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揭秘烟花绽放背后的编程奥秘：如何用代码点亮夜空，创造视觉盛宴？

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在夜幕低垂，星光璀璨的时刻，烟花绽放的美丽瞬间总是令人陶醉。然而，你有没有想过，这绚丽的烟花背后，竟然隐藏着编程的奥秘？让我们一起揭开这神秘的面纱，探索如何用代码点亮夜空，创造一场视觉盛宴。

烟花的编程原理

烟花绽放的过程可以分为几个阶段：点燃、上升、绽放、消失。在编程中，我们可以通过模拟这些阶段来实现烟花的视觉效果。

1. 点燃

首先，我们需要为烟花定义一个点燃的效果。在编程中，我们可以使用粒子系统来模拟点燃的过程。粒子系统通过创建大量的粒子，模拟烟花燃烧时的火花效果。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 初始化粒子系统
def init_particles():
    particles = []
    for _ in range(1000):
        x = np.random.rand()
        y = np.random.rand()
        particles.append([x, y])
    return particles

# 更新粒子位置
def update_particles(particles, dt):
    for particle in particles:
        x, y = particle
        x += np.random.randn() * dt
        y += np.random.randn() * dt
        particle[0] = x
        particle[1] = y

# 绘制粒子
def draw_particles(particles):
    plt.scatter(*zip(*particles))
    plt.xlim(0, 1)
    plt.ylim(0, 1)
    plt.pause(0.01)

# 主函数
def main():
    particles = init_particles()
    dt = 0.1
    for _ in range(100):
        update_particles(particles, dt)
        draw_particles(particles)

if __name__ == "__main__":
    main()

2. 上升

接下来，我们需要模拟烟花上升的过程。在编程中，我们可以通过计算重力加速度和空气阻力来模拟烟花上升的运动轨迹。

# 计算重力加速度
def gravity(x, y):
    g = 9.8
    return -g * np.sin(np.arctan2(y - 0.5, x - 0.5))

# 计算空气阻力
def air_resistance(vx, vy):
    c_d = 0.5
    r = 0.01
    area = np.pi * r ** 2
    rho = 1.225  # 空气密度
    m = 0.1  # 粒子质量
    return c_d * area * rho * np.sqrt(vx ** 2 + vy ** 2) * np.array([vx, vy])

# 更新粒子速度和位置
def update_particles(particles, dt):
    for particle in particles:
        x, y, vx, vy = particle
        ax = gravity(x, y)
        ay = -1
        ax += air_resistance(vx, vy) / m
        ay += air_resistance(vy, vx) / m
        vx += ax * dt
        vy += ay * dt
        x += vx * dt
        y += vy * dt
        particle[0] = x
        particle[1] = y
        particle[2] = vx
        particle[3] = vy

# 绘制粒子
def draw_particles(particles):
    plt.scatter(*zip(*[p[:2] for p in particles]))
    plt.xlim(-1, 1)
    plt.ylim(-1, 1)
    plt.pause(0.01)

# 主函数
def main():
    particles = init_particles()
    dt = 0.1
    for _ in range(100):
        update_particles(particles, dt)
        draw_particles(particles)

if __name__ == "__main__":
    main()

3. 绽放

烟花绽放的过程最为复杂，涉及到多个颜色、形状和大小各异的烟花。在编程中，我们可以通过使用图形库和动画技术来实现这一效果。

# 绘制烟花
def draw_firework(particles):
    plt.figure(figsize=(10, 6))
    for particle in particles:
        x, y = particle[:2]
        plt.plot([x], [y], 'o', color='red', markersize=10)
        plt.pause(0.01)
    plt.show()

# 主函数
def main():
    particles = init_particles()
    dt = 0.1
    for _ in range(100):
        update_particles(particles, dt)
        draw_firework(particles)

if __name__ == "__main__":
    main()

4. 消失

烟花绽放后，会逐渐消失。在编程中，我们可以通过模拟烟花粒子逐渐变淡、消失的过程来实现这一效果。

# 更新粒子透明度
def update_particle_opacity(particles, dt):
    opacity = 1
    for particle in particles:
        opacity *= 0.9  # 每帧降低透明度
        particle[4] = opacity

# 绘制粒子
def draw_particles(particles):
    plt.scatter(*zip(*[p[:2] for p in particles]))
    plt.xlim(-1, 1)
    plt.ylim(-1, 1)
    plt.pause(0.01)

# 主函数
def main():
    particles = init_particles()
    dt = 0.1
    for _ in range(100):
        update_particles(particles, dt)
        draw_particles(particles)

if __name__ == "__main__":
    main()

总结

通过以上代码，我们成功模拟了烟花绽放的整个过程。虽然这个简单的例子与真实烟花相比还有一定的差距，但足以让我们领略编程的魅力。通过不断优化和改进，相信我们可以用编程创造更多令人惊叹的视觉盛宴。

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