Python创意编程：手把手教你实现动态心形烟花动画（附打包指南）
Python创意编程：手把手教你实现动态心形烟花动画（附打包指南）
本教程指导如何用Python的matplotlib和pygame制作动态心形烟花动画。核心步骤：基于心形参数方程生成动态图形，模拟烟花粒子物理运动（速度衰减、边界反弹），同步播放背景音乐，并添加渐显的"I Love You!"文字特效。提供完整代码及PyInstaller打包指南，可将项目转为独立可执行文件，无需Python环境即可运行。项目已在GitHub开源，适合用作编程创意礼物或动画开发学习案例。
项目需求
在开始之前，请确保Python环境已经安装了以下库：
matplotlibnumpypygame
可以使用以下命令来安装这些依赖：
pip install matplotlib numpy pygame
项目结构
我们将项目组织成一个Python脚本文件，该文件包含所有的代码逻辑。以下是项目的主要部分：
- 导入所需库：我们需要导入
os、sys、matplotlib、numpy、pygame以及其他必要的模块来实现动画效果和背景音乐。 - 定义辅助函数：包括资源路径函数
resource_path，用于加载外部资源，如背景音乐文件。 - 初始化pygame并加载音乐：使用
pygame.mixer初始化音频系统，并加载和播放背景音乐。 - 设置绘图环境：使用
matplotlib的plt.subplots()创建一个绘图区域，并设置其背景色、坐标轴和绘图对象。 - 定义烟花和心形效果的核心逻辑：包括生成心形曲线、烟花爆炸的动画、以及粒子运动的物理模型。
- 实现动画更新函数：每一帧都会更新动画的状态，如烟花爆炸、文字的逐步显示，以及心形的形成。
- 启动动画：通过
matplotlib.animation.FuncAnimation启动动画，并将其展示在屏幕上。
代码详细解读
以下是项目的完整代码，并附有详细的注释说明每个部分的功能。
import os
import sys
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import matplotlib.animation as animation
import pygame
import time
import random
from math import sin, cos, pi, log
def resource_path(relative_path):
try:
base_path = sys._MEIPASS
except Exception:
base_path = os.path.abspath(".")
return os.path.join(base_path, relative_path)
pygame.mixer.init()
# 加载并播放背景音乐
audio_file_path = resource_path("Luv letter.mp3")
pygame.mixer.music.load(audio_file_path)
pygame.mixer.music.play(-1)
# 初始化一些参数
num_particles = 5000
num_fireworks = 100
num_firework_explosions = 15
num_wandering_particles = 500
text_done = False
# 设置绘图环境
fig, ax = plt.subplots(figsize=(20, 16))
fig.patch.set_facecolor("black")
ax.set_xlim(-120, 120)
ax.set_ylim(-100, 100)
ax.set_facecolor("black")
ax.axis("equal")
ax.axis("off")
# 粒子和烟花的初始状态
particles = ax.scatter([], [], color="pink", s=1)
fireworks = ax.scatter([], [], color="yellow", s=1)
wandering_particles = ax.scatter([], [], color="yellow", s=1)
# 定义烟花的颜色
firework_colors = [
"#FF5733", "#FFC300", "#33FF57", "#3357FF", "#FF33FF",
"#FF6633", "#33FFFF", "orange", "purple", "red", "blue",
]
# 定义显示的文本，这边是博主和女朋友的名字缩写
full_text = """
** ** ** *************************
** ** ** ** **
** ** ** ** **
** ** ** ** **
** * * ** ** ** **
** ** ************** **
** ** ** ** **
** ** ** ** ** **
** ** ** ** ** **
"""
text_obj = ax.text(
0.5, 0.5, "", ha="center", va="center", fontsize=20,
family="monospace", color="white", multialignment="left",
transform=ax.transAxes,
)
# 初始化烟花数据
firework_data = {
"x": np.zeros(num_fireworks * num_firework_explosions),
"y": np.zeros(num_fireworks * num_firework_explosions),
"dx": np.zeros(num_fireworks * num_firework_explosions),
"dy": np.zeros(num_fireworks * num_firework_explosions),
"lifetime": np.zeros(num_fireworks * num_firework_explosions),
"colors": np.zeros(num_fireworks * num_firework_explosions, dtype=object),
"origin_x": np.zeros(num_fireworks * num_firework_explosions),
