manim边做边学--动画联动

本日先容Manim中的动画联动的本领，在数学动画中，动画联动是常用的功能，
比如讲解平面几何中三角形与圆的位置关系变化，通过动画联动可以让圆沿着三角形的边滚动，或者让三角形的顶点在圆上移动，从而直观地展示内切、外接等几何关系。
总之，通过动画联动，可以将复杂的概念、关系或变化过程以动态的方式展示出来。
这种动态展示比静态的图像或文字描述更具吸引力，能让观众更轻易理解抽象的知识。
1. 联动原理

在Manim中，每个Mobject对象都有一个add_updater函数，这个函数是实现动画联动的关键。
add_updater这个更新函数会在每一帧渲染之前被调用，用于更新Mobject的属性。
例如，你可以用它来改变一个图形的位置、颜色、大小等属性，从而创建动态的动画效果。
当你有多个Mobject而且希望它们的动画相互关联时，add_updater就非常有用。
比如，你有一个圆形和一个正方形，你想让正方形的位置始终跟随圆形的位置变化，就可以通过为正方形添加一个updater函数，在函数内部根据圆形的位置来更新正方形的位置。
add_updater是Mobject类的一个方法。其基本函数原型如下：
add_updater(update_function, index=None, call_updater=False)
此中：

• update_function：这是最重要的参数，它是一个可调用对象（通常是一个函数），用于更新Mobject的属性
  
• index：当有多个updater联动函数时，index表示updater的调用次序
  
• call_updater：是否在被调用后立刻实行一次，而不但仅是在每一帧渲染之前实行
  

2. 联动示例

示例是最好的学习资料，之前做尺规作图的动画时，模拟圆规动作的动画就是一个联动动画。
下面的示例主要先容如何通过联动动画来完成此中的圆规动作。
圆规动画目的是画一个 圆弧，只是在绘制的圆弧的过程中还需要展示了圆弧的起点，终点，
以及绘制过程中动态更新起点终点之间的线。
首先，定义绘制函数：

1. def ruler(sc: Scene, p1, p2, color=GREEN, angle=PI, axis=OUT):
2.     """
3.     圆规动画
6.     Parameters
7.     ---------
8.     sc
9.         绘制动画的场景
10.     p1
11.         代表圆规的针，绘制时不动的点
12.     p2
13.         代表圆规的笔芯，绘制圆弧的点
14.     color
15.         圆弧的颜色，默认绿色
16.     angle
17.         绘制圆弧的角度，默认PI，相当于绘制半个圆
18.     axis
19.         只有2个值 IN/OUT，分别表示顺时针还是逆时针作弧
20.     """
21.     # 省略。。。
22.     return arc

复制代码

实现动画的思路如下：

• 构建3个元素，即：
  
  
  • d1(根据参数中p1坐标绘制的点)
    
  • d2(根据参数中p2坐标绘制的点)
    
  • dl(毗连p1和p2的虚线)
    
  
  
• 设置dl的动画，随着 d1和d2变化不断重新绘制（这里 d1其实是不会变的）
  
• 再设置圆弧的动画，随着 d2的变动，不断绘制新的圆弧（圆弧就是起点到d2的弧）
  
• 通过 Manim自带的动画函数让 d2先动，其他动画随之运动
  
• 最后删除不必要的元素，只保存圆弧在 场景(sc)中
  

1. def ruler(sc: Scene, p1, p2, color=GREEN, angle=PI, axis=OUT):
2.     d1 = Dot(point=p1, color=RED)
3.     d2 = Dot(point=p2, color=color)
4.     dl = DashedLine(d1.get_center(), d2.get_center())
6.     r = np.linalg.norm(p2 - p1)
7.     arc = ArcBetweenPoints(p2, p2, stroke_width=2)
9.     dl.add_updater(lambda z: z.become(DashedLine(d1.get_center(), d2.get_center())))
10.     if np.array_equal(axis, OUT):
11.         arc.add_updater(
12.             lambda z: z.become(
13.                 ArcBetweenPoints(
14.                     p2, d2.get_center(), radius=r, stroke_color=color, stroke_width=2
15.                 )
16.             )
17.         )
18.     if np.array_equal(axis, IN):
19.         arc.add_updater(
20.             lambda z: z.become(
21.                 ArcBetweenPoints(
22.                     d2.get_center(), p2, radius=r, stroke_color=color, stroke_width=2
23.                 )
24.             )
25.         )
27.     sc.add(d1, d2, dl, arc)
28.     sc.play(
29.         Rotate(
30.             d2,
31.             about_point=d1.get_center(),
32.             axis=axis,
33.             angle=angle,
34.             rate_func=linear,
35.         )
36.     )
38.     arc.clear_updaters()
39.     dl.clear_updaters()
40.     sc.remove(d1, d2, dl)
41.     return arc

复制代码

调用这个函数的效果如下：

1. ruler(self, np.array([-1, 0, 0]), np.array([-1, 1, 0]))
2. ruler(self, np.array([1, 0, 0]), np.array([1, 1, 0]), axis=IN)

复制代码

画两个圆弧的交织效果：

1. ruler(self, np.array([-1, -1, 0]), np.array([1.1, -0.2222, 0]), angle=PI / 3)
2. ruler(
3.     self,
4.     np.array([1, -1, 0]),
5.     np.array([-1.1, -0.2222, 0]),
6.     axis=IN,
7.     angle=PI / 3,
8. )

复制代码

3. 留意事项

使用add_updater函数时，首先需要留意的是性能问题，由于add_updater函数会在每一帧渲染前被调用，所以要避免在updater函数中进行复杂的计算。
例如，在一个场景中有大量的Mobject，如果在updater函数中进行高复杂度的矩阵运算或者嵌套循环来更新每个Mobject的位置，会导致动画渲染速度变慢，甚至可能出现卡顿。
其次，当多个Mobject之间存在复杂的依靠关系而且都使用add_updater方法时，要确保更新函数的逻辑正确。
要留意更新函数内部不要出现无意的无限循环或递归情况。
最后，当动画的某个阶段不再需要updater函数来更新Mobject时，要及时使用remove_updater方法移除更新器。
如果不及时移除不再需要的更新器，可能会导致内存泄漏和资源浪费。

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