什么是 manim

Manim 是一個(gè)用于精確編程動(dòng)畫的引擎，專為創(chuàng)建解釋性數(shù)學(xué)視頻而設(shè)計(jì)。

注意，有兩個(gè)主要版本的 manim。該存儲(chǔ)庫最初是 3Blue1Brown 的作者的個(gè)人項(xiàng)目，目的是為這些視頻制作動(dòng)畫，此處提供了視頻專用代碼。2020 年，一群開發(fā)人員將其分叉成現(xiàn)在的社區(qū)版，目標(biāo)是更穩(wěn)定、更好地測(cè)試、更快地響應(yīng)社區(qū)貢獻(xiàn)，以及更友好地開始使用。

主要版本如下：

• 3b1b/manim 【最新版】
• cairo-backend【舊版】
• ManimCommunity/manim 【社區(qū)版】

冒泡排序介紹

本文就使用 manim 來實(shí)現(xiàn)一個(gè)冒泡排序的動(dòng)畫，首先來了解下什么是冒泡排序

冒泡排序（Bubble Sort）也是一種簡(jiǎn)單直觀的排序算法。它重復(fù)地走訪過要排序的數(shù)列，一次比較兩個(gè)元素，如果他們的順序錯(cuò)誤就把他們交換過來。走訪數(shù)列的工作是重復(fù)地進(jìn)行直到?jīng)]有再需要交換，也就是說該數(shù)列已經(jīng)排序完成。這個(gè)算法的名字由來是因?yàn)樵叫〉脑貢?huì)經(jīng)由交換慢慢"浮"到數(shù)列的頂端。

算法步驟

• 比較相鄰的元素。如果第一個(gè)比第二個(gè)大，就交換他們兩個(gè)。
• 對(duì)每一對(duì)相鄰元素作同樣的工作，從開始第一對(duì)到結(jié)尾的最后一對(duì)。這步做完后，最后的元素會(huì)是最大的數(shù)。
• 針對(duì)所有的元素重復(fù)以上的步驟，除了最后一個(gè)。
• 持續(xù)每次對(duì)越來越少的元素重復(fù)上面的步驟，直到?jīng)]有任何一對(duì)數(shù)字需要比較。

初始化元素

比如我們需要排序數(shù)組為: [4,2,3,1,5]

首先，需要在 manim 場(chǎng)景上初始化我們的需要排序的所有元素,這里用矩形來表示。

在 manim 中，可以用 Rectangle 來初始化矩形，然后我們通過設(shè)置元素不同的高度來表示不同的元素大小。

• main.py

from manimlib import *
class Test(Scene):
    def construct(self):
        COLOR = [BLUE, GREEN, RED, PINK, ORANGE, MAROON_B, TEAL, PURPLE_B, GREY_BROWN]
        arr = [4,2,3,1,5]
        g = VGroup()
        for i in range(len(arr)):
            r1=Rectangle(width=1,height=arr[i],fill_color=COLOR[i%len(COLOR)],fill_opacity=1)
            t1=Text(str(arr[i])).scale(0.5)
            rec = VGroup(r1,t1)
            g.add(rec)
        g.arrange(RIGHT,aligned_edge=DOWN)
        self.add(g)
        self.wait()

使用下面的命令運(yùn)行上面的代碼：

manimgl main.py BubbleSort

ManimGL v1.6.1
[11:27:18] INFO     Using the default configuration file, which you can modify in `/Users/zheng/anaconda3/envs/manim/lib/python3.10/site-packages/manimlib/default_config.yml`                                                                                         config.py:265
           INFO     If you want to create a local configuration file, you can create a file named `custom_config.yml`, or run `manimgl --config`                                                                                                                       config.py:266
[11:27:20] INFO     Tips: You are now in the interactive mode. Now you can use the keyboard and the mouse to interact with the scene. Just press `q` if you want to quit.

運(yùn)行后，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)窗口顯示如下畫面。

代碼說明

上面代碼中，通過繼承父類 Scene 然后重新父類的 construct 來構(gòu)建一個(gè)場(chǎng)景。

然后在場(chǎng)景中添加了矩形(Rectangle)和文本(Text),并且將這兩個(gè)元素添加到了 VGroup 類中。

再用一個(gè) VGroup 來包含所有的 VGroup，通過調(diào)用 arrange 方法來排列這些元素。第一個(gè) RIGHT 參數(shù)表示所有元素向右依次排列，aligned_edge 表示對(duì)齊的邊，這里我們傳入 DOWN 將底邊對(duì)齊。

