【2-Python基本图形绘制】嵩天《Python语言程序设计》

 目录

一、深入理解Python语言

1、计算机技术的演进过程

2、五种编程语言的设计初心（C、Java、C++、VB、Python）

3、Python语言特点（通用性、简洁性、生态性）

4、编程语言种类的发展（机器语言、汇编语言、高级语言、超级语言）

二、实例2：Python蟒蛇绘制

举一反三

三、模块1：turtle库的使用

1、turtle库基本介绍

2、turtle绘图窗体布局

3、turtle空间坐标体系

4、turtle 角度坐标体系

​5、RGB色彩体系

四、turtle程序语法元素分析

1、库引用与import

2、turtle画笔控制函数

3、turtle运动控制函数

4、turtle方向控制函数

5、基本循环语句与 range() 函数

6、“Python蟒蛇绘制代码”分析

五、单元小结

 

一、深入理解Python语言

1、计算机技术的演进过程

• 1946-1981  计算机系统结构时代（35年）    计算能力问题（通过计算设备来提供更充分、充足、好用的计算能力）
• 1981-2008  网络和视窗时代（27年） 人与计算机的交互问题（操作系统视窗），以及计算机与计算机的交互问题（网络）
• 2008-2016  复杂信息系统时代（8年） 各种信息化系统在各种维度上进行整合，数据相关问题（数据接口、数据产生速度、数据存储等等）
• 过渡时期：新计算时代 关心计算、交互、数据、人工智能。计算需求以爆炸形式发展，计算机技术呈指数形式发展
• 2017-         人工智能时代 机器会接管很多基础的数据处理问题和基础功能性问题，要关心人类自身的问题（计算机帮助人类解决这希望达到的功能效果）

2、五种编程语言的设计初心（C、Java、C++、VB、Python）

• C语言：诞生于计算机系统结构时代，用于写操作系统，适合做计算机底层程序的设计和开发
• Java语言：诞生于网络和视窗时代，面向对象，解决跨平台问题，代码复用更加灵活
• C++语言：既是C语言的演进，又具有面向对象的特点
• VB语言及其衍生的.NET语言：诞生于网络和视窗时代，实现小的桌面窗口，人机交互
• Python语言：发展于复杂信息系统时代，面向编程逻辑，使用第三方库。是计算机时代演进的一种选择

3、Python语言特点（通用性、简洁性、生态性）

通用语言（适用于普适的计算问题求解的开发）、脚本语言、开源语言、跨平台语言、多模型语言

Python语法：

• 强制可读性（缩进）
• 较少的底层语法元素：不去操作内存和低级接口
• 支持多种编程方式
• 支持中文字符处理
• 语法简洁，C语言代码量的10%
• 生态高产，13万的第三方库，开源开放，快速增长的计算生态，避免重复造轮子，跨操作系统平台

 

4、编程语言种类的发展（机器语言、汇编语言、高级语言、超级语言）

（1）机器语言：

• 一种二进制语言，直接使用二进制代码表达指令
• 计算机硬件(CPU)可以直接执行，与具体CPU型号有关
• 如完成2+3，机器语言表达的是一串01代码，至于这串01代码可以在哪一款CPU上怎样执行、执行结果怎样表达，需要参考每一款CPU的参考手册

（2）汇编语言：

• 将二进制代码直接对应为助记符，利用助记符开展程序设计
• 由于与二进制代码及机器语言一一对应，也与具体的CPU型号有关（在某一款CPU上编写的程序无法在其他CPU上运行）
• 如完成2+3，可能为add 2,3,result，它表示的是将第一个参数2与第二个参数3相加，存到result里，这种add操作符在前、操作数在后的形式，是一种典型的CPU的指令格式形式

前两者不适合编程，适合计算机底层硬件的设计和开发

（3）高级语言：

• 更接近自然语言，同时更容易描述计算问题
• 高级语言代码与具体CPU型号无关，编译后运行（编译器将高级语言编写的源代码编译成计算机能够执行的目标代码，在编译的过程中，编译器参考某一款CPU的具体型号）
• 如完成2+3，result=2+3，即将2+3运算的值赋值给result

第三类即不按照计算机指令格式设计的方式来编写，而用一种人类更友好的方式来编写程序

（4）超级语言：

• 具有庞大计算生态，可以很容易利用已有代码功能
• 编程思维不再是刀耕火种，而是集成开发
• 如完成2+3，result=sum(2,3)，只需要将参数给到一个函数里，由函数返回结果。函数可以是自己写的，也可以是别人的生态库
• Python是目前世界上具有最庞大生态的语言，唯一的超级语言

