利用python画出月亮和月饼代码实例

发布时间：2021-09-15 20:08:58 作者：chen
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# 利用Python画出月亮和月饼代码实例

本文将详细介绍如何使用Python的Matplotlib和Turtle库绘制月亮和月饼图案，包含完整代码实现、数学原理讲解以及可视化技巧。通过本教程，您将掌握基本的几何图形绘制、自定义形状创建以及色彩填充技巧。

## 一、绘制月亮图案

### 1.1 数学原理分析
月亮的绘制主要基于圆形叠加和布尔运算。我们通过两个圆形相交实现月牙形状：

- 主圆：半径R，中心点(0,0)
- 次圆：半径r，中心点(d,0)
当d = R - r时，两圆内切形成完美月牙

### 1.2 使用Matplotlib实现

```python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.patches import Circle, PathPatch
from matplotlib.path import Path

def draw_moon(ax, color='gold', size=1):
    R = 1.0 * size  # 主圆半径
    r = 0.8 * size  # 次圆半径
    d = 0.2 * size  # 圆心距
    
    # 创建两个圆形路径
    theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 100)
    main_circle = np.column_stack([R*np.cos(theta), R*np.sin(theta)])
    second_circle = np.column_stack([d + r*np.cos(theta), r*np.sin(theta)])
    
    # 组合路径实现布尔差集
    vertices = np.vstack([main_circle, second_circle[::-1]])
    codes = [Path.MOVETO] + [Path.LINETO]*99 + [Path.CURVE4]*100
    path = Path(vertices, codes)
    
    # 添加路径并设置颜色
    patch = PathPatch(path, facecolor=color, edgecolor='none')
    ax.add_patch(patch)
    
    # 设置坐标轴
    ax.set_xlim(-1.5*size, 1.5*size)
    ax.set_ylim(-1.5*size, 1.5*size)
    ax.set_aspect('equal')
    ax.axis('off')

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8,8))
draw_moon(ax, color='#FFD700', size=1.5)
plt.title('Golden Moon', fontsize=16)
plt.show()

1.3 使用Turtle图形库实现

import turtle
import math

def draw_moon_turtle(color='gold', size=100):
    R = size        # 主圆半径
    r = 0.8 * size  # 次圆半径
    d = 0.2 * size  # 圆心距
    
    turtle.speed(0)
    turtle.fillcolor(color)
    turtle.begin_fill()
    
    # 绘制主圆上半部分
    turtle.penup()
    turtle.goto(0, -R)
    turtle.pendown()
    turtle.circle(R, 180)
    
    # 绘制次圆下半部分（反向）
    turtle.penup()
    turtle.goto(d, r)
    turtle.pendown()
    turtle.circle(r, -180)
    
    turtle.end_fill()
    turtle.hideturtle()

turtle.setup(800, 600)
draw_moon_turtle('#FFD700', 150)
turtle.done()

二、绘制月饼图案

2.1 月饼结构分析

传统月饼通常包含以下视觉元素： 1. 圆形基础形状 2. 表面花纹装饰 3. 边缘波浪纹 4. 顶部文字图案

2.2 完整Matplotlib实现

from matplotlib import pyplot as plt
from matplotlib.patches import Circle, Wedge, Polygon
import numpy as np

def draw_mooncake(ax, size=1):
    # 基础圆形
    base = Circle((0,0), size, fc='#E6B85C', ec='#8B4513', lw=4)
    ax.add_patch(base)
    
    # 边缘花纹（波浪形）
    theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 36)
    wave_r = size * 1.05
    wave_x = wave_r * np.cos(theta)
    wave_y = wave_r * np.sin(theta) + 0.05*size*np.sin(8*theta)
    ax.plot(wave_x, wave_y, color='#8B4513', lw=3)
    
    # 中心花纹（四叶草）
    leaf_theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 5)[:-1]
    for angle in leaf_theta:
        # 每个花瓣由贝塞尔曲线组成
        path_data = [
            (Path.MOVETO, (0,0)),
            (Path.CURVE4, (0.2*size*np.cos(angle), 0.2*size*np.sin(angle))),
            (Path.CURVE4, (0.5*size*np.cos(angle+0.2), 0.5*size*np.sin(angle+0.2))),
            (Path.CURVE4, (0.7*size*np.cos(angle), 0.7*size*np.sin(angle)))
        ]
