Python利用3D引擎做一个太阳系行星模拟器

时间:2023-02-02 Leleprogrammer 人气:0

这次，我们再来用Ursina引擎来做一个太阳系行星模拟器吧！

想要了解Ursina 3D引擎的基本使用方法的话，查看我的另一篇文章：详解Python 3D引擎Ursina如何绘制立体图形

这一次，我们要实现的效果如下

首先，送上本次需要用到的资源

Earth.jpg

Jupiter.jpg

Mars.jpg

Mercury.jpg

Neptune.jpg

Saturn.jpg

Sun.jpg

Uranus.jpg

Venus.jpg

现在，就开始写代码吧！

首先，导入我们需要的模块，导入3D引擎ursina，数学库math，ursina中自带的第一人称，sys，random随机库

from ursina import *
from math import *
from ursina.prefabs.first_person_controller import FirstPersonController
import sys
import random as rd

然后，创建app

app=Ursina()

将窗口设置为全屏，并设置背景颜色

window.fullscreen=True
window.color=color.black

定义一个列表，来储存生成的星

planets=[]

引入所有星球的材质

sun_texture=load_texture("texture/Sun.png")
mercury_texture=load_texture("texture/Mercury.png")
venus_texture=load_texture("texture/Venus.png")
earth_texture=load_texture("texture/Earth.png")
mars_texture=load_texture("texture/Mars.png")
jupiter_texture=load_texture("texture/Jupiter.png")
saturn_texture=load_texture("texture/Saturn.png")
uranus_texture=load_texture("texture/Uranus.png")
neptune_texture=load_texture("texture/Neptune.png")

创建一个类Planet，继承自实体Entity，传入_type是星的类型，pos是位置，scale是缩放

angle：每次更新的时候行星围绕太阳转的弧度

fastMode的值为1或0，表示是否让行星围绕太阳公转速度增加到200倍

rotation：星球倾斜度，这里我们随机生成

rotspeed：星球自转的速度

rotMode：表示沿着xyz轴的其中一条进行旋转，自动选择

_type存储星球类型

texture则是材质，通过eval获得该变量

然后进行超类的初始化，model是sphere，也就是球体形状，texture表示贴图，color颜色设置为white，position传入坐标

定义turn方法，传入angle，只要不是太阳，就进行自转公转操作，如果是快速模式，则速度增加到200倍，然后计算得出新的xy坐标，并用exec进行自传操作

最后定义input方法，接受用户输入，注意，这里方法名必须用input，因为它是系统自动调用的，它总会向其传入一个参数，为按下的按键名字，我们就进行判断，如果按下回车，则进行快速模式和普通模式间的切换

class Planet(Entity):
    def __init__(self,_type,pos,scale=2):
        self.angle=rd.uniform(0.0005,0.01)
        self.fastMode=0
        self.rotation=(rd.randint(0,360) for i in range(3))
        self.rotspeed=rd.uniform(0.25,1.5)
        self.rotMode=rd.choice(["x","y","z"])
        self._type=_type
        texture=eval(f"{_type}_texture")
        super().__init__(model="sphere",
                         scale=scale,
                         texture=texture,
                         color=color.white,
                         position=pos)
 
    def turn(self,angle):
        if self._type!="sun":
            if self.fastMode:
                angle*=200
            self.x=self.x*cos(radians(angle))-self.y*sin(radians(angle))
            self.y=self.x*sin(radians(angle))+self.y*cos(radians(angle))
            exec(f"self.rotation_{self.rotMode}+=self.rotspeed")
 
    def input(self,key):
        if key=="enter":
            self.fastMode=1-self.fastMode

接下来，我们定义Player类，继承自FirstPersonController

为什么不直接用FirstPersonController呢？

因为ursina自带的FirstPersonController自带重力，我们这里只是作为第一人称的视角使用，不需要重力，然后还有一些功能我们不需要用到，所以我们就写一个类继承下来，然后重写它的一部分代码即可。首先，引入全局变量planets，超类初始化，视野设置为90，将初始位置设置为地球的位置，重力（gravity）设置为0，表示没有重力，vspeed表示上升下降时的速度，speed表示水平方向移动的速度，mouse_sensitivity是鼠标灵敏度，需要用Vec2的形式，注意，上面除了vspeed变量可以自己命名，其它的都不可以修改。接下来，重写input，只接收esc按键的信息，当我们按下esc时，如果鼠标为锁定，则释放，如果已经释放，则退出程序。然后创建_update方法，这里我们不重写ursina自动调用的update方法，因为系统代码里面，update方法还有很多操作，如果我们要重写的话，可能还要加上把系统代码复制过来，代码过于繁琐，这里我们自己定义一个名字，在接下来会讲到的代码中自己调用它，在该方法中，监听鼠标左键、左shift和空格的事件，空格原本是跳跃，这里我们设置为上升，系统代码是在input中接收空格键的信息的，我们已经重写过了，所以这里不会触发系统代码的跳跃方法。

