Найти в Дзене
Nuances of programming

Как с помощью Python создавать математическую мультипликацию типа 3Blue1Brown

Источник: Nuances of Programming Для чего нужна математическая мультипликация? Вы когда-нибудь пытались освоить математические концепции алгоритма машинного обучения с помощью образовательного ресурса 3Blue1Brown? 3Blue1Brown  —  это знаменитый математический канал на YouTube, созданный Грантом Сандерсоном. Многим он полюбился из-за отличных объяснений Гранта и классной анимации. Видео от 3Blue1Brown А здесь этот же канал с переводами на русский. Было бы здорово узнать, как создается эта математическая мультипликация, чтобы научиться делать подобные ролики для объяснения тех или иных понятий науки о данных своим коллегам или подписчикам. К счастью, Грант сделал пакет на языке Python под названием manim, который позволяет создавать математическую мультипликацию или изображения с использованием Python. В этой статье вы узнаете, как с помощью manim создавать математическую мультипликацию, подобную той, что показана ниже. Что такое Manim? Manim  —  это движок точной анимации, предназначенн
Оглавление

Источник: Nuances of Programming

Для чего нужна математическая мультипликация?

Вы когда-нибудь пытались освоить математические концепции алгоритма машинного обучения с помощью образовательного ресурса 3Blue1Brown? 3Blue1Brown  —  это знаменитый математический канал на YouTube, созданный Грантом Сандерсоном. Многим он полюбился из-за отличных объяснений Гранта и классной анимации.

Видео от 3Blue1Brown

А здесь этот же канал с переводами на русский.

Было бы здорово узнать, как создается эта математическая мультипликация, чтобы научиться делать подобные ролики для объяснения тех или иных понятий науки о данных своим коллегам или подписчикам.

К счастью, Грант сделал пакет на языке Python под названием manim, который позволяет создавать математическую мультипликацию или изображения с использованием Python. В этой статье вы узнаете, как с помощью manim создавать математическую мультипликацию, подобную той, что показана ниже.

-2

Что такое Manim?

Manim  —  это движок точной анимации, предназначенный для создания образовательных математических видеороликов. Обратите внимание, что есть две версии manim: первая создана Грантом, а вторая дублировала первую и поддерживается сообществом Manim Community.

Будем использовать версию, поддерживаемую сообществом Manim, так как эта версия обновляется чаще и лучше тестируется, чем версия Гранта.

Чтобы установить зависимости для пакета, загляните в документацию. После установки зависимостей введите:

pip install manim

Приступим

Создадим синий увеличивающийся квадрат

Код для создания анимации находится внутри метода construct класса, определяемого в Scene .

from manim import *

class PointMovingOnShapes(Scene): def construct(self): square = Square(color=BLUE)
# Квадрат создается square.flip(RIGHT) # Квадрат транспонируется вправо square.rotate(-3 * TAU / 8) # Квадрат поворачивается -3/8 * 2*PI

# Воспроизводится анимация с увеличивающимся квадратом self.play(GrowFromCenter(square))

Сохраняем приведенный выше скрипт как start.py . Теперь запускаем команду для генерирования видео для скрипта:

$ manim -p -ql start.py PointMovingOnShapes

И видео под названием PointMovingOnShapes.mp4 будет сохранено у вас в локальном каталоге. Вот что вы должны увидеть:

-3

Пояснения к приведенным выше параметрам:

  • -p: воспроизведение видео после того, как оно сгенерировано;
  • -ql: генерирование видео с низким качеством.

Для генерирования видео с высоким качеством используем -qh.

Для создания вместо видео гифки добавляем в команду -i:

$ manim -p -ql -i start.py PointMovingOnShapes

Превратим квадрат в окружность

Одного квадрата будет мало. Делаем из него окружность:

-4

А вот и код для создания этой анимации:

from manim import *

class PointMovingOnShapes(Scene): def construct(self):

# Создается квадрат square = Square(color=BLUE)
square.flip(RIGHT)
square.rotate(-3 * TAU / 8)

# Создается окружность circle = Circle()
circle.set_fill(PINK, opacity=0.5)
# задаются цвет и прозрачность
# Создается анимация self.play(GrowFromCenter(square))
self.play(Transform(square, circle))
# квадрат превращается в окружность
self.wait()
# несколько секунд ожидания

Полный список фигур смотрите здесь.

Настроим Manim под себя

Не хотите черный фон? Тогда превращаем его в серый

-5

с помощью config.background_color:

from manim import *

config.background_color = DARK_GRAY

Другие способы настройки manim смотрите здесь.

Для чего еще используют Manim?

Напишем математические уравнения с подвижной рамкой

Создаем анимацию, которая записывает математические уравнения с помощью подвижной рамки:

-6

class MovingFrame(Scene): def construct(self):
# Пишутся уравнения equation = MathTex("2x^2-5x+2", "=", "(x-2)(2x-1)")

# Создается анимация self.play(Write(equation))

# Добавляются подвижные рамки framebox1 = SurroundingRectangle(equation[0], buff=.1)
framebox2 = SurroundingRectangle(equation[2], buff=.1)

# Создается анимация self.play(Create(framebox1)) # с созданием рамки
self.wait()
# frame 2 сменяет frame 1 self.play(ReplacementTransform(framebox1, framebox2))

self.wait()

или записываем пошагово, как решить уравнение:

-7

class MathematicalEquation(Scene): def construct(self):

# Пишутся уравнения equation1 = MathTex("2x^2-5x+2")
eq_sign_1 = MathTex("=")
equation2 = MathTex("2x^2-4x-x+2")
eq_sign_2 = MathTex("=")
equation3 = MathTex("(x-2)(2x-1)")

# Каждое уравнение или знак помещается в соответствующее положение equation1.next_to(eq_sign_1, LEFT)
equation2.next_to(eq_sign_1, RIGHT)

eq_sign_2.shift(DOWN)
equation3.shift(DOWN)

# Нижние уравнения приводятся в соответствие с верхними eq_sign_2.align_to(eq_sign_1, LEFT)
equation3.align_to(equation2, LEFT)

# Уравнения и знак группируются eq_group = VGroup(equation1, eq_sign_1, equation2, eq_sign_2, equation3)

# Создается анимация self.play(Write(eq_group))

self.wait()

Перемещение и наезд камеры

Настраиваем камеру и выбираем, какую часть уравнений увеличить с помощью класса, наследуемого от объекта MovingCameraScene.

