十四个Python极客项目编程
一、解析iTunes播放列表
该项目在iTunes播放列表文件中查找重复的乐曲音轨，并绘制各种统计数据，如音轨长度和评分。你可以从查看iTunes播放列表格式开始，然后学习如何用Python提取这些文件的信息。为了绘制这些数据，要用到matplotlib库。
在这个项目中，我们将学习以下主题：
- XML和属性列表（p-list）文件；
- Python列表和字典；
- 使用Python的set对象；
- 使用numpy数组；
- 直方图和散点图；
- 用matplotlib库绘制简单的图；
- 创建和保存数据文件。
所需模块：
import re, argparse
import sys
from matplotlib import pyplot
import plistlib
import numpy as np
二、万花斥资
我们可以用万花尺玩具（如图2-1所示）来绘制数学曲线。这种玩具由两个不同尺寸的塑料齿轮组成，一大一小。小的齿轮有几个孔。把钢笔或铅笔放入一个孔，然后在较大齿轮（内部有齿）内旋转里面的小齿轮，保持笔与外轮接触，可以画出无数复杂而奇妙的对称图案。
在这个项目中，我们将用Python来创建动画，像万花尺一样绘制曲线。我们的spiro.py程序将用Python和参数方程来描述程序的万花尺齿轮的运动，并绘制曲线（我称之为螺线）。我们可以将完成的画图保存为PNG图像文件，并用命令行选项来指定参数或生成随机螺线。
在这个项目中，我们将学习如何在计算机上绘制螺线。还将学习以下几点：
- 用turtle模块创建图形；
- 使用参数方程；
- 利用数学方程来生成曲线；
- 用线段来画曲线；
- 用定时器来生成图形动画；
- 将图形保存为图像文件。
import sys, random, argparse
import numpy as np
import math
import turtle
import random
from PIL import Image
from datetime import datetime
from fractions import gcd
三、Conway生命游戏
这个项目将创建一个N×N的细胞网格，通过应用Conway生命游戏的规则，模拟系统随时间的演进。你将显示每个时间段的游戏状态，并提供一些方式将输出保存到文件。你会设置系统的初始状态，要么是随机分布，要么是预先设计的图案。
该模拟由以下几部分组成：
在一维或两维空间中定义的属性；
在模拟中的每一步，改变这种属性的数学规则；
随着系统的演进，显示或记录系统状态的方式。
在Conway生命游戏中的细胞可以处于ON或OFF状态。游戏从一个初始状态开始，其中每个细胞分配一个状态，数学规则决定其状态如何随时间而改变。Conway生命游戏中令人惊奇的是，只有4个简单的规则，系统演进会产生行为极其复杂的图案，仿佛它们是活的。图案包括“滑翔机”，即在网格上滑动，“眨眼”，即闪烁ON和OFF，甚至还有复制图案。
当然，这个游戏的哲学意义也很重要，因为它们表明，复杂的结构可以根据简单的规则演进，不必遵循任何一种预设的模式。
下面是该项目包含的一些主要概念：
- 利用matplotlib imshow来展示数据的二维网格；
- 利用matplotlib生成动画；
- 使用numpy数组；
- 将%运算符用于边界条件；
- 设置值的随机分布。
因为生命游戏建立在9个方格的网格中，每个细胞有8个相邻细胞，如图3-1所示。模拟中的给定细胞(i, j)用二维数组[i][j]来存取，其中i和j分别是行和列的下标。在给定时间段，给定细胞的值取决于前一时间段它的邻居的状态。Conway生命游戏有4个规则。
1．如果一个细胞为ON，邻居中少于两个为ON，它变为OFF。
2．如果一个细胞为ON，邻居中有两个或3个为ON，它保持为ON。
3．如果一个细胞为ON，邻居中超过3个为ON，它变为OFF。
4．如果一个细胞为OFF，邻居中恰好有3个为ON，它变为ON。
所需模块：
import sys, argparse
