C语言实现动态爱心效果详解

C语言实现动态爱心效果详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_72148647/article/details/142825432

本文将介绍一个用C语言实现的动态爱心效果程序。通过数学公式和光照计算，程序能够在Windows控制台中绘制出一个旋转的三维心形，并通过调整参数使其产生动态效果。

首先看一下代码：

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <windows.h>
#include <tchar.h>

float f(float x, float y, float z) {
    float a = x * x + 9.0f / 4.0f * y * y + z * z - 1;
    return a * a * a - x * x * z * z * z - 9.0f / 80.0f * y * y * z * z * z;
}

float h(float x, float z) {
    for (float y = 1.0f; y >= 0.0f; y -= 0.001f)
        if (f(x, y, z) <= 0.0f)
            return y;
    return 0.0f;
}

int main() {
    HANDLE o = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);
    _TCHAR buffer[25][80] = { _T(' ') };
    _TCHAR ramp[] = _T(".:-=+*#%@");

    for (float t = 0.0f;; t += 0.1f) {
        int sy = 0;
        float s = sinf(t);
        float a = s * s * s * s * 0.2f;
        for (float z = 1.3f; z > -1.2f; z -= 0.1f) {
            _TCHAR* p = &buffer[sy++][0];
            float tz = z * (1.2f - a);
            for (float x = -1.5f; x < 1.5f; x += 0.05f) {
                float tx = x * (1.2f + a);
                float v = f(tx, 0.0f, tz);
                if (v <= 0.0f) {
                    float y0 = h(tx, tz);
                    float ny = 0.01f;
                    float nx = h(tx + ny, tz) - y0;
                    float nz = h(tx, tz + ny) - y0;
                    float nd = 1.0f / sqrtf(nx * nx + ny * ny + nz * nz);
                    float d = (nx + ny - nz) * nd * 0.5f + 0.5f;
                    *p++ = ramp[(int)(d * 5.0f)];
                }
                else
                    *p++ = ' ';
            }
        }

        for (sy = 0; sy < 25; sy++) {
            COORD coord = { 0, sy };
            SetConsoleCursorPosition(o, coord);
            WriteConsole(o, buffer[sy], 79, NULL, 0);
        }
        Sleep(33);
    }
}

效果如下：

这是一个动态效果图

下面来解释下代码原理：

这段代码是一个在 Windows 控制台中绘制三维心形物体（如心形曲线）的程序。它使用控制台输出和简单的字符渲染技巧来生成动画效果。程序的核心是数学公式和光照计算，主要步骤包括计算心形表面的方程、找到表面上的法线，然后通过光照公式确定每个点的亮度，并用字符表示亮度值来绘制心形。

让我们逐步解释一下代码的各部分：

1. 这个函数定义了一个三维心形的方程：

float f(float x, float y, float z) {
    float a = x * x + 9.0f / 4.0f * y * y + z * z - 1;
    return a * a * a - x * x * z * z * z - 9.0f / 80.0f * y * y * z * z * z;
}

• f(x, y, z) 函数代表一个方程，决定给定的 (x, y, z) 点是否在心形表面上。
• 如果 f(x, y, z) 的值为0或负数，意味着这个点在心形表面或内部

2. 这个函数通过遍历 y 值，从上往下查找给定 x 和 z 的第一个表面点：

float h(float x, float z) {
    for (float y = 1.0f; y >= 0.0f; y -= 0.001f)
        if (f(x, y, z) <= 0.0f)
            return y;
    return 0.0f;
}

• 它通过不断减小 y，找到第一个满足 f(x, y, z) <= 0 的 y 值，表示表面的高度。
• 如果找不到这样的 y，则返回 0.0f。

3. 控制台渲染的初始化

HANDLE o = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);
_TCHAR buffer[25][80] = { _T(' ') };
_TCHAR ramp[] = _T(".:-=+*#%@");

• GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE) 用于获取标准输出（即控制台窗口）的句柄。
• buffer[25][80] 是一个用于绘制字符的 25 行 80 列的缓冲区，每个元素初始化为空格。
• ramp[] 是一个字符数组，表示从暗到亮的不同字符。根据计算的亮度值，程序会选择不同字符来表示光的强度。

4. 动画循环

for (float t = 0.0f;; t += 0.1f)

• 程序使用一个无限循环，通过逐渐改变 t 来创建动画效果。
• t 控制心形的变形程度，随时间推移增加，sinf(t) 产生的正弦波会导致心形的形状发生微小的变化。

5. 三维心形的生成和字符绘制

for (float z = 1.3f; z > -1.2f; z -= 0.1f)
for (float x = -1.5f; x < 1.5f; x += 0.05f)

• 双层循环遍历屏幕上的每个 x 和 z 值（二维坐标），并在每个点计算心形方程。
• v = f(tx, 0.0f, tz) 判断这个点是否位于心形表面或内部。

6. 计算光照和法线

float y0 = h(tx, tz);
float nx = h(tx + ny, tz) - y0;
float nz = h(tx, tz + ny) - y0;
float nd = 1.0f / sqrtf(nx * nx + ny * ny + nz * nz);
float d = (nx + ny - nz) * nd * 0.5f + 0.5f;
*p++ = ramp[(int)(d * 5.0f)];

• 通过 h() 函数找到心形表面上的 y0（高度值）。
• nx 和 nz 是表面法线的两个分量。
• nd 是法线的归一化因子，d 是根据法线和光照角度计算的亮度值。
• 最后，根据亮度 d 选择适当的字符 ramp[(int)(d * 5.0f)] 来表示该点的亮度。

7. 控制台输出

SetConsoleCursorPosition(o, coord);
WriteConsole(o, buffer[sy], 79, NULL, 0);

使用 SetConsoleCursorPosition 和 WriteConsole 在控制台指定位置输出字符阵列，从而刷新屏幕来显示心形图案。

8. Sleep(33)
   每次循环结束后，程序休眠 33 毫秒，约等于每秒 30 帧的帧率，确保动画流畅。

总结

这个程序绘制了一个在控制台上旋转的三维心形，并通过调整 t 让其随时间变形，产生了心形的动态效果。它使用了字符梯度来模拟简单的光照效果，使图像看起来有深度。