"origin_y": np.zeros(num_fireworks * num_firework_explosions),
"sizes": np.zeros(num_fireworks * num_firework_explosions),
}
wandering_data = {
"x": np.random.uniform(-100, 100, num_wandering_particles),
"y": np.random.uniform(-100, 100, num_wandering_particles),
"dx": np.random.uniform(-0.4, 0.4, num_wandering_particles),
"dy": np.random.uniform(-0.4, 0.4, num_wandering_particles),
"colors": np.random.choice(
["yellow", "red", "green", "blue", "purple", "orange",
"#FF5733", "#FFC300", "#33FF57", "#3357FF", "#FF33FF",
"#FF6633", "#33FFFF"],
num_wandering_particles,
),
}
love_text_colors = [
"red", "blue", "green", "yellow", "purple", "orange",
"#FF5733", "#FFC300", "#33FF57", "#3357FF", "#FF33FF",
]
# 初始化烟花
def initialize_firework(i):
start_idx = i * num_fireworks
end_idx = (i + 1) * num_fireworks
firework_data["origin_x"][start_idx:end_idx] = np.random.uniform(-100, 100)
firework_data["origin_y"][start_idx:end_idx] = np.random.uniform(-100, 100)
firework_data["x"][start_idx:end_idx] = firework_data["origin_x"][start_idx:end_idx]
firework_data["y"][start_idx:end_idx] = firework_data["origin_y"][start_idx:end_idx]
firework_data["dx"][start_idx:end_idx] = np.random.uniform(-1.0, 1.0, num_fireworks)
firework_data["dy"][start_idx:end_idx] = np.random.uniform(-1.0, 1.0, num_fireworks)
firework_data["lifetime"][start_idx:end_idx] = np.random.uniform(30, 60, num_fireworks)
firework_data["colors"][start_idx:end_idx] = np.random.choice(firework_colors)
firework_data["sizes"][start_idx:end_idx] = np.random.uniform(5, 50, num_fireworks)
for i in range(num_firework_explosions):
initialize_firework(i)
# 心形曲线函数
def heart_function(t, shrink_ratio: float = 3):
x = 16 * (sin(t) ** 3)
y = 13 * cos(t) - 5 * cos(2 * t) - 2 * cos(3 * t) - cos(4 * t)
x *= shrink_ratio
y *= shrink_ratio
return int(x), int(y)
def scatter_inside(x, y, beta=0.15):
ratio_x = -beta * log(random.random())
ratio_y = -beta * log(random.random())
dx = ratio_x * (x)
dy = ratio_y * (y)
return x - dx, y - dy
def shrink(x, y, ratio):
force = -1 / (((x) ** 2 + (y) ** 2) ** 0.6)
dx = ratio * force * (x)
dy = ratio * force * (y)
return x - dx, y - dy
def curve(p):
return 2 * (2 * sin(4 * p)) / (2 * pi)
class Heart:
def __init__(self, generate_frame=20):
self._points = set()
self._edge_diffusion_points = set()
self._center_diffusion_points = set()
self.all_points = {}
self.build(2000)
self.generate_frame = generate_frame
for frame in range(generate_frame):
self.calc(frame)
def build(self, number):
for _ in range(number):
t = random.uniform(0, 2 * pi)
x, y = heart_function(t)
self._points.add((x, y))
for _x, _y in list(self._points):
for _ in range(3):
x, y = scatter_inside(_x, _y, 0.05)
self._edge_diffusion_points.add((x, y))
point_list = list(self._points)
for _ in range(4000):
x, y = random.choice(point_list)
