Python怎麼用3D引擎做一個太陽系行星模擬器

這次，我們要實現的效果如下

#首先，送上本次需要用到的資源

Earth.jpg

Jupiter.jpg

Mars.jpg

Mercury.jpg

Neptune.jpg

Saturn.jpg

#Sun.jpg

Uranus.jpg

Venus.jpg

現在，就開始寫程式吧！

首先，導入我們需要的模組，導入3D引擎ursina，數學庫math，ursina中自帶的第一人稱，sys，random隨機庫

from ursina import *
from math import *
from ursina.prefabs.first_person_controller import FirstPersonController
import sys
import random as rd

然後，創建app

app=Ursina()

將視窗設為全屏，並設定背景顏色

window.fullscreen=True
window.color=color.black

定義一個列表，來儲存生成的星

planets=[]

引入所有星球的材質

sun_texture=load_texture("texture/Sun.png")
mercury_texture=load_texture("texture/Mercury.png")
venus_texture=load_texture("texture/Venus.png")
earth_texture=load_texture("texture/Earth.png")
mars_texture=load_texture("texture/Mars.png")
jupiter_texture=load_texture("texture/Jupiter.png")
saturn_texture=load_texture("texture/Saturn.png")
uranus_texture=load_texture("texture/Uranus.png")
neptune_texture=load_texture("texture/Neptune.png")

創建一個類別Planet，繼承自實體Entity，傳入_type是星的類型，pos是位置，scale是縮放

angle：每次更新的時候行星圍繞太陽轉的弧度

# fastMode的值為1或0，表示是否讓行星繞太陽公轉速度增加到200倍

rotation：星球傾斜度，這裡我們隨機產生

rotspeed：星球自轉的速度

rotMode：表示沿著xyz軸的其中一條進行旋轉，自動選擇

_type儲存星球類型

texture則是材質，透過eval取得該變數

接著進行超類別的初始化，model是sphere，也就是球體形狀，texture表示貼圖，color顏色設定為white，position傳入座標

定義turn方法，傳入angle，只要不是太陽，就進行自轉公轉操作，如果是快速模式，則速度增加到200倍，然後計算得出新的xy座標，並用exec進行自傳操作

最後定義input方法，接受使用者輸入，注意，這裡方法名必須用input，因為它是系統自動調用的，它總是會向其傳入一個參數，為按下的按鍵名字，我們就進行判斷，如果按下回車，則進行快速模式和普通模式間的切換

class Planet(Entity):
    def __init__(self,_type,pos,scale=2):
        self.angle=rd.uniform(0.0005,0.01)
        self.fastMode=0
        self.rotation=(rd.randint(0,360) for i in range(3))
        self.rotspeed=rd.uniform(0.25,1.5)
        self.rotMode=rd.choice(["x","y","z"])
        self._type=_type
        texture=eval(f"{_type}_texture")
        super().__init__(model="sphere",
                         scale=scale,
                         texture=texture,
                         color=color.white,
                         position=pos)
 
    def turn(self,angle):
        if self._type!="sun":
            if self.fastMode:
                angle*=200
            self.x=self.x*cos(radians(angle))-self.y*sin(radians(angle))
            self.y=self.x*sin(radians(angle))+self.y*cos(radians(angle))
            exec(f"self.rotation_{self.rotMode}+=self.rotspeed")
 
    def input(self,key):
        if key=="enter":
            self.fastMode=1-self.fastMode

接下來，我們定義Player類，繼承自FirstPersonController

為什麼不直接用FirstPersonController呢？

因為ursina自帶的FirstPersonController自帶重力，我們這裡只是作為第一人稱的視角使用，不需要重力，然後還有一些功能我們不需要用到，所以我們就寫一個類別繼承下來，然後重寫它的一部分程式碼即可。首先，引入全域變數planets，超類別初始化，視野設定為90，將初始位置設定為地球的位置，重力（gravity）設定為0，表示沒有重力，vspeed表示上升下降時的速度，speed表示水平方向移動的速度，mouse_sensitivity是滑鼠靈敏度，需要用Vec2的形式，注意，上面除了vspeed變數可以自己命名，其它的都不可以修改。接下來，重寫input，只接收esc按鍵的訊息，當我們按下esc時，如果滑鼠為鎖定，則釋放，如果已經釋放，則退出程式。然後建立_update方法，這裡我們不重寫ursina自動呼叫的update方法，因為系統程式碼裡面，update方法還有很多操作，如果我們要重寫的話，可能還要加上把系統程式碼複製過來，程式碼過於繁瑣，這裡我們自己定義一個名字，在接下來會講到的程式碼中自己呼叫它，在該方法中，監聽滑鼠左鍵、左shift和空格的事件，空格原本是跳躍，這裡我們設定為上升，系統代碼是在input中接收空格鍵的資訊的，我們已經重寫過了，所以這裡不會觸發系統代碼的跳躍方法。

