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用python擬合等角螺線的實現(xiàn)示例

發(fā)布時間:2020-09-04 01:27:53 來源:腳本之家 閱讀:520 作者:天元浪子 欄目:開發(fā)技術(shù)

人類很早就注意到飛蛾撲火這一奇怪的現(xiàn)象,并且自作主張地賦予了飛蛾撲火很多含義,引申出為了理想和追求義無反顧、不畏犧牲的精神。但是,這種引申和比喻,征求過飛蛾的意見嗎?

后來,生物學(xué)家又提出來昆蟲趨光性這一假說來解釋飛蛾撲火。不過,這個假說似乎也不成立。如果昆蟲真的追逐光明,估計地球上早就沒有昆蟲了——它們應(yīng)該齊刷刷整體移民到太陽或月亮上去了。

仔細(xì)觀察飛蛾撲火,就會發(fā)現(xiàn),昆蟲們并不是筆直地飛向光源,而是繞著光源飛行,同時越來越接近光源,最終釀成了“慘案”。這一行為被解釋成“失誤”似乎更合理一點(diǎn)。既然火燭危險,那么飛蛾為什么要繞著火燭飛行呢?

最新的解釋是,飛蛾在夜晚飛行時是依據(jù)月光和星光作為參照物進(jìn)行導(dǎo)航的。星星和月亮離我們非常遠(yuǎn),光到了地面上可以看成平行光,當(dāng)飛蛾的飛行路徑保持與光線方向成恒定夾角時,飛蛾就變成了直線飛行,如下圖所示。

用python擬合等角螺線的實現(xiàn)示例

然而,當(dāng)飛蛾遇到了火燭等危險光源時,還是按照以前的飛行方式,路徑保持與光線方向成恒定夾角,以為依舊能飛成一條直線,結(jié)果悲劇了。此時它的飛行軌跡并不是一條直線,而是一條等角螺旋線,如下圖所示。

用python擬合等角螺線的實現(xiàn)示例

可憐的飛蛾!億萬年進(jìn)化出來的精準(zhǔn)導(dǎo)航,在人工光源的干擾下竟如此不堪。

螺線及等角螺線

螺線家族很龐大,比如,阿基米德螺線、費(fèi)馬螺線、等角螺線、雙曲螺線、連鎖螺線、斐波那契螺線、歐拉螺線等等。等角螺線,又叫對數(shù)螺線,螺線家族的一員。

早在2000多年以前,古希臘數(shù)學(xué)家阿基米德就對螺旋線進(jìn)行了研究。公元1638年,著名數(shù)學(xué)家笛卡爾首先描述了對數(shù)螺旋線(等角螺旋線),并列出了螺旋線的解析式。這種螺旋線有很多特點(diǎn),其中最突出的一點(diǎn)就是它的形狀,無論你把它放大或縮小它都不會有任何的改變。就像我們不能把角放大或縮小一樣。

用python擬合等角螺線的實現(xiàn)示例

用極坐標(biāo)分析法分析飛蛾撲火的飛行軌跡,可知,軌跡線上任意一點(diǎn)的切線與該點(diǎn)與原點(diǎn)的連線之間的夾角是固定的,這就是等角螺線得名的由來。因為分析過程使用了對數(shù),所以等角螺線又叫對數(shù)螺線。我不太會用LaTeX寫數(shù)學(xué)公式,所以就用 python 的方法寫出螺線方程。其中,fixed 表示螺線固定角,大于 pi/2 則為順時針螺線,小于 pi/2 則為逆時針螺線。theta 表示旋轉(zhuǎn)弧度,r 表示距離中心點(diǎn)距離。

r = fixed*np.exp(theta/np.tan(fixed))

等角螺線在生活中也經(jīng)常見到,比如,鸚鵡螺的花紋、玫瑰花瓣的排列,星系的懸臂,低氣壓云圖等。

用python擬合等角螺線的實現(xiàn)示例

繪制等角螺線

給定中心點(diǎn)和固定角,一個等角螺線就被唯一地確定了。這個螺線可以繞很多圈,可以填滿整個宇宙。但很多時候,我們往往只需要觀察螺線上的一小部分,這時候就需要兩個參數(shù)來約定:一個叫作 circle,表示你希望看到多少圈螺線,一個叫作 phase,表示螺線的可見部分向內(nèi)(順時針)或向外(逆時針螺線)旋轉(zhuǎn)多少圈。

這是使用 matplotlib 繪制等角螺線的函數(shù),其中固定角參數(shù) fixed 做了一點(diǎn)處理:以度(°)為單位,以零為中心,大于零則為順時針螺線,小于零則為逆時針螺線

