python画方波_今天学会傅里叶画画，明天就是初音未来

前言：

最近在【编程德鲁伊】的【傅里叶级数可视化】章节中，练习了傅里叶级数基础原理的可视化，演示了周期方波曲线，可以分解为一系列正弦波曲线：

这次拿学到的知识做个实验，试试喜闻乐见的【用傅里叶级数画画】，并尽可能简单直观的解释一下原理。

自认为简单直观的原理解释

之前练习的可视化，都是在二维空间进行，例如正弦波：

方波（通过傅里叶级数）：

图中左半边的圆周（Epicycle）和右半边正弦波/方波的关系：左半边是一个运动点，在一个圆周或多个圆周组合上随着时间t转动；

右半边，是将时间t映射到横轴x轴上，纵轴仍是运动点当前的y值保持不变。

也就是说，把时间域转换为空间域，就能从一个圆周得到正弦曲线，或者从一系列圆周组合，得到方波曲线。

我们把方波可视化左右两边的运动点轨迹也画出来：

左半边由一系列圆周（Epicycle）组成的轨迹，与右半边的方波（Square）轨迹，其实只是同一个运动点在不同空间里的展现方式而已。

豁然开朗有没有！！！（此处插入打赏掌声！）

为了说的更清楚一些，接下来把空间域从二维换到三维，时间t不再映射到x轴，而是映射到z轴上：

上图从正面看过去，仍是一个圆周，而在三维空间里旋转坐标轴，从侧面看过去时，它实际上就是一个正弦曲线。

方波的也一样：

正面的橙色轨迹，转换角度，从侧面看，就是方波的曲线。

再次豁然开朗有没有！！！

进一步，根据傅里叶级数原理，为了得到方波（橙色），就要想办法得到组成方波的一系列正弦波（金黄色）：

换一个视角，为了得到最终的运动轨迹（橙色），就要想办法得到组成轨迹的一系列Epicycle圆周（金黄色）：

而这个橙色的运动轨迹，可以是各种形状，也就是说，无论想画什么图形，只要按照傅里叶级数的原理，找到一系列Epicycle圆周，就可以画出来了！

金猪报喜

傅里叶本尊

怎么样，这样去理解傅里叶级数画画的原理，是不是容易了一些？

接下来要解决的，就是如何为“任意”图案找到对应的一组Epicycle圆周的问题。

从数学上讲，就是求傅里叶级数里每个子项对应的傅里叶系数（a和b）：

各项系数a和b都找到后，合起来就可以得到f(x)。

求傅里叶系数的方法有很多，积分、傅里叶变换等。

详细的原理推导，我还没有复习重修，所以对于如何把大象装冰箱的回答，仍然是：

1.打开冰箱门；2.把大象装进去；3.关门。

直接对图案轨迹进行傅里叶变换，即可得到傅里叶系数。

而在计算机程序里，所有的数据都是离散的，所以实际上程序里用的是离散傅里叶变换。

关于这个环节，参考资源较多，尤其是用Web前端/JavaScript/p5.js做的不少，列在后面。

本文的配图和动画，是用 Blender + Python 完成：

等等老乡，还没完。

从上图里傅里叶的配色就能看出，我其实原本是打算画 Miku 酱的（初音未来）：

然而码到用时方恨不会，关于傅里叶画画这个问题，其实更难的是找到合适的图案轨迹，并不是随便一个图都能轻松画出来的，这也是为什么上文中，我给任意图案的“任意”两字加了引号。

从数学上讲，在一些特定条件的约束下，一个函数才能用傅里叶级数来表达。

而找出这个图案轨迹的过程，复杂度远超用傅里叶级数画轨迹本身。

后面将附上其他高人的文章供参考。

本文投入的精力仅能画简单的轨迹线，所以Miku就换成了傅里叶他老人家：

最终效果（三个视角）:

参考资源

Talk is cheap. Show me the code!

本文中提到的傅里叶级数基本原理可视化，文章可从公众号菜单“笔记教程-编程德鲁伊”获得。

绝大部分开源在这里：

https://github.com/avantcontra/coding-druid

本文傅里叶画画的实验代码，可在知识星球中获取，感谢已经加入星球的朋友们。

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