第pythonmanim實(shí)現(xiàn)排序算法動(dòng)畫(huà)示例目錄什么是manim冒泡排序介紹算法步驟初始化元素代碼說(shuō)明元素交換動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)代碼

什么是manim

Manim是一個(gè)用于精確編程動(dòng)畫(huà)的引擎，專(zhuān)為創(chuàng)建解釋性數(shù)學(xué)視頻而設(shè)計(jì)。

注意，有兩個(gè)主要版本的manim。該存儲(chǔ)庫(kù)最初是3Blue1Brown的作者的個(gè)人項(xiàng)目，目的是為這些視頻制作動(dòng)畫(huà)，此處提供了視頻專(zhuān)用代碼。2025年，一群開(kāi)發(fā)人員將其分叉成現(xiàn)在的社區(qū)版，目標(biāo)是更穩(wěn)定、更好地測(cè)試、更快地響應(yīng)社區(qū)貢獻(xiàn)，以及更友好地開(kāi)始使用。

主要版本如下：

3b1b/manim【最新版】cairo-backend【舊版】ManimCommunity/manim【社區(qū)版】

冒泡排序介紹

本文就使用manim來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)冒泡排序的動(dòng)畫(huà)，首先來(lái)了解下什么是冒泡排序

冒泡排序（BubbleSort）也是一種簡(jiǎn)單直觀的排序算法。它重復(fù)地走訪過(guò)要排序的數(shù)列，一次比較兩個(gè)元素，如果他們的順序錯(cuò)誤就把他們交換過(guò)來(lái)。走訪數(shù)列的工作是重復(fù)地進(jìn)行直到?jīng)]有再需要交換，也就是說(shuō)該數(shù)列已經(jīng)排序完成。這個(gè)算法的名字由來(lái)是因?yàn)樵叫〉脑貢?huì)經(jīng)由交換慢慢浮到數(shù)列的頂端。

算法步驟

比較相鄰的元素。如果第一個(gè)比第二個(gè)大，就交換他們兩個(gè)。對(duì)每一對(duì)相鄰元素作同樣的工作，從開(kāi)始第一對(duì)到結(jié)尾的最后一對(duì)。這步做完后，最后的元素會(huì)是最大的數(shù)。針對(duì)所有的元素重復(fù)以上的步驟，除了最后一個(gè)。持續(xù)每次對(duì)越來(lái)越少的元素重復(fù)上面的步驟，直到?jīng)]有任何一對(duì)數(shù)字需要比較。

初始化元素

比如我們需要排序數(shù)組為:[4,2,3,1,5]

首先，需要在manim場(chǎng)景上初始化我們的需要排序的所有元素,這里用矩形來(lái)表示。

在manim中，可以用Rectangle來(lái)初始化矩形，然后我們通過(guò)設(shè)置元素不同的高度來(lái)表示不同的元素大小。

main.py

frommanimlibimport*

classTest(Scene):

defconstruct(self):

COLOR=[BLUE,GREEN,RED,PINK,ORANGE,MAROON_B,TEAL,PURPLE_B,GREY_BROWN]

arr=[4,2,3,1,5]

g=VGroup()

foriinrange(len(arr)):

r1=Rectangle(width=1,height=arr[i],fill_color=COLOR[i%len(COLOR)],fill_opacity=1)

t1=Text(str(arr[i])).scale(0.5)

rec=VGroup(r1,t1)

g.add(rec)

g.arrange(RIGHT,aligned_edge=DOWN)

self.add(g)

self.wait()

使用下面的命令運(yùn)行上面的代碼：

manimglmain.pyBubbleSort

ManimGLv1.6.1

[11:27:18]INFOUsingthedefaultconfigurationfile,whichyoucanmodifyin`/Users/zheng/anaconda3/envs/manim/lib/python3.10/site-packages/manimlib/default_config.yml`config.py:265

INFOIfyouwanttocreatealocalconfigurationfile,youcancreateafilenamed`custom_config.yml`,orrun`manimgl--config`config.py:266

[11:27:20]INFOTips:Youarenowintheinteractivemode.Nowyoucanusethekeyboardandthemousetointeractwiththescene.Justpress`q`ifyouwanttoquit.

