三体运行模拟器

bodies/body.py

@@ -55,40 +55,83 @@ class Body(metaclass=ABCMeta):
         self.distance_scale = distance_scale
 
         # 初始化后，加速度为0，只有多个天体的引力才会影响到加速度
-        # m/s²
+        # km/s²
         self.__acceleration = np.array([0, 0, 0], dtype='float32')
         self.__record_history()
 
+    @property
+    def has_rings(self):
+        """
+        是否为带光环的天体（土星为 True）
+        :return:
+        """
+        return False
+
+    @property
+    def is_fixed_star(self):
+        """
+        是否为恒星（太阳为 True）
+        :return:
+        """
+        return False
+
     @property
     def position(self):
+        """
+        获取天体的位置（单位：km）
+        :return:
+        """
         return self.__position
 
     @position.setter
     def position(self, value):
+        """
+        设置天体的位置（单位：km）
+        :param value:
+        :return:
+        """
         self.__position = value
         self.__record_history()
 
     @property
     def acceleration(self):
+        """
+        获取天体的加速度（单位：km/s²）
+        :return:
+        """
         return self.__acceleration
 
     @acceleration.setter
     def acceleration(self, value):
+        """
+        设置天体的加速度（单位：km/s²）
+        :param value:
+        :return:
+        """
         self.__acceleration = value
         self.__record_history()
 
     @property
     def velocity(self):
+        """
+        获取天体的速度（单位：km/s）
+        :return:
+        """
         return self.__velocity
 
     @velocity.setter
     def velocity(self, value):
+        """
+        设置天体的速度（单位：km/s）
+        :param value:
+        :return:
+        """
         self.__velocity = value
         self.__record_history()
 
     def __append_history(self, his_list, data):
         """
-
+        追加每个位置时刻的历史数据
         :param his_list:
         :param data:
         :return:
@@ -100,7 +143,7 @@ class Body(metaclass=ABCMeta):
 
     def __record_history(self):
         """
-        记录历史
+        记录每个位置时刻的历史数据
         :return:
         """
         # 如果历史记录数超过了保留数量，则截断，只保留 __his_reserved_num 数量的历史
@@ -139,7 +182,7 @@ class Body(metaclass=ABCMeta):
     @property
     def mass(self):
         """
-        天体质量 (kg)
+        天体质量 (单位：kg)
         :return:
         """
         return self.__mass
@@ -147,7 +190,7 @@ class Body(metaclass=ABCMeta):
     @property
     def density(self):
         """
-        平均密度 (kg/m³)
+        平均密度 (单位：kg/m³)
         :return:
         """
         return self.__density
@@ -155,7 +198,7 @@ class Body(metaclass=ABCMeta):
     @property
     def volume(self):
         """
-        天体的体积
+        天体的体积（单位：km³）
         """
         # v = m/ρ
         # 体积(m³) = 质量(kg) / 密度(kg/m³)
@@ -166,7 +209,7 @@ class Body(metaclass=ABCMeta):
     @property
     def raduis(self):
         """
-        天体的半径
+        天体的半径（单位：km）
         :return:
         """
         # V = ⁴⁄₃πr³  -> r = pow((3V)/(4π),1/3)
@@ -175,7 +218,7 @@ class Body(metaclass=ABCMeta):
     @property
     def diameter(self):
         """
-        天体的直径
+        天体的直径（单位：km）
         :return:
         """
         return self.raduis * 2
@@ -186,33 +229,46 @@ class Body(metaclass=ABCMeta):
                 self.position[0], self.position[1], self.position[2], self.velocity)
 
     def position_au(self):
+        """
+        获取天体的位置（单位：天文单位 A.U.）
+        :return:
+        """
         pos = self.position
         pos_au = pos / AU
         return pos_au
 
