介绍

我们知道Python作为一个程序语言&＃xff0c;讲究的是严谨和逻辑&＃xff1b;而艺术画似乎处于另一个维度&＃xff0c;更多是无规则和随心所欲。然而我们却可以找到两者的交汇点。今天我们将学习如何用Python制作艺术图。一旦我们知道如何用Python做基础&＃xff0c;我们就可以免费获得Python工具库的其他部分(web框架、数据科学工具、AI&＃43;ML&＃43;CV工具等)。可以想象&＃xff0c;拥有这些工具的我们其实没有天花板。

我们将在本python绘图教程中涉及的工具和库有:

• Numpy &＃43; Scipy &＃43; Matplotlib
• Jupter Noteboobk
• 用于交互设计的Ipythonwidgets
• 用于SVG后处理的Vpype
• (可选)Axidraw Python客户端

代码链接:

https://github.com/zoso95/plotter_guides/tree/master/genhut

(可选)Axidraw Python客户端安装指南:

https://axidraw.com/doc/py_api/#installation

基本步骤

生成艺术的第一件作品叫做Voronoi图&＃xff0c;如下图所示&＃xff1a;

我们需要画一堆多边形&＃xff0c;然后填充其中一些多边形。

初始设计

我们要做的第一件事是调整画布的大小。通常使用11x14张纸。这里的想法是&＃xff0c;我们希望我们的多边形延伸到框架的边缘之外&＃xff0c;因此有一个更大的区域(x/y_bounds)来创建我们的多边形&＃xff0c;然后实际上将它们显示在一个11x14的区域内&＃xff1a;

x_bounds &＃61; np.array([0, 13])y_bounds &＃61; np.array([0, 16])x_buffer, y_buffer &＃61; 1, 1x_plot &＃61; x_bounds &＃43; np.array([x_buffer, -x_buffer])y_plot &＃61; y_bounds &＃43; np.array([y_buffer, -y_buffer])

还记得我说过Voronoi图包含点并给出多边形吗?让我们把这些点表示出来。这段代码将生成200点&＃xff1a;

num_points &＃61; 200x &＃61; np.random.uniform(*x_bounds, size&＃61;num_points).reshape((num_points, 1))y &＃61; np.random.uniform(*y_bounds, size&＃61;num_points).reshape((num_points, 1))pts &＃61; np.hstack([x, y])plt.scatter(*pts.transpose())

它应该是这样的&＃xff1a;

现在我们来看看我们的图表是什么样的。先用泰森多边形法函数返回,我们过滤掉一些无效的多边形&＃xff1a;

vor &＃61; Voronoi(pts)verts &＃61; vor.verticesshapes_ind &＃61; vor.regions"""We are doing three things here1. filtering out any empty shapes (len(s) &＃61;&＃61; 0)2. filtering out any shapes that go out of bounds (then it has an index of -1)3. Closing the polygon by adding the last point back (so [1,2,3]->[1,2,3,1])"""shapes_ind &＃61; [s&＃43;s[0:1] for s in shapes_ind if len(s)>0 and -1 not in s]shapes &＃61; [verts[s] for s in shapes_ind]# Plot the Diagramfig, ax &＃61; plt.subplots(figsize&＃61;(10,10))ax.set_xlim(*x_plot)ax.set_ylim(*y_plot)lc &＃61; LineCollection(shapes)ax.add_collection(lc)

我们会得到一个像这样的图&＃xff1a;

现在我们只缺少填充多边形。这里有一个简单的数学技巧。我们的想法是,如果我们有一个形状,集中在(0,0),然后按比例形状的年代,我们可以把所有的点乘以S .所以我们要做的就是把一个多边形,中心,规模下来很多次,然后移动多边形&＃43;填充回到起始位置。一旦我们可以在一个多边形上做&＃xff0c;我们可以在任意多的多边形上做!完成所有这些的代码是这样的&＃xff1a;

# let&＃39;s just look at one polygonpolygon_ind &＃61; 15polygon &＃61; shapes[polygon_ind]center &＃61; np.mean(polygon, axis&＃61;0)rescaled &＃61; []n_fill_lines &＃61; 5min_scalar &＃61; 0.1 # scale it down to 1/10th the original sizefor scaler in np.linspace(min_scalar, 1, num&＃61;n_fill_lines, endpoint&＃61;False): scaled &＃61; scaler*(polygon - center) &＃43; center rescaled.append(scaled) fig, ax &＃61; plt.subplots(figsize&＃61;(10,10))ax.set_xlim(-1.25, 1.25)ax.set_ylim(-1.25, 1.25)lc &＃61; LineCollection(rescaled)ax.add_collection(lc)

添加交互性

正如您可能已经注意到的&＃xff0c;我们已经挑选了许多影响我们的设计外观的数字&＃xff0c;但是我们并没有非常仔细地挑选它们!你可能会想“到目前为止&＃xff0c;这看起来还行&＃xff0c;但是如果我们使用更多的点会发生什么呢?”还是更少的填充线?”现在你可以改变这些数字&＃xff0c;然后从那时开始重新运行程序&＃xff0c;但是一遍又一遍做起来很麻烦。

制作复杂数字程序的挑战之一是&＃xff0c;通常它们需要大量的参数作为输入&＃xff0c;因此你不知道哪些数字工作得很好&＃xff0c;也不知道它们是如何相互影响的。幸运的是&＃xff0c;我们有ipywidgets。Ipywidgets可以与Jupytery一起工作&＃xff0c;并提供了一个简单的函数包装器&＃xff0c;它可以让您轻松地使用幻灯片、按钮等更改函数输入&＃xff0c;它会重新运行您的函数&＃xff0c;这样您就可以看到发生了什么。