運(yùn)行后，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)窗口顯示如下畫(huà)面。

代碼說(shuō)明

上面代碼中，通過(guò)繼承父類(lèi)Scene然后重新父類(lèi)的construct來(lái)構(gòu)建一個(gè)場(chǎng)景。

然后在場(chǎng)景中添加了矩形(Rectangle)和文本(Text),并且將這兩個(gè)元素添加到了VGroup類(lèi)中。

再用一個(gè)VGroup來(lái)包含所有的VGroup，通過(guò)調(diào)用arrange方法來(lái)排列這些元素。第一個(gè)RIGHT參數(shù)表示所有元素向右依次排列，aligned_edge表示對(duì)齊的邊，這里我們傳入DOWN將底邊對(duì)齊。

最后使用self.add()方法把VGroup添加到場(chǎng)景中。

Rectangle類(lèi)定義了矩形的創(chuàng)建，更多圖形可以查看/documentati

元素交換動(dòng)畫(huà)

通過(guò)算法步驟的第一步：比較相鄰的元素。如果第一個(gè)比第二個(gè)大，就交換他們兩個(gè)。就涉及到了交換的動(dòng)畫(huà)。

一開(kāi)始，我用manim提供的CyclicReplace方法來(lái)交換兩個(gè)元素。效果如下：

self.play(CyclicReplace(g[0],g[1]))

self.wait()

交換是交換了，但是交換后對(duì)齊的邊變成了頂部對(duì)齊了，不符合預(yù)期。于是繼續(xù)查看文檔，最終決定使用元素的target屬性來(lái)進(jìn)行交換動(dòng)畫(huà)的制作。

上面我們要交換g(0)和g(1)兩個(gè)元素，所以我們定義這兩個(gè)交換元素的target，

g[0].generate_target()

g[0].target.next_to(g[1],ORIGIN,aligned_edge=DOWN)

g[1].generate_target()

g[1].target.next_to(g[0],ORIGIN,aligned_edge=DOWN)

generate_target()表示生成元素的target,next_to()表示將元素移動(dòng)到指定的位置。

比如g[0]，我們先生成元素的target，然后操作target將元素通過(guò)next_to方法移動(dòng)到g[1]的位置。其中ORIGIN表示g[1]的所在位置。我們對(duì)g[1]的元素也做類(lèi)似的操作。

然后使用MoveToTarget來(lái)將元素轉(zhuǎn)換到定義的target上，通過(guò)調(diào)用self.play()方法來(lái)播放動(dòng)畫(huà)。

self.play(MoveToTarget(g[0]),MoveToTarget(g[1]))

嗯～完美符合預(yù)期。

實(shí)現(xiàn)代碼

根據(jù)上面的知識(shí)點(diǎn)，接下來(lái)就可以編寫(xiě)一個(gè)冒泡排序的動(dòng)畫(huà)了。

這里在初始化場(chǎng)景元素時(shí)，額外添加了一個(gè)數(shù)組來(lái)存放所有場(chǎng)景元素，因?yàn)樵诮粨Q元素位置后，也要交換對(duì)應(yīng)索引下的元素，如果直接用VGroup來(lái)交換時(shí)，會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

self.g[j],self.g[j+1]=self.g[j+1],self.g[j]

TypeError:'VGroup'objectdoesnotsupportitemassignment

所以用額外的數(shù)組去接收。

還添加了一個(gè)Indicate方法，當(dāng)涉及到對(duì)應(yīng)交換的元素時(shí)，會(huì)做一個(gè)類(lèi)似對(duì)焦的動(dòng)作。

frommanimlibimport*

classBubbleSort(Scene):

defconstruct(self):

self.COLOR=[BLUE,GREEN,RED,PINK,ORANGE,MAROON_B,TEAL,PURPLE_B,GREY_BROWN]

self.bubbleSort([4,2,3,1,5])

definit_vmobj(self,arr):

初始化場(chǎng)景元素

self.vmArr=[]

g=VGroup()

foriinrange(len(arr)):

r1=Rectangle(width=1,height=arr[i]/2,fill_color=self.COLOR[i%len(self.COLOR)],fill_opacity=1)

t1=Text(str(arr[i])).scale(0.5)

rec=VGroup(r1,t1)

self.vmArr.append(rec)

g.add(rec)

g.arrange(RIGHT,aligned_edge=DOWN)

self.add(g)

self.wait()

defbubbleSort(self,arr):

冒泡排序

self.init_vmobj(arr)

foriinrange(1,len(arr)):

forjinrange(0,len(arr)-i):

self.play(Indicate(self.vmArr[j]))

self.play(Indicate(self.vmArr[j+1],color=RED))

ifarr[j]arr[j+1]:

arr[j],arr[j+1]=arr[j+1],arr[j]

self.cyc_move(self.vmArr[j],self.vmArr[j+1])

self.vmArr[j],self.vmArr[j+1]=self.vmArr[j+1],self.vmArr[j]

returnarr

defcyc_move(self,vm1,vm2):

交換兩個(gè)元素位置

vm1.generate_target()

vm1.target.next_to(vm2,ORIGIN,aligned_edge=DOWN)

vm2.generate_target()

vm2.ta