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写给设计师的趣味编程指南(4)

2年前发布

原创文章 / 平面 / 教程
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在大多人的印象里,数学好像没什么用,在日常生活里用得最多的也仅仅是加减乘除。
但如果你是在用程序做创作,情况就大不一样。了解越多,越能玩出花样。

让图形跑起来(下篇)  

运动与函数

在大多人的印象里,数学好像没什么用,在日常生活里用得最多的也仅仅是加减乘除。

但如果你是在用程序做创作,情况就大不一样。了解越多,越能玩出花样。

先搬上几张的不明觉厉的图挑逗下大家的兴致。


这是什么?先不剧透,后面你会亲自用上它。

上一节,我们了解了 setup 函数和 draw 函数,这使得静止的图形可以运动起来。只是这种运动形式太朴素了。我们要用上以前掌握的函数知识,让图形跑出自己的个性。

上面的数学函数还能认出多少?它们与运动究竟有什么关系?

就先从里面挑一个二次函数,再随便加些参数看看,比如 y = x² / 100

它的函数图像是这样的,复制下面这段代码

float x, y;

void setup(){
 size(300, 300);
 background(0);
 x = 0;
}

void draw(){
 stroke(255);
 strokeWeight(2);
 y = pow(x, 2) / 100.0;    //pow函数会返回指定数的n次方(x,2)代表 x的平方,第一个参数是底数,第二个参数代表指数
 point(x, y);
 x++;
}

运行效果。

接着再挑个 sin 函数, y = 150 + sin(x)

复制下面这段代码。

float x,y;

void setup(){
 size(300, 300);
 background(0);
 x = 0;
}

void draw(){
 y = height/2 + sin(radians(x)) * 150;  //radian函数将x转换为角度
 x++;
 stroke(255);
 strokeWeight(2);
 point(x, y);
}

运行出来的图形是这样的。

这就是它们的运动轨迹了。对照着上下两张图,结果是显而易见的。函数图像其实就对应着运动轨迹!相当简单,只要将x,y的值替换进坐标中就行了。第一张绘制的轨迹,其实就等价于函数 y = x² / 100 的图形。而第二张的轨迹,等价于 y = 150 + sin(x) 。只是在程序中,y轴方向是反的,所以与原图相比,图形轨迹会是上下颠倒。

现在应该有种阔然开朗的感觉!以前学习的各式稀奇古怪的函数,原来是可以用来控制图形的运动!

函数怎么写?

下面罗列了一些使用频率很高的函数,这可以帮助我们将数学函数翻译成计算机能识别的代码

函数名 作用 格式
abs 返回指定数的绝对值 abs(x)
log 返回以自然对数 e 为底,n 的对数 log(n)
sq 返回指定数的平方 sq(x)
sqrt 返回指定数的平方根 sqrt(x)
pow 返回指定数的 n 次方 pow(x,n)
exp 返回自然对数 e 的 n 次方 exp(n)

因此下面这些式子,在程序中就可以这样写。

y = x²  →   y = pow(x, 2)  或 y = sq(x)

y = x³  →   y = pow(x, 3)

y = xⁿ  →   y = pow(x, n)

y = 4ⁿ  →   y = pow(4, n)

y =logₑ² →  y = log(2)

y = e² → y = exp(2)

y = √5 → y = sqrt(5)

你也可以随便在程序里写个函数,看看它的运动轨迹是怎样的!但记得要考虑函数的值域和定义域的范围,否则你画的图很可能会跑在屏幕之外。

三角函数

下面再深入地了解一下与三角函数相关的函数写法

函数名 作用 格式
sin 正弦函数 sin(x)
cos 余弦函数 cos(x)
tan 正切函数 tan(x)
radians 将角度值转化成弧度值 raidans(x)
degrees 将弧度值转化为角度值 degrees(x)

值得注意的是,在程序中,与角度相关的函数参数输入采取的是弧度制。所以 sin90° ,应该写成 sin(PI/2)。如果不熟悉这种方式,也可以用 randians 函数将角度先转换为弧度 ,写成 sin(radians(90))。

degrees函数的作用恰恰相反,可以将弧度值转化为角度值。在编辑区内直接输入  print(degrees(PI/2));   看看结果会是多少?