-    def change_velocity(self, dv):
-        self.velocity += dv
-
-    def move(self, dt):
-        self.position += self.velocity * dt
+    # def change_velocity(self, dv):
+    #     self.velocity += dv
+    #
+    # def move(self, dt):
+    #     self.position += self.velocity * dt
 
     def reset(self):
+        """
+        重新设置初始速度和初始位置
+        :return:
+        """
         self.position = self.init_position
         self.velocity = self.init_velocity
 
-    def kinetic_energy(self):
-        """
-        计算动能(千焦耳)
-        表示动能，单位为焦耳j，m为质量，单位为千克，v为速度，单位为米/秒。
-        ek=(1/2).m.v^2
-        m(kg) v(m/s) -> j
-        m(kg) v(km/s) -> kj
-        """
-        v = self.velocity
-        return 0.5 * self.mass * (v[0] ** 2 + v[1] ** 2 + v[2] ** 2)
+    # def kinetic_energy(self):
+    #     """
+    #     计算动能(千焦耳)
+    #     表示动能，单位为焦耳j，m为质量，单位为千克，v为速度，单位为米/秒。
+    #     ek=(1/2).m.v^2
+    #     m(kg) v(m/s) -> j
+    #     m(kg) v(km/s) -> kj
+    #     """
+    #     v = self.velocity
+    #     return 0.5 * self.mass * (v[0] ** 2 + v[1] ** 2 + v[2] ** 2)
 
     @staticmethod
     def build_bodies_from_json(json_file):
+        """
+        JSON文件转为天体对象
+        :param json_file:
+        :return:
+        """
         bodies = []
         with open(json_file, "r") as read_content:
             json_data = json.load(read_content)
@@ -228,6 +284,6 @@ if __name__ == '__main__':
     # build_bodies_from_json('../data/sun.json')
     bodies = Body.build_bodies_from_json('../data/sun_earth.json')
     # 太阳半径 / 地球半径
-    print(bodies[0].raduis / bodies[1].raduis)
+    print("太阳半径 / 地球半径 =", bodies[0].raduis / bodies[1].raduis)
     for body in bodies:
-        print(body.kinetic_energy())
+        print(body)

bodies/saturn.py

@@ -38,6 +38,14 @@ class Saturn(Body):
         }
         super().__init__(**params)
 
+    @property
+    def has_rings(self):
+        """
+        土星带光环的天体
+        :return:
+        """
+        return True
+
 
 if __name__ == '__main__':
     saturn = Saturn()

bodies/sun.py

@@ -34,6 +34,14 @@ class Sun(Body):
         }
         super().__init__(**params)
 
+    @property
+    def is_fixed_star(self):
+        """
+        太阳为恒星
+        :return:
+        """
+        return True
+
 
 if __name__ == '__main__':
     print(Sun())

scenes/demo.py

+# -*- coding:utf-8 -*-
+# title           :
+# description     :
+# author          :Python超人
+# date            :2023-01-22
+# notes           :
+# python_version  :3.8
+# ==============================================================================
+from bodies import Sun, Earth
+from common.consts import SECONDS_PER_WEEK, SECONDS_PER_DAY
+from scenes.func import mayavi_run, mpl_run
+from bodies.body import Body, AU
+
+if __name__ == '__main__':
+    """
+    太阳、地球模拟运行
+    """
+    # 构建两个天体对象（太阳、地球）
+    bodies = [
+        # 太阳的质量为 1.9891×10³⁰ kg
+        # 初始位置 x=0, y=0, z=0
+        # 初始速度 x=0, y=0, z=0
+        # 纹理图片路径为 texture/douyin.jpg
+        # 放大倍数为 120 倍
+        # 距离保持不变
+        Sun(name="太阳", mass=1.9891e30,
+            init_position=[0, 0, 0],
+            init_velocity=[0, 0, 0],
+            texture="douyin.jpg", size_scale=1.2e2, distance_scale=1.0),
+
+        # 地球的质量为 5.97237✕10²⁴ kg
+        # 初始位置 x=1.12天文单位, y=0, z=0
+        # 初始速度 x=0, y=29.7929.79 km/s, z=0
+        # 纹理图片路径为 texture/pythoncr.jpg
+        # 放大倍数为 5000 倍
+        # 距离保持不变
+        Earth(name="地球", mass=5.97237e24,
+              init_position=[1.12 * AU, 0, 0],
+              init_velocity=[0, 29.79, 0],
+              texture="pythoncr.jpg", size_scale=5e3, distance_scale=1.0),
+    ]
+    # 使用 mayavi 查看的运行效果
+    mayavi_run(bodies, SECONDS_PER_DAY, view_azimuth=135)
+
+    # 使用 matplotlib 查看运行效果
+    # mpl_run(bodies, SECONDS_PER_WEEK)

