Python實現火柴人的設計與實現

1.引言

火柴人（Stick Figure）是一種極簡風格的圖形，通常由簡單的線段和圓圈組成，卻能生動地表達人物的姿態和動作。火柴人不僅廣泛應用於動畫、漫畫和塗鴉中，還可以作為圖形學、人工智慧等領域的教學和研究工具。本文旨在介紹如何使用Python實現火柴人的設計與繪製，透過程式設計的方式，讓讀者瞭解火柴人背後的基本原理和實現方法。

2.準備工作

在開始實現火柴人之前，你需要確保已經安裝了Python環境，並且熟悉基本的Python程式設計知識。此外，為了繪製圖形，我們將使用matplotlib庫，這是一個強大的繪相簿，適用於生成各種靜態、動態和互動式的圖表。

你可以透過以下命令安裝matplotlib：

bash複製程式碼

pip install matplotlib

3.基礎理論知識

火柴人的繪製主要依賴於幾何圖形的繪製和變換。具體來說，我們需要：

(1)定義關節：火柴人的關節包括頭部、肩膀、肘部、手腕、臀部、膝蓋和腳踝等。這些關節可以看作二維或三維空間中的點。

(2)繪製線段：根據關節的位置，繪製連線關節的線段，這些線段構成了火柴人的骨骼。

(3)新增圓形：在頭部等關節處新增圓形，以表示關節。

(4)變換與動畫：透過變換關節的位置，可以實現火柴人的動作和動畫效果。

4.步驟詳解

下面，我們將逐步介紹如何使用Python和matplotlib繪製火柴人。

(1)匯入庫

首先，我們需要匯入matplotlib庫中的pyplot模組：

import matplotlib.pyplot as plt  
import numpy as np

(2)定義關節位置

為了簡單起見，我們先在二維平面上定義火柴人的關節位置。這裡以一個簡單的火柴人站立姿勢為例：

# 定義關節位置  
head = [0, 1]  
torso = [0, 0]  
left_shoulder = [-0.5, 0]  
left_elbow = [-1, -0.5]  
left_hand = [-1, -1]  
right_shoulder = [0.5, 0]  
right_elbow = [1, -0.5]  
right_hand = [1, -1]  
left_hip = [-0.5, -0.5]  
left_knee = [-1, -1.5]  
left_foot = [-1, -2]  
right_hip = [0.5, -0.5]  
right_knee = [1, -1.5]  
right_foot = [1, -2]  
  
# 將關節位置儲存在一個字典中  
joints = {  
    'head': head,  
    'torso': torso,  
    'left_shoulder': left_shoulder,  
    'left_elbow': left_elbow,  
    'left_hand': left_hand,  
    'right_shoulder': right_shoulder,  
    'right_elbow': right_elbow,  
    'right_hand': right_hand,  
    'left_hip': left_hip,  
    'left_knee': left_knee,  
    'left_foot': left_foot,  
    'right_hip': right_hip,  
    'right_knee': right_knee,  
    'right_foot': right_foot  
}

(3)繪製火柴人

接下來，我們編寫一個函式，根據關節位置繪製火柴人：

def draw_stick_figure(joints, ax):  
    # 繪製身體  
    body_parts = [  
        ('torso', 'head'),  
        ('torso', 'left_shoulder'), ('left_shoulder', 'left_elbow'), ('left_elbow', 'left_hand'),  
        ('torso', 'right_shoulder'), ('right_shoulder', 'right_elbow'), ('right_elbow', 'right_hand'),  
        ('torso', 'left_hip'), ('left_hip', 'left_knee'), ('left_knee', 'left_foot'),  
        ('torso', 'right_hip'), ('right_hip', 'right_knee'), ('right_knee', 'right_foot')  
    ]  
      
    for start, end in body_parts:  
        start_pos = np.array(joints[start])  
        end_pos = np.array(joints[end])  
        ax.plot([start_pos[0], end_pos[0]], [start_pos[1], end_pos[1]], 'k-')  
      
    # 繪製頭部  
    circle = plt.Circle(joints['head'], 0.1, color='black', fill=True)  
    ax.add_patch(circle)  
      
    # 繪製手部（可選）  
    circle = plt.Circle(joints['left_hand'], 0.05, color='black', fill=True)  
    ax.add_patch(circle)  
    circle = plt.Circle(joints['right_hand'], 0.05, color='black', fill=True)  
    ax.add_patch(circle)  
      
    # 繪製腳部（可選）  
    circle = plt.Circle(joints['left_foot'], 0.05, color='black', fill=True)  
    ax.add_patch(circle)  
    circle = plt.Circle(joints['right_foot'], 0.05, color='black', fill=True)  
    ax.add_patch(circle)

(4)繪製並顯示圖形

最後，我們建立一個圖形物件，呼叫繪製函式，並顯示結果：

def main():  
    fig, ax = plt.subplots()  
    ax.set_aspect('equal')  
    ax.axis('off')  # 關閉座標軸  
      
    draw_stick_figure(joints, ax)  
      
    plt.show()  
  
if __name__ == "__main__":  
    main()