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

from pylab import mpl
mpl.rcParams['font.sans-serif'] = ['FangSong']
mpl.rcParams['axes.unicode_minus'] = False

def plotSpiral(core, fixed, phase=0, circle=4):
  """繪制等角螺線
  core		- 等角螺線的中心坐標(biāo),tuple類型
  fixed    - 等角螺線的固定角度,單位:度(°)。fixed大于零則為順時針螺線,小于零則為逆時針螺線
  phase    - 初始相位,單位:圈(360°)。對順時針螺線,該數(shù)值越大,螺線越大,對逆時針螺線則相反
  circle   - 螺線可見部分的圈數(shù),單位:圈(360°)
  """
  
  plt.axis("equal")
  plt.plot([core[0]], [core[1]], c='red', marker='+', markersize=10)
  
  fixed_rad = np.radians(90 + fixed)
  theta = np.linspace(0, circle*2*np.pi, 361) + phase*2*np.pi
  r = fixed_rad*np.exp(theta/np.tan(fixed_rad))
  x = r*np.cos(theta) + core[0]
  y = r*np.sin(theta) - core[1]
  plt.plot(x, y, c='blue')
  
  plt.show()

下圖展示了逆時針等角螺線各個參數(shù)的意義:

用python擬合等角螺線的實現(xiàn)示例

下圖展示了順時針等角螺線各個參數(shù)的意義:

用python擬合等角螺線的實現(xiàn)示例

擬合等角螺線

在臺風(fēng)定位時,需要手動確定臺風(fēng)中心位置,并標(biāo)識出臺風(fēng)螺線軌跡上的部分點(diǎn),然后逆合出螺線方程。如下圖所示,藍(lán)色十字為臺風(fēng)中心點(diǎn),5個黃色圓點(diǎn)是手工標(biāo)注的臺風(fēng)螺線軌跡上的點(diǎn)。

用python擬合等角螺線的實現(xiàn)示例

以下為擬合函數(shù)

import numpy as np
from scipy import optimize

def fit_spiral(core, dots):
  """擬合等角螺線,返回定角fixed,初始相位phase"""
  
  fixed_ccw = 0.445*np.pi
  fixed_cw = 0.555*np.pi
  
  # 將dots拆分成x_list和y_list
  x_list, y_list = list(), list()
  for x, y in dots:
    x_list.append(x-core[0])
    y_list.append(y-core[1])
  
  # 計算距離
  x = np.array(x_list)
  y = np.array(y_list)
  r = np.hypot(x,y)
  
  # 按照距離排序
  sort_mask = np.argsort(r)
  x = x[sort_mask]
  y = y[sort_mask]
  r = r[sort_mask]
  
  # 計算角度
  theta = np.arctan(y/x)
  theta[x<0] += np.pi
  
  # 確定順序(CW-順時針,CCW-逆時針)
  d = np.diff(theta)
  print(d)
  ccw = d[d>0].size > d[d<0].size
  print('ccw=',ccw)
  
  # 調(diào)整角度為升序(CCW)或降序(CW)
  if ccw:
    for i in range(1, theta.size):
      while theta[i] < theta[i-1]:
        theta[i] += 2*np.pi
      
      dtheta = theta[i] - theta[i-1]
      while r[i]/r[i-1] > 1.8*np.exp(dtheta/np.tan(fixed_ccw)):
        theta[i] += 2*np.pi
        dtheta = theta[i] - theta[i-1]
  else:
    for i in range(theta.size-1)[::-1]:
      while theta[i] < theta[i+1]:
        theta[i] += 2*np.pi
      
      dtheta = theta[i+1] - theta[i]
      while r[i+1]/r[i] > 1.8*np.exp(dtheta/np.tan(fixed_cw)):
        theta[i] += 2*np.pi
        dtheta = theta[i+1] - theta[i]
  
  # 定義擬合函數(shù)
  def fmax(theta, fixed, phase):
    fixed = np.radians(90 + fixed)
    return fixed*np.exp((theta+phase*2*np.pi)/np.tan(fixed))
  
  try: 
    fita, fitb = optimize.curve_fit(fmax, theta, r, [2-int(ccw), 0], maxfev=10000)
    return fita
  except:
    return None

core = (530, 496)
dots = [(467,538), (448,675), (522,484), (513,451), (811,519)]
result = fit_spiral(core, dots)
if isinstance(result, np.ndarray):
  plotSpiral(core, result[0], phase=result[1], circle=4)
else:
  print(u'擬合失敗')

擬合效果如下圖:

用python擬合等角螺線的實現(xiàn)示例

以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持億速云。

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