利用python畫出月亮和月餅代碼實例

# 利用Python畫出月亮和月餅代碼實例

本文將詳細介紹如何使用Python的Matplotlib和Turtle庫繪制月亮和月餅圖案，包含完整代碼實現、數學原理講解以及可視化技巧。通過本教程，您將掌握基本的幾何圖形繪制、自定義形狀創建以及色彩填充技巧。

## 一、繪制月亮圖案

### 1.1 數學原理分析
月亮的繪制主要基于圓形疊加和布爾運算。我們通過兩個圓形相交實現月牙形狀：

- 主圓：半徑R，中心點(0,0)
- 次圓：半徑r，中心點(d,0)
當d = R - r時，兩圓內切形成完美月牙

### 1.2 使用Matplotlib實現

```python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.patches import Circle, PathPatch
from matplotlib.path import Path

def draw_moon(ax, color='gold', size=1):
    R = 1.0 * size  # 主圓半徑
    r = 0.8 * size  # 次圓半徑
    d = 0.2 * size  # 圓心距
    
    # 創建兩個圓形路徑
    theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 100)
    main_circle = np.column_stack([R*np.cos(theta), R*np.sin(theta)])
    second_circle = np.column_stack([d + r*np.cos(theta), r*np.sin(theta)])
    
    # 組合路徑實現布爾差集
    vertices = np.vstack([main_circle, second_circle[::-1]])
    codes = [Path.MOVETO] + [Path.LINETO]*99 + [Path.CURVE4]*100
    path = Path(vertices, codes)
    
    # 添加路徑并設置顏色
    patch = PathPatch(path, facecolor=color, edgecolor='none')
    ax.add_patch(patch)
    
    # 設置坐標軸
    ax.set_xlim(-1.5*size, 1.5*size)
    ax.set_ylim(-1.5*size, 1.5*size)
    ax.set_aspect('equal')
    ax.axis('off')

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8,8))
draw_moon(ax, color='#FFD700', size=1.5)
plt.title('Golden Moon', fontsize=16)
plt.show()

1.3 使用Turtle圖形庫實現

import turtle
import math

def draw_moon_turtle(color='gold', size=100):
    R = size        # 主圓半徑
    r = 0.8 * size  # 次圓半徑
    d = 0.2 * size  # 圓心距
    
    turtle.speed(0)
    turtle.fillcolor(color)
    turtle.begin_fill()
    
    # 繪制主圓上半部分
    turtle.penup()
    turtle.goto(0, -R)
    turtle.pendown()
    turtle.circle(R, 180)
    
    # 繪制次圓下半部分（反向）
    turtle.penup()
    turtle.goto(d, r)
    turtle.pendown()
    turtle.circle(r, -180)
    
    turtle.end_fill()
    turtle.hideturtle()

turtle.setup(800, 600)
draw_moon_turtle('#FFD700', 150)
turtle.done()

二、繪制月餅圖案

2.1 月餅結構分析

傳統月餅通常包含以下視覺元素： 1. 圓形基礎形狀 2. 表面花紋裝飾 3. 邊緣波浪紋 4. 頂部文字圖案

2.2 完整Matplotlib實現

from matplotlib import pyplot as plt
from matplotlib.patches import Circle, Wedge, Polygon
import numpy as np

def draw_mooncake(ax, size=1):
    # 基礎圓形
    base = Circle((0,0), size, fc='#E6B85C', ec='#8B4513', lw=4)
    ax.add_patch(base)
    
    # 邊緣花紋（波浪形）
    theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 36)
    wave_r = size * 1.05
    wave_x = wave_r * np.cos(theta)
    wave_y = wave_r * np.sin(theta) + 0.05*size*np.sin(8*theta)
    ax.plot(wave_x, wave_y, color='#8B4513', lw=3)
    
    # 中心花紋（四葉草）
    leaf_theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 5)[:-1]
    for angle in leaf_theta:
        # 每個花瓣由貝塞爾曲線組成
        path_data = [
            (Path.MOVETO, (0,0)),
            (Path.CURVE4, (0.2*size*np.cos(angle), 0.2*size*np.sin(angle))),
            (Path.CURVE4, (0.5*size*np.cos(angle+0.2), 0.5*size*np.sin(angle+0.2))),
            (Path.CURVE4, (0.7*size*np.cos(angle), 0.7*size*np.sin(angle)))
        ]
        verts, codes = zip(*[(p[1], p[0]) for p in path_data])
        path = Path(verts, codes)
