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

1. class WaterRipple(Animation):
2.     def __init__(
3.         self, mobject, scene=None, num_ripples=5, max_outer_radius=3,
4.         min_inner_radius=1, run_time=2, wave_speed=1.0,
5.         color=BLUE, fade_out=True, **kwargs
6.     ):
7.         # 初始化参数设置
8.         self.num_ripples = num_ripples
9.         self.max_outer_radius = max_outer_radius
10.         self.min_inner_radius = min_inner_radius
11.         self.wave_speed = wave_speed
12.         self.color = color
13.         self.fade_out = fade_out
14.         self.ripples = []
15.         self.mobject = mobject
16.         self.scene = scene
17.         
18.         # 颜色处理逻辑
19.         self.color_list = color if isinstance(color, list) else [color] * num_ripples
20.         if len(self.color_list) < num_ripples:
21.             self.color_list = self.color_list * (
22.                 num_ripples // len(self.color_list) + 1
23.             )
24.             self.color_list = self.color_list[:num_ripples]
25.         
26.         # 创建波纹对象
27.         for i in range(num_ripples):
28.             c = Annulus(
29.                 inner_radius=0, outer_radius=0,
30.                 color=self.color_list[i], stroke_width=2, fill_opacity=0,
31.             )
32.             c.move_to(mobject.get_center())
33.             self.ripples.append(c)
34.         
35.         # 将波纹添加到场景
36.         if self.scene is not None:
37.             for ripple in self.ripples:
38.                 self.scene.add(ripple)
39.         
40.         super().__init__(mobject, run_time=run_time, **kwargs)

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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：

1. def interpolate_mobject(self, alpha: float) -> None:
2.     # 计算每个波纹的半径和透明度
3.     for i in range(self.num_ripples):
4.         # 每个波纹有不同的相位偏移
5.         phase_offset = i * (np.pi / self.num_ripples)
7.         # 使用正弦函数计算半径和透明度，实现波动效果
8.         time_progress = (alpha + phase_offset * 0.2) % 1
9.         radius = self.max_outer_radius * time_progress
11.         if self.fade_out:
12.             # 透明度随半径增大而减小，使用正弦函数使淡出更自然
13.             opacity = max(0, np.sin(time_progress * np.pi))
14.         else:
15.             opacity = 1
17.         # 应用变换，使用对应的颜色
18.         new_c = Annulus(
19.             inner_radius=self.min_inner_radius,
20.             outer_radius=radius,
21.             color=self.color_list[i],
22.             stroke_width=2,
23.             fill_opacity=opacity,
24.         )
25.         new_c.move_to(self.mobject.get_center())
26.         self.ripples[i].become(new_c)

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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：

1. def clean_up_from_scene(self, scene: Scene) -> None:
2.     # 动画结束后清理波纹
3.     for ripple in self.ripples:
4.         if ripple in scene.mobjects:
5.             scene.remove(ripple)
6.     super().clean_up_from_scene(scene)

复制代码

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

1. # 示例场景：单个水波纹效果
2. class Example01(Scene):
3.     def construct(self):
4.         # 创建中心点
5.         center_point = ORIGIN
6.         center_dot = Dot(center_point, color=BLUE, radius=0.1)
7.         self.play(FadeIn(center_dot))
8.         self.wait()
10.         # 应用水波纹动画，使用渐变色效果
11.         # 创建颜色渐变列表，从蓝色到紫色再到红色
12.         gradient_colors = [BLUE, TEAL, GREEN, YELLOW, RED]
14.         self.play(
15.             WaterRipple(
16.                 center_dot,
17.                 scene=self,
18.                 num_ripples=5,
19.                 max_outer_radius=2,
20.                 run_time=4,
21.                 wave_speed=1.2,
22.                 color=gradient_colors,  # 使用渐变色列表
23.                 fade_out=True,
24.                 stroke_width=1,
25.             )
26.         )
27.         self.wait(2)

复制代码

2.2. 使用步骤详解

• 准备工作：首先导入必要的库
  

1. from manim import *
2. import numpy as np

复制代码

• 创建中心点：水波纹效果需要一个中心点作为扩散起点
  

1. center_point = ORIGIN
2. center_dot = Dot(center_point, color=BLUE, radius=0.1)
3. self.play(FadeIn(center_dot))

复制代码

• 定义颜色方案：可以使用渐变色列表增强视觉效果
  

1. gradient_colors = [BLUE, TEAL, GREEN, YELLOW, RED]

复制代码

• 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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不错，里面软件多更新就更好了

谢谢楼主提供！