使用 C++/OpenCV 制作跳动的爱心动画

使用 C++/OpenCV 制作跳动的爱心动画

本文将引导你如何使用 C++ 和 OpenCV 库创建一个简单但有趣的跳动爱心动画。我们将通过绘制参数方程定义的爱心形状，并利用正弦函数来模拟心跳的缩放效果。

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目录

1. 简介
2. 先决条件
3. 核心概念
   • 参数方程绘制爱心
   • 动画循环
   • 模拟心跳效果
4. 代码实现
5. 代码详解
   • drawHeart 函数
   • main 函数
6. 编译与运行
7. 效果展示
8. 总结与扩展

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简介

动画是通过快速连续显示一系列静态图像来创建运动的幻觉。在这个项目中，我们将每一帧都绘制一个爱心，并通过周期性地改变爱心的大小来模拟“跳动”的效果。这是一个学习 OpenCV 绘图和基本动画原理的有趣练习。

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先决条件

• C++ 编译器: 如 G++ (MinGW for Windows), Clang, MSVC。
• OpenCV 库: 版本 3.x 或 4.x，并已正确配置编译环境。
• CMake (推荐): 用于跨平台编译管理。

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核心概念

参数方程绘制爱心

爱心的形状可以通过参数方程精确绘制。一个常用的爱心参数方程是：
$x=16{\sin }^3(t)$
$y=13\cos (t)-5\cos (2t)-2\cos (3t)-\cos (4t)$

其中 $t$ 的范围从 $0$ 到 $2\pi$。我们将计算出一系列由这些方程产生的 $(x,y)$ 点，然后将这些点连接起来形成多边形，并填充颜色。

动画循环

动画的核心是一个循环，在每次迭代中：

1. 清除或重新初始化画布。
2. 根据当前时间或状态计算爱心的大小和/或位置。
3. 在画布上绘制爱心。
4. 显示画布。
5. 短暂延迟，以控制动画速度。
6. 检查退出条件（例如按键）。

模拟心跳效果

心跳是一个周期性的扩张和收缩过程。我们可以使用正弦函数来模拟这种大小变化。爱心的缩放比例 scale 可以表示为：
current_scale = base_scale * (1 + amplitude * sin(frequency * time_variable))
其中：

• base_scale 是爱心的基础大小。
• amplitude 控制跳动的幅度。
• frequency 控制跳动的快慢。
• time_variable 是一个随时间递增的变量（例如帧计数器）。

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代码实现

#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <vector>
#include <cmath> // For std::sin, std::cos, std::pow, M_PI (or define PI)#ifndef M_PI
#define M_PI 3.14159265358979323846
#endifconst int WINDOW_WIDTH = 600;
const int WINDOW_HEIGHT = 600;
const std::string WINDOW_NAME = "Beating Heart";// 函数：绘制一个爱心
void drawHeart(cv::Mat& image, double scale, const cv::Point& center, const cv::Scalar& color) {std::vector<cv::Point> heart_points;for (double t = 0; t <= 2 * M_PI; t += 0.01) { // t 从 0 到 2*PIdouble x_param = 16 * std::pow(std::sin(t), 3);double y_param = 13 * std::cos(t) - 5 * std::cos(2 * t) - 2 * std::cos(3 * t) - std::cos(4 * t);// 转换到 OpenCV 坐标系并应用缩放和中心偏移// 注意 y_param 是负的，因为参数方程通常y轴向上，而OpenCV图像y轴向下int cv_x = static_cast<int>(center.x + scale * x_param);int cv_y = static_cast<int>(center.y - scale * y_param); // 注意这里的负号heart_points.push_back(cv::Point(cv_x, cv_y));}if (!heart_points.empty()) {// cv::polylines(image, heart_points, true, color, 2); // 仅绘制轮廓cv::fillPoly(image, std::vector<std::vector<cv::Point>>{heart_points}, color); // 填充爱心}
}int main() {cv::Mat frame(WINDOW_HEIGHT, WINDOW_WIDTH, CV_8UC3, cv::Scalar(20, 20, 20)); // 深灰色背景double time = 0.0;double base_scale = 10.0;        // 爱心的基础缩放系数double beat_amplitude = 0.2;     // 心跳振幅 (相对于1的比例)double beat_frequency = 0.15;    // 心跳频率 (数值越大跳动越快)cv::Scalar heart_color = cv::Scalar(0, 0, 255); // BGR: 红色while (true) {// 1. 清除画布 (用背景色重新填充)frame = cv::Scalar(20, 20, 20);// 2. 计算当前心跳的缩放比例// (1 + sin(t)) 范围是 [0, 2], (1 + sin(t))/2 范围是 [0, 1]// 这里我们用 1.0 +/- amplitude*sin(t) 来使大小在 (1-amplitude)*base_scale 和 (1+amplitude)*base_scale 之间变化double current_beat_factor = 1.0 + beat_amplitude * std::sin(beat_frequency * time);double current_scale = base_scale * current_beat_factor;// 3. 绘制爱心cv::Point center(WINDOW_WIDTH / 2, WINDOW_HEIGHT / 2 + 30); // 稍微向下移动一点，让爱心尖端更居中drawHeart(frame, current_scale, center, heart_color);// 4. 显示帧cv::imshow(WINDOW_NAME, frame);// 5. 延迟并检查按键int key = cv::waitKey(30); // 大约 33 FPSif (key == 27) { // ESC键break;}time += 1.0; // 更新时间变量}cv::destroyAllWindows();return 0;
}

