挑战任务：画动态时钟

挑战任务：使用 OpenCV 绘制一个随系统时间动态变化的时钟。

挑战内容

完成如下图所展示的动态时钟，时钟需随系统时间变化，中间显示当前日期。

其实本次任务涉及的 OpenCV 知识并不多，但有助于提升大家的编程实践能力。

挑战题不会做也木有关系，但请务必在自行尝试后，再看下面的解答噢，不然...我也没办法(￣ ▽ ￣)"

挑战解答

方案

本次挑战任务旨在提升大家的动手实践能力，解决实际问题，所以我们得先有个解题思路和方案。观察下常见的时钟表盘：

整个表盘其实只有 3 根表针在动，所以可以先画出静态表盘，然后获取系统当前时间，根据时间实时动态绘制 3 根表针就解决了。

绘制表盘

表盘上只有 60 条分/秒刻线和 12 条小时刻线，当然还有表盘的外部轮廓圆，也就是重点在如何画 72 根线。先把简单的圆画出来：

import cv2
import math
import datetime
import numpy as np

margin = 5  # 上下左右边距
radius = 220  # 圆的半径
center = (center_x, center_y) = (225, 225)  # 圆心

# 1. 新建一个画板并填充成白色
img = np.zeros((450, 450, 3), np.uint8)
img[:] = (255, 255, 255)

# 2. 画出圆盘
cv2.circle(img, center, radius, (0, 0, 0), thickness=5)

前面我们使用 OpenCV 画直线的时候，需知道直线的起点和终点坐标，那么画 72 根线就变成了获取 72 组坐标。

在平面坐标系下，已知半径和角度的话，A 点的坐标可以表示为：

$$\begin{matrix} x=r\times \cos\alpha \newline y=r\times \sin\alpha \end{matrix}$$

先只考虑将坐标系原点移动到左上角，角度依然是平面坐标系中的逆时针计算，那么新坐标是：

$$\begin{matrix} x=r+r\times \cos\alpha \newline y=r+r\times \sin\alpha \end{matrix}$$

对于 60 条分/秒刻线，刻线间的夹角是 360°/60=6°，对于小时刻线，角度是 360°/12=30°，这样就得到了 72 组起点坐标，那怎么得到终点坐标呢？其实同样的原理，用一个同心的小圆来计算得到 B 点：

通过 A/B 两点就可以画出直线：

pt1 = []

# 3. 画出 60 条秒和分钟的刻线
for i in range(60):
    # 最外部圆，计算 A 点
    x1 = center_x+(radius-margin)*math.cos(i*6*np.pi/180.0)
    y1 = center_y+(radius-margin)*math.sin(i*6*np.pi/180.0)
    pt1.append((int(x1), int(y1)))

    # 同心小圆，计算 B 点
    x2 = center_x+(radius-15)*math.cos(i*6*np.pi/180.0)
    y2 = center_y+(radius-15)*math.sin(i*6*np.pi/180.0)

    cv2.line(img, pt1[i], (int(x2), int(y2)), (0, 0, 0), thickness=2)

# 4. 画出 12 条小时的刻线
for i in range(12):
    # 12 条小时刻线应该更长一点
    x = center_x+(radius-25)*math.cos(i*30*np.pi/180.0)
    y = center_y+(radius-25)*math.sin(i*30*np.pi/180.0)
    # 这里用到了前面的 pt1
    cv2.line(img, pt1[i*5], (int(x), int(y)), (0, 0, 0), thickness=5)

# 到这里基本的表盘图就已经画出来了

角度换算

接下来算是一个小难点，首先时钟的起始坐标在正常二维坐标系的 90° 方向，其次时钟跟图像一样，都是顺时针计算角度的，所以三者需要统一下：

因为角度是完全对称的，顺逆时针没有影响，所以平面坐标系完全不用理会，放在这里只是便于大家理解。对于时钟坐标和图像坐标，时钟 0 的 0° 对应图像的 270°，时钟 15 的 90° 对应图像的 360°，时钟 30 的 180° 对应图像的 450°（360°+90°）...

所以两者之间的关系便是：

计算角度 = 时钟角度 +270°
计算角度 = 计算角度 if 计算角度<=360° else 计算角度 -360°

同步时间

Python 中如何获取当前时间和添加日期文字都比较简单，看代码就行，我就不解释了。代码中角度计算我换了一种方式，其实是一样的，看你能不能看懂(●ˇ∀ˇ●)：

while(1):
    # 不断拷贝表盘图，才能更新绘制，不然会重叠在一起
    temp = np.copy(img)

    # 5. 获取系统时间，画出动态的时 - 分-秒三条刻线
    now_time = datetime.datetime.now()
    hour, minute, second = now_time.hour, now_time.minute, now_time.second

    # 画秒刻线
    # OpenCV 中的角度是顺时针计算的，所以需要转换下
    sec_angle = second*6+270 if second <= 15 else (second-15)*6
    sec_x = center_x+(radius-margin)*math.cos(sec_angle*np.pi/180.0)
    sec_y = center_y+(radius-margin)*math.sin(sec_angle*np.pi/180.0)
    cv2.line(temp, center, (int(sec_x), int(sec_y)), (203, 222, 166), 2)

    # 画分刻线
    min_angle = minute*6+270 if minute <= 15 else (minute-15)*6
    min_x = center_x+(radius-35)*math.cos(min_angle*np.pi/180.0)
    min_y = center_y+(radius-35)*math.sin(min_angle*np.pi/180.0)
    cv2.line(temp, center, (int(min_x), int(min_y)), (186, 199, 137), 8)

    # 画时刻线
    hour_angle = hour*30+270 if hour <= 3 else (hour-3)*30
    hour_x = center_x+(radius-65)*math.cos(hour_angle*np.pi/180.0)
    hour_y = center_y+(radius-65)*math.sin(hour_angle*np.pi/180.0)
    cv2.line(temp, center, (int(hour_x), int(hour_y)), (169, 198, 26), 15)

    # 6. 添加当前日期文字
    font = cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX
    time_str = now_time.strftime("%d/%m/%Y")
    cv2.putText(img, time_str, (135, 275), font, 1, (0, 0, 0), 2)

    cv2.imshow('clocking', temp)
    if cv2.waitKey(1) == 27:  # 按下 ESC 键退出
        break

本此挑战旨在锻炼一步步解决实际问题的思路（虽然有点数学知识(￣ ▽ ￣)"），大家再接再厉噢！

引用

• 本节源码