scenes/func.py

@@ -16,7 +16,7 @@ def mayavi_run(bodies, dt=SECONDS_PER_WEEK,
     """
     用 mayavi 查看运行效果
     :param bodies: 天体
-    :param dt: 按时间差进行演变，值越小越精确，但演变速度会慢。
+    :param dt: 单位：秒，按时间差进行演变，值越小越精确，但演变速度会慢。
     :param view_azimuth: 观测方位角，可选，float类型（以度为单位，0-360），用x轴投影到x-y平面上的球体上的位置矢量所对的角度。
     :param view_distance: 观测距离，可选，float类型 or 'auto',一个正浮点数，表示距放置相机的焦点的距离。
     :param view_focalpoint: 观测焦点，可选，类型为一个由3个浮点数组成的数组 or 'auto'，，代表观测相机的焦点
@@ -49,3 +49,29 @@ def mayavi_run(bodies, dt=SECONDS_PER_WEEK,
     mlab.view(azimuth=view_azimuth, distance=view_distance, focalpoint=view_focalpoint)
     # mlab.view(azimuth=-45, elevation=45, distance=100e8 * 2 * 2 * 4 * 4, focalpoint=[5e10, 5e10, 5e9])
     mlab.show()
+
+
+def mpl_run(bodies, dt=SECONDS_PER_WEEK):
+    """
+
+    :param bodies: 天体
+    :param dt: 单位：秒，按时间差进行演变，值越小越精确，但演变速度会慢。
+    :return:
+    """
+    from simulators.mpl_simulator import MplSimulator
+    body_sys = System(bodies)
+    simulator = MplSimulator(body_sys)
+    simulator.run(dt)
+
+
+if __name__ == '__main__':
+    from bodies import Sun, Earth
+
+    """
+    太阳、地球
+    """
+    bodies = [
+        Sun(size_scale=1.2e2),  # 太阳放大 120 倍
+        Earth(size_scale=4e3, distance_scale=1),  # 地球放大 4000 倍，距离保持不变
+    ]
+    mpl_run(bodies, SECONDS_PER_WEEK)

scenes/pythoncr.py

-# -*- coding:utf-8 -*-
-# title           :
-# description     :
-# author          :Python超人
-# date            :2023-01-22
-# notes           :
-# python_version  :3.8
-# ==============================================================================
-from bodies import Sun, Earth
-from common.consts import SECONDS_PER_WEEK
-from scenes.func import mayavi_run
-
-if __name__ == '__main__':
-    """
-    太阳、地球
-    """
-    bodies = [
-        Sun(size_scale=1.2e2, texture='douyin.jpg'),  # 太阳放大 120 倍
-        Earth(size_scale=4e3, texture='pythoncr.jpg', distance_scale=1),  # 地球放大 4000 倍，距离保持不变
-    ]
-    mayavi_run(bodies, SECONDS_PER_WEEK, view_azimuth=-45)

simulators/mayavi_simulator.py

@@ -9,12 +9,15 @@
 from mayavi import mlab
 from simulators.simulator import Simulator
 from common.system import System
-from simulators.viewers.mayavi_viewer import MayaviViewer
+from simulators.viewers.mayavi_view import MayaviView
 
 
 class MayaviSimulator(Simulator):
+    """
+    Mayavi天体运行模拟器
+    """
     def __init__(self, bodies_sys: System):
-        super().__init__(bodies_sys, MayaviViewer)
+        super().__init__(bodies_sys, MayaviView)
 