第四类即复用别人写好的代码，利用已有的功能模块完成未知的功能模块

二、实例2：Python蟒蛇绘制

• 使用 IDLE 的文件方式编写代码，并保存为 PythonDraw.py 文件
• IDLE 打开文件，按 F5 运行

#PythonDraw.py
import turtle
turtle.setup(650, 350, 200, 200)
turtle.penup()
turtle.fd(-250)
turtle.pendown()
turtle.pensize(25)
turtle.pencolor("purple")
turtle.seth(-40)
for i in range(4):
    turtle.circle(40, 80)
    turtle.circle(-40, 80)
turtle.circle(40, 80/2)
turtle.fd(40)
turtle.circle(16, 180)
turtle.fd(40 * 2/3)
turtle.done()

import 是一个保留字，引入了一个绘图库叫 turtle

举一反三

（1）程序参数的改变：

• Python 蟒蛇的颜色：黑色、白色、七彩色...
• Python 蟒蛇的长度：1节、3节、10节...
• Python 蟒蛇的方向：向左走、斜着走...

（2）计算问题的扩展：

• 掌握绘制一条线的方法，就可以掌握各类图像绘制问题
• 图形绘制、五角星绘制、国旗绘制、机器猫绘制...

三、模块1：turtle库的使用

• turtle库的海龟绘图法
• turtle.setup() 函数调整绘图窗体在电脑屏幕中的布局
• 画布上以中心为原点的空间坐标系：绝对坐标、海龟坐标
• 画布上以空间x轴为0度的角度坐标系：绝对角度、海龟角度（其中海龟坐标、海龟角度都是以海龟当前位置和朝向为准来设计的）
• RGB色彩体系：使用 0-255之间的整数值 或 0-1之间的小数值 来表示色彩，色彩模式之间可切换

1、turtle库基本介绍

turtle（海龟）库是turtle绘图体系的Python实现，是Python的标准库之一，是入门级的图形绘制函数库

Python计算生态 = 标准库 + 第三方库

• 标准库：随解释器直接安装到操作系统中的功能模块
• 第三方库：需要经过安装才能使用的功能模块
• 库 Library、包 Package、模块 Module，统称模块

原理：有一只海龟，其实在窗体正中心，在画布上游走，走过的轨迹形成了绘制的图形（海龟由程序控制，可以变换颜色、改变宽度等）

2、turtle绘图窗体布局

绘图窗体（在操作系统上表现为一个窗口）——turtle的一个画布空间

在窗口中使用的最小单位是像素，如绘制100长的直线，指的是100像素长的直线

• 屏幕坐标系：左上角（0,0）
• 窗体坐标系：左上角为turtle绘图窗体的坐标原点（startx,starty）

turtle.setup(width,height,startx,starty) 函数：设置启动窗体的位置和大小，有四个参数：宽度，高度（窗体本身的宽度和高度），起始点的x、y方向的坐标（窗体左上角位置的坐标：窗体左上角位置相对屏幕左上角的坐标），其中后两个参数是可选的（不指定的话默认该窗口在屏幕的正中心）。该函数不是必须的，只有当需要控制窗体的大小和在屏幕中显示的位置时，才需要使用

3、turtle空间坐标体系

在turtle窗体内部，形成了一个空间坐标体系，包含绝对坐标和海龟坐标两种

• 绝对坐标：turtle（海龟）最开始在画布的正中心，正中心坐标为（0,0）                   海龟的运行方向向着画布的右侧（整个窗体的右方向是x轴，上方向是y轴） 利用空间坐标，改变turtle的行进位置。可以使用一些函数，如 turtle.goto(x,y)  让任何位置的海龟去到达某一个坐标位置（x,y）  
• 海龟坐标：海龟从它自身的运动来讲，它看到的世界是什么样子。对于海龟来讲，它的当前行进方向，无论这个方向是朝向哪个角度，它都叫前进方向；反方向是后退方向；海龟运行的左侧叫左侧方向，右侧叫右侧方向 使用一些控制海龟的函数，如 turtle.fd(d) 指的是向海龟的正前方向运行，turtle.bk(d) 指的是向海龟的反方向运行，turtle.circle(r,range) 指的是以海龟当前位置左侧的某个点为圆心，进行曲线运行

4、turtle 角度坐标体系

在空间坐标体系中，运行方向也有一个绝对角度：在空间坐标体系中的 x 轴表示0度或360度，y轴的正方向表示90度或-270度，x轴负方向表示180度或-180度，y轴负方向表示270度或-90度，以此形成了绝对角度的坐标体系

turtle.seth(angle) 函数改变当前海龟的行进角度，它并不在图像中绘制任何信息，只改变行进方向，其中参数 angle 为绝对度数。如果在这样的方位中进一步使用 turtle.fd() ，让海龟继续向前运行，它会朝着当前设定的方向直线运行

 此外，为了更好地改变海龟的运行方向，从海龟坐标的角度，对于海龟运行的一个方向，可以使用左右的方式来改变它的运行角度。提供了 turtle.left(angle) 和 turtle.right(angle) 分别让当前的海龟向左或向右去改变运行方向

