Manim实现阴影特效

本文将详细介绍如何在Manim中实现2D和3D阴影特效，提升动画的视觉层次感和真实感。

1. 实现原理

Manim中的阴影特效主要通过创建对象副本、调整透明度、应用变换和模糊效果来实现。

下面我们将结合代码详细解析其实现原理。

1.1. 3D阴影实现原理

3D阴影效果更加复杂，需要考虑空间感和光影关系。

代码中提供了两种3D阴影实现：基础版Shadow3D和增强版RealisticShadow3D。

/* by yours.tools - online tools website : yours.tools/zh/nianlvli.html */
class Shadow3D(Animation):
    def __init__(
        self,
        mobject,
        shadow_color=BLACK,
        shadow_opacity=0.3,
        blur_radius=0.1,
        direction=DOWN + RIGHT,
        distance=0.5,
        sharpness=1.0,
        **kwargs
    ):
        # 创建阴影对象
        self.shadow = mobject.copy()
        self.shadow.set_color(shadow_color)
        self.shadow.set_fill(opacity=shadow_opacity)
        self.shadow.set_stroke(opacity=shadow_opacity)
        
        # 设置阴影位置
        shadow_offset = direction * distance
        self.shadow.shift(shadow_offset)
        
        # 使用单个对象和变换创建模糊效果
        self.shadow_blur = None
        if blur_radius > 0:
            self.shadow_blur = self.shadow.copy()
            scale_factor = 1.0 + (1.0 - sharpness) * 0.1
            opacity_factor = 0.5 + (1.0 - sharpness) * 0.3
            self.shadow_blur.scale(scale_factor)
            self.shadow_blur.set_fill(opacity=shadow_opacity * opacity_factor)
            self.shadow_blur.set_stroke(opacity=shadow_opacity * opacity_factor)
        
        # 创建对象组
        if self.shadow_blur:
            self.shadow_group = VGroup(self.shadow_blur, self.shadow, mobject)
        else:
            self.shadow_group = VGroup(self.shadow, mobject)
        
        super().__init__(self.shadow_group, **kwargs)

Shadow3D类在2D阴影的基础上增加了锐度参数(sharpness)和模糊处理，通过调整缩放因子和透明度来模拟不同锐度的阴影效果。

值得注意的是，为了优化性能，代码采用了单个对象和变换来创建模糊效果，而不是多个副本，大大减少了渲染开销。

1.2. 增强版3D阴影实现

/* by yours.tools - online tools website : yours.tools/zh/nianlvli.html */
class RealisticShadow3D(Animation):
    def __init__(
        self,
        mobject,
        shadow_color=BLACK,
        shadow_opacity=0.4,
        blur_radius=0.2,
        direction=DOWN + RIGHT,
        distance=0.5,
        light_source=3 * UP + 3 * RIGHT + 3 * OUT,
        **kwargs
    ):
        # 存储光源位置
        self.light_source = light_source
        
        # 创建阴影对象和位置设置
        self.shadow = mobject.copy()
        self.shadow.set_color(shadow_color)
        self.shadow.set_fill(opacity=shadow_opacity)
        self.shadow.set_stroke(opacity=shadow_opacity)
        
        shadow_offset = direction * distance
        self.shadow.shift(shadow_offset)
        
        # 模糊效果处理
        self.shadow_blur = None
        if blur_radius > 0:
            self.shadow_blur = self.shadow.copy()
            self.shadow_blur.scale(1.05)  # 轻微放大
            self.shadow_blur.set_fill(opacity=shadow_opacity * 0.7)
            self.shadow_blur.set_stroke(opacity=shadow_opacity * 0.7)
        
        # 创建对象组
        if self.shadow_blur:
            self.shadow_group = VGroup(self.shadow_blur, self.shadow, mobject)
        else:
            self.shadow_group = VGroup(self.shadow, mobject)
        
        super().__init__(self.shadow_group, **kwargs)

RealisticShadow3D类进一步增强了3D阴影的真实感，主要特点是加入了光源位置参数(light_source)，允许用户更精确地控制阴影的投射方向和形状，从而模拟出更真实的光照效果。

2. 使用示例

下面我们通过几个具体场景来展示如何使用这些阴影特效。

2.1. 3D阴影效果示例

class Shadow3DExample(ThreeDScene):
    def construct(self):
        # 创建3D对象
        cube = Cube(side_length=2, fill_opacity=0.8, fill_color=BLUE)
        sphere = Sphere(radius=1, fill_opacity=0.8, fill_color=RED)
        
        # 设置相机位置
        self.set_camera_orientation(phi=75 * DEGREES, theta=-45 * DEGREES)
        
        # 为3D对象添加阴影
        cube_shadow = Shadow3D(
            cube,
            shadow_color=GRAY,
            shadow_opacity=0.4,
            blur_radius=0.1,
            direction=DOWN + RIGHT,
            distance=0.3,
        )
        
        sphere_shadow = Shadow3D(
            sphere,
            shadow_color=GRAY,
            shadow_opacity=0.3,
            blur_radius=0.15,
            direction=DOWN + RIGHT,
            distance=0.4,
        )
        