5.常見問題解答

(1)火柴人看起來扭曲或比例不對：這通常是由於關節位置定義不合理或線段連線錯誤導致的。檢查關節位置和連線順序是否正確。

(2)圖形顯示不全：確保設定ax.set_aspect('equal')，使得圖形按等比例顯示。

(3)如何新增動畫效果：可以使用matplotlib的FuncAnimation類，透過不斷更新關節位置來實現動畫效果。

6.成果案例分享

透過上述步驟，你已經成功繪製了一個簡單的火柴人。接下來，我們可以嘗試更復雜的姿勢和動畫效果。例如，透過改變關節位置，實現火柴人的跳躍、行走等動作。

下面是一個簡單的動畫示例，展示火柴人從左到右移動的過程：

import matplotlib.animation as animation  
  
def update_position(frame, joints):  
    # 這裡我們簡單地將火柴人向右移動  
    translation = 0.1 * frame  
    for key in joints.keys():  
        joints[key][0] += translation  
    return joints  
  
def animate(frame):  
    global joints_anim  
    joints_anim = update_position(frame, joints_anim)  
    ax.clear()  
    ax.set_aspect('equal')  
    ax.axis('off')  
    draw_stick_figure(joints_anim, ax)  
  
def main_animation():  
    fig, ax = plt.subplots()  
    global joints_anim  
    joints_anim = {key: value.copy() for key, value in joints.items()}  # 複製初始關節位置  
    ani = animation.FuncAnimation(fig, animate, frames=100, interval=100)  
    plt.show()  
  
if __name__ == "__main__":  
    main_animation()

7.案例程式碼示例

以下是完整的程式碼示例，包括所有步驟和註釋：

import matplotlib.pyplot as plt  
import numpy as np  
import matplotlib.animation as animation  
  
# 定義關節位置  
joints = {  
    'head': [0, 1],  
    'torso': [0, 0],  
    'left_shoulder': [-0.5, 0],  
    'left_elbow': [-1, -0.5],  
    'left_hand': [-1, -1],  
    'right_shoulder': [0.5, 0],  
    'right_elbow': [1, -0.5],  
    'right_hand': [1, -1],  
    'left_hip': [-0.5, -0.5],  
    'left_knee': [-1, -1.5],  
    'left_foot': [-1, -2],  
    'right_hip': [0.5, -0.5],  
    'right_knee': [1, -1.5],  
    'right_foot': [1, -2]  
}  
  
# 將關節位置轉換為numpy陣列，以便進行數學運算  
joints = {key: np.array(value) for key, value in joints.items()}  
  
# 繪製火柴人的函式  
def draw_stick_figure(joints, ax):  
    # 清除之前的繪圖  
    ax.clear()  
      
    # 設定座標軸的比例和限制  
    ax.set_aspect('equal')  
    ax.set_xlim(-2, 2)  
    ax.set_ylim(-2.5, 1.5)  
      
    # 定義身體部分和對應的顏色（可選）  
    body_parts = [  
        ('torso', 'head', 'black'),  
        ('torso', 'left_shoulder', 'black'), ('left_shoulder', 'left_elbow', 'black'), ('left_elbow', 'left_hand', 'black'),  
        ('torso', 'right_shoulder', 'black'), ('right_shoulder', 'right_elbow', 'black'), ('right_elbow', 'right_hand', 'black'),  
        ('torso', 'left_hip', 'black'), ('left_hip', 'left_knee', 'black'), ('left_knee', 'left_foot', 'black'),  
        ('torso', 'right_hip', 'black'), ('right_hip', 'right_knee', 'black'), ('right_knee', 'right_foot', 'black')  
    ]  
      
    # 繪製火柴人的各個部分  
    for part in body_parts:  
        start_joint, end_joint, color = part[0], part[1], part[2] if len(part) > 2 else 'black'  
        ax.plot([joints[start_joint][0], joints[end_joint][0]], [joints[start_joint][1], joints[end_joint][1]], color=color, linewidth=2)  
      
    # 顯示網格（可選）  
    ax.grid(True)  
  
# 建立圖形和座標軸  
fig, ax = plt.subplots()  
  
# 初始化函式（用於動畫）  
def init():  
    draw_stick_figure(joints, ax)  
    return []  # 返回空列表，因為我們沒有需要更新的藝術家物件  
  
# 動畫更新函式  
def update(frame):  
    # 這裡可以新增使火柴人移動或改變姿勢的邏輯  
    # 例如，簡單地旋轉手臂或腿  
    # 但為了簡化，我們在這裡不改變關節位置  
    draw_stick_figure(joints, ax)  
    return []  # 同樣返回空列表  
  
# 建立動畫  
ani = animation.FuncAnimation(fig, update, frames=100, init_func=init, blit=True, interval=100)  
  
# 顯示圖形  
plt.show()

請注意以下幾點：

（1）我將關節位置轉換為了numpy陣列，以便在需要時進行數學運算（雖然在這個簡單的例子中並沒有用到）。

（2）在draw_stick_figure函式中，我新增了設定座標軸比例和限制的程式碼，以及一個可選的網格顯示。

（3）在body_parts列表中，我新增了顏色引數，但在這個例子中，我預設使用了黑色。你可以根據需要更改顏色。

（4）在update函式中，我沒有改變關節位置，因此火柴人在動畫中保持靜止。你可以根據需要新增邏輯來改變火柴人的姿勢或位置。

（5）我使用了FuncAnimation來建立動畫，並設定了100幀和每幀之間的間隔為100毫秒。你可以根據需要調整這些引數。

執行這段程式碼將顯示一個包含靜止火柴人的視窗，並且由於動畫的設定，它會每隔100毫秒重新繪製一次（儘管看起來是靜止的，因為關節位置沒有改變，感興趣的讀者朋友可以嘗試改變關節位置）。