        patch = PathPatch(path, fc='#D4A017', ec='none')
        ax.add_patch(patch)
    
    # 添加文字
    ax.text(0, 0, '福', fontsize=size*30, 
            ha='center', va='center', color='#8B0000')
    
    # 設置坐標軸
    ax.set_xlim(-1.5*size, 1.5*size)
    ax.set_ylim(-1.5*size, 1.5*size)
    ax.set_aspect('equal')
    ax.axis('off')

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10,10))
draw_mooncake(ax, size=1.8)
plt.title('Traditional Mooncake', fontsize=18, pad=20)
plt.show()

2.3 月餅繪制進階技巧

2.3.1 3D效果增強

通過添加漸變色彩和陰影增強立體感：

from matplotlib.colors import LinearSegmentedColormap

def add_3d_effect(ax, size):
    # 創建徑向漸變
    cmap = LinearSegmentedColormap.from_list(
        'mooncake', ['#F5DEB3', '#D2B48C', '#8B4513'])
    
    # 生成網格
    x = np.linspace(-size, size, 100)
    y = np.linspace(-size, size, 100)
    X, Y = np.meshgrid(x, y)
    R = np.sqrt(X**2 + Y**2)
    
    # 繪制漸變
    mask = R <= size
    ax.imshow(np.where(mask, R, np.nan), 
              cmap=cmap, 
              extent=[-size,size,-size,size],
              alpha=0.4, 
              origin='lower')

2.3.2 添加芝麻裝飾

def add_sesame(ax, size, count=30):
    for _ in range(count):
        # 隨機位置（確保在圓內）
        angle = np.random.uniform(0, 2*np.pi)
        r = np.random.uniform(0.7, 0.95) * size
        x, y = r*np.cos(angle), r*np.sin(angle)
        
        # 隨機大小和旋轉
        sesame_size = np.random.uniform(0.02, 0.05) * size
        rot = np.random.uniform(0, 360)
        
        # 繪制橢圓模擬芝麻
        sesame = Ellipse((x,y), sesame_size, sesame_size*0.6, 
                        angle=rot, color='#2F1B0A')
        ax.add_patch(sesame)

三、組合月亮與月餅

3.1 中秋主題組合圖

fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(1, 2, figsize=(16,8))

# 左側繪制月亮
draw_moon(ax1, color='#FFD700', size=1.5)
ax1.set_title('Mid-Autumn Moon', fontsize=16)

# 右側繪制月餅
draw_mooncake(ax2, size=1.5)
add_sesame(ax2, size=1.5, count=40)
ax2.set_title('Festival Mooncake', fontsize=16)

plt.suptitle('Mid-Autumn Festival Celebration', fontsize=20)
plt.tight_layout()
plt.show()

3.2 動畫效果實現

使用Matplotlib的動畫模塊創建月亮漸現效果：

from matplotlib.animation import FuncAnimation

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8,8))
ax.set_xlim(-2,2)
ax.set_ylim(-2,2)
ax.set_aspect('equal')
ax.axis('off')

def update(frame):
    ax.clear()
    ax.set_xlim(-2,2)
    ax.set_ylim(-2,2)
    size = frame/30  # 逐漸增大
    draw_moon(ax, size=size)
    return []

ani = FuncAnimation(fig, update, frames=range(0,31), 
                    interval=100, blit=True)
plt.close()
ani.save('moon_growing.gif', writer='pillow', fps=10)

四、技術總結

1. 圖形繪制核心原理：

   • 使用參數方程生成圓形/曲線
   • 通過路徑操作實現復雜形狀
   • 顏色填充與邊緣效果處理

2. 性能優化技巧：

   • 對于靜態圖，預計算所有頂點
   • 使用向量化操作代替循環
   • 適當減少采樣點提升渲染速度

3. 擴展應用方向：

   • 轉換為3D圖形（使用mpl_toolkits.mplot3d）
   • 添加交互功能（使用mpld3庫）
   • 導出為SVG矢量圖進行后期編輯

五、完整代碼打包

所有示例代碼已整理為可執行腳本，包含以下文件： - moon_plotting.py：月亮繪制實現 - mooncake_design.py：月餅繪制實現 - midautumn_art.py：組合場景生成

可通過以下命令獲取完整項目：

git clone https://github.com/example/midautumn-art.git

希望本文能幫助您使用Python創建精美的中秋主題圖形！通過調整參數和組合不同元素，您可以開發出更多富有創意的節日圖案。 “`