使用Manim实现涟漪扩散特效

在视频制作和数据可视化领域，涟漪扩散特效是一种常见且富有视觉吸引力的动画效果。本文将详细介绍如何使用Manim数学动画引擎来实现这一效果，包括其实现原理、使用示例以及应用场景。在代码开始，同样需要引入Python的相关库文件：

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from manim import *
import numpy as np

1. 实现原理

涟漪扩散特效主要通过RippleEffect类来实现，该类继承自 Manim 的Animation基类。让我们深入了解其核心实现机制：

1.1. 核心设计思路

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class RippleEffect(Animation):
    """
    涟漪扩散特效动画类
    
    实现方法：使用Circle类创建多个同心圆，然后通过发光层实现发光效果，
    再利用脉冲效果实现闪烁，从而模拟涟漪的扩散和闪烁。
    """

1.2. 参数设计

该类提供了丰富的参数控制，使其具有高度可定制性：

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def __init__(
    self,
    mobject: Mobject,
    num_ripples: int = 5,
    max_radius: float = 3.0,
    min_radius: float = 0.1,
    ripple_speed: float = 1.0,
    color: ParsableManimColor = BLUE,
    fade_out: bool = True,
    glow_num: int = 3,
    glow_width: float = 5,
    pulse_frequency: float = 2.0,
    **kwargs
):
    super().__init__(mobject, **kwargs)
    
    # 存储参数
    self.num_ripples = num_ripples
    self.max_radius = max_radius
    self.min_radius = min_radius
    self.ripple_speed = ripple_speed
    self.color = color
    self.fade_out = fade_out
    self.glow_num = glow_num
    self.glow_width = glow_width
    self.pulse_frequency = pulse_frequency

1.3. 多颜色支持实现

代码巧妙地支持单色和多色两种模式：

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# 处理颜色参数，支持单个颜色或多个颜色
if isinstance(color, (list, tuple)):
    self.colors = list(color)
    self.use_multiple_colors = True
else:
    self.colors = [color]
    self.use_multiple_colors = False

1.4. 涟漪对象初始化

在构造函数中，代码预先创建了所有需要的涟漪圆环和对应的发光层：

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# 创建涟漪圆环列表
self.ripples = []
self.glow_layers = []

# 创建多个同心圆环作为涟漪
for i in range(num_ripples):
    # 确定当前涟漪的颜色
    if self.use_multiple_colors:
        ripple_color = self.colors[i % len(self.colors)]
    else:
        ripple_color = self.colors[0]
    
    # 使用Circle创建圆环，初始半径为最小半径
    circle = Circle(
        radius=min_radius,
        stroke_color=ripple_color,
        stroke_width=2,
        fill_opacity=0,
    ).move_to(mobject.get_center())
    
    self.ripples.append(circle)
    
    # 为每个涟漪创建发光层
    glow_group = []
    for j in range(glow_num):
        glow = circle.copy()
        glow_group.append(glow)
    self.glow_layers.append(glow_group)

1.5. 动画插值实现

interpolate_mobject方法是实现动画效果的核心，它在每一帧都会被调用：

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def interpolate_mobject(self, alpha: float):
    """
    实现动画效果的核心方法
    
    Parameters:
        alpha - 是一个介于 0 和 1 之间的参数，表示动画的进度
    """
    # 计算时间进度，考虑涟漪速度
    time_alpha = alpha * self.ripple_speed
    
    # 为每个涟漪计算不同的相位偏移，创建连续的涟漪效果
    for i, (ripple, glow_group) in enumerate(zip(self.ripples, self.glow_layers)):
        # 确定当前涟漪的颜色
        if self.use_multiple_colors:
            ripple_color = self.colors[i % len(self.colors)]
        else:
            ripple_color = self.colors[0]
        
        # 计算每个涟漪的相位偏移
        phase_offset = i / self.num_ripples
        
        # 计算当前涟漪的时间进度
        ripple_time = (time_alpha + phase_offset) % 1
        
        # 计算当前半径，从最小半径到最大半径
        current_radius = interpolate(self.min_radius, self.max_radius, ripple_time)
        
        # 计算透明度，如果启用淡出效果
        if self.fade_out:
            # 使用正弦函数创建自然的淡出效果
            opacity = np.sin(ripple_time * PI) * 0.8
        else:
            opacity = 0.8
        
        # 确保透明度不为负数
        opacity = max(0, opacity)
        
        # 添加脉冲效果
        pulse_effect = np.sin(ripple_time * self.pulse_frequency * 2 * PI) * 0.2
        opacity = max(0, opacity + pulse_effect)
        
        # 创建新的圆环并更新属性
        new_ripple = Circle(
            radius=current_radius,
            stroke_color=ripple_color,
            stroke_width=2,
            stroke_opacity=opacity,
            fill_opacity=0,
        ).move_to(self.mobject.get_center())
        
        # 更新涟漪对象
        ripple.become(new_ripple)
        
        # 更新发光层
        for j, glow in enumerate(glow_group):
            phase = j / self.glow_num
            
            # 设置发光层属性
            glow.become(new_ripple.copy())
            glow.set_stroke(
                width=self.glow_width * (1 - phase) + 1,  # 宽度递减
                color=ripple_color,
                opacity=opacity * 0.3 * (1 - phase),  # 透明度递减
            )

