Manim实现水波纹特效

本文将介绍如何使用ManimCE框架实现一个水波纹特效，让你的数学动画更加生动有趣。

1. 实现原理

水波纹特效通过WaterRipple类实现，这是一个自定义的Animation子类。让我们从代码角度来分析其实现原理：

1.1. 核心数据结构

class WaterRipple(Animation):     def __init__(         self, mobject, scene=None, num_ripples=5, max_outer_radius=3,         min_inner_radius=1, run_time=2, wave_speed=1.0,         color=BLUE, fade_out=True, **kwargs     ):         # 初始化参数设置         self.num_ripples = num_ripples         self.max_outer_radius = max_outer_radius         self.min_inner_radius = min_inner_radius         self.wave_speed = wave_speed         self.color = color         self.fade_out = fade_out         self.ripples = []         self.mobject = mobject         self.scene = scene                  # 颜色处理逻辑         self.color_list = color if isinstance(color, list) else [color] * num_ripples         if len(self.color_list) < num_ripples:             self.color_list = self.color_list * (                 num_ripples // len(self.color_list) + 1             )             self.color_list = self.color_list[:num_ripples]                  # 创建波纹对象         for i in range(num_ripples):             c = Annulus(                 inner_radius=0, outer_radius=0,                 color=self.color_list[i], stroke_width=2, fill_opacity=0,             )             c.move_to(mobject.get_center())             self.ripples.append(c)                  # 将波纹添加到场景         if self.scene is not None:             for ripple in self.ripples:                 self.scene.add(ripple)                  super().__init__(mobject, run_time=run_time, **kwargs) 

从代码中可以看出，WaterRipple类采用了以下核心设计：

1. 波纹数据结构：使用Annulus（圆环）作为基本波纹单元，通过self.ripples列表存储多个波纹对象
2. 颜色处理：支持单一颜色或渐变色列表，自动处理颜色不足时的循环使用
3. 场景集成：提供可选的scene参数，方便将波纹直接添加到场景中

1.2. 动画插值算法

动画的核心在于interpolate_mobject方法，它定义了动画如何随时间变化：

def interpolate_mobject(self, alpha: float) -> None:     # 计算每个波纹的半径和透明度     for i in range(self.num_ripples):         # 每个波纹有不同的相位偏移         phase_offset = i * (np.pi / self.num_ripples)          # 使用正弦函数计算半径和透明度，实现波动效果         time_progress = (alpha + phase_offset * 0.2) % 1         radius = self.max_outer_radius * time_progress          if self.fade_out:             # 透明度随半径增大而减小，使用正弦函数使淡出更自然             opacity = max(0, np.sin(time_progress * np.pi))         else:             opacity = 1          # 应用变换，使用对应的颜色         new_c = Annulus(             inner_radius=self.min_inner_radius,             outer_radius=radius,             color=self.color_list[i],             stroke_width=2,             fill_opacity=opacity,         )         new_c.move_to(self.mobject.get_center())         self.ripples[i].become(new_c) 

这里的关键技术点包括：

1. 相位偏移：通过为每个波纹分配不同的相位偏移，创造出波纹依次扩散的视觉效果
2. 正弦函数插值：使用正弦函数控制透明度变化，实现更自然的淡出效果
3. 动态更新：在每一帧都创建新的Annulus对象并通过become()方法更新波纹的状态

1.3. 资源清理机制

动画结束后，需要清理创建的波纹对象：

def clean_up_from_scene(self, scene: Scene) -> None:     # 动画结束后清理波纹     for ripple in self.ripples:         if ripple in scene.mobjects:             scene.remove(ripple)     super().clean_up_from_scene(scene) 

这个方法确保动画结束后不会在场景中留下多余的对象，保持场景的整洁。

2. 使用示例

下面通过一个完整的示例场景来展示如何使用水波纹特效：

2.1. 单个水波纹效果

# 示例场景：单个水波纹效果 class Example01(Scene):     def construct(self):         # 创建中心点         center_point = ORIGIN         center_dot = Dot(center_point, color=BLUE, radius=0.1)         self.play(FadeIn(center_dot))         self.wait()          # 应用水波纹动画，使用渐变色效果         # 创建颜色渐变列表，从蓝色到紫色再到红色         gradient_colors = [BLUE, TEAL, GREEN, YELLOW, RED]          self.play(             WaterRipple(                 center_dot,                 scene=self,                 num_ripples=5,                 max_outer_radius=2,                 run_time=4,                 wave_speed=1.2,                 color=gradient_colors,  # 使用渐变色列表                 fade_out=True,                 stroke_width=1,             )         )         self.wait(2) 

2.2. 使用步骤详解

1. 准备工作：首先导入必要的库

from manim import * import numpy as np 

2. 创建中心点：水波纹效果需要一个中心点作为扩散起点

center_point = ORIGIN center_dot = Dot(center_point, color=BLUE, radius=0.1) self.play(FadeIn(center_dot)) 

3. 定义颜色方案：可以使用渐变色列表增强视觉效果

gradient_colors = [BLUE, TEAL, GREEN, YELLOW, RED] 

4. 应用水波纹动画：配置各项参数并播放动画
   • center_dot：波纹中心点对象
   • scene=self：当前场景引用
   • num_ripples=5：波纹数量
   • max_outer_radius=2：最大半径
   • run_time=4：动画运行时间
   • wave_speed=1.2：波纹传播速度
   • color=gradient_colors：使用渐变色列表
   • fade_out=True：启用淡出效果

2.3. 自定义参数调整

根据实际需求，可以调整以下关键参数以获得不同的视觉效果：

• num_ripples：控制波纹数量，更多的波纹会使效果更密集
• max_outer_radius：控制波纹扩散范围
• min_inner_radius：控制波纹的最小内半径
• run_time：控制动画持续时间
• wave_speed：控制波纹传播速度
• color：可以是单一颜色或渐变色列表
• fade_out：是否启用淡出效果

3. 总结

3.1. 特效特点

1. 视觉效果丰富：支持单一颜色和渐变色，可创建多种视觉风格
2. 高度可定制：提供多个参数调整波纹数量、大小、速度和颜色
3. 实现简洁：基于Manim的Animation类扩展，代码结构清晰易懂
4. 资源管理完善：包含清理机制，避免场景对象堆积

3.2. 使用场景

水波纹特效在以下场景中特别适用：

1. 几何演示：用于展示圆的概念、扩散过程等几何知识
2. 受力分析：模拟波的传播，展示力学中的波动现象
3. 交互反馈：作为点击或其他交互操作的视觉反馈
4. 强调重点：用于强调画面中的特定元素或区域
5. 过渡效果：作为场景切换或元素出现/消失的过渡动画

通过这个简单但功能强大的水波纹特效，可以为你的数学动画增添更多视觉吸引力和专业感。无论是教学演示、科学解释还是艺术创作，都能发挥重要作用。