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
四、用Karplus-Strong算法产生音乐泛音
任何乐音的主要特点是它的音调，即频率。这是每秒的振动数，单位是赫兹（Hz）。例如，从原声吉他的第三根弦产生音符D，频率是146.83赫兹。可以在计算机上创建频率为146.83 Hz的正弦波，来模拟这种声音，如图4-1所示。
遗憾的是，如果在计算机上播放这个正弦波，听起来不会像吉他或钢琴。播放相同的音符时，是什么让计算机的声音与乐器如此不同呢？
在吉他上拨弦时，乐器产生了不同强度的混合频率，如图4-2的频谱图所示。刚拨弦时声音最强，强度随着时间推移而逐渐消失。拨动吉他D弦听到的主要频率称为基本频率，是146.83赫兹，但也会听到该频率的一些倍数，称为泛音。任何乐器的声音都由这种基本频率和泛音组成，正是这种组合，让吉他听起来像吉他。
如你所见，在计算机上模拟拨弦乐器的声音，要能同时生成基本频率和泛音。诀窍是利用Karplus-Strong算法。
这个项目使用Karplus-Strong算法，产生5个类似吉他的音符，它们属于一个音阶（一系列相关的音符）。我们会让产生这些音符的算法可视化，并将声音保存为WAV文件。我们还会创建一种方式，随机演奏它们，并学习如何做到以下几点：
- 用Python的deque类实现环形缓冲区；
- 使用numpy数组和ufuncs；
- 用pygame播放WAV文件；
- 用matplotlib绘图；
- 演奏五声音阶。
所需模块：
import sys, os
import time, random
import wave, argparse, pygame
import numpy as np
from collections import deque
from matplotlib import pyplot as plt
五、类鸟群：仿真鸟群
仔细观察一群鸟或一群鱼，你会发现，虽然群体由个体生物组成，但该群体作为一个整体似乎有它自己的生命。鸟群中的鸟在移动、飞越和绕过障碍物时，彼此之间相互定位。受到打扰或惊吓时会破坏编队，但随后重新集结，仿佛被某种更大的力量控制。
1986年，Craig Reynolds创造鸟类群体行为的一种逼真模拟，称为“类鸟群（Boids）”模型。关于类鸟群模型，值得注意的是，只有3个简单的规则控制着群体中个体间的相互作用，但该模型产生的行为类似于真正的鸟群。类鸟群模型被广泛研究，甚至被用来制作群体的计算机动画，如电影“蝙蝠侠归来（1992）”中的行军企鹅。
本项目将利用Reynolds的3个规则，创建一个类鸟群，模拟N只鸟的群体行为，并画出随着时间的推移，它们的位置和运动方向。我们还会提供一个方法，向鸟群中添加一只鸟，以及一种驱散效果，可以用于研究群体的局部干扰效果。类鸟群被称为“N体模拟”，因为它模拟了N个粒子的动态系统，彼此之间施加作用力。
所需模块：
import sys, argparse
import math
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
from scipy.spatial.distance import squareform, pdist, cdist
from numpy.linalg import norm
六、ASCII文本图形
在20世纪90年代，电子邮件占据着统治地位，图形处理能力很有限，常见的做法是在电子邮件中包含一个签名，它是由文本制作的图形，一般称为ASCII文本图形（ASCII是一个简单的字符编码方案）。图6-1展示了两个例子。尽管因特网已经让共享图像容易很多，但出身卑微的文本图形还没有消失。
ASCII文本图形的源头是19世纪后期出现的打字机文本图形。在20世纪60年代，计算机有了较弱的图形处理硬件，ASCII被用于表示图形。今天，ASCII文本图形继续作为因特网上的一种表现形式，你可以在网上找到各种创意的例子。
这个项目用Python创建一个程序，从图像生成ASCII文本图形。该程序让你指定输出（文本列数）的宽度，并设置垂直比例因子。它也支持两种灰度值到ASCII字符的映射：稀疏的10级映射和更精细校正的70级映射。