这个方法实现了几个关键的视觉效果：

  1. 涟漪扩散：通过计算当前半径，使圆环从中心向外扩散
  2. 涟漪淡出：使用正弦函数创建自然的淡出效果
  3. 脉冲效果：添加额外的正弦波动来模拟涟漪的脉冲闪烁
  4. 发光效果：为每个涟漪添加多层发光效果，并使它们的宽度和透明度递减
  5. 相位偏移：为不同的涟漪设置不同的相位偏移，创造连续的涟漪效果

2. 使用示例

代码提供了三种不同的使用示例，展示了涟漪效果的多样化应用：

2.1. 单颜色涟漪效果

最简单的应用场景，从一个中心点向外扩散单色涟漪：

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class SingleColorRippleExample(Scene):
    """
    示例1: 单颜色涟漪效果
    最简单的应用场景，从一个中心点向外扩散单色涟漪
    """
    def construct(self):
        center_dot = Dot(color=YELLOW)
        self.add(center_dot)
        
        ripple_effect = RippleEffect(
            center_dot,
            num_ripples=8,
            max_radius=4.0,
            min_radius=0.1,
            ripple_speed=1.5,
            color=BLUE,
            glow_num=5,
            glow_width=8,
            pulse_frequency=3.0,
        )
        
        # 将所有涟漪和发光层添加到场景中
        for ripple, glow_group in zip(ripple_effect.ripples, ripple_effect.glow_layers):
            self.add(ripple)
            for glow in glow_group:
                self.add(glow)
        
        self.play(ripple_effect, run_time=5)
        self.wait()

2.2. 双涟漪效果

展示两个同时扩散的涟漪效果，可以用于表现两个对象之间的交互：

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class DualRippleExample(Scene):
    """
    示例2: 双涟漪效果
    展示两个同时扩散的涟漪效果，可以用于表现两个对象之间的交互
    """
    def construct(self):
        center_dot1 = Dot(color=YELLOW).shift(LEFT * 2)
        center_dot2 = Dot(color=RED).shift(RIGHT * 2)
        self.add(center_dot1, center_dot2)
        
        ripple_effect1 = RippleEffect(
            center_dot1,
            num_ripples=6,
            max_radius=1.5,
            min_radius=0.1,
            ripple_speed=1.2,
            color=BLUE,
            glow_num=4,
            glow_width=6,
            pulse_frequency=5.5,
        )
        
        ripple_effect2 = RippleEffect(
            center_dot2,
            num_ripples=6,
            max_radius=1.5,
            min_radius=0.1,
            ripple_speed=1.2,
            color=RED,
            glow_num=8,
            glow_width=4,
            pulse_frequency=2.5,
        )
        
        # 添加第一个特效的所有对象
        for ripple, glow_group in zip(ripple_effect1.ripples, ripple_effect1.glow_layers):
            self.add(ripple)
            for glow in glow_group:
                self.add(glow)
        
        # 添加第二个特效的所有对象
        for ripple, glow_group in zip(ripple_effect2.ripples, ripple_effect2.glow_layers):
            self.add(ripple)
            for glow in glow_group:
                self.add(glow)
        
        self.play(ripple_effect1, ripple_effect2, run_time=5)
        self.wait()

2.3. 多颜色涟漪效果

最具视觉冲击力的效果，从一个中心点向外扩散多种颜色的涟漪：

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class MultiColorRippleExample(Scene):
    """
    示例3: 多颜色涟漪效果
    最具视觉冲击力的效果，从一个中心点向外扩散多种颜色的涟漪
    """
    def construct(self):
        center_dot = Dot(color=YELLOW)
        self.add(center_dot)
        
        ripple_effect = RippleEffect(
            center_dot,
            num_ripples=8,
            max_radius=4.0,
            min_radius=0.1,
            ripple_speed=1.5,
            color=[BLUE, RED, GREEN, YELLOW, ORANGE],
            glow_num=5,
            glow_width=8,
            pulse_frequency=3.0,
        )
        
        # 将所有涟漪和发光层添加到场景中
        for ripple, glow_group in zip(ripple_effect.ripples, ripple_effect.glow_layers):
            self.add(ripple)
            for glow in glow_group:
                self.add(glow)
        
        self.play(ripple_effect, run_time=5)
        self.wait()

3. 总结

3.1. 特效特点

  1. 高度可定制：提供了丰富的参数控制，包括涟漪数量、大小、速度、颜色、发光效果等
  2. 视觉效果优美：通过多层发光、脉冲效果和相位偏移，创造出逼真而华丽的涟漪效果
  3. 支持多颜色模式：可以实现单色涟漪或彩虹般的多色涟漪效果
  4. 易于扩展：基于Manim的Animation类，易于与其他动画效果结合

3.2. 使用场景

涟漪扩散特效在以下场景中特别有用：

  1. 数据可视化：用于突出显示数据点或数据变化
  2. 科学动画：模拟水面波纹、声波、电磁波等物理现象
  3. 教育视频：在解释概念时吸引观众注意力，提高学习效果
  4. 产品展示：为产品演示添加视觉亮点，增强吸引力
  5. 片头片尾：作为视频过渡或装饰元素
  6. 用户界面设计：在交互式应用中提供视觉反馈

通过本文介绍的RippleEffect类，你可以轻松在自己的动画项目中实现这一效果，为你的作品增添视觉吸引力。如果你想实现这种效果，只需要将上面的代码逐一的复制粘贴到运行环境性，进行生成就可以。本文转自 https://www.cnblogs.com/wang_yb/p/19111184，如有侵权，请联系删除。