边学边做Manim三维场景设计

在Manim中，ThreeDScene是一个专门为三维场景设计的类。它通过配置三维相机、支持复杂的相机运动以及管理物体与相机的交互关系，为科学可视化、工程仿真、数学教育等领域提供了强大的工具。典型应用场景包括：

  1. 三维几何图形的动态演示（如旋转立方体、莫比乌斯环）
  2. 物理过程的三维可视化（如分子运动、流体动力学）
  3. 交互式数学模型的构建（如曲面方程、向量场分析）
  4. 虚拟现实场景的原型开发

1. ThreeDScene概要

ThreeDScene是Manim中用于处理三维场景的核心类。与普通的二维场景不同，ThreeDScene提供了对三维空间的全面支持，包括：

  1. 三维对象的创建和操作：可以轻松地在三维空间中放置和移动对象
  2. 相机的自由移动和旋转：通过调整相机的位置和方向，可以实现多种视角和动画效果
  3. 固定对象的显示：某些对象可以被设置为固定在相机帧中，即使相机移动，这些对象也不会改变位置或方向。

1.1. 主要参数

ThreeDScene继承自Scene，所有Scene的参数都适用于ThreeDScene，

参数名称 类型 说明
camera_class Camera 指定使用的相机类，默认为ThreeDCamera。这个参数决定了相机的行为和特性
ambient_camera_rotation 设置相机的环境旋转。可以指定旋转的速率和方向
default_angled_camera_orientation_kwargs 设置默认的相机倾斜角度和其他相关参数

1.2. 主要方法

ThreeDScene提供了一系列方法，用于控制相机和对象的行为：

名称 说明
add_fixed_in_frame_mobjects 将指定的对象固定在相机帧中，即使相机移动，这些对象也不会改变位置或方向
add_fixed_orientation_mobjects 将指定的对象固定在相机的方向上，即使相机旋转，这些对象也不会改变方向
begin_3dillusion_camera_rotation 开始一个三维相机旋转的动画效果，可以通过参数控制旋转的速率和方向
begin_ambient_camera_rotation 开始一个环境相机旋转，通常围绕 Z 轴旋转
move_camera 动画化地移动相机到指定的球坐标位置
set_camera_orientation 设置相机的当前方向
stop_3dillusion_camera_rotation 停止所有三维相机旋转的动画效果
stop_ambient_camera_rotation 停止环境相机旋转

2. 使用示例

以下是四个能够展示ThreeDScene特点的动画示例，每个示例都突出了ThreeDScene的独特功能。

2.1. 旋转的立方体

在这个示例中，我们创建了一个立方体，并使用begin_3dillusion_camera_rotation方法让相机围绕立方体旋转，同时立方体自身也在旋转。这种双重旋转效果展示了ThreeDScene在处理复杂三维动画时的强大能力。

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from manim import *

class ThreeDSceneExampleCube(ThreeDScene):
    def construct(self):
        """旋转的立方体"""
        # 创建立方体
        cube = Cube(side_length=2, fill_color=BLUE, fill_opacity=0.7)        
        # 设置相机初始角度
        self.set_camera_orientation(phi=75 * DEGREES, theta=30 * DEGREES)        
        # 将立方体添加到场景
        self.play(Create(cube))        
        # 开始相机旋转（产生3D幻觉）
        self.begin_3dillusion_camera_rotation(rate=0.1)        
        # 让立方体绕RIGHT轴旋转
        self.play(Rotate(cube, axis=RIGHT, angle=2 * PI), run_time=5)        
        # 停止相机旋转
        self.stop_3dillusion_camera_rotation()        
        # 等待一会儿
        self.wait()

2.2. 固定在相机帧中的文本

这个示例展示了如何使用add_fixed_in_frame_mobjects方法将文本固定在相机帧中。即使相机旋转，文本始终保持在屏幕的左上角，不会受到相机运动的影响。

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from manim import *

class ThreeDSceneExampleText(ThreeDScene):
    def construct(self):
        """固定在相机帧中的文本"""
        # 创建3D坐标轴
        axes = ThreeDAxes()
        # 创建文本 - 固定在相机帧中，不会随3D旋转
        text = Text("固定的 文本内容", font_size=48, color=GREEN).to_corner(ORIGIN)
        self.add_fixed_in_frame_mobjects(text)
        self.play(Create(axes))  # 修正了括号
        self.wait()  
        # 设置相机视角
        self.set_camera_orientation(phi=75 * DEGREES, theta=30 * DEGREES)
        self.begin_3dillusion_camera_rotation(rate=0.5)
        self.wait(3)
        self.stop_3dillusion_camera_rotation()

2.3. 动态调整相机视角

在这个示例中，我们使用move_camera方法动态调整相机的视角。通过指定新的球坐标位置，相机平滑地移动到新的视角，展示了ThreeDScene在相机动画方面的灵活性。

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from manim import *

class ThreeDSceneExamplesphere(ThreeDScene):
    def construct(self):
        """动态调整相机视角"""
        # 创建球体
        sphere = Sphere(radius=2, fill_color=RED, fill_opacity=0.7)        
        # 添加球体到场景
        self.play(Create(sphere))
        self.wait(2)        
        # 设置初始相机视角
        self.set_camera_orientation(phi=75 * DEGREES, theta=30 * DEGREES)
        self.wait(2)  # 短暂等待，让观众看到初始视角        
        # 动态移动相机到新视角
        self.move_camera(
            phi=30 * DEGREES,      # 垂直角度
            theta=120 * DEGREES,   # 水平角度
            run_time=3             # 动画持续3秒
        )        
        # 等待观察最终视角
        self.wait(3)

2.4. 固定方向的对象

这个示例展示了如何使用add_fixed_orientation_mobjects方法固定对象的方向。即使相机旋转，箭头始终保持指向右侧，不会随着相机的旋转而改变方向。

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from manim import *

class ThreeDSceneExampleArrow(ThreeDScene):
    def construct(self):
		axes = ThreeDAxes()
		arrow = Arrow3D(start=ORIGIN, end=RIGHT * 3, color=GREEN)
		self.add_fixed_orientation_mobjects(arrow)
		self.add(axes)
		self.set_camera_orientation(phi=75 * DEGREES, theta=30 * DEGREES)
		self.begin_3dillusion_camera_rotation(rate=0.5)
		self.wait(3)
		self.stop_3dillusion_camera_rotation()

这次3D渲染，让我真正理解了电脑配置的重要性，最后一个视频的渲染，我的老电脑要两个来钟头，朋友的电脑十来分钟，所以说Manim日常玩玩就算了，真要想着高深的研究，做出自媒体绚丽的动画，真的需要好电脑。