这里讲一下input和update中进行按键事件监听操作的不同，input每次只接收一个按键，而且，如果我们一个按键一直按下，它不会一直触发，只会触发一次，然后等到该按键释放，才会重新对该按键进行监听；update相当于主循环，在任何于ursina有关的地方（比如继承自Entity、Button这样的类，或者是主程序）写update方法，ursina都会进行自动调用，我们不需要手动调用它，在update方法中监听事件，我们用到了held_keys，不难发现，held_keys有多个元素，只要按下就为True，所以每次运行到这里，只要按键按下，就执行，而input传入的key本身就是一个元素，所以只有一个，我们按下esc的操作不能连续调用，所以用input，其它移动玩家的代码时可以重复执行的，所以写在update（应该说是用held_keys）中。

class Player(FirstPersonController):
    def __init__(self):
        global planets
        super().__init__()
        camera.fov=90
        self.position=planets[3].position
        self.gravity=0
        self.vspeed=2
        self.speed=600
        self.mouse_sensitivity=Vec2(160,160)
        self.on_enable()
 
    def input(self,key):
        if key=="escape":
            if mouse.locked:
                self.on_disable()
            else:
                sys.exit()
 
    def _update(self):
        if held_keys["left mouse"]:
            self.on_enable()
        if held_keys["left shift"]:
            self.y-=self.vspeed
        if held_keys["space"]:
            self.y+=self.vspeed

然后在主程序中写update方法，并在其中调用我们刚刚写的player中的_update方法，再对星球进行自转公转操作

def update():
    global planets,player
    for planet in planets:
        planet.turn(planet.angle)
    player._update()

接下来，我们定义两个列表，分别表示星球名称和星球的大小，其实在实际的大小比例中，和这个相差很多，如果地球是1，太阳则大约为130000，木星和图形分别为1500多和700多，这样相差太大，做在程序里看起来很不寻常，所以我们这里对大多数星球的大小进行放大缩小，把它们大小的相差拉近点。然后遍历并绘制，每颗星球的间隔为前一个的10倍

ps=["sun","mercury","venus","earth","mars","jupiter","saturn","uranus","neptune"]
cp=[200,15,35,42,20,160,145,90,80]
x,y,z=0,0,0
for i,p in enumerate(ps):
    newPlanet=Planet(p,(x,y,z),cp[i])
    planets.append(newPlanet)
    x+=cp[i]*10

最后实例化player，并运行app

player=Player()
 
if __name__ == '__main__':
    app.run()

然后就能实现文章前面展示的效果啦~

最后，附上代码

from ursina import *
from math import *
from ursina.prefabs.first_person_controller import FirstPersonController
import sys
import random as rd
 
app=Ursina()
window.fullscreen=True
window.color=color.black
 
planets=[]
 
class Planet(Entity):
    def __init__(self,_type,pos,scale=2):
        self.angle=rd.uniform(0.0005,0.01)
        self.fastMode=0
        self.rotation=(rd.randint(0,360) for i in range(3))
        self.rotspeed=rd.uniform(0.25,1.5)
        self.rotMode=rd.choice(["x","y","z"])
        self._type=_type
        texture=eval(f"{_type}_texture")
        super().__init__(model="sphere",
                         scale=scale,
                         texture=texture,
                         color=color.white,
                         position=pos)
 
    def turn(self,angle):
        if self._type!="sun":
            if self.fastMode:
                angle*=200
            self.x=self.x*cos(radians(angle))-self.y*sin(radians(angle))
            self.y=self.x*sin(radians(angle))+self.y*cos(radians(angle))
            exec(f"self.rotation_{self.rotMode}+=self.rotspeed")
 
    def input(self,key):
        if key=="enter":
            self.fastMode=1-self.fastMode
 
class Player(FirstPersonController):
    def __init__(self):
        global planets
        super().__init__()
        camera.fov=90
        self.position=planets[3].position
        self.gravity=0
        self.vspeed=2
        self.speed=600
        self.mouse_sensitivity=Vec2(160,160)
        self.on_enable()
 
    def input(self,key):
        if key=="escape":
            if mouse.locked:
                self.on_disable()
            else:
                sys.exit()
 
    def _update(self):
        if held_keys["left mouse"]:
            self.on_enable()
        if held_keys["left shift"]:
            self.y-=self.vspeed
        if held_keys["space"]:
            self.y+=self.vspeed
 
def update():
    global planets,player
    for planet in planets:
        planet.turn(planet.angle)
    player._update()
 
sun_texture=load_texture("texture/Sun.png")
mercury_texture=load_texture("texture/Mercury.png")
venus_texture=load_texture("texture/Venus.png")
earth_texture=load_texture("texture/Earth.png")
mars_texture=load_texture("texture/Mars.png")
jupiter_texture=load_texture("texture/Jupiter.png")
saturn_texture=load_texture("texture/Saturn.png")
uranus_texture=load_texture("texture/Uranus.png")
neptune_texture=load_texture("texture/Neptune.png")
 
ps=["sun","mercury","venus","earth","mars","jupiter","saturn","uranus","neptune"]
cp=[200,15,35,42,20,160,145,90,80]
x,y,z=0,0,0
for i,p in enumerate(ps):
    newPlanet=Planet(p,(x,y,z),cp[i])
    planets.append(newPlanet)
    x+=cp[i]*10
 
player=Player()
 
if __name__ == '__main__':
    app.run()

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