-8

class MovingAndZoomingCamera(MovingCameraScene): def construct(self):
# Пишутся уравнения equation = MathTex("2x^2-5x+2", "=", "(x-2)(2x-1)")

self.add(equation)
self.play(self.camera.frame.animate.move_to(equation[0]).set(width=equation[0].width*2))
self.wait(0.3)
self.play(self.camera.frame.animate.move_to(equation[2]).set(width=equation[2].width*2))

Графики

Используем manim для создания аннотированного графика:

-9

class Graph(GraphScene): def __init__(self, **kwargs): GraphScene.__init__(
self,
x_min=-3.5,
x_max=3.5,
y_min=-5,
y_max=5,
graph_origin=ORIGIN,
axes_color=BLUE,
x_labeled_nums=range(-4, 4, 2),
# x тикеры y_labeled_nums=range(-5, 5, 2), # y тикеры **kwargs
)

def construct(self): self.setup_axes(animate=False)

# Рисуются графики func_graph_cube = self.get_graph(lambda x: x**3, RED)
func_graph_ncube = self.get_graph(lambda x: -x**3, GREEN)

# Создаются метки graph_lab = self.get_graph_label(func_graph_cube, label="x^3")
graph_lab2 = self.get_graph_label(func_graph_ncube, label="-x^3", x_val=-3)

# Создается вертикальная линия vert_line = self.get_vertical_line_to_graph(1.5, func_graph_cube, color=YELLOW)
label_coord = self.input_to_graph_point(1.5, func_graph_cube)
text = MathTex(r"x=1.5")
text.next_to(label_coord)

self.add(func_graph_cube, func_graph_ncube, graph_lab, graph_lab2, vert_line, text)
self.wait()

Если надо получить изображение последней рамки scene, добавляем к команде -s:

manim -p -qh -s more.py Graph

Анимируем процесс настройки осей координат, установив значение animate=True:

def construct(self):
self.setup_axes(animate=True)
################### Ниже то же самое, что и выше ###################

-10

$ manim -p -qh more.py Graph

Перемещение объектов

Задействуем VGroup для группировки различных объектов Manim и их совместного перемещения:

-11

class GroupCircles(Scene): def construct(self):

# Создаются окружности circle_green = Circle(color=GREEN)
circle_blue = Circle(color=BLUE)
circle_red = Circle(color=RED)

# Задаются исходные позиции circle_green.shift(LEFT)
circle_blue.shift(RIGHT)

# Создаются две разные группы gr = VGroup(circle_green, circle_red)
gr2 = VGroup(circle_blue)
self.add(gr, gr2)
# две группы добавляются в scene self.wait()

self.play((gr + gr2).animate.shift(DOWN))
# две группы сдвигаются вниз
self.play(gr.animate.shift(RIGHT))
# перемещается только одна группа self.play(gr.animate.shift(UP))

self.play((gr + gr2).animate.shift(RIGHT))
# две группы сдвигаются вправо self.play(circle_red.animate.shift(RIGHT))
self.wait()

Trace Path

Используем TracedPath для создания следа движущегося объекта:

-12

class TracedPathExample(Scene): def construct(self):
# Создается окружность и точка circ = Circle(color=BLUE).shift(4*LEFT)
dot = Dot(color=BLUE).move_to(circ.get_start())

# Точка и окружность группируются rolling_circle = VGroup(circ, dot)
trace = TracedPath(circ.get_start)

rolling_circle.add_updater(lambda m: m.rotate(-0.3))
# Окружность поворачивается
self.add(trace, rolling_circle)
# след и вращающаяся окружность добавляются в scene
# Окружность сдвигается на 8*RIGHT self.play(rolling_circle.animate.shift(8*RIGHT), run_time=4, rate_func=linear)

Подведем итоги

Поздравляем! Вы только что научились использовать manim и узнали, на что он способен. Напомним, что manim работает с тремя видами объектов.

  • Mobjects. Объекты, отображающиеся на экране, такие как Circle (окружность), Square (квадрат), Matrix (матрица), Angle (угол) и т. д.
  • Scenes. Холст для анимации, такой как Scene (сцена), MovingCameraScene (сцена с движущейся камерой) и т. д.
  • Animations. Действия, применяемые к объектам Mobjects для создания анимации, например Write (написание), Create (создание), GrowFromCenter (увеличение), Transform (преобразование) и т. д.

Manim способен на гораздо большее, чем то, о чем нам удалось рассказать. Лучший способ научиться  —  практиковаться, поэтому рекомендую попробовать примеры из этой статьи и заглянуть в руководство по manim.

Исходный код находится здесь.

Читайте также:

Читайте нас в TelegramVK и Яндекс.Дзен

Перевод статьи Khuyen Tran: How to Create Mathematical Animations like 3Blue1Brown Using Python