Manim实现水波纹特效
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_ripples
self.max_outer_radius = max_outer_radius
self.min_inner_radius = min_inner_radius
self.wave_speed = wave_speed
self.color = color
self.fade_out = fade_out
self.ripples = []
self.mobject = mobject
self.scene = scene
# 颜色处理逻辑
self.color_list = color if isinstance(color, list) else * num_ripples
if 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, 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) % 1
radius = self.max_outer_radius * time_progress
if 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,
stroke_width=2,
fill_opacity=opacity,
)
new_c.move_to(self.mobject.get_center())
self.ripples.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 = ORIGIN
center_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 =
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 =
[*]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
2.3. 自定义参数调整
根据实际需求，可以调整以下关键参数以获得不同的视觉效果：
[*]num_ripples：控制波纹数量，更多的波纹会使效果更密集
[*]max_outer_radius：控制波纹扩散范围
[*]min_inner_radius：控制波纹的最小内半径
[*]run_time：控制动画持续时间
[*]wave_speed：控制波纹传播速度
[*]color：可以是单一颜色或渐变色列表
[*]fade_out：是否启用淡出效果
3. 总结
3.1. 特效特点
[*]视觉效果丰富：支持单一颜色和渐变色，可创建多种视觉风格
[*]高度可定制：提供多个参数调整波纹数量、大小、速度和颜色
[*]实现简洁：基于Manim的Animation类扩展，代码结构清晰易懂
[*]资源管理完善：包含清理机制，避免场景对象堆积
3.2. 使用场景
水波纹特效在以下场景中特别适用：
[*]几何演示：用于展示圆的概念、扩散过程等几何知识
[*]受力分析：模拟波的传播，展示力学中的波动现象
[*]交互反馈：作为点击或其他交互操作的视觉反馈
[*]强调重点：用于强调画面中的特定元素或区域
[*]过渡效果：作为场景切换或元素出现/消失的过渡动画
通过这个简单但功能强大的水波纹特效，可以为你的数学动画增添更多视觉吸引力和专业感。无论是教学演示、科学解释还是艺术创作，都能发挥重要作用。
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