用Python画一个足球

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前情提要
先画六边形
再画五边形

前情提要

如果想优雅地绘制一个足球，那首先需要绘制正二十面体：用Python绘制正二十面体

其核心代码为

import numpy as np
from itertools import product
G = (np.sqrt(5)-1)/2
def getVertex():pt2 =  [(a,b) for a,b in product([1,-1], [G, -G])]pts =  [(a,b,0) for a,b in pt2]pts += [(0,a,b) for a,b in pt2]pts += [(b,0,a) for a,b in pt2]return np.array(pts)def getDisMat(pts):N = len(pts)dMat = np.ones([N,N])*np.inffor i in range(N):for j in range(i):dMat[i,j] = np.linalg.norm([pts[i]-pts[j]])return dMatpts = getVertex()
dMat = getDisMat(pts)
# 由于存在舍入误差，所以得到的边的数值可能不唯一
ix, jx = np.where((dMat-np.min(dMat))<0.01)
# 获取正二十面体的边
edges = [pts[[i,j]] for i,j in zip(ix, jx)]
def isFace(e1, e2, e3):pts = np.vstack([e1, e2, e3])pts = np.unique(pts, axis=0)return len(pts)==3from itertools import combinations
# 获取正二十面体的面
faces = [es for es in combinations(edges, 3) if isFace(*es)]

为了克服plot_trisurf在xy坐标系中的bug，需要对足球做一点旋转，所以下面要写入旋转矩阵。

# 将角度转弧度后再求余弦
cos = lambda th : np.cos(np.deg2rad(th))
sin = lambda th : np.sin(np.deg2rad(th))# 即 Rx(th) => Matrix
Rx = lambda th : np.array([[1, 0,       0],[0, cos(th), -sin(th)],[0, sin(th), cos(th)]])
Ry = lambda th : np.array([[cos(th),  0, sin(th)],[0      ,  1, 0],[-sin(th), 0, cos(th)]
])
Rz = lambda th : np.array([[cos(th) , sin(th), 0],[-sin(th), cos(th), 0],[0       , 0,       1]])

最后得到的正二十面体为

先画六边形

足球其实就是正二十面体削掉顶点，正二十面体有20个面和12个顶点，每个面都是三角形。削掉顶点对于三角形而言就是削掉三个角，如果恰好选择在 1 3 \frac13 31的位置削角，则三角形就变成正六边形；而每个顶点处刚好有5条棱，顶点削去之后就变成了正五边形。

而正好足球的六边形和五边形有着不同的颜色，所以可以分步绘制，先来搞定六边形。

由于此前已经得到了正二十面体的所有面，同时还有这个面对应的所有边，故而只需在每一条边的 1 3 \frac13 31和 2 3 \frac23 32处截断，就可以得到足球的正六边形。

def getHexEdges(face):pts = []for st,ed in face:pts.append((2*st+ed)/3)pts.append((st+2*ed)/3)return np.vstack(pts)ax = plt.subplot(projection='3d')
for f in faces:pt = getHexEdges(f)pt = Rx(1)@Ry(1)@pt.Tax.plot_trisurf(*pt, color="white")

于是，一个有窟窿的足球就很轻松地被画出来了

再画五边形

接下来要做的是，将五边形的窟窿补上，正如一开始说的，这个五边形可以理解为削去顶点而得到的，所以第一件事，就是要找到一个顶点周围的所有边。具体方法就是，对每一个顶点遍历所有边，如果某条边中存在这个顶点，那么就把这个边纳入到这个顶点的连接边。

def getPtEdges(pts, edges):N = len(pts)pEdge = [[] for pt in pts]for i,e in product(range(N),edges):if (pts[i] == e[0]).all(): pt = (2*pts[i]+e[1])/3elif (pts[i] == e[1]).all(): pt = (2*pts[i]+e[0])/3else:continuepEdge[i].append(pt)return np.array(pEdge)pEdge = getPtEdges(pts, edges)

接下来，就可以绘制足球了

ax = plt.subplot(projection='3d')
for f in faces:pt = getHexEdges(f)pt = Rx(1)@Ry(1)@pt.Tax.plot_trisurf(*pt, color="white")for pt in pEdge:pt = Rx(1)@Ry(1)@pt.Tax.plot_trisurf(*pt, color="black")plt.show()

效果为