使用 Python Manim 实现冒泡排序可视化动画

半杯拿铁

发布时间：2026-10-12 | 4人浏览过

原创

本文详细介绍如何利用 Python 的 Manim 引擎制作冒泡排序可视化动画。通过逐步讲解场景初始化、元素动态交换逻辑以及底层数据结构同步技巧，帮助开发者快速掌握 Manim 核心用法，实现流畅的算法教学视频素材。

Manim 简介与环境说明

Manim 是一个用于精确编程动画的引擎，最初由 3Blue1Brown 开发，专为创建解释性数学与计算机科学视频而设计。目前主要分为两个分支：原始的 3b1b/manim（常用命令为 manimgl）以及致力于更稳定测试与社区协作的 ManimCommunity 版本。本教程基于 ManimGL 分支进行演示，其动画语法能完美支持教学场景下的元素交互需求。

构建基础可视化场景

第1步：初始化元素与排版

目的：在画布上创建代表数组数值的矩形条，并按顺序排列以便观察排序过程。
入口：新建 main.py 文件。

我们继承 Scene 基类并重写 construct 方法搭建场景。利用 Rectangle 绘制矩形条，将其高度映射为数组数值大小，同时叠加 Text 显示具体数字。最后将所有组合元素放入 VGroup 中，并通过 arrange(RIGHT, aligned_edge=DOWN) 实现右向依次排列且底部对齐。

from manimlib import *

class Test(Scene):
    def construct(self):
        COLOR = [BLUE, GREEN, RED, PINK, ORANGE, MAROON_B, TEAL, PURPLE_B, GREY_BROWN]
        arr = [4, 2, 3, 1, 5]
        g = VGroup()
        for i in range(len(arr)):
            r1 = Rectangle(width=1, height=arr[i], fill_color=COLOR[i%len(COLOR)], fill_opacity=1)
            t1 = Text(str(arr[i])).scale(0.5)
            rec = VGroup(r1, t1)
            g.add(rec)
        g.arrange(RIGHT, aligned_edge=DOWN)
        self.add(g)
        self.wait()

Manim初始运行的五个彩色矩形条水平排列画面 — 运行脚本后生成的初始静态布局，底部对齐的数值条已就位

使用命令行执行渲染：

manimgl main.py Test

实现元素平滑交换

第2步：定位目标坐标并触发动画

目的：让相邻的两个数值条在满足大小条件时平滑互换位置，保持视觉对齐。
操作：调用 generate_target() 预设目标状态。

直接使用内置的 CyclicReplace 会导致元素交换后顶部对齐错乱。更稳健的做法是利用元素的 target 属性：先生成目标状态，通过 next_to(vm2, ORIGIN, aligned_edge=DOWN) 指定目标位置，再使用 MoveToTarget 驱动动画播放。

g[0].generate_target()
g[0].target.next_to(g[1], ORIGIN, aligned_edge=DOWN)
g[1].generate_target()
g[1].target.next_to(g[0], ORIGIN, aligned_edge=DOWN)
self.play(MoveToTarget(g[0]), MoveToTarget(g[1]))
self.wait()

执行MoveToTarget动画后的位置互换效果 — 成功平滑互换位置并保持底部对齐的动画结果

编写完整冒泡排序动画

第3步：整合比较、高亮与数据同步逻辑

目的：完整实现冒泡排序算法的每一步可视化对比，处理动画对象与底层列表索引的不同步问题。
重要参数：使用 Indicate 增加红圈对焦提示，提升教学清晰度。

在执行多次交换时，直接对 VGroup 使用切片或索引赋值会触发 TypeError: 'VGroup' object does not support item assignment。因此需维护一个独立的列表（如 self.vmArr）来同步存储可视化对象。当底层数组发生数值交换时，同步更新该列表的索引对应关系。

from manimlib import *

class BubbleSort(Scene):
    def construct(self):
        self.COLOR = [BLUE, GREEN, RED, PINK, ORANGE, MAROON_B, TEAL, PURPLE_B, GREY_BROWN]
        self.bubbleSort([4, 2, 3, 1, 5])

    def init_vmobj(self, arr):
        self.vmArr = []
        g = VGroup()
        for i in range(len(arr)):
            # 高度除以2使画面比例更协调
            r1 = Rectangle(width=1, height=arr[i]/2, fill_color=self.COLOR[i%len(self.COLOR)], fill_opacity=1)
            t1 = Text(str(arr[i])).scale(0.5)
            rec = VGroup(r1, t1)
            self.vmArr.append(rec)
            g.add(rec)
        g.arrange(RIGHT, aligned_edge=DOWN)
        self.add(g)
        self.wait()

    def bubbleSort(self, arr):
        self.init_vmobj(arr)
        n = len(arr)
        for i in range(1, n):
            for j in range(0, n-i):
                # 高亮当前比较的一对元素
                self.play(Indicate(self.vmArr[j]))
                self.play(Indicate(self.vmArr[j+1], color=RED))
                
                if arr[j] > arr[j+1]:
                    arr[j], arr[j+1] = arr[j+1], arr[j]
                    self.cyc_move(self.vmArr[j], self.vmArr[j+1])
                    # 同步更新可视化对象列表的索引
                    self.vmArr[j], self.vmArr[j+1] = self.vmArr[j+1], self.vmArr[j]
        return arr

    def cyc_move(self, vm1, vm2):
        vm1.generate_target()
        vm1.target.next_to(vm2, ORIGIN, aligned_edge=DOWN)
        vm2.generate_target()
        vm2.target.next_to(vm1, ORIGIN, aligned_edge=DOWN)
        self.play(MoveToTarget(vm1), MoveToTarget(vm2))
        self.wait()