x, y = scatter_inside(x, y, 0.17)
self._center_diffusion_points.add((x, y))
@staticmethod
def calc_position(x, y, ratio):
force = 1 / (((x) ** 2 + (y) ** 2) ** 0.520)
dx = ratio * force * (x) + random.randint(-1, 1)
dy = ratio * force * (y) + random.randint(-1, 1)
return x - dx, y - dy
def calc(self, generate_frame):
ratio = 10 * curve(generate_frame / 10 * pi)
halo_radius = int(4 + 6 * (1 + curve(generate_frame / 10 * pi)))
halo_number = int(3000 + 4000 * abs(curve(generate_frame / 10 * pi) ** 2))
all_points = []
heart_halo_point = set()
for _ in range(halo_number):
t = random.uniform(0, 2 * pi)
x, y = heart_function(t, shrink_ratio=3.8)
x, y = shrink(x, y, halo_radius)
if (x, y) not in heart_halo_point:
heart_halo_point.add((x, y))
x += random.randint(-14, 14)
y += random.randint(-14, 14)
size = random.choice((1, 2, 2))
all_points.append((x, y, size))
for x, y in self._points:
x, y = self.calc_position(x, y, ratio)
size = random.randint(1, 3)
all_points.append((x, y, size))
for x, y in self._edge_diffusion_points:
x, y = self.calc_position(x, y, ratio)
size = random.randint(1, 2)
all_points.append((x, y, size))
for x, y in self._center_diffusion_points:
x, y = self.calc_position(x, y, ratio)
size = random.randint(1, 2)
all_points.append((x, y, size))
self.all_points[generate_frame] = all_points
heart = Heart()
text_brightness = 0.0
brightening = True
show_love_text = False
love_text_color_index = 0
love_text_obj = ax.text(
0.5, 0.5, "", ha="center", va="center", fontsize=50,
family="monospace", color=(0, 0, 0),
transform=ax.transAxes,
)
# 更新动画帧
def update(frame):
global text_done, text_brightness, brightening, show_love_text, love_text_color_index
heart_cycle_length = 200
heart_scale = frame % heart_cycle_length / (heart_cycle_length - 1)
theta = np.random.uniform(0, 2 * np.pi, num_particles)
r = np.random.uniform(0, 1, num_particles) ** 0.5
particle_x = heart_scale * r * 16 * np.sin(theta) ** 3
particle_y = (
heart_scale
* r
* (
13 * np.cos(theta)
- 5 * np.cos(2 * theta)
- 2 * np.cos(3 * theta)
- np.cos(4 * theta)
)
)
particles.set_offsets(np.c_[particle_x, particle_y])
text_cycle_length = len(full_text)
if not text_done:
current_length = min(frame * 2, text_cycle_length)
text_obj.set_text(full_text[:current_length])
if current_length >= text_cycle_length:
text_done = True
if text_done:
show_love_text = True
if show_love_text:
if brightening:
text_brightness += 0.01
if text_brightness >= 1.0:
brightening = False
else:
text_brightness -= 0.01
if text_brightness <= 0.0:
brightening = True
love_text_color_index = (love_text_color_index + 1) % len(love_text_colors)
text_brightness = max(0, min(text_brightness, 1.0))
love_text_obj.set_color(love_text_colors[love_text_color_index])
love_text_obj.set_alpha(text_brightness)
love_text_obj.set_text("I Love You!")
