使用 Python 进行 3D 图形编程

简介

Python 是一种高级编程语言，功能强大而且易学易用。在图形编程方面，Python 也有很好的表现，尤其是在 3D 图形编程方面，Python 也有很多的库可以使用。本文将介绍 Python 中常用的 3D 图形编程工具及其基本用法。

工具

在 Python 中，常用的 3D 图形编程工具有以下几种：

• Matplotlib：Matplotlib 是一个 2D 图形库，可以在 Python 脚本、Python 和 IPython shell、jupyter notebook、web 应用程序等多种环境下进行交互式绘图。Matplotlib 还有一个子模块 mpl_toolkits.mplot3d，用于 3D 图形绘制。
• Mayavi：Mayavi 可用于更高级别的 3D 绘图。它在一定程度上基于 VTK 进行构建，并集成了 NumPy 和科学工具箱 Scipy。
• PyOpenGL：PyOpenGL 是 Python 的一个 OpenGL 接口，提供了 OpenGL 在 Python 中的应用。

下面将分别介绍这三个工具的基本用法。

Matplotlib

安装

Matplotlib 可以通过 pip 命令进行安装，具体命令为：

pip install matplotlib

基本用法

以下是一个简单的 Matplotlib 示例代码：

import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')

x = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]
y = [5, 6, 7, 8, 2, 5, 6, 3, 7, 2]
z = [1, 2, 6, 3, 2, 7, 3, 3, 7, 2]

ax.scatter(x, y, z, c='r', marker='o')
ax.set_xlabel('X Label')
ax.set_ylabel('Y Label')
ax.set_zlabel('Z Label')

plt.show()

这段代码将绘制一个散点图，其中 x、y、z 分别表示三个坐标轴，c 表示散点的颜色，marker 表示散点的形状。

运行以上代码，可以得到以下 3D 散点图：

Mayavi

安装

Mayavi 可以通过 pip 命令进行安装，具体命令为：

pip install mayavi

基本用法

以下是一个简单的 Mayavi 示例代码：

import numpy as np
from mayavi import mlab

x, y, z = np.random.random((3, 100))

mlab.points3d(x, y, z, colormap="copper", scale_factor=0.5)

mlab.show()

这段代码将绘制一组随机分布的 3D 点，并通过 colormap（颜色映射）参数将它们变成铜色。

运行以上代码，可以得到以下 3D 散点图：

PyOpenGL

安装

PyOpenGL 可以通过 pip 命令进行安装，具体命令为：

pip install pyopengl

基本用法

以下是一个简单的 PyOpenGL 示例代码：

from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLUT import *
from OpenGL.GLU import *

def draw():
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
    glBegin(GL_TRIANGLES)
    glColor3f(1.0, 0.0, 0.0)
    glVertex3f(0.0, 1.0, 0.0)
    glColor3f(0.0, 1.0, 0.0)
    glVertex3f(-1.0, -1.0, 0.0)
    glColor3f(0.0, 0.0, 1.0)
    glVertex3f(1.0, -1.0, 0.0)
    glEnd()
    glutSwapBuffers()

if __name__ == '__main__':
    glutInit()
    glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH)
    glutInitWindowSize(400, 400)
    glutCreateWindow("3D Triangle")
    glutDisplayFunc(draw)
    glutMainLoop()

这段代码将绘制一个 3D 三角形，其中使用了 OpenGL 命令进行图形的绘制。

运行以上代码，可以得到以下 3D 三角形：

总结

Python 能够进行 3D 图形编程，有很多工具可供选择。Matplotlib、Mayavi 和 PyOpenGL 是 Python 中使用最广泛的 3D 图形编程工具，使用这些工具可以轻松地制作出各种形式的 3D 图形。