     @mlab.animate(delay=100, ui=True)
     def run(self, dt):

simulators/mpl_simulator.py

+# -*- coding:utf-8 -*-
+# title           :
+# description     :
+# author          :Python超人
+# date            :2023-01-22
+# notes           :
+# python_version  :3.8
+# ==============================================================================
+import matplotlib.pyplot as plt
+import matplotlib.animation as animation
+from simulators.simulator import Simulator
+from common.system import System
+from simulators.viewers.mpl_view import MplView
+import numpy as np
+import time
+
+plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 步骤一（替换默认sans-serif字体）
+plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 步骤二（解决坐标轴负数的负号显示问题）
+
+X_MIN, X_MAX = -4e+8, 4e+8  # the x range of the bounding box (m)
+Y_MIN, Y_MAX = -4e+8, 4e+8  # the y range of the bounding box (m)
+Z_MIN, Z_MAX = -4e+8, 4e+8  # the z range of the bounding box (m)
+
+
+class MplSimulator(Simulator):
+    """
+    matplotlib天体运行模拟器
+    """
+
+    def __init__(self, bodies_sys: System):
+        super().__init__(bodies_sys, MplView)
+
+    def run(self, dt):
+        """
+
+        :param dt:
+        :return:
+        """
+
+        MAX_FRAME = 20
+        views_frames = []
+        for i in range(MAX_FRAME):
+            self.evolve(dt)
+            body_views = self.body_views
+            self.show_figure(body_views)
+            time.sleep(0.5)
+            views_frames.append(body_views.copy())
+
+        # TODO: views_frames 用于 gif 动画
+        # fig = plt.figure()
+        #
+        # def update(num):
+        #     body_viewers = viewers_frames[num]
+        #     print(body_viewers)
+        #
+        #     return self.show_figure(plt, body_viewers)
+        #
+        # ani = animation.FuncAnimation(fig=fig, func=update, frames=np.arange(0, MAX_FRAME), interval=1)
+        # ani.save('bodies_run.gif')
+        # plt.show()
+
+    def show_figure(self, bodies):
+        fig = plt.figure(figsize=(16, 12))
+        ax = plt.axes(projection="3d")
+        ax.set_xlim(X_MIN, X_MAX)
+        ax.set_ylim(Y_MIN, Y_MAX)
+        ax.set_zlim(Z_MIN, Z_MAX)
+        ax.set_xlabel('X')
+        ax.set_ylabel('Y')
+        ax.set_zlabel('Z')
+
+        for idx, body in enumerate(bodies):
+            if body.is_fixed_star:
+                color = 'red'
+            else:
+                color = 'blue'
+            # size = 800 if str(body.name).lower().startswith("sun") else 500
+            size = body.raduis / 80000
+            pos = body.position
+            ax.text(pos[0], pos[1], pos[2] + 1e8, body.name, color=color, fontsize=20)
+            ax.scatter(pos[0], pos[1], pos[2], color=color, s=size)
+            # for _his_pos in body.his_position():
+            #     ax.scatter3D(_his_pos[0], _his_pos[1], _his_pos[2], color=color, alpha=0.5)
+            # ax.scatter(his_pos[0], his_pos[1], his_pos[2], color=colors[idx], s=10)
+            his_pos = body.his_position
+            if len(his_pos) > 1:
+                _his_pos = list(zip(*his_pos))
+                ax.plot3D(_his_pos[0], _his_pos[1], _his_pos[2], color=color, alpha=0.8)
+        plt.title("天体运行")
+        # display the  plot
+        plt.show()
+        # return ax
+
+
+if __name__ == '__main__':
+    from scenes.func import mpl_run
+    from bodies import Sun, Earth
+    from common.consts import SECONDS_PER_WEEK
+
+    """
+    太阳、地球
+    """
+    bodies = [
+        Sun(size_scale=1.2e2),  # 太阳放大 120 倍
+        Earth(size_scale=4e3, distance_scale=1),  # 地球放大 4000 倍，距离保持不变
+    ]
+    mpl_run(bodies, SECONDS_PER_WEEK)

