Manim实现旋转变色特效

在数学动画的世界里，旋转与变色特效无疑是最能吸引观众眼球的元素之一。

今天，就让我们一起探索如何使用Manim框架来实现自定义的旋转变色特效吧！

1. 实现原理

Manim的动画魔法源于Animation类的interpolate_mobject方法。

这个方法通过alpha参数（0到1之间）控制动画进度，我们只需重写这个方法就能创造自定义特效：

class RotateAndColor(Animation):
    def __init__(
        self,
        mobject,
        angle=TAU,
        start_color=BLUE,
        end_color=RED,
        about_point=ORIGIN,
        **kwargs
    ):
        """
        构造函数。

        Parameters:
            mobject - 这是要进行动画的对象，例如一个几何形状、文本或其他任何 Manim 支持的对象
            angle - 指定旋转的总角度，默认值为 TAU 即 360度
            start_color - 动画开始时对象的颜色，默认蓝色
            end_color - 动画结束时对象的颜色，默认为红色
            **kwargs - 用于传递额外的关键字参数到父类Animation的构造函数中
        """

        # 调用父类Animation的构造函数，
        # 将mobject和额外的关键字参数传递给父类，完成基本的初始化
        super().__init__(mobject, **kwargs)

        # 将传入的参数存储为类的属性，以便后续使用
        self.angle = angle
        self.start_color = start_color
        self.end_color = end_color
        self.about_point = about_point

    def interpolate_mobject(self, alpha):
        """
        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
        """
        pass

接下来，实现同一个动画周期内同时控制旋转和颜色：

    def interpolate_mobject(self, alpha):
        """
        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
        """
        # 颜色插值
        # 使用interpolate_color函数计算当前进度alpha下的颜色
        # interpolate_color是Manim中的一个内置函数，用于在两个颜色之间进行插值
        new_color = interpolate_color(self.start_color, self.end_color, alpha)

        # 旋转角度计算
        # 计算当前进度alpha下的旋转角度。
        # 通过将alpha乘以总旋转角度self.angle，得到当前的旋转角度
        current_angle = alpha * self.angle

        # 应用变换
        # 将mobject重置为动画开始时的状态
        self.mobject.become(self.starting_mobject)

        # 调用rotate方法，将mobject旋转current_angle角度，
        # 旋转的中心点是self.about_point
        self.mobject.rotate(current_angle, about_point=self.about_point)

        # 将mobject的颜色设置为当前插值计算得到的颜色
        self.mobject.set_color(new_color)

上面的代码中已经加了详细的注释，总得来说，RotateAndColor类实现了一个同时进行旋转和颜色变化的动画效果。

它通过继承Animation类，利用Manim的动画系统，实现了对对象的旋转和颜色变化。

通过interpolate_mobject方法，根据动画进度alpha，动态计算旋转角度和颜色，从而实现平滑的动画效果。

2. 应用示例

实现了这个自定义的旋转变色动画（RotateAndColor）后，下面来实际使用看看效果如何。

2.1. 基础使用

在基础使用示例中，我们构造一个正方体，先快速旋转3圈，同时颜色由蓝变绿；

再慢速旋转半圈，同时颜色又绿变紫。

class RotateColorSample01(ThreeDScene):
    def construct(self):
        self.set_camera_orientation(phi=75 * DEGREES, theta=-45 * DEGREES)

        cube = Cube().set_fill(BLUE, opacity=0.8)

        self.play(
            RotateAndColor(
                cube,
                angle=3 * TAU,  # 旋转3圈
                start_color=BLUE,
                end_color=GREEN,
                run_time=2,
            )
        )
        self.wait()

        # 添加对比动画
        self.play(
            RotateAndColor(
                cube,
                angle=TAU / 2,  # 仅转半圈
                start_color=GREEN,
                end_color=PURPLE,
                run_time=2,
            )
        )
        self.wait()

2.2. 模拟公转自转

下面再构造一个略微复杂点的示例，构造两个球形模拟太阳和地球，太阳自转同时变色；

地球绕着太阳公转，且在绕的过程中逐渐变色（可用来模拟白天黑夜）。

class RotateColorSample02(ThreeDScene):
    def construct(self):
        self.set_camera_orientation(phi=75 * DEGREES, theta=-45 * DEGREES)

        sun = Sphere(color=YELLOW).scale(1.2)
        earth = Sphere(resolution=24).scale(0.4).shift(RIGHT * 3)

        # 地球公转+太阳自转+色温变化
        self.play(
            RotateAndColor(
                sun,
                angle=TAU / 2,
                start_color=YELLOW,
                end_color=RED,
                rate_func=there_and_back,
            ),
            RotateAndColor(
                earth,
                angle=TAU,
                start_color=BLUE,
                end_color=GREEN,
                about_point=sun.get_center(),
                rate_func=linear,
            ),
            run_time=8,
        )
        self.wait()

3. 总结

通过上面介绍的方法，相信您已经掌握了制作专业级数学动画的核心技巧。

感兴趣的话，尝试修改示例代码中的参数，或者将旋转变色效果与缩放、位移等动画组合使用，创造出属于您的独特视觉效果！