要添加所有这些交互性&＃xff0c;我们所要做的就是将代码封装到一个函数中&＃xff0c;给输入变量一些默认值&＃xff0c;(可选地)我们可以告诉包装器函数哪些值是有意义的&＃xff0c;例如&＃xff0c;浮点数取一个(最小值、最大值、值增量)。一旦我们这样做&＃xff0c;库将自动生成一个交互式小部件。

为此&＃xff0c;我们将运行代码&＃xff1a;

def make_some_art(num_points&＃61;200, percent_to_fill &＃61; 0.5, n_fill_lines&＃61;5, min_scalar &＃61; 0.1, debug&＃61;False, toggle_for_new&＃61;False): x &＃61; np.random.uniform(*x_bounds, size&＃61;num_points).reshape((num_points, 1)) y &＃61; np.random.uniform(*y_bounds, size&＃61;num_points).reshape((num_points, 1)) pts &＃61; np.hstack([x, y]) vor &＃61; Voronoi(pts) verts &＃61; vor.vertices shapes_ind &＃61; vor.regions shapes_ind &＃61; [s&＃43;s[0:1] for s in shapes_ind if len(s)>0 and -1 not in s] shapes &＃61; [verts[s] for s in shapes_ind] n_shapes_to_fill &＃61; int(percent_to_fill*len(shapes)) shapes_to_fill &＃61; np.random.choice(shapes, size&＃61;n_shapes_to_fill, replace&＃61;False) fill &＃61; [] for s in shapes_to_fill: center &＃61; np.mean(s, axis&＃61;0) for scaler in np.linspace(min_scalar, 1, num&＃61;n_fill_lines, endpoint&＃61;False): scaled &＃61; scaler*(s - center) &＃43; center fill.append(scaled) fig, ax &＃61; plt.subplots(figsize&＃61;(20,20)) ax.set_aspect(&＃39;equal&＃39;) if not debug: plt.grid(False) plt.axis(&＃39;off&＃39;) ax.set_xlim(*x_plot) ax.set_ylim(*y_plot) lc &＃61; LineCollection(shapes&＃43;fill) ax.add_collection(lc) return fig, ax w &＃61; interactive(make_some_art, num_points&＃61;(10,1000,25), percent_to_fill&＃61;(0., 1., 0.05), n_fill_lines&＃61;(1, 20, 1), min_scalar&＃61;(0,1,0.01))display(w)

接下来&＃xff0c;我们将更改一些关于如何绘制的内容。我添加了一个调试选项&＃xff0c;如果我们没有启用调试&＃xff0c;我们会得到一个干净的图形&＃xff0c;没有轴线、标记或类似的东西&＃xff0c;所以我们可以继续绘制它。但是&＃xff0c;当我们启用调试时&＃xff0c;它会让我们看到这一点&＃xff0c;这样我们就可以得到一个缩放的感觉&＃xff0c;所有东西都在哪里&＃xff0c;等等。

最后&＃xff0c;我添加了一个名为toggle_for_new的无操作切换按钮&＃xff0c;它不做任何事情&＃xff0c;但将迫使函数使用相同的参数进行新的设计。这在你喜欢设计的时候很有用&＃xff0c;你可以通过参数来影响它&＃xff0c;但是你不喜欢特定的组合&＃xff0c;所以你只想重新运行它。

现在您应该看到出现了一些滑块&＃xff1a;

当你调整它们时&＃xff0c;它会改变设计!

打印你的画作

我们只剩下保存结果、格式化和打印了。如果我们使用那个文件扩展名&＃xff0c;Matplotlib允许我们直接保存到SVGs&＃xff0c;所以我们将继续这样做。

fig, ax &＃61; w.resultfig.savefig(&＃39;my_super_cool_art.svg&＃39;, bbox_inches &＃61; &＃39;tight&＃39;, pad_inches &＃61; 0)

对于格式化&＃43;打印&＃xff0c;我们有两个选项。

1. 使用Inkscape。
2. 使用Python工具。

因为这是在Python教程中绘制的&＃xff0c;所以我们将使用选项2&＃xff0c;但是选项1通常也是可以的。

为了进行格式化&＃xff0c;我们将使用Vpype。Vpype是一个内置在Python中的命令行工具&＃xff0c;它在改变大小或对齐方式、将多个svg合并为一个(例如&＃xff0c;如果您想使用多种颜色)、简化svg以提高速度等方面非常出色!因为我们只是确保SVG的大小适合页面&＃xff0c;所以这样做相对比较简单。我提供了两个示例命令。一个是11x14(因为我在示例中一直使用它)&＃xff0c;但是因为您可能要打印在信纸上&＃xff0c;所以我也把它扔了进去。我通过缩放给了我们一个空白。

vpype ead my_super_cool_art.svg scale --to 9.9in 12.6in write --page-format 11x14 --center my_super_cool_art_rescaled.svgvpype ead my_super_cool_art.svg scale --to 7.65in 9.9in write --page-format letter --center my_super_cool_art_rescaled.svg

现在我们只需用我们的钢笔绘图仪把它打印出来。为此&＃xff0c;我们将使用Axidraw API。关于这部分大家有如果有兴趣请查看原文。

参考原文&＃xff1a;

https://www.generativehut.com/post/robots-and-generative-art-and-python-oh-my