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代码详解

drawHeart 函数

• cv::Mat& image: 要在其上绘制爱心的画布。
• double scale: 控制爱心整体大小的缩放因子。
• const cv::Point& center: 爱心在画布上的中心点。
• const cv::Scalar& color: 爱心的颜色。
• 循环变量 t 从 0 到 2 * M_PI 步进，计算参数方程定义的点 (x_param, y_param)。
• cv_x = static_cast<int>(center.x + scale * x_param);
• cv_y = static_cast<int>(center.y - scale * y_param);：将参数点转换为 OpenCV 窗口坐标。特别注意 y_param 前的负号，这是因为参数方程中定义的 y 轴通常指向上方，而 OpenCV 图像的 y 轴指向下方。
• 计算出的点存储在 std::vector<cv::Point> heart_points 中。
• cv::fillPoly(...): 使用指定的颜色填充由 heart_points 定义的多边形（爱心）。cv::polylines 可以用来只画轮廓。

main 函数

• cv::Mat frame(...): 创建一个 CV_8UC3 类型（8位无符号字符型，3通道彩色）的图像作为画布，并用深灰色初始化背景。
• time: 一个简单的时间变量/帧计数器，用于驱动心跳动画的周期性变化。
• base_scale: 爱心参数方程中固有大小的一个基础乘数。调整它会改变爱心的整体大小。
• beat_amplitude: 控制心跳时大小变化的幅度。例如，0.2 表示大小在基础大小的 (1-0.2)倍 到 (1+0.2)倍之间变化。
• beat_frequency: 控制心跳的快慢。值越大，跳动越快。
• while (true): 主动画循环。
  • frame = cv::Scalar(20, 20, 20);: 每帧开始时，用背景色重置（清空）画布。
  • current_beat_factor = 1.0 + beat_amplitude * std::sin(beat_frequency * time);: 使用 std::sin 函数计算当前帧的缩放因子。sin 函数产生 [-1, 1] 范围内的值，因此 current_beat_factor 会在 [1.0 - beat_amplitude, 1.0 + beat_amplitude] 之间平滑地变化。
  • current_scale = base_scale * current_beat_factor;: 计算最终应用于 drawHeart 函数的缩放值。
  • drawHeart(...): 调用函数绘制当前帧的爱心。
  • cv::imshow(WINDOW_NAME, frame);: 显示包含爱心的帧。
  • cv::waitKey(30);: 等待 30 毫秒。这既控制了动画的帧率，也为 OpenCV 处理窗口事件（如按键）提供了机会。如果用户按下 ESC 键（ASCII码 27），循环中断。
  • time += 1.0;: 递增时间变量，为下一帧的计算做准备。
• cv::destroyAllWindows();: 关闭所有 OpenCV 创建的窗口。

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编译与运行

假设你的 C++ 文件名为 beating_heart.cpp。

使用 CMake (推荐):

1. 创建 CMakeLists.txt 文件：

   cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
   project(BeatingHeart)set(CMAKE_CXX_STANDARD 14) # C++14 或更高find_package(OpenCV REQUIRED)include_directories(${OpenCV_INCLUDE_DIRS})add_executable(BeatingHeartApp beating_heart.cpp)
   target_link_libraries(BeatingHeartApp ${OpenCV_LIBS})
   

2. 编译：

   mkdir build && cd build
   cmake ..
   make  # 或者在 Visual Studio 中打开生成的项目并编译
   ./BeatingHeartApp # Linux/macOS
   # .\Release\BeatingHeartApp.exe # Windows (Visual Studio Release build)
   

直接使用 g++ (Linux/macOS):

g++ beating_heart.cpp -o BeatingHeartApp $(pkg-config --cflags --libs opencv4)
./BeatingHeartApp

(如果你的 pkg-config 对应 OpenCV 3.x，请使用 opencv 而不是 opencv4)

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效果展示

运行程序后，你将看到一个窗口，其中有一个红色的爱心在深灰色背景上平滑地放大和缩小，模拟心跳的效果。按 ESC 键可以关闭窗口并退出程序。

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总结与扩展

通过这个简单的项目，我们学习了如何使用 OpenCV 的绘图功能和参数方程来创建形状，并通过周期性改变其属性来制作动画。

可以尝试的扩展：

• 颜色变化： 让爱心的颜色随心跳一起脉动。
• 更复杂的心跳： 模拟更真实的心跳曲线（例如，快速收缩，然后稍慢舒张）。
• 背景效果： 添加动态背景或粒子效果。
• 用户交互： 允许用户通过鼠标点击改变心跳速率或颜色。
• 多个爱心： 绘制多个以不同节奏或相位跳动的爱心。

希望你喜欢这个教程！