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【manim动画教程】--相机

2023-04-19 17:20 由 wang_yb 发表于 #后端开发

相机（Camera）在二维的场景下使用不多，一般在3D场景中提及的比较多。
相机相当于我们看动画的视角，简单来理解的话，相当于我们的眼睛（实际情况会复杂一些，相机还有其他一些辅助功能）。

默认的相机焦点在屏幕的中心位置，相机默认是以俯视的视角查看所有的元素。
之前的介绍的常用动画效果和高级动画效果，都没有对相机进行调整过，
所以，是通过移动和变换各个元素来实现动画效果。

本篇介绍的相机，则是另一种制作动画的方式，它不改变元素在屏幕或者说在坐标系中的位置，
通过改变相机的位置和角度来实现动画效果。

举个现实世界中的简单例子，如果有个杯子，我们可以通过转动杯子来从各个角度观察杯子；
而如果是一栋楼的话，我们无法移动它，只能围着楼走一圈来观察它，这个过程就相当于移动相机。

下面通过一些实例来看看移动相机带来的不一样的动画效果。

1. 相机移动

相机移动常用的两种方式：

  1. 移动焦点：改变相机的焦点，焦点在那个元素，那个元素就会在屏幕中心
  2. 改变视野：改变相机与元素的距离，离得越远，物体越小。

1.1 移动焦点

manim中移动焦点要继承 MovingCameraScene类，
然后通过 self.camera.frame.animate.move_to函数来移动焦点。

下面的示例构造了一个正方形，一个三角形，然后通过改变焦点来形成元素移动的动画。
实际上元素并没有移动，它们的坐标始终没变，变化的是相机的焦点。

class CameraSample1(MovingCameraScene):
    def _move_focus(self):
        s = Square(color=RED, fill_opacity=0.5)
        t = Triangle(color=GREEN, fill_opacity=0.5)
        vg = VGroup(s, t)
        vg.arrange(RIGHT, buff=MED_LARGE_BUFF)
        self.add(vg)

        self.play(self.camera.frame.animate.move_to(s))
        self.play(self.camera.frame.animate.move_to(t))
        self.play(self.camera.frame.animate.move_to(vg))

    def construct(self):
        self._move_focus()

        self.wait()

运行效果：

1.2 改变视野

改变视野通过 self.camera.frame.animate.set方法，通过这个方法设置视野的宽度，可以形成缩放元素的效果。

下面的示例，通过改变视野的宽度，让元素出现放大和缩小的现象，实际上元素并没有变化。
变化的是相机到元素的距离。

class CameraSample1(MovingCameraScene):
    def _scale(self):
        s = Square(color=RED, fill_opacity=0.5)
        self.add(s)

        self.camera.frame.save_state()
        self.play(self.camera.frame.animate.set(width=s.width * 2))
        self.wait(0.3)
        self.play(self.camera.frame.animate.set(width=s.width * 8))
        self.wait(0.3)
        self.play(Restore(self.camera.frame))

    def construct(self):
        self._scale()

        self.wait()

运行效果：

2. 鹰眼效果

鹰眼的效果是通过两个相机来实现的，两个相机的焦点一样，但是视野不一样。
鹰眼效果一般用在提供全局视图的场合，特别是当元素特别多的时候。

下面示例中，设置了两个相机，缩放的参数为3，zoom_factor=3。

class CameraSample2(ZoomedScene):
    def __init__(self, **kwargs):
        ZoomedScene.__init__(
            self,
            zoom_factor=3,
            zoomed_display_height=1,
            zoomed_display_width=2,
            image_frame_stroke_width=5,
            zoomed_camera_config={
                "default_frame_stroke_width": 3,
            },
            **kwargs
        )

    def construct(self):
        s = Square(color=RED, fill_opacity=0.5, side_length=1.5)
        t = Triangle(color=GREEN, fill_opacity=0.5).scale(0.5)
        vg = VGroup(s, t)
        vg.arrange(RIGHT, buff=SMALL_BUFF)
        self.add(vg)
        self.activate_zooming(animate=False)
        self.play(s.animate.shift(LEFT), t.animate.shift(RIGHT))
        self.play(s.animate.rotate(2 * PI / 3), t.animate.rotate(PI / 2))
        self.play(s.animate.shift(RIGHT), t.animate.shift(LEFT))
        self.wait()

运行效果：

3. 追踪物体

追踪物体就是将相机的焦点定位在移动的物体上，就像我们坐在火车上的感觉一样，那时，我们觉得火车没动，而是车外的风景不断向后移动。

下面的示例是一个点沿着正弦曲线运动，我们将相机焦点定位在这个点上，感觉就像是曲线在移动。

class CameraSample3(MovingCameraScene):
    def construct(self):
        self.camera.frame.save_state()

        graph = FunctionGraph(
            lambda x: np.sin(x),
            x_range=[-3, 3],
            color=RED,
        )
        d = dot(graph.get_start())
        self.add(graph, d)

        self.play(self.camera.frame.animate.scale(0.5).move_to(d))

        def update_curve(mob):
            mob.move_to(d.get_center())

        self.camera.frame.add_updater(update_curve)
        self.play(MoveAlongPath(d, graph), rate_func=linear, run_time=2)
        self.camera.frame.remove_updater(update_curve)

        self.play(Restore(self.camera.frame))

运行效果：

4. 3D 场景

相机其实主要就是应用在3D场景中的，所以 manim的3D场景类 ThreeDScene中提供了一个非常方便的移动相机的方法 move_camera。

下面的示例中，我们用 move_camera方法来改变视角和调整视野。
示例中的球其实一直没动，也就是球上各点的坐标没有改变过。

class CameraSample4(ThreeDScene):
    def construct(self):
        axes = ThreeDAxes()
        sphere = Surface(
            lambda u, v: np.array(
                [
                    1.5 * np.cos(u) * np.cos(v),
                    1.5 * np.cos(u) * np.sin(v),
                    1.5 * np.sin(u),
                ]
            ),
            v_range=[0, TAU],
            u_range=[-PI / 2, PI / 2],
            checkerboard_colors=[BLUE_D, BLUE_E],
            resolution=(15, 32),
        )
        self.add(axes, sphere)

        self.move_camera(phi=75 * DEGREES, theta=30 * DEGREES)
        self.move_camera(zoom=1.5)
        self.move_camera(zoom=0.5)
        self.wait()

运行效果：

5. 总结回顾

本篇介绍从另一种角度来实现动画的方式，也就是不改变物体本身，而是改变观察物体的方式。

manim中能够操作相机的类主要有：

  1. MovingCameraScene：改变相机的焦点和视野
  2. ZoomedScene：增加多个相机，多个相机可以从不同的视角同时观察物体
  3. ThreeDScene：3D场景下的相机操作

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