要从图像生成ASCII文本图形，需要学习如何做到以下几点：
- 用Pillow将彩色图像转换成灰度图像，它是Python的图像库（PIL）的一个分支；
- 使用numpy计算灰度图像的平均亮度；
- 用一个字符串作为灰度值的快速查找表。
所需模块
import sys, random, argparse
import numpy as np
import math
from PIL import Image
七、照片马赛克
照片马赛克是一张图像，它被分割成长方形的网格，每个长方形由另一张匹配“目标”的图像（最终希望出现在照片马赛克中的图像）替代。换言之，如果从远处看照片马赛克，会看到目标图像；但如果走近，会看到该图像实际上包含许多较小的图像。
这个迷题有解是因为人眼的工作方式。图7-1中的低分辨率块状图像，靠近了很难识别，但如果从远处看，就知道它代表什么，因为看到的细节较少，就使得边缘越光滑。照片马赛克的原理是相似的。从远处看，图像看起来正常，但走近时，秘密揭开了：每“块”都是一个独特的图像！
本项目中，我们将学习如何用Python创建照片马赛克。我们将目标图像划分成较小图像的网格，并用适当的图像替换网格中的每一小块，创建原始图像的照片马赛克。你可以指定网格的尺寸，并选择输入图像是否可以在马赛克中重复使用。
在这个项目中，你将学习如何做到以下几点：
用Python图像库（PIL）创建图像；
计算图像的平均RGB值；
剪切图像；
通过粘贴另一张图像来替代原图像的一部分；
利用平均距离测量来比较RGB值。
所需模块：
import sys, os, random, argparse
from PIL import Image
import imghdr
import numpy as np
八、三维立体画
盯着图8-1看一分钟。除了随机的点，你还看到别的什么吗？图8-1是一张三维立体画，是制造三维假象的二维图像。 三维立体画通常包含一些重复的图案，仔细观察会被大脑解释为三维。如果你看不到任何图像效果，别担心。我也花了一段时间，做了一些尝试，才能看到（如果你在本书的印刷版本上看不到，请在这里尝试彩色的版本：https://github.com/electronut/pp/images/。标题的脚注提示了你应该看到的图像）。
本项目将用Python创建一张三维立体画。下面是本项目涉及的一些概念：
线性间距和深度知觉；
深度图；
用Pillow创建和编辑图像；
用Pillow绘制图像。
本项目生成的三维立体画设计为用“墙眼”方式观看。看到它们的最好方法，就是让眼睛聚焦在图像后面的点（如墙上）。有点神奇，一旦在这些图案中感知到某样东西，眼睛就会自动将它作为关注的焦点，如果三维图像已“锁定”，你很难对它视而不见的（如果你仍然无法看到图像，请看Gene Levin的文章“How to View Stereograms and Viewing Practice” [1] ，或许有帮助）。
所需模块
import sys, random, argparse
from PIL import Image, ImageDraw
九、理解OpenGL
本项目将创建一个简单的程序，利用OpenGL和GLFW来显示纹理贴图的正方形。OpenGL为图形处理单元（GPU）增加了一个软件接口，而GLFW是一个窗口工具包。我们还将学习如何使用类似C语言的OpenGL着色语言（GLSL）来编写着色器，即在GPU上执行的代码。着色器为OpenGL中的计算带来巨大的灵活性。我会展示如何用GLSL着色器来变换几何图形并上色，创建一个旋转的、带纹理的多边形（如图9-1所示）。
GPU经过优化，以并行的方式对大量数据反复地执行相同的操作，这让它们在做这样的工作时，比中央处理单元（CPU）快得多。除了渲染计算机图形，它们也用于通用计算，现在有一些专门的语言让你用GPU硬件完成这样的工作。本项目将利用GPU、OpenGL和着色器。