用三角函数控制图形运动

下面给出一个范例,看看实际的图形运动效果

float x, y;

void setup(){
 size(700, 300);
}

void draw(){
  background(234, 113, 107);
  y = sin(radians(x)) * 150 + 150;
  x++;
  noStroke();
  ellipse(x, y, 50, 50);
}

  • sin函数是周期函数,最小值是-1,最大值为 1 。屏幕高度为 300 。根据 y = sin(radians(x)) * 150 + 150 ,因此 y 值的变化范围就会刚好控制在 0 到 300 之内。

旋转的圆

好了,这节的重头戏终于到了。那我们怎么在程序中画一个圆的轨迹呢?应该怎么用函数去表示?再次搬出这两张图~~

它们其实很直观地揭示了圆周坐标与三角函数的关系。图上所有的运动,都是通过不断增大自变量 θ 来驱动的。左边其实就是 sin 函数与 cos 函数的图像,右边代表的是经过映射后,一个作圆周运动的点。是不是很巧妙!现在看一点也不神秘了,你还可以用代码去实现它!

例子十分简单:

float x, y, r, R, angle;

void setup(){
 size(300, 300);
 r = 20;          //圆的直径
 R = 100;        //运动轨迹的半径
 x = 0;
 angle = 0;
 y = height/2;
}

void draw(){
 background(234, 113, 107);
 translate(width/2, height/2);   //将原点移至屏幕中心
 noStroke();
 x = R *  cos(angle);
 y = R * 
sin(angle);
 ellipse(x, y, r, r);
 angle += 0.05;
}

一个旋转的圆出现了。在这里,自变量不再是不断递增的 x ,而是变成了 angle( 也相当于例图中的 θ )。它就代表角度。其中 xy 都分别乘以系数 R,也就相当于扩大了圆的运动半径( R 代表运动半径 )。若是不乘以 R ,它的图形变化轨迹只会局限在 -1 到 1 的范围。

但为什么不能用不断递增的 x 呢?根据函数本身的特性,定义域中任意 x ,有且只有一个 y 与之相对应。所以在平面直角坐标系里,你无法找出一个“简单函数”直接画出圆。

也就是不能再用这种形式

y = (包含x的神秘表达式?) ;
x++ ;

所以才需要拐个弯,找一个 angle 来作为自变量。再用 sin 和 cos 函数将它转化为横纵坐标。

x = R  * cos(angle);
y = R  * 
sin(angle);
angle += 0.05;

可能又有人会好奇,为什么这样就能表示圆的轨迹呢?根据三角函数的定义其实是不难推出的。sin 函数是对边与斜边之比,cos 函数是邻边与斜边之比。无论圆周上的点位置在哪,r(半径)都是不变的。因此可以得到 x 坐标与 y 坐标的表达式

由于这个不是数学指南,有关三角函数的知识,就不在这里展开了。如果确实忘记,可以再去回顾一下。

当然啦,不完全理解也没有问题,只要知道怎么用它画圆就可以了。这也是一种“编程思维”,以后我们常常需要调用一些别人做好的模块来实现某种功能。所以无需有强迫症的心态,非要搞懂里面的细节。

但 sin 和 cos 还是相当常用的,如果你想进行更高阶的创作,尽量想明白。若是这个问题本身能促使自己去了解更多数学知识,那就更好了,后面会有更多有意思的东西等你去挖掘。


就像这几张动图,其实都与三角函数密切相关。

运动的坐标系

之前的效果,都是图形坐标在变化,坐标系本身是静止的。其实我们可以通过让坐标系动起来,来实现运动效果。这就好比岸上的人看船上的人,船上的人相对船是静止,但若是船本身在动,从岸上看去,人也就动了。所以前面讲的例子,一直都是“人在船上跑”,船并没有动。

下面是变换坐标系的常用函数

函数 作用
tranlate(x, y) 平移坐标系
scale(a) 缩放坐标系
rotate(a) 旋转坐标系
pushMatrix()/ popMatrix() 变换堆栈(存取坐标系)

translate函数

translate函数前面有提到过,用于平移图形的坐标系

调用形式:

translate(a, b)


第一个参数代表往 x 轴的正方向移动 a 个像素,第二个参数代表往 y 轴的正方形移动 b 个像素。

  • 对比两段代码,看有何不同( 为简化代码,可以不输入size函数,屏幕的宽高为默认值 100 )

使用前:

ellipse(0, 0, 20, 20);


 

使用后:

translate(50, 50);

ellipse(0, 0, 20, 20);

 

rotate函数

调用形式:

rotate(a)


函数用于旋转坐标系 ,当参数为正数,会以原点为中心,往顺时针方向旋转。传入的参数和三角函数一样,采取弧度制。

使用前:

ellipse(50, 50, 20, 20);



使用后:

rotate(radians(30));

ellipse(50, 50, 20, 20);


在程序中产生的作用,就是使圆围绕坐标原点,顺时针旋转了 30 度。

scale函数

调用形式:

scale(a)



函数可以缩放坐标系,数值代表缩放的倍数。当参数大于 1 放大,小于 1 则缩小。

使用前:

ellipse(0, 0, 20, 20);


 

使用后:

scale(4);

ellipse(0, 0, 20, 20);