这里讲一下input和update中进行按键事件监听操作的不同，input每次只接收一个按键，而且，如果我们一个按键一直按下，它不会一直触发，只会触发一次，然后等到该按键释放，才会重新对该按键进行监听；update相当于主循环，在任何于ursina有关的地方（比如继承自Entity、Button这样的类，或者是主程序）写update方法，ursina都会进行自动调用，我们不需要手动调用它，在update方法中监听事件，我们用到了held_keys，不难发现，held_keys有多个元素，只要按下就为True，所以每次运行到这里，只要按键按下，就执行，而input传入的key本身就是一个元素，所以只有一个，我们按下esc的操作不能连续调用，所以用input，其它移动玩家的代码时可以重复执行的，所以写在update（应该说是用held_keys）中。

class Player(FirstPersonController):
    def __init__(self):
        global planets
        super().__init__()
        camera.fov=90
        self.position=planets[3].position
        self.gravity=0
        self.vspeed=2
        self.speed=600
        self.mouse_sensitivity=Vec2(160,160)
        self.on_enable()
 
    def input(self,key):
        if key=="escape":
            if mouse.locked:
                self.on_disable()
            else:
                sys.exit()
 
    def _update(self):
        if held_keys["left mouse"]:
            self.on_enable()
        if held_keys["left shift"]:
            self.y-=self.vspeed
        if held_keys["space"]:
            self.y+=self.vspeed

然后在主程序中写update方法，并在其中调用我们刚刚写的player中的_update方法，再对星球进行自转公转操作

def update():
    global planets,player
    for planet in planets:
        planet.turn(planet.angle)
    player._update()

接下来，我们定义两个列表，分别表示星球名称和星球的大小，其实在实际的大小比例中，和这个相差很多，如果地球是1，太阳则大约为130000，木星和图形分别为1500多和700多，这样相差太大，做在程序里看起来很不寻常，所以我们这里对大多数星球的大小进行放大缩小，把它们大小的相差拉近点。然后遍历并绘制，每颗星球的间隔为前一个的10倍

ps=["sun","mercury","venus","earth","mars","jupiter","saturn","uranus","neptune"]
cp=[200,15,35,42,20,160,145,90,80]
x,y,z=0,0,0
for i,p in enumerate(ps):
    newPlanet=Planet(p,(x,y,z),cp[i])
    planets.append(newPlanet)
    x+=cp[i]*10

最后实例化player，并运行app

player=Player()
 
if __name__ == '__main__':
    app.run()

然后就能实现文章前面展示的效果啦~

最后，附上代码

from ursina import *
from math import *
from ursina.prefabs.first_person_controller import FirstPersonController
import sys
import random as rd
 
app=Ursina()
window.fullscreen=True
window.color=color.black
 
planets=[]
 
class Planet(Entity):
    def __init__(self,_type,pos,scale=2):
        self.angle=rd.uniform(0.0005,0.01)
        self.fastMode=0
        self.rotation=(rd.randint(0,360) for i in range(3))
        self.rotspeed=rd.uniform(0.25,1.5)
        self.rotMode=rd.choice(["x","y","z"])
        self._type=_type
        texture=eval(f"{_type}_texture")
        super().__init__(model="sphere",
                         scale=scale,
                         texture=texture,
                         color=color.white,
                         position=pos)
 
    def turn(self,angle):
        if self._type!="sun":
            if self.fastMode:
                angle*=200
            self.x=self.x*cos(radians(angle))-self.y*sin(radians(angle))
            self.y=self.x*sin(radians(angle))+self.y*cos(radians(angle))
            exec(f"self.rotation_{self.rotMode}+=self.rotspeed")
 
    def input(self,key):
        if key=="enter":
            self.fastMode=1-self.fastMode
 
class Player(FirstPersonController):
    def __init__(self):
        global planets
        super().__init__()
        camera.fov=90
        self.position=planets[3].position
        self.gravity=0
        self.vspeed=2
        self.speed=600
        self.mouse_sensitivity=Vec2(160,160)
        self.on_enable()
 
    def input(self,key):
        if key=="escape":
            if mouse.locked:
                self.on_disable()
            else:
                sys.exit()
 
    def _update(self):
        if held_keys["left mouse"]:
            self.on_enable()
        if held_keys["left shift"]:
            self.y-=self.vspeed
        if held_keys["space"]:
            self.y+=self.vspeed
 
def update():
    global planets,player
    for planet in planets:
        planet.turn(planet.angle)
    player._update()
 
sun_texture=load_texture("texture/Sun.png")
mercury_texture=load_texture("texture/Mercury.png")
venus_texture=load_texture("texture/Venus.png")
earth_texture=load_texture("texture/Earth.png")
mars_texture=load_texture("texture/Mars.png")
jupiter_texture=load_texture("texture/Jupiter.png")
saturn_texture=load_texture("texture/Saturn.png")
uranus_texture=load_texture("texture/Uranus.png")
neptune_texture=load_texture("texture/Neptune.png")
 
ps=["sun","mercury","venus","earth","mars","jupiter","saturn","uranus","neptune"]
cp=[200,15,35,42,20,160,145,90,80]
x,y,z=0,0,0
for i,p in enumerate(ps):
    newPlanet=Planet(p,(x,y,z),cp[i])
    planets.append(newPlanet)
    x+=cp[i]*10
 
player=Player()
 
if __name__ == '__main__':
    app.run()

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