Python学习（一）——海龟绘图

最近打算开两个新专题，Python学习和C++学习，由于科研有较高的编程需求，自己的编码能力有待提高，希望将学习的过程记录下来。今天来玩一个好玩的游戏，借助Python海龟绘图进行绘画，并学会其中的编程原理。1 基础介绍1.1 海龟绘图“小海龟”turtle是Python语言中一个很流行的绘制图像的函数库，想象一个小乌龟，在一个横轴为x、纵轴为y的坐标系原点，(0,0)位置开始，它根据一组函数指令

北理光头强

41778人浏览 · 2021-12-24 16:39:11

北理光头强 · 2021-12-24 16:39:11 发布

最近打算开两个新专题，Python学习和C++学习，由于科研有较高的编程需求，自己的编码能力有待提高，希望将学习的过程记录下来。

今天来玩一个好玩的游戏，借助Python海龟绘图进行绘画，并学会其中的编程原理。
参考：（1）https://blog.csdn.net/suoyue_py/article/details/102458661
（2）https://docs.python.org/zh-cn/3/library/turtle.html#turtle.setheading

1 基础介绍

1.1 海龟绘图

“小海龟”turtle是Python语言中一个很流行的绘制图像的函数库，想象一个小乌龟，在一个横轴为x、纵轴为y的坐标系原点，(0,0)位置开始，它根据一组函数指令的控制，在这个平面坐标系中移动，从而在它爬行的路径上绘制了图形。
海龟绘图（Turtle Graphics）是python2.6版本中后引入的一个简单的绘图工具,出现在1966年的Logo计算机语言。
海龟绘图（turtle库）是python的内部模块,使用前导入即可 import turtle
海龟有3个关键属性：方向、位置和画笔（笔的属性有色彩、宽度和开/关状态）

1.2 Pycharm 安装和配置

本系统是Ubuntu 18.04,建议大家安装社区版，完全免费。
教程太多了，我就不写了，这里附上一篇，亲测有效。
https://blog.51cto.com/u_15088375/3247761
还需要安装 Anaconda3

1.3 基本元素介绍

1.3.1 画布（canvas）

画布就是turtle为我们展开用于绘图区域, 我们可以设置它的大小和初始位置

设置画布的大小：

turtle.screensize(canvwidth=None,canvheight=None,bg=None)

参数分别代表画布的宽、高（单位像素）和背景颜色：

turtle.screensize(800,600,"green")
turtle.screensize() #默认返回（400,300,"white"）

另一种设置画布大小的方式：

turtle.setup(width=0.5,height=0.75,startx=None,starty=None)

当长和宽是小数时，代表占据整个屏幕的比例；为整数时，代表像素大小。
（startx,starty）代表窗口左上角的位置，如果为空，整个窗口位于屏幕中心。

example:

turtle.setup(width=800,height=0.8)
turtle.setup(width=800,height=600,startx=100,starty=200)

1.3.2 画笔（Pen）

使用 turtle.Pen() 来创建画笔对象

import turtle
turtle.Pen()
turtle.mainloop()#画面保持

代码执行后就建立了画布，同时屏幕中间可以看见箭头(arrow)，即所谓的海龟
在海龟绘图中，海龟的起点即画布中央为 (0,0)，移动单位是像素 (pixel)
描述海龟时使用了两个词语:坐标原点(位置),面朝x轴正方向(方向), turtle绘图中, 就是使用位置方向描述海龟(画笔)的状态

1.3.3 绘图命令

绘图命令主要分为三种：

画笔运动命令
画笔控制命令
全局控制命令

部分命令解释和补充：

turtle.circle(radius,extent=None,steps=None)#radius=半径，正负有别，extent代表弧度，steps内切正多边形的边数
turtle.setheading(angle)#转变方向，angle指绝对角度，只改变方向不行进
turtle.done() #停止画笔绘制，但是不关闭窗口

2 绘图举例

在实践中学习！

2.1 绘制正方形

import turtle

turtle.setup(800, 400) #调整画板大小
turtle.up() #提起笔
turtle.goto(-50, 50) #调整画板起始点
turtle.down() #放下笔
turtle.color("red") #画笔颜色
turtle.speed(1) #控制绘画速度

# 画图过程
turtle.forward(100)
turtle.right(90)
turtle.forward(100)
turtle.right(90)
turtle.forward(100)
turtle.right(90)
turtle.forward(100)
# 保持画面
turtle.mainloop()

2.2 绘制太阳花

import turtle as t
import time

t.color("red", "yellow")
t.speed(10)
t.begin_fill()
for _ in range(25):
    t.forward(200)
    t.left(165)

t.end_fill()
time.sleep(5)

