Arduino 和树莓派这样的硬件进行交互。你将学习使用常见的Python 工具和库，如numpy、matplotlib 和pygame

来完成以下工作：

● 利用参数方程和turtle模块生成万花尺图案；

● 通过模拟频率泛音在计算机上创作音乐；

● 将图形图像转换为ASCII文本图形；

● 编写一个三维立体画程序，生成隐藏在随机图案下的3D图像；

● 通过探索粒子系统、透明度和广告牌技术，利用OpenGL着色器制作逼真的动画；

● 利用来自CT和MRI扫描的数据实现3D可视化；

● 将计算机连接到Arduino编程，创建响应音乐的激光秀。

通过本书，你可以享受作为极客的真正乐趣！

目录

第一部分热身运动

第1章解析iTunes播放列表3

1.1 iTunes播放列表文件剖析 3

1.2 所需模块 5

1.3 代码 5

1.3.1 查找重复 5

1.3.2 提取重复 6

1.3.3 查找多个播放列表中共同的音轨 7

1.3.4 收集统计信息 8

1.3.5 绘制数据 8

1.3.6 命令行选项 9

1.4 完整代码 10

1.5 运行程序 13

1.6 小结 14

1.7 实验 14

第2章 万花尺 15

2.1 参数方程 16

2.1.1 万花尺方程 17

2.1.2 海龟画图 19

2.2 所需模块 20

2.3 代码 20

2.3.1 Spiro构造函数 20

2.3.2 设置函数 21

2.3.3 restart（）方法 21

2.3.4 draw（）方法 22

2.3.5 创建动画 22

2.3.5 SpiroAnimator类 23

2.3.5 genRandomParams（）方法 24

2.3.6 重新启动程序 24

2.3.7 update（）方法 25

2.3.8 显示或隐藏光标 25

2.3.9 保存曲线 25

2.3.10 解析命令行参数和初始化 26

2.4 完整代码 27

2.5 运行万花尺动画 32

2.6 小结 33

2.7 实验 33

第二部分 模拟生命

第3章 Conway生命游戏 37

3.1 工作原理 38

3.2 所需模块 39

3.3 代码 40

3.3.1 表示网格 40

3.3.2 初始条件 41

3.3.3 边界条件 41

3.3.4 实现规则 42

3.3.5 向程序发送命令行参数 43

3.3.6 初始化模拟 43

3.4 完整代码 44

3.5 运行模拟人生的游戏 46

3.6 小结 47

3.7 实验 47

第4章 用Karplus—Strong算法产生音乐泛音 49

4.1 工作原理 51

4.1.1 模拟 51

4.1.2 创建WAV文件 52

4.1.3 小调五声音阶 53

4.2 所需模块 54

4.3 代码 54

4.3.1 用deque实现环形缓冲区 54

4.3.2 实现Karplus—Strong算法 55

4.3.3 写WAV文件 56

4.3.4 用pygame播放WAV文件 56

4.3.5 main（）方法 57

4.4 完整代码 58

4.5 运行拨弦模拟 61

4.6 小结 62

4.7 实验 62

第5章 类鸟群：仿真鸟群 63

5.1 工作原理 64

5.2 所需模块 64

5.3 代码 64

5.3.1 计算类鸟群的位置和速度 65

5.3.2 设置边界条件 66

5.3.3 绘制类鸟群 67

5.3.4 应用类鸟群规则 68

5.3.5 添加个体 70

5.3.6 驱散类鸟群 71

5.3.7 命令行参数 71

5.3.8 Boids类 71

5.4 完整代码 72

5.5 运行类鸟群模拟 75

5.6 小结 76

5.7 实验 76

第三部分 图片之乐

第6章 ASCII文本图形 79

6.1 工作原理 80

6.2 所需模块 81

6.3 代码 81

6.3.1 定义灰度等级和网格 82

6.3.2 计算平均亮度 82

6.3.3 从图像生成ASCII内容 83

6.3.4 命令行选项 84

6.3.5 将ASCII文本图形字符串写入文本文件 84

6.4 完整代码 85

6.5 运行ASCII文本图形生成程序 87

6.6 小结 87

6.7 实验 88

第7章 照片马赛克 89

7.1 工作原理 90

7.1.1 分割目标图像 90

7.1.2 平均颜色值 91

7.1.3 匹配图像 91

7.2 所需模块 92

7.3 代码 92

7.3.1 读入小块图像 92

7.3.2 计算输入图像的平均颜色值 93

7.3.3 将目标图像分割成网格 93

7.3.4 寻找小块的*佳匹配 94

7.3.5 创建图像网格 95

7.3.6 创建照片马赛克 96

7.3.7 添加命令行选项 97