        verts, codes = zip(*[(p[1], p[0]) for p in path_data])
        path = Path(verts, codes)
        patch = PathPatch(path, fc='#D4A017', ec='none')
        ax.add_patch(patch)
    
    # 添加文字
    ax.text(0, 0, '福', fontsize=size*30, 
            ha='center', va='center', color='#8B0000')
    
    # 设置坐标轴
    ax.set_xlim(-1.5*size, 1.5*size)
    ax.set_ylim(-1.5*size, 1.5*size)
    ax.set_aspect('equal')
    ax.axis('off')

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10,10))
draw_mooncake(ax, size=1.8)
plt.title('Traditional Mooncake', fontsize=18, pad=20)
plt.show()

2.3 月饼绘制进阶技巧

2.3.1 3D效果增强

通过添加渐变色彩和阴影增强立体感：

from matplotlib.colors import LinearSegmentedColormap

def add_3d_effect(ax, size):
    # 创建径向渐变
    cmap = LinearSegmentedColormap.from_list(
        'mooncake', ['#F5DEB3', '#D2B48C', '#8B4513'])
    
    # 生成网格
    x = np.linspace(-size, size, 100)
    y = np.linspace(-size, size, 100)
    X, Y = np.meshgrid(x, y)
    R = np.sqrt(X**2 + Y**2)
    
    # 绘制渐变
    mask = R <= size
    ax.imshow(np.where(mask, R, np.nan), 
              cmap=cmap, 
              extent=[-size,size,-size,size],
              alpha=0.4, 
              origin='lower')

2.3.2 添加芝麻装饰

def add_sesame(ax, size, count=30):
    for _ in range(count):
        # 随机位置（确保在圆内）
        angle = np.random.uniform(0, 2*np.pi)
        r = np.random.uniform(0.7, 0.95) * size
        x, y = r*np.cos(angle), r*np.sin(angle)
        
        # 随机大小和旋转
        sesame_size = np.random.uniform(0.02, 0.05) * size
        rot = np.random.uniform(0, 360)
        
        # 绘制椭圆模拟芝麻
        sesame = Ellipse((x,y), sesame_size, sesame_size*0.6, 
                        angle=rot, color='#2F1B0A')
        ax.add_patch(sesame)

三、组合月亮与月饼

3.1 中秋主题组合图

fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(1, 2, figsize=(16,8))

# 左侧绘制月亮
draw_moon(ax1, color='#FFD700', size=1.5)
ax1.set_title('Mid-Autumn Moon', fontsize=16)

# 右侧绘制月饼
draw_mooncake(ax2, size=1.5)
add_sesame(ax2, size=1.5, count=40)
ax2.set_title('Festival Mooncake', fontsize=16)

plt.suptitle('Mid-Autumn Festival Celebration', fontsize=20)
plt.tight_layout()
plt.show()

3.2 动画效果实现

使用Matplotlib的动画模块创建月亮渐现效果：

from matplotlib.animation import FuncAnimation

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8,8))
ax.set_xlim(-2,2)
ax.set_ylim(-2,2)
ax.set_aspect('equal')
ax.axis('off')

def update(frame):
    ax.clear()
    ax.set_xlim(-2,2)
    ax.set_ylim(-2,2)
    size = frame/30  # 逐渐增大
    draw_moon(ax, size=size)
    return []

ani = FuncAnimation(fig, update, frames=range(0,31), 
                    interval=100, blit=True)
plt.close()
ani.save('moon_growing.gif', writer='pillow', fps=10)

四、技术总结

图形绘制核心原理：
- 使用参数方程生成圆形/曲线
- 通过路径操作实现复杂形状
- 颜色填充与边缘效果处理
性能优化技巧：
- 对于静态图，预计算所有顶点
- 使用向量化操作代替循环
- 适当减少采样点提升渲染速度
扩展应用方向：
- 转换为3D图形（使用mpl_toolkits.mplot3d）
- 添加交互功能（使用mpld3库）
- 导出为SVG矢量图进行后期编辑

五、完整代码打包

所有示例代码已整理为可执行脚本，包含以下文件： - moon_plotting.py：月亮绘制实现 - mooncake_design.py：月饼绘制实现 - midautumn_art.py：组合场景生成

可通过以下命令获取完整项目：

git clone https://github.com/example/midautumn-art.git

希望本文能帮助您使用Python创建精美的中秋主题图形！通过调整参数和组合不同元素，您可以开发出更多富有创意的节日图案。 “`