5、RGB色彩体系

RGB由三种颜色构成了万物色（红绿蓝三个通道的颜色组合，每个通道的取值范围是0-255的整数或0-1的小数），可以覆盖视力所能感知的所有颜色

turtle库默认采用RGB的小数值来表示颜色，也可以切换使用整数值来表示颜色

turtle.colormode(mode) 改变色彩数值的使用

• mode 为 1.0 时，在之后修改颜色时，需要使用RGB小数值
• mode 为 255 时，在之后修改颜色时，需要使用RGB整数值

四、turtle程序语法元素分析 1、库引用与import

库引用：扩充Python程序功能的方式

• 使用 import 保留字完成，采用 .() 的编码风格

  import 
  .()

• 使用 from 和 import 两个保留字共同完成对库的引用，在调用函数的过程中就不需要再加      .  的形式

  from  import 
  from  import *
  ()

  两种方式比较：
• 使用 import 和 as 保留字共同完成：给调用的外部库关联一个更短、更适合自己的名字，这种方式冗余代码最少，同时又防止了库重名的问题

  import  as 
  .()

  

2、turtle画笔控制函数

蟒蛇案例中使用的：

把海龟想象为画笔，画笔操作后一直有效（画笔控制函数设置后一直有效，直至下次重新设置），一般成对出现

• turtle.penup()     别名 turtle.pu()      抬起画笔，相当于海龟在飞行。画笔抬起的时候，画笔或海龟运行的轨迹不在画布上形成图案
• turtle.pendown()     别名 turtle.pd() 落下画笔，相当于海龟在爬行。一般来讲需要 penup 让海龟飞到某一个位置，再 pendown，再从那个位置开始绘图
• turtle.pensize(width)    别名 turtle.width(width) 设置画笔宽度，相当于海龟的腰围
• turtle.pencolor(color)   修改画笔颜色，color 为颜色字符串（小写，如："purple"）或 RGB 的三个通道值（小数值或元组值：小数值直接用逗号分隔；元组值指的是将小数值或整数值形成一个独立的元素，外围加括号形成元组类型）

 打好画笔的基础，掌握以下四个函数的基本使用：

• penup()
• pendown()
• pensize()
• pencolor(colorstring)、pencolor(r,g,b)、pencolor((r,g,b))

3、turtle运动控制函数

蟒蛇案例中使用的：

 控制海龟行进方向：走直线 fd() 或 走曲线 circle()

• turtle.forward(d)    别名 turtle.fd(d) 向前行进，即海龟走直线。参数 d 表示行进距离（单位为像素），可以为负数（倒退行进） 画笔设置后一直有效，直至下次重新设置
• turtle.circle( r,extent=None ) 根据半径r绘制extent角度的弧形 r：默认圆心在海龟左侧r距离的位置，r为负数时，半径就在其右侧r距离的位置。r为海龟行进曲线的半径 extent：绘制角度，默认是360度整圆

4、turtle方向控制函数

蟒蛇案例中使用的：

控制海龟面对的方向，包含绝对角度和海龟角度

方向控制函数只改变海龟的行进方向，并不实际在绘图上让海龟行动。如果希望海龟行动，需要使用运动控制函数让海龟走直线或走曲线

• turtle.setheading(angle)     别名 turtle.seth(angle) 改变行进方向，让海龟转向，参数angle指的是将海龟当前方向改变为某一绝对角度
• 除了绝对角度，turtle提供了在海龟视角下转向的方法，分别使用函数turtle.left(angle)       海龟向左转turtle.right(angle)     海龟向右转 参数angle指的是在左转或右转的方向上旋转的角度

5、基本循环语句与 range() 函数

蟒蛇案例中使用的：

循环语句：按照一定次数循环执行一组语句

for  in range()    # 表示每次循环的计数，0到-1
    

print() 的逗号输出：print() 输出函数中有一种输出方法，是将你输出的各种信息中间用逗号分隔。输出之后，每输出的字符串之间会增加空格

在Hello字符串中没有空格，i也没有空格， 但是输入之后Hello冒号和数字之间有了一个空格， 这就是 print中间加逗号的作用

 range() 函数是一个产生循环计数序列的函数，它有两种常用用法：

• range(N)   产生0到N-1的整数序列，共N个，如 range(5) 产生 0,1,2,3,4 五个数
• range(M,N)   产生M到N-1的整数序列，共N-M个，如range(2,5) 产生 2,3,4 三个数
• 最主要的作用：与 for in 搭配产生 range 循环

6、“Python蟒蛇绘制代码”分析

（1）准备工作

（2）循环，形成Python蟒蛇的关节

（3）Python蟒蛇的脖子部分

（4）Python蟒蛇的头部

五、单元小结