7.3.8 控制照片马赛克的大小 97

7.4 完整代码 98

7.6 运行照片马赛克生成程序 102

7.7 小结 103

7.7 实验 103

第8章 三维立体画 105

8.1 工作原理 106

8.1.1 感知三维立体画中的深度 106

8.1.2 深度图 108

8.2 所需模块 109

8.3 代码 109

8.3.1 重复给定的平铺图像 109

8.3.2 从创建随机圆平铺 110

8.3.3 创建三维立体画 111

8.3.4 命令行选项 112

8.4 完整代码 113

8.5 运行三维立体画生成程序 115

8.6 小结 117

8.7 实验 117

第四部分 走进三维

第9章 理解OpenGL 121

9.1 老式OpenGL 122

9.2 现代OpenGL：三维图形管线 124

9.2.1 几何图元 124

9.2.2 三维变换 125

9.2.3 着色器 127

9.2.4 顶点缓冲区 128

9.2.5 纹理贴图 129

9.2.6 显示OpenGL 129

9.3 所需模块 130

9.4 代码 130

9.4.1 创建OpenGL窗口 130

9.4.2 设置回调 131

9.4.3 Scene类 133

9.5 完整代码 137

9.6 运行OpenGL应用程序 142

9.7 小结 143

9.8 实验 143

第10章 粒子系统 145

10.1 工作原理 146

10.1.1 为粒子运动建模 147

10.1.2 设置最大范围 147

10.1.3 渲染粒子 149

10.1.4 利用OpenGL混合来创建更逼真火花 149

10.1.5 使用公告板 150

10.1.6 生成火花动画 151

10.2 所需模块 151

10.3 粒子系统的代码 151

10.3.1 定义粒子的几何形状 152

10.3.2 为粒子定义时间延迟数组 153

10.3.3 设置粒子初始速度 153

10.3.4 创建顶点着色器 154

10.3.5 创建片段着色器 156

10.3.6 渲染 156

10.3.7 Camera类 158

10.4 粒子系统完整代码 158

10.5 盒子代码 164

10.6 主程序代码 166

10.6.1 每步更新这些粒子 167

10.6.2 键盘处理程序 168

10.6.3 管理主程序循环 168

10.7 完整主程序代码 169

10.8 运行程序 172

10.9 小结 172

10.10 实验 172

第11章 体渲染 173

11.1 工作原理 174

11.1.1 数据格式 174

11.1.2 生成光线 175

11.1.3 显示OpenGL窗口 177

11.2 所需模块 178

11.3 项目代码概述 178

11.4 生成三维纹理 178

11.5 完整的三维纹理代码 180

11.6 生成光线 181

11.6.1 定义颜色立方体的几何形状 182

11.6.2 创建帧缓冲区对象 184

11.6.3 渲染立方体的背面 185

11.6.4 渲染立方体的正面 185

11.6.5 渲染整个立方体 186

11.6.6 调整大小处理程序 187

11.7 完整的光线生成代码 187

11.8 体光线投射 192

11.8.1 顶点着色器 194

11.8.2 片段着色器 194

11.9 完整的体光线投射代码 196

11.10 二维切片 199

11.10.1 顶点着色器 201

11.10.2 片段着色器 202

11.10.3 针对二维切片的用户界面 202

11.11 完整的二维切片代码 203

11.12 代码整合 206

11.13 完整的主文件代码 207

11.14 运行程序 209

11.15 小结 210

11.16 实验 210

第五部分 玩硬件

第12章 Arduino简介 215

12.1 Arduino 216

12.2 Arduino生态系统 217

12.2.1 语言 218

12.2.2 IDE 218

12.2.3 社区 218

12.2.4 外设 219

12.3 所需模块 219

12.4 搭建感光电路 219

12.4.1 电路工作原理 219

12.4.2 Arduino程序 220

12.4.3 创建实时图表 221

12.5 Python代码 222

12.6 完整的Python代码 224

12.7 运行程序 226

12.8 小结 227

12.9 实验 227

……

第13章 激光音乐秀 229

第14章 基于树莓派的天气监控器 253

附录A 软件安装 275

附录B 基础实用电子学 281

附录C 树莓派的建议和技巧 289