simulators/simulator.py

@@ -12,7 +12,7 @@ from common.system import System
 
 class Simulator(metaclass=ABCMeta):
     """
-
+    天体运行模拟器
     """
 
     def __init__(self, bodies_sys: System, viewer_type: type):
@@ -21,30 +21,41 @@ class Simulator(metaclass=ABCMeta):
         :param bodies_sys: 天体系统
         :param viewer_type: BodyViewer类型
         """
-        self.body_viewers = []
+        self.body_views = []
         self.bodies_sys = bodies_sys
-        self.init_viewers(viewer_type)
+        self.init_views(viewer_type)
 
-    def init_viewers(self, viewer_type: type):
+    def init_views(self, viewer_type: type):
         """
 
         :param viewer_type: BodyViewer类型
         :return:
         """
         for body in self.bodies_sys.bodies:
-            viewer = viewer_type(body)
-            self.body_viewers.append(viewer)
+            view = viewer_type(body)
+            self.body_views.append(view)
 
     def evolve(self, dt: int):
         """
-        按时间差进行演变，值越小越精确，但演变速度会慢。
+        单位：秒，按时间差进行演变，值越小越精确，但演变速度会慢。
         :param dt: 时间差（秒）
         :return:
         """
         self.bodies_sys.evolve(dt)
-        for idx, viewer in enumerate(self.body_viewers):
-            viewer.position = self.bodies_sys.bodies[idx].position * self.bodies_sys.bodies[idx].distance_scale
-            viewer.update()
+        for idx, view in enumerate(self.body_views):
+            body = self.bodies_sys.bodies[idx]
+            view.position = body.position * body.distance_scale
+            view.name = body.name
+            view.mass = body.mass
+            view.acceleration = body.acceleration
+            view.velocity = body.velocity
+            # viewer.volume = body.volume
+            view.raduis = body.raduis * body.size_scale
+            view.his_position = body.his_position()
+            view.is_fixed_star = body.is_fixed_star
+            view.has_rings = body.has_rings
+
+            view.update()
 
     @abstractmethod
     def run(self, dt: int):

simulators/viewers/body_viewer.py → simulators/viewers/body_view.py

@@ -13,7 +13,11 @@ import numpy as np
 import os
 
 
-class BodyViewer(metaclass=ABCMeta):
+class BodyView(metaclass=ABCMeta):
+    """
+    天体视图（天体效果展示用）
+    """
+
     def __init__(self, body: Body):
         self.body = body
         self.sphere = None
@@ -24,13 +28,22 @@ class BodyViewer(metaclass=ABCMeta):
             if self.texture is None:
                 self.color = tuple(np.array(body.color) / 255)
             else:
-                self.color = self.__texture_to_color(self.texture)
-        self.sphere = self.build()
-        self.position = None
+                self.color = self.__get_texture_main_color(self.texture)
+        self.sphere = self.appear()
+        self.position = [None, None, None]
+        self.name = None
+        self.mass = None
+        self.raduis = None
+        self.velocity = None
+
+    def __repr__(self):
+        return '<%s> m=%.3e(kg), r=%.3e(km), p=[%.3e,%.3e,%.3e](km), v=%s(km/s)' % \
+               (self.name, self.mass, self.raduis,
+                self.position[0], self.position[1], self.position[2], self.velocity)
 
