Manim实现旋转变色特效

在数学动画的世界里，旋转与变色特效无疑是最能吸引观众眼球的元素之一。
今天，就让我们一起探索如何使用Manim框架来实现自定义的旋转变色特效吧！
1. 实现原理

Manim的动画魔法源于Animation类的interpolate_mobject方法。
这个方法通过alpha参数（0到1之间）控制动画进度，我们只需重写这个方法就能创造自定义特效：

1. class RotateAndColor(Animation):
2.     def __init__(
3.         self,
4.         mobject,
5.         angle=TAU,
6.         start_color=BLUE,
7.         end_color=RED,
8.         about_point=ORIGIN,
9.         **kwargs
10.     ):
11.         """
12.         构造函数。
14.         Parameters:
15.             mobject - 这是要进行动画的对象，例如一个几何形状、文本或其他任何 Manim 支持的对象
16.             angle - 指定旋转的总角度，默认值为 TAU 即 360度
17.             start_color - 动画开始时对象的颜色，默认蓝色
18.             end_color - 动画结束时对象的颜色，默认为红色
19.             **kwargs - 用于传递额外的关键字参数到父类Animation的构造函数中
20.         """
22.         # 调用父类Animation的构造函数，
23.         # 将mobject和额外的关键字参数传递给父类，完成基本的初始化
24.         super().__init__(mobject, **kwargs)
26.         # 将传入的参数存储为类的属性，以便后续使用
27.         self.angle = angle
28.         self.start_color = start_color
29.         self.end_color = end_color
30.         self.about_point = about_point
32.     def interpolate_mobject(self, alpha):
33.         """
34.         实现动画效果的核心方法。
36.         Parameters:
37.             alpha - 是一个介于 0 和 1 之间的参数，表示动画的进度
38.         """
39.         pass

复制代码

接下来，实现同一个动画周期内同时控制旋转和颜色：

1.     def interpolate_mobject(self, alpha):
2.         """
3.         实现动画效果的核心方法。
5.         Parameters:
6.             alpha - 是一个介于 0 和 1 之间的参数，表示动画的进度
7.         """
8.         # 颜色插值
9.         # 使用interpolate_color函数计算当前进度alpha下的颜色
10.         # interpolate_color是Manim中的一个内置函数，用于在两个颜色之间进行插值
11.         new_color = interpolate_color(self.start_color, self.end_color, alpha)
13.         # 旋转角度计算
14.         # 计算当前进度alpha下的旋转角度。
15.         # 通过将alpha乘以总旋转角度self.angle，得到当前的旋转角度
16.         current_angle = alpha * self.angle
18.         # 应用变换
19.         # 将mobject重置为动画开始时的状态
20.         self.mobject.become(self.starting_mobject)
22.         # 调用rotate方法，将mobject旋转current_angle角度，
23.         # 旋转的中心点是self.about_point
24.         self.mobject.rotate(current_angle, about_point=self.about_point)
26.         # 将mobject的颜色设置为当前插值计算得到的颜色
27.         self.mobject.set_color(new_color)

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上面的代码中已经加了详细的注释，总得来说，RotateAndColor类实现了一个同时进行旋转和颜色变化的动画效果。
它通过继承Animation类，利用Manim的动画系统，实现了对对象的旋转和颜色变化。
通过interpolate_mobject方法，根据动画进度alpha，动态计算旋转角度和颜色，从而实现平滑的动画效果。
2. 应用示例

实现了这个自定义的旋转变色动画（RotateAndColor）后，下面来实际使用看看效果如何。
2.1. 基础使用

在基础使用示例中，我们构造一个正方体，先快速旋转3圈，同时颜色由蓝变绿；
再慢速旋转半圈，同时颜色又绿变紫。

1. class RotateColorSample01(ThreeDScene):
2.     def construct(self):
3.         self.set_camera_orientation(phi=75 * DEGREES, theta=-45 * DEGREES)
5.         cube = Cube().set_fill(BLUE, opacity=0.8)
7.         self.play(
8.             RotateAndColor(
9.                 cube,
10.                 angle=3 * TAU,  # 旋转3圈
11.                 start_color=BLUE,
12.                 end_color=GREEN,
13.                 run_time=2,
14.             )
15.         )
16.         self.wait()
18.         # 添加对比动画
19.         self.play(
20.             RotateAndColor(
21.                 cube,
22.                 angle=TAU / 2,  # 仅转半圈
23.                 start_color=GREEN,
24.                 end_color=PURPLE,
25.                 run_time=2,
26.             )
27.         )
28.         self.wait()

复制代码

2.2. 模拟公转自转

下面再构造一个略微复杂点的示例，构造两个球形模拟太阳和地球，太阳自转同时变色；
地球绕着太阳公转，且在绕的过程中逐渐变色（可用来模拟白天黑夜）。

1. class RotateColorSample02(ThreeDScene):
2.     def construct(self):
3.         self.set_camera_orientation(phi=75 * DEGREES, theta=-45 * DEGREES)
5.         sun = Sphere(color=YELLOW).scale(1.2)
6.         earth = Sphere(resolution=24).scale(0.4).shift(RIGHT * 3)
8.         # 地球公转+太阳自转+色温变化
9.         self.play(
10.             RotateAndColor(
11.                 sun,
12.                 angle=TAU / 2,
13.                 start_color=YELLOW,
14.                 end_color=RED,
15.                 rate_func=there_and_back,
16.             ),
17.             RotateAndColor(
18.                 earth,
19.                 angle=TAU,
20.                 start_color=BLUE,
21.                 end_color=GREEN,
22.                 about_point=sun.get_center(),
23.                 rate_func=linear,
24.             ),
25.             run_time=8,
26.         )
27.         self.wait()

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3. 总结

通过上面介绍的方法，相信您已经掌握了制作专业级数学动画的核心技巧。
感兴趣的话，尝试修改示例代码中的参数，或者将旋转变色效果与缩放、位移等动画组合使用，创造出属于您的独特视觉效果！

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