=2,fill_opacity=opacity,)new_c.move_to(self.mobject.get_center())self.ripples[i].become(new_c)

这里的关键技术点包括：

相位偏移：通过为每个波纹分配不同的相位偏移，创造出波纹依次扩散的视觉效果
正弦函数插值：使用正弦函数控制透明度变化，实现更自然的淡出效果
动态更新：在每一帧都创建新的Annulus对象并通过become()方法更新波纹的状态

1.3. 资源清理机制

动画结束后，需要清理创建的波纹对象：

def clean_up_from_scene(self, scene: Scene) -> None:# 动画结束后清理波纹for ripple in self.ripples:if ripple in scene.mobjects:scene.remove(ripple)super().clean_up_from_scene(scene)

这个方法确保动画结束后不会在场景中留下多余的对象，保持场景的整洁。

2. 使用示例

下面通过一个完整的示例场景来展示如何使用水波纹特效：

2.1. 单个水波纹效果

# 示例场景：单个水波纹效果
class Example01(Scene):def construct(self):# 创建中心点center_point = ORIGINcenter_dot = Dot(center_point, color=BLUE, radius=0.1)self.play(FadeIn(center_dot))self.wait()# 应用水波纹动画，使用渐变色效果# 创建颜色渐变列表，从蓝色到紫色再到红色gradient_colors = [BLUE, TEAL, GREEN, YELLOW, RED]self.play(WaterRipple(center_dot,scene=self,num_ripples=5,max_outer_radius=2,run_time=4,wave_speed=1.2,color=gradient_colors,  # 使用渐变色列表fade_out=True,stroke_width=1,))self.wait(2)

2.2. 使用步骤详解

准备工作：首先导入必要的库

from manim import *
import numpy as np

创建中心点：水波纹效果需要一个中心点作为扩散起点

center_point = ORIGIN
center_dot = Dot(center_point, color=BLUE, radius=0.1)
self.play(FadeIn(center_dot))

定义颜色方案：可以使用渐变色列表增强视觉效果

gradient_colors = [BLUE, TEAL, GREEN, YELLOW, RED]

应用水波纹动画：配置各项参数并播放动画
- center_dot：波纹中心点对象
- scene=self：当前场景引用
- num_ripples=5：波纹数量
- max_outer_radius=2：最大半径
- run_time=4：动画运行时间
- wave_speed=1.2：波纹传播速度
- color=gradient_colors：使用渐变色列表
- fade_out=True：启用淡出效果