最后使用 self.add() 方法把 VGroup 添加到場(chǎng)景中。

Rectangle 類定義了矩形的創(chuàng)建，更多圖形可以查看 docs.manim.org.cn/documentati…

元素交換動(dòng)畫

通過算法步驟的第一步：比較相鄰的元素。如果第一個(gè)比第二個(gè)大，就交換他們兩個(gè)。就涉及到了交換的動(dòng)畫。

一開始，我用 manim 提供的 CyclicReplace 方法來交換兩個(gè)元素。效果如下：

self.play(CyclicReplace(g[0], g[1]))
self.wait()

交換是交換了，但是交換后對(duì)齊的邊變成了頂部對(duì)齊了，不符合預(yù)期。于是繼續(xù)查看文檔，最終決定使用元素的 target 屬性來進(jìn)行交換動(dòng)畫的制作。

上面我們要交換 g(0) 和 g(1) 兩個(gè)元素，所以我們定義這兩個(gè)交換元素的 target，

g[0].generate_target()
g[0].target.next_to(g[1],ORIGIN,aligned_edge=DOWN)
g[1].generate_target()
g[1].target.next_to(g[0],ORIGIN,aligned_edge=DOWN)

generate_target() 表示生成元素的 target, next_to() 表示將元素移動(dòng)到指定的位置。

比如 g[0]，我們先生成元素的 target，然后操作 target 將元素通過 next_to 方法移動(dòng)到 g[1] 的位置。其中 ORIGIN 表示 g[1] 的所在位置。 我們對(duì) g[1] 的元素也做類似的操作。

然后使用 MoveToTarget 來將元素轉(zhuǎn)換到定義的 target 上，通過調(diào)用 self.play() 方法來播放動(dòng)畫。

self.play(MoveToTarget(g[0]),MoveToTarget(g[1]))

嗯～完美符合預(yù)期。

實(shí)現(xiàn)代碼

根據(jù)上面的知識(shí)點(diǎn)，接下來就可以編寫一個(gè)冒泡排序的動(dòng)畫了。

這里在初始化場(chǎng)景元素時(shí)，額外添加了一個(gè)數(shù)組來存放所有場(chǎng)景元素，因?yàn)樵诮粨Q元素位置后，也要交換對(duì)應(yīng)索引下的元素，如果直接用 VGroup 來交換時(shí)，會(huì)出現(xiàn)問題。

    self.g[j],self.g[j+1] = self.g[j+1],self.g[j]
TypeError: 'VGroup' object does not support item assignment

所以用額外的數(shù)組去接收。

還添加了一個(gè) Indicate 方法，當(dāng)涉及到對(duì)應(yīng)交換的元素時(shí)，會(huì)做一個(gè)類似對(duì)焦的動(dòng)作。

from manimlib import *
class BubbleSort(Scene):
    def construct(self):
        self.COLOR = [BLUE, GREEN, RED, PINK, ORANGE, MAROON_B, TEAL, PURPLE_B, GREY_BROWN]
        self.bubbleSort([4,2,3,1,5])
    def init_vmobj(self,arr):
        '''
            初始化場(chǎng)景元素
        '''
        self.vmArr = []
        g = VGroup()
        for i in range(len(arr)):
            r1=Rectangle(width=1,height=arr[i]/2,fill_color=self.COLOR[i%len(self.COLOR)],fill_opacity=1)
            t1=Text(str(arr[i])).scale(0.5)
            rec = VGroup(r1,t1)
            self.vmArr.append(rec)
            g.add(rec)
        g.arrange(RIGHT,aligned_edge=DOWN)
        self.add(g)
        self.wait()
    def bubbleSort(self,arr):
        '''
            冒泡排序
        '''
        self.init_vmobj(arr)
        for i in range(1, len(arr)):
            for j in range(0, len(arr)-i):
                self.play(Indicate(self.vmArr[j]))
                self.play(Indicate(self.vmArr[j+1],color=RED))
                if arr[j] > arr[j+1]:
                    arr[j], arr[j + 1] = arr[j + 1], arr[j]
                    self.cyc_move(self.vmArr[j],self.vmArr[j+1])
                    self.vmArr[j],self.vmArr[j+1] = self.vmArr[j+1],self.vmArr[j]
        return arr
    def cyc_move(self,vm1,vm2):
        '''
            交換兩個(gè)元素位置
        '''
        vm1.generate_target()
        vm1.target.next_to(vm2,ORIGIN,aligned_edge=DOWN)
        vm2.generate_target()
        vm2.target.next_to(vm1,ORIGIN,aligned_edge=DOWN)
        self.play(MoveToTarget(vm1),MoveToTarget(vm2))
        self.wait()

以上就是python manim實(shí)現(xiàn)排序算法動(dòng)畫示例的詳細(xì)內(nèi)容

本文不介紹 manim 的安裝教程，需要安裝教程的請(qǐng)參考：docs.manim.org.cn/getting_sta

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