Python是一种极好的“胶水”语言。对于其他语言（如C语言）编写的库，有大量的Python绑定，让你在Python中使用它们。本章和第10章、第11章，将使用PyOpenGL，即OpenGL的Python绑定，来创建计算机图形。
OpenGL是一个“状态机”，有点像一个电器开关，有两种状态：开和关。如果从一种状态切换到另一种，开关就保持在这种新状态。然而，OpenGL比简单的电器开关更复杂，它更像一个交换机，有许多开关和表盘。一旦更改特定设置的状态，它就保持为关，直到你打开。如果一个 OpenGL调用绑定到某个对象上了，那随后的相关调用都会发送给这个对象，直到解除绑定。
import OpenGL
from OpenGL.GL import *
import numpy, math, sys, os
import glutils
import glfw
十、粒子系统
在计算机图形世界中，粒子系统是用许多小图元（如点、线、三角形和多边形）来表示的物体，如烟雾、火焰，甚至头发，没有明确的几何形状，因此很难用标准技术来建模。
例如，如何在计算机上制造一次爆炸效果？设想爆炸从空间中的一个点开始，然后向外扩张，作为一个快速扩大的、复杂的三维实体，随时间而改变形状和颜色。不夸张地说，尝试建立数学模型就令人望而生畏。
但现在设想一下，爆炸包含一群细小的粒子，每个粒子有关联的位置和颜色。爆炸开始时，粒子在空间中的一个点上聚成一图。随着时间的推移，它们根据一定的数学规则向外移动，并改变颜色，让你定期绘制所有粒子，从而生成爆炸的动画。利用好的数学模型、大量粒子，以及透明度和公告板（billboarding）这样的渲染技术，可以创建逼真的效果，如图10-1所示。
本项目会制定粒子运动的数学模型，将它表示为时间的函数，并利用图形处理单元（GPU）的着色器进行计算。然后，会设计一种渲染方案，利用一种名为公告板的技术，它让二维图像一直面向观众，从而使二维图像看起来像是三维的，用一种令人信服的方式来绘制这些粒子。还会用OpenGL着色器让粒子旋转，并生成动画场景。你可以通过按键来打开或关闭各种效果，进行比较。
数学模型将设置每个粒子的初始位置和速度，并决定粒子如何随时间运动。你可以让每个纹理的黑色区域透明，利用正方形图像创建火花，保持每个火花面向观众，使它们看起来有立体感。你会生成粒子的动画，定期更新它们的位置，其亮度随着时间的推移逐渐减弱。
下面是将要探索的一些概念：
- 制定喷泉粒子系统的数学模型；
- 利用GPU着色器计算；
- 利用纹理和公告板模拟复杂的三维对象；
- 利用OpenGL渲染功能，如混合、深度遮掩和Alpha通道，绘制半透明物体；
- 利用相机模型绘制三维透视图。
十一、体渲染
MRI和CT扫描这样的诊断过程会创建体数据，它由一组二维图像来表示通过三维物体的截面。体绘制是一种计算机图形技术，利用这种类型的体数据来构造三维图像。虽然体绘制通常用于分析医学扫描，但也可以用于地质、考古和分子生物学等学科，生成三维科学可视化效果。
由MRI和CT扫描记录的数据通常采取N x ×N y ×N z 的三维网格形式，或N z 个二维“切片”，其中每个切片是大小为N x ×N y 的图像。体绘制算法采用某种类型的透明度，来展示采集切片数据，并采用各种技术来强调被渲染物体中关注的部分。
本项目将探讨名为“体光线投射（volume ray casting）”的体绘制算法，它充分利用图形处理单元（GPU），用OpenGL着色语言（GLSL）的着色器来进行计算。代码针对屏幕上的每个像素执行，并利用了GPU，其目的是有效地进行并行计算。利用二维图像文件夹中包含的三维数据集切片，用体光线投射算法，构建体渲染图像。我们还会实现一种方法，显示在x、y、z方向上的二维切片数据，以便用户可以通过箭头键来滚动切片。键盘命令让用户在三维渲染和二维切片之间切换。
下面是本项目涉及的一些主题：
- 用GLSL进行GPU计算；
- 创建顶点和片段着色器；
- 表示三维立体数据，并使用体光线投射算法；
- 用numpy数组表示三维变换矩阵。
12、Arduino简介
13、激光音乐秀
14、基于树莓派的天气监控器
还真有人点开啊🤣随意随意😂