2.3 递归绘制树

from turtle import *
# 相比于 import turtle as * 这样的区别

# 绘制过程使用递归算法，后续解释
def tree(branchLen, t):
    if branchLen > 5:
        t.forward(branchLen)
        t.right(20)
        tree(branchLen - 15, t)
        t.left(40)
        tree(branchLen - 10, t)
        t.right(20)
        t.backward(branchLen)


t = Turtle()
myWin = t.getscreen() # 获取屏幕
t.speed(0)
t.hideturtle() # 隐藏箭头
t.left(90) # 掉转绘制方向朝上
t.up() # 画笔离开
t.backward(300) # 将画笔移动到屏幕下方
t.down() # 画笔落下
t.color("green") #调整画笔颜色
tree(110, t) #调用绘制函数
myWin.exitonclick() # 点击关闭屏幕

这种递归方法总体难度还是比较大，大家可以通过Debug的方法来初步进行，了解递归的运行方式。

2.4 绘制旋转多边形

import turtle as t

a = 200
t.speed(0)
t.color("green")
for x in range(1, 37):
    t.forward(a)
    t.left(90)
    t.forward(a)
    t.left(90)
    t.forward(a)
    t.left(90)
    t.forward(a)
    t.left(100)
t.mainloop()

2.5 绘制彩色多边形

import turtle

t = turtle.Pen()
t.pensize(5)
colorValue = 1
colorStep = colorValue / 36
t.speed(0)
for x in range(1, 37):
    colorValue -= colorStep
    t.color(0.5, 1, colorValue)
    t.forward(200)
    t.left(90)
    t.forward(200)
    t.left(90)
    t.forward(200)
    t.left(90)
    t.forward(200)
    t.left(100)
turtle.mainloop()

2.6 绘制一个五角星

import turtle

t=turtle.Pen()
t.hideturtle()
t.pensize(5) #画笔粗细
t.up()
t.goto(-100,50)#画笔移动到画布较为中心的位置
t.down()
for i in range(1,6):
    t.forward(200)
    t.right(144)

turtle.done() #类似Mainloop，一个循环函数，保证画布持续存在

2.7 迭代绘制五角星

from turtle import *

pen()
pencolor("red")
speed(0)

for i in range(20):
    forward(i*20)
    right(144)

done()

2.8 绘制彩色五角星+说明字符

from turtle import *

pensize(5)
color("yellow", "red")
begin_fill() # 准备填充
for i in range(5):
    forward(200)
    right(144)

end_fill() # 填充完毕

up()
goto(-200, -100)  # 将海龟移动到此位置
pencolor("violet")  # 颜色选用紫罗兰
write("WQ", False, "left", font=('Arial', 40, 'normal'))  # 在当前位置输入字符“WQ”，光标回到左下角，font中三项分别指定字型、字号和形式
done()

2.9 绘制小蛇

from turtle import *

setup(900, 350, 200, 200)
up()
fd(-350)
down()
pensize(25)
color("purple")

# 控制画笔起始方向
seth(-40)
# 绘制蛇身
for i in range(4):
    circle(60, 80)
    circle(-60, 80)
circle(60, 80 / 2)
# 绘制蛇头
fd(60)
circle(32, 180)
fd(60 * 2 / 3)

done()

2.10 绘制科赫曲线和科赫雪花

科赫曲线

import turtle


def koch(size, n):
    if n == 0:
        turtle.fd(size)
    else:
        for angle in [0, 60, -120, 60]:
            turtle.left(angle)
            koch(size / 3, n - 1)


def main():
    turtle.setup(800, 400)
    turtle.up()
    turtle.goto(-300, -50)
    turtle.down()
    turtle.pensize(2)
    koch(600, 3)
    turtle.hideturtle()
    turtle.done()


main()

科赫雪花

科赫雪花相当于画了三次科赫曲线

#绘制科赫雪花
import turtle
def koch(size,n):
    if n == 0:
        turtle.fd(size)
    else:
        for angle in [0,60,-120,60]:
            turtle.left(angle)
            koch(size/3,n-1)
def main():
    turtle.setup(600,600)
    turtle.penup()
    turtle.goto(-200,100)
    turtle.pendown()
    turtle.pensize(2)
    level = 3     #3阶科赫雪花，阶数
    koch(400,level)
    turtle.right(120)
    koch(400,level)
    turtle.right(120)
    koch(400,level)
    turtle.hideturtle()
    turtle.done()
main()