love_text_obj.set_zorder(11)
if text_done:
firework_data["x"] += firework_data["dx"]
firework_data["y"] += firework_data["dy"]
firework_data["lifetime"] -= 1
firework_data["sizes"] *= 0.98
alpha_values = firework_data["lifetime"] / np.max(firework_data["lifetime"])
alpha_values = np.clip(alpha_values, 0, 1)
fireworks.set_alpha(alpha_values)
mask = firework_data["lifetime"] <= 0
if np.any(mask):
for i in np.where(mask)[0] // num_fireworks:
initialize_firework(i)
fireworks.set_offsets(np.c_[firework_data["x"], firework_data["y"]])
fireworks.set_color(firework_data["colors"])
fireworks.set_sizes(firework_data["sizes"])
wandering_data["x"] += wandering_data["dx"]
wandering_data["y"] += wandering_data["dy"]
out_of_bounds_x = (wandering_data["x"] < -100) | (wandering_data["x"] > 100)
out_of_bounds_y = (wandering_data["y"] < -100) | (wandering_data["y"] > 100)
wandering_data["dx"][out_of_bounds_x] *= -1
wandering_data["dy"][out_of_bounds_y] *= -1
wandering_particles.set_offsets(np.c_[wandering_data["x"], wandering_data["y"]])
wandering_particles.set_color(wandering_data["colors"])
wandering_particles.set_sizes(np.full(num_wandering_particles, 5))
frame_mod = frame % heart.generate_frame
heart_points = np.array(heart.all_points[frame_mod])
heart_x, heart_y, heart_size = (
heart_points[:, 0], heart_points[:, 1], heart_points[:, 2],
)
ax.scatter(heart_x, heart_y, color="pink", s=heart_size)
text_obj.set_zorder(10)
return particles, text_obj, fireworks, wandering_particles, love_text_obj
# 重置文本动画
def reset_text(*args):
global text_done
text_done = False
text_obj.set_text("")
ani.event_source.stop()
for i in range(len(full_text)):
update(i)
ani.event_source.start()
# 创建动画
ani = animation.FuncAnimation(
fig, update, frames=np.arange(0, 400), interval=20, blit=True, repeat=True
)
text_interval = len(full_text) * 10
fig.canvas.new_timer(interval=text_interval).add_callback(reset_text)
plt.show()
# 播放背景音乐
while pygame.mixer.music.get_busy():
time.sleep(1)
运行代码
在执行以上代码之前，请确保将背景音乐文件（Luv letter.mp3）放在与脚本相同的目录下。
运行代码后，您将看到一个心形逐渐生成，并伴随着烟花的动画效果，文本“I Love You!”会在屏幕上淡入淡出。
使用PyInstaller将Python代码打包为可执行文件
虽然代码已经基本完成了，但你总不能让女朋友自己复制代码、粘贴到编辑器并运行吧？那样她可能会因为环境没配置好直接跟你分手了！为了避免这种情况，我们需要将源代码和资源打包，最终生成一个可执行的exe程序。这样无论她的电脑上有没有安装Python环境，只需要双击这个exe文件，就可以轻松看到运行效果了。
接下来，我们将学习如何将包含LOVE.py和背景音乐Luv letter.mp3的Python项目打包为一个独立的可执行文件（.exe），让对方无需任何额外配置即可运行。
1. 安装PyInstaller
首先，确保系统上已经安装了PyInstaller。如果还没有安装，可以使用以下命令进行安装：
pip install pyinstaller
2. 项目结构
项目应该包含以下两个文件：
/path/to/your/project/
│
├── LOVE.py # 你的主脚本文件
└── Luv letter.mp3 # 背景音乐文件
3. 打包Python项目
打开终端（或命令提示符），导航到项目目录，然后运行以下命令：
pyinstaller --onefile --add-data "Luv letter.mp3;." LOVE.py
解释：
--onefile：将所有代码和资源打包成一个独立的可执行文件。--add-data "Luv letter.mp3;."：将Luv letter.mp3文件包含在打包文件中，并放在与可执行文件相同的目录下。
4. 生成的文件
运行完上述命令后，PyInstaller 会在dist目录下生成一个名为LOVE.exe的可执行文件。你可以双击该文件，测试程序是否正常运行。
5. 分发可执行文件
将生成的LOVE.exe文件发送给你的女朋友，她只需双击即可运行，体验浪漫的心形烟花动画。