Python极客项目编程

Python 是一种强大的编程语言，容易学习而且充满乐趣。但掌握了基本知识后，接下来做什么？
本书包含了一组富有想象力的编程项目，它们将引导你用Python 来制作图像和音乐、模拟现实世界的现象，并与
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！

Python是一种解释型、面向对象、动态数据类型的高级程序设计语言。通过Python编程，我们能够解决现实生活中的很多任务。
本书通过14个有趣的项目，帮助和鼓励读者探索Python编程的世界。全书共14章，分别介绍了通过Python编程实现的一些有趣项目，包括解析iTunes播放列表、模拟人工生命、创建ASCII码艺术图、照片拼接、生成三维立体图、创建粒子模拟的烟花喷泉效果、实现立体光线投射算法，以及用Python结合Arduino和树莓派等硬件的电子项目。本书并不介绍Python语言的基础知识，而是通过一系列不简单的项目，展示如何用Python来解决各种实际问题，以及如何使用一些流行的Python库。
本书适合那些想要通过Python编程来进行尝试和探索的读者，适合了解基本的Python语法和基本的编程概念的读者进一步学习，对于Python程序员有一定的启发和参考价值。

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　寻找小块的最佳匹配　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
13．1　用激光产生图案　230
13．1．1　电机控制　230
13．1．2　快速傅里叶变换　232
13．2　所需模块　233
13．2．1　搭建激光秀　234
13．2．2　连接电机驱动器　236
13．3　Arduino程序　237
13．3．1　配置Arduino数字
输出引脚　238
13．3．2　主循环　238
13．3．3　停止电机　240
13．4　Python代码　240
13．4．1　选择音频设备　241
13．4．2　从输入设备读取数据　241
13．4．3　计算数据流的FFT　242
13．4．4　从FFT值提取频率
信息　243
13．4．5　将频率转换为电机
速度和方向　243
13．4．6　测试电机设置　244
13．4．7　命令行选项　245
13．4．8　手动测试　245
13．5　完整的Python代码　246
13．6　运行程序　249



13．7　小结　250
13．8　实验　250
第14章　基于树莓派的天气监控器　253
14．1　硬件　254
14．1．1　DHT11温湿度传感器　254
14．1．2　树莓派　255
14．1．3　设置树莓派　255
14．2　安装和配置软件　256
14．2．1　操作系统　257
14．2．2　初始配置　257
14．2．3　Wifi设置　257
14．2．4　设置编程环境　258
14．2．5　通过SSH连接　259
14．2．6　Web框架Bottle　259
14．2．7　用flot绘制　260
14．2．8　关闭树莓派　261
14．3　搭建硬件　262
14．4　代码　263
14．4．1　处理传感器数据请求　264
14．4．2　绘制数据　264
14．4．3　update()方法　267
14．4．4　用于LED的JavaScript
处理程序　267
14．4．5　添加交互性　268
14．5　完整代码　269
14．6　运行程序　272
14．7　小结　273
14．8　实验　273
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