 

上图的圆就放大到原来的四倍了。你也可以使用两个参数,分别缩放 x 轴方向和 y 轴方向:

scale(4,2);

ellipse(0, 0, 20, 20);


 

变换函数的叠加

这里的变换都是相对当前坐标系的变换。换句话说,效果是可以叠加的。

translate(40, 10);

translate(10, 40);

ellipse(0, 0, 20, 20);

最终效果就等价于

translate(50, 50);

ellipse(0, 0, 20, 20);

 

rotate函数也一样

rotate(radians(10));

rotate(radians(20));

ellipse(50, 50, 20, 20);

等价于

rotate(radians(30));

ellipse(50, 50, 20, 20);

 

由于 scale 和 rotate,都是以原点为中心进行缩放和旋转的。当我们希望一个中心位置在(50,50)的图形产生旋转的效果。就需要倒过来思考,先将坐标原点移动到(50,50)的位置,再添加旋转变换函数,最后再将图形绘制在原点上。

使用前:

ellipse(50, 50, 50, 20);




 

使用后:

translate(50, 50);

rotate(radians(45));

ellipse(0, 0, 50, 20);   //为了看出旋转的角度变化,绘制一个椭圆

 

看上去有些绕,但多练习几次就会理解了。(可以试试改变 translate 和 rotate 的先后顺序,感受下其中的区别)

实现平移和圆周运动

下面的例子会通过变换坐标系来实现运动效果,同时请对照前一篇的例子。很多时候你会发现,在程序中要实现特定的效果,完全可以用截然不同的手法。

平移运动

int x,y;

void setup(){
 size(300, 300);
 x = 0;
 y = height/2;
}

void draw(){
 background(234, 113, 107);
 noStroke();
 translate(x,y);
 ellipse(0,0, 50, 50);
 x++;
}

圆的绘制坐标可是一直没有变,变的是它的坐标系。

旋转运动

float r, R, angle;

void setup(){
 size(300, 300);
 r = 20;          //圆的直径
 R = 100;        //运动轨迹的半径
}

void draw(){
 background(234, 113, 107);
 translate(width/2, height/2);   //将原点移至屏幕中心
 rotate(angle);
 noStroke();
 ellipse(0 ,R ,r ,r);
 angle += 0.05;
}

是不是比起用三角函数画圆更简洁,也更易理解了?这里估计会有一个疑问,以旋转运动的代码为例。前面提过的变换函数明明是相对的,而且允许叠加效果。那 translate(width/2,height/2) 写在 draw 函数里,岂不代表 draw 函数每运行一次,坐标系都会在原基础上往右下方移动一段距离?按理说是不会永远保持在屏幕中心的?

你可以这样去理解,draw 函数里的代码只要由上到下跑完一次,第二次循环时坐标系都会回到始初状态,坐标系的原点会默认回到左上角上。所以要想保持坐标系的变化是持续的,rotate 函数中的 angle 参数,就需要不断递增。

存取坐标状态

有些时候,我们不希望坐标系的状态是在之前的基础上变换。这时就要用到 pushMatrix 和 popMatrix 。这两个函数是成对出现的,pushMatrix 在前 popMatrix 在后。不能单独使用,否则就会出错。

例子:

pushMatrix();    //保存坐标系状态
translate(50, 50);
ellipse(0, 0, 20, 20);
popMatrix();     //读取坐标系状态
rect(0, 0, 20, 20);

例子中,在使用 translate(50,50) 前,先用 pushMatrix。就会保存坐标系当前的状态,这个同时也是初始状态。当绘制了圆形后,再执行 popMatrix 。就会还原到到这个状态。此时再执行 rect ,会发现它没有受到 translate 的影响。而是在左上角的原点上绘制了一个正方形。

另外,pushMatrix 和 popMatrix 是允许嵌套使用的。

例如

pushMatrix();

   pushMatrix();
   …
   popMatrix();
   …
popMatrix();

  • 为了更直观地表明对应关系,采取了缩进的形式

组合运动,运动中的运动?

第二波重头戏开始了。试着往前推进一步。前面用船和人的例子作比喻。有没有想过,要是船上的人和船都动起来,岸上的人看过去会是怎样的一番体验?