     def __find_texture(self, texture):
         """
-        在多路径下寻找纹理图片
+        尝试在多个路径下寻找纹理图片
         :param texture: 纹理图片
         :return: 纹理图片的路径
         """
@@ -42,9 +55,9 @@ class BodyViewer(metaclass=ABCMeta):
 
         return None
 
-    def __texture_to_color(self, texture):
+    def __get_texture_main_color(self, texture):
         """
-        根据纹理图片获取颜色
+        获取纹理图片的主要颜色
         :param texture:
         :return:
         """
@@ -55,8 +68,23 @@ class BodyViewer(metaclass=ABCMeta):
 
     @abstractmethod
     def update(self):
+        """
+        更新天体信息和数据，比如：更新天体的位置
+        :return:
+        """
+        pass
+
+    def disappear(self):
+        """
+        天体消失的操作，比如：销毁天体视图对象
+        :return:
+        """
         pass
 
     @abstractmethod
-    def build(self):
+    def appear(self):
+        """
+        天体显示的操作，比如：构建天体视图对象
+        :return:
+        """
         pass

simulators/viewers/mayavi_viewer.py → simulators/viewers/mayavi_view.py

@@ -12,11 +12,14 @@ import os
 import matplotlib.pyplot as plt
 from common.func import get_dominant_colors
 
-from simulators.viewers.body_viewer import BodyViewer
+from simulators.viewers.body_view import BodyView
 import numpy as np
 
 
-class MayaviViewer(BodyViewer):
+class MayaviView(BodyView):
+    """
+    Mayavi天体视图（天体效果展示用）
+    """
 
     def update(self):
         """
@@ -30,32 +33,32 @@ class MayaviViewer(BodyViewer):
         self.sphere.mlab_source.set(x=self.position[0], y=self.position[1], z=self.position[2])
         return x_offset[0], y_offset[0], z_offset[0]
 
-    def __find_texture(self, texture):
-        """
-        在多路径下寻找纹理图片
-        :param texture: 纹理图片
-        :return: 纹理图片的路径
-        """
-        paths = ['./textures', '../textures']
-        for path in paths:
-            p = path + "/" + texture
-            if os.path.exists(p):
-                return p
-
-        return None
-
-    def __texture_to_color(self, texture):
-        """
-        根据纹理图片获取颜色
-        :param texture:
-        :return:
-        """
-        colors = get_dominant_colors(texture)
-        first_color = colors[0]
-        # print(self.name, first_color)
-        return tuple(np.array(first_color) / 255)
+    # def __find_texture(self, texture):
+    #     """
+    #     在多路径下寻找纹理图片
+    #     :param texture: 纹理图片
+    #     :return: 纹理图片的路径
+    #     """
+    #     paths = ['./textures', '../textures']
+    #     for path in paths:
+    #         p = path + "/" + texture
+    #         if os.path.exists(p):
+    #             return p
+    #
+    #     return None
+    #
+    # def __texture_to_color(self, texture):
+    #     """
+    #     根据纹理图片获取颜色
+    #     :param texture:
+    #     :return:
+    #     """
+    #     colors = get_dominant_colors(texture)
+    #     first_color = colors[0]
+    #     # print(self.name, first_color)
+    #     return tuple(np.array(first_color) / 255)
 
-    def build(self):
+    def appear(self):
         """
         构建球体对象
         :return:

simulators/viewers/mpl_viewer.py → simulators/viewers/mpl_view.py

@@ -6,4 +6,24 @@
 # notes           :
 # python_version  :3.8
 # ==============================================================================
+import os
+import matplotlib.pyplot as plt
+from common.func import get_dominant_colors
 
+from simulators.viewers.body_view import BodyView
+import numpy as np
+
+
+class MplView(BodyView):
+    """
+    matplotlib天体视图（天体效果展示用）
+    """
+
+    def update(self):
+        pass
+
+    def appear(self):
+        pass
+
+    def disappear(self):
+        pass
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