        # 添加到场景并播放动画
        self.add(cube_shadow.shadow_group)
        self.add(sphere_shadow.shadow_group)
        
        cube.shift(2 * LEFT)
        sphere.shift(2 * RIGHT)
        
        self.play(FadeIn(cube_shadow.shadow_group), FadeIn(sphere_shadow.shadow_group))
        
        # 添加旋转和移动动画
        self.play(
            Rotate(cube_shadow.shadow_group, PI, axis=UP),
            Rotate(sphere_shadow.shadow_group, PI, axis=RIGHT),
            run_time=3,
        )
        
        self.play(
            cube_shadow.shadow_group.animate.shift(UP),
            sphere_shadow.shadow_group.animate.shift(DOWN),
            run_time=2,
        )
        
        self.wait()

这个示例展示了如何在3D场景中使用阴影效果。通过设置相机位置和调整各种参数，可以创建出具有空间感的阴影效果。

代码还演示了如何将阴影效果与其他动画（如旋转和移动）结合使用。

2.2. 真实感3D阴影效果示例

class RealisticShadow3DExample(ThreeDScene):
    def construct(self):
        # 创建3D对象
        cone = Cone(base_radius=1, height=2, fill_opacity=0.8, fill_color=GREEN)
        cylinder = Cylinder(radius=1, height=2, fill_opacity=0.8, fill_color=YELLOW)
        
        # 设置相机位置
        self.set_camera_orientation(phi=75 * DEGREES, theta=-45 * DEGREES)
        
        # 为对象添加真实感3D阴影
        cone_shadow = RealisticShadow3D(
            cone,
            shadow_color=GRAY,
            shadow_opacity=0.5,
            blur_radius=0.2,
            direction=DOWN + RIGHT,
            distance=0.4,
            light_source=3 * UP + 3 * RIGHT + 3 * OUT,
        )
        
        cylinder_shadow = RealisticShadow3D(
            cylinder,
            shadow_color=GRAY,
            shadow_opacity=0.4,
            blur_radius=0.25,
            direction=DOWN + 0.5 * RIGHT,
            distance=0.5,
            light_source=3 * UP + 2 * LEFT + 2 * OUT,
        )
        
        # 添加到场景并播放动画
        self.add(cone_shadow.shadow_group)
        self.add(cylinder_shadow.shadow_group)
        
        cone.shift(2 * LEFT)
        cylinder.shift(2 * RIGHT)
        
        self.play(
            FadeIn(cone_shadow.shadow_group), FadeIn(cylinder_shadow.shadow_group)
        )
        
        # 添加旋转和移动动画
        self.play(
            Rotate(cone_shadow.shadow_group, PI, axis=UP),
            Rotate(cylinder_shadow.shadow_group, PI, axis=RIGHT),
            run_time=3,
        )
        
        self.play(
            cone_shadow.shadow_group.animate.shift(UP),
            cylinder_shadow.shadow_group.animate.shift(DOWN),
            run_time=2,
        )
        
        self.wait()

这个示例展示了如何使用RealisticShadow3D类创建更真实的3D阴影效果。

通过设置不同的光源位置(light_source)，可以为不同的3D对象创建符合物理规律的阴影效果。

3. 总结

3.1. 阴影特效的特点

1. 多层次实现：提供了从简单到复杂的多种阴影实现方式，适应不同场景需求。
2. 参数化控制：所有阴影效果都提供了丰富的参数，如颜色、透明度、模糊半径、方向、距离等，方便精细调整。
3. 性能优化：通过使用单个对象和变换来创建模糊效果，而不是多个副本，大大提高了渲染效率。
4. 3D支持：专门提供了3D阴影实现，支持在3D场景中创建具有空间感的阴影效果。
5. 真实感增强：增强版的RealisticShadow3D类考虑了光源位置，能够创建更符合物理规律的阴影效果。

3.2. 使用场景

1. 数学可视化：为几何图形添加阴影，增强视觉层次感，帮助观众更好地理解空间关系。
2. 文字动画：为标题和重点文字添加阴影效果，提高视觉冲击力。
3. 图表展示：为数据图表添加阴影，增强立体感和可读性。
4. 物理演示：模拟真实世界的光照和阴影效果，用于物理概念的讲解。
5. 艺术创作：利用多层阴影和不同参数组合，创建独特的艺术效果。

通过本文介绍的阴影特效实现方法，您可以为Manim动画添加更加生动、立体的视觉效果，提升动画的专业度和观赏性。

无论是教学演示、学术报告还是艺术创作，这些阴影特效都能为您的作品增添亮点。