例如平移运动与坐标系的旋转运动组合起来?这里的点其实只朝一个方向运动哦~~

int x, y;
float angle;

void setup(){
 size(300, 300);
 background(234, 113, 107);
 noStroke();
 x = 0;    //当需要 x 的初始值为 0 的时候。可以不写这句代码。在声明变量时,默认值即是零
 y = 0;    //同上
 angle = 0;  //同上
}

void draw(){
 angle += 0.25;
 y—;
 translate(width/2, height/2);
 pushMatrix();
 rotate(angle);
 ellipse(x, y, 5, 5);
 popMatrix();
}

还有就是圆周运动与坐标系的缩放运动。

float x, y, angle;

void setup(){
 size(300, 300);
 background(234, 113, 107);
 noStroke();
}

void draw(){
 angle += 0.01;
 x = sin(angle) * 100;
 y = cos(angle) * 
100;
 translate(width / 2, height / 2);
 pushMatrix();
 scale(1 + 0.1 * sin(angle 10));
 ellipse(x, y, 5, 5);
 popMatrix();
}

可别被它欺骗了,圆点其实只在做圆周运动。这个坐标系的缩放用摄像头去类比会较易理解,一个不断前后运动的摄像头在拍摄一个作圆周运动的点。

看完以上有没有被惊艳到了?都是简单的基础函数,但通过不同组合,效果却可以千差万别。后面我就不透露太多了,怎能剥夺大家探索的乐趣呢?

综合运用

这节快要结束了。近两节指南较详细地介绍了图形运动的基本方法。相信你对于图形的运动,比以前的理解更深了。最后给出一些完整的实例供大家参考。

float x1, y1, x2, y2, r, R;
float angle1, angle2;

void setup(){
 size(300, 300);
 r = 12;
 R = 120;
 angle1 = 0;
 angle2 = PI/4;
}

void draw(){
 background(234, 113, 107);
 noStroke();
 translate(width / 2, height / 2);
 angle1 += 0.02;
 angle2 += 0.06;
 x1 = R *sin(angle1);
 y1 = R*
 cos(angle1);
 x2 = R/2 *sin(angle2);
 y2 = R/2 *
cos(angle2);
 ellipse(x1, y1, r/2, r/2);
 ellipse(x2, y2, r, r);
 ellipse(-x1, -y1, r/2, r/2);
 ellipse(-x2, -y2, r, r);
 ellipse(x1, -y1, r/2, r/2);
 ellipse(x2, -y2, r, r);
 ellipse(-x1, y1, r/2, r/2);
 ellipse(-x2, y2, r, r);
 stroke(255);
 strokeWeight(3);
 line(x1, y1, x2, y2);
 line(-x1, -y1, -x2, -y2);
 line(x1, -y1, x2, -y2);
 line(-x1, y1, -x2, y2);
}

这个例子涉及的函数知识都没有超出前面的。

是不是搞不清哪个点对哪个点?哪条线对哪条线?其实我自己也搞不清楚……但我还记得它是由一小段代码衍生而来的。

这就是它的运动本质。其余的线条仅仅是镜像效果而已。

如果你继续跟随这个指南,后期还可以做一个升级版,给图形添加控件,来实时地改变图形的运动状态。

编程的有趣之处就在于你可以设计规则,组合规则。但最终能写成什么程序,就看自己的造化了。设计师往往有很强的图形想象力,你既可以先在脑中勾勒出动态草图,再设法从脑中“翻译”成代码。也能从代码和法则本身出发,随意设计函数和变量。请记住,Processing 就是你的 sketch ,代码则是你的画笔!用它挥洒自己的创意吧~~

END

最后穿越回去解答一个之前的遗留问题吧。我那么费力地用程序画一张图,究竟有啥用?学完这章以后,有太多玩法了。

float browX, earD, eyeD, faceD;

void setup(){
 size(500, 500);
}

void draw(){
 background(200, 0, 0);
 browX = 150 + sin(frameCount / 30.0) *20;
 earD = 180 + sin(frameCount / 10.0) *
20;
 eyeD = 60 + sin(frameCount/30.0) *50;
 faceD = 300;
 strokeWeight(8);
 ellipse(175, 220, earD, earD);
 ellipse(width - 175, 220, earD, earD);
 rect(100, 100, faceD, faceD);
 line(browX, 160, 220, 240);
 line(width-browX, 160, width-220, 240);
 fill(random(255),random(255),random(255));
 ellipse(175, 220, eyeD, eyeD);
 ellipse(width-175, 220, eyeD, eyeD);
 fill(255);
 point(width/2, height/2);
 triangle(170 - cos(frameCount / 10.0)* 
20, 300 - sin(frameCount / 10.0) *20, width - (170 + cos(frameCount / 10.0) *20), 300 + sin(frameCount / 10.0) * 20, 250, 350);
}

动图是不是比较魔性?我就不做太多文章了。你们肯定可以设计出比这更棒的效果。

用程序去画图,它的优势在于,你真的可以做到把玩每个像素。由于你画的不是位图,所以图上的每个关键点都是可控的,它能实现一些其他软件难以达到的效果。

如果你有一颗想肢解一切,又重组一切的心,学习编程一定可以最大程度地满足你。



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