【100天精通Python】Day67：Python可视化_Matplotlib 绘动画，2D、3D 动画示例+代码-编程知识

1 绘制2D动画（animation）

Matplotlib是一个Python绘图库，它提供了丰富的绘图功能，包括绘制动画。要绘制动画，Matplotlib提供了FuncAnimation类，允许您创建基于函数的动画。下面是一个详细的Matplotlib动画示例，演示了如何创建一个简单的动画。

示例1：Matplotlib绘制一个简单的正弦波动画：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import FuncAnimation# 创建一个空白图形
fig, ax = plt.subplots()# 创建一个空白线条，稍后将在动画中更新
line, = ax.plot([], [], lw=2)# 设置坐标轴范围
ax.set_xlim(0, 2*np.pi)
ax.set_ylim(-1, 1)# 初始化函数，用于创建空白图形
def init():line.set_data([], [])return line,# 动画更新函数，在每一帧中更新线条数据
def update(frame):x = np.linspace(0, 2*np.pi, 1000)y = np.sin(2*np.pi * (x - 0.01 * frame))line.set_data(x, y)return line,# 创建动画对象，传递初始化函数和更新函数
ani = FuncAnimation(fig, update, frames=200, init_func=init, blit=True)# 保存动画为gif文件（可选）
ani.save('sine_wave_animation.gif', writer='pillow', fps=30)# 显示动画
plt.show()

这个示例演示了如何创建一个简单的正弦波动画。让我们分析一下代码：

我们首先导入必要的库，包括NumPy和Matplotlib中的FuncAnimation类。

创建一个图形对象（fig）和一个坐标轴对象（ax），然后创建一个空白的线条对象（line）。

设置坐标轴范围。

编写init函数，它用于初始化图形，此处是清空线条。

编写update函数，它在每一帧中更新线条的数据。在这个示例中，我们绘制了一个在x轴上以不同速度移动的正弦波。

创建FuncAnimation对象，传递初始化函数、更新函数、帧数等参数。

最后，您可以选择将动画保存为GIF文件（使用ani.save）或直接在窗口中显示（使用plt.show()）。

示例2：绘制散点图动画

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
import numpy as npfig, ax = plt.subplots()x = np.random.rand(100)
y = np.random.rand(100)
scatter = ax.scatter(x, y)def update(frame):scatter.set_offsets(np.column_stack((x+frame/100, y)))return scatter,ani = animation.FuncAnimation(fig, update, frames=100, interval=50)
ani.save('animation.gif', writer='pillow')
plt.show()

2 matplotlib 绘制3D动画（animation）

Matplotlib允许您创建3D动画，通过使用FuncAnimation类，您可以在3D场景中制作动画。

示例：Matplotlib 绘制旋转的魔方动画

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from matplotlib.animation import FuncAnimation
from mpl_toolkits.mplot3d.art3d import Poly3DCollection# 创建一个3D图形对象
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')# 定义立方体的顶点坐标和连接顺序
vertices = np.array([[1, 1, 1], [1, 1, -1], [1, -1, -1], [1, -1, 1],[-1, 1, 1], [-1, 1, -1], [-1, -1, -1], [-1, -1, 1]])faces = [[vertices[0], vertices[1], vertices[2], vertices[3]],[vertices[4], vertices[5], vertices[6], vertices[7]],[vertices[0], vertices[1], vertices[5], vertices[4]],[vertices[2], vertices[3], vertices[7], vertices[6]],[vertices[0], vertices[3], vertices[7], vertices[4]],[vertices[1], vertices[2], vertices[6], vertices[5]]]# 定义每个面的颜色
colors = ['r', 'g', 'b', 'y', 'm', 'c']# 初始化函数，创建空白图形
def init():return ax# 动画更新函数，用于旋转立方体
def update(frame):ax.cla()  # 清除当前图形ax.set_xlim(-2, 2)ax.set_ylim(-2, 2)ax.set_zlim(-2, 2)ax.set_title(f'Frame {frame}')# 旋转立方体angle = frame * (360 / frames)for i, face in enumerate(faces):rotated_face = []for vertex in face:x, y, z = vertexx_rotated = x * np.cos(np.radians(angle)) - z * np.sin(np.radians(angle))z_rotated = x * np.sin(np.radians(angle)) + z * np.cos(np.radians(angle))rotated_face.append([x_rotated, y, z_rotated])rotated_face = np.array(rotated_face)ax.add_collection3d(Poly3DCollection([rotated_face], facecolors=colors[i], alpha=0.8))return axframes = 100  # 动画帧数
ani = FuncAnimation(fig, update, frames=frames, init_func=init, blit=False)# 在创建FuncAnimation对象之后，添加以下代码保存动画为GIF文件
ani.save('rotating_colored_cube_animation.gif', writer='pillow', fps=30)# 显示动画
plt.show()

上述代码演示了如何使用Matplotlib创建一个旋转的彩色3D立方体动画，并将其保存为GIF文件。以下是代码的主要部分和功能分析：

首先，导入必要的Python库：

numpy：用于处理数学运算和数组操作。
matplotlib.pyplot：Matplotlib的绘图模块，用于创建和显示图形。
mpl_toolkits.mplot3d.Axes3D：Matplotlib的3D绘图工具。
matplotlib.animation.FuncAnimation：用于创建动画的Matplotlib类。

创建一个3D图形对象（fig）和一个3D坐标轴对象（ax）。

定义立方体的顶点坐标（vertices）和连接顺序（faces）。vertices包含了立方体的八个角点的坐标，而faces包含了连接这些点的面。

定义每个面的颜色（colors），这里使用了六种不同的颜色。

编写初始化函数init，它返回一个空白的3D图形。

编写动画更新函数update，它在每一帧中清除当前图形，然后重新绘制旋转后的立方体。动画中的旋转通过逐渐改变角度（angle）来实现。每个面的顶点坐标都根据旋转角度计算出旋转后的坐标，然后使用Poly3DCollection来绘制立方体的面，每个面使用不同的颜色。

定义动画帧数（frames），表示动画的总帧数。

使用FuncAnimation类创建动画对象（ani），传递初始化函数、更新函数、帧数等参数。

使用ani.save方法将动画保存为GIF文件，指定文件名（'rotating_colored_cube_animation.gif'）、GIF编写器（'pillow'，使用Pillow库）和帧速率（fps=30）。

最后，通过plt.show()显示动画。

这段代码实现了一个具有旋转动画效果的3D立方体，每个面都有不同的颜色，生成的动画保存为GIF文件。您可以根据需要修改颜色、帧数、文件名等参数来自定义动画。

3 总结：绘制动画的通用流程

（1）导入必要的库：首先，你需要导入Matplotlib库及其子模块，例如pyplot和animation。通常使用以下语句导入这些库：

import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import FuncAnimation

（2）创建画布和子图：使用Matplotlib创建一个画布并添加子图（axes）。可以使用`plt.subplots()`函数来完成这个步骤：

fig, ax = plt.subplots()

（3）定义初始化函数：创建一个函数来初始化动画。这个函数会设置图形的初始状态，例如绘制图形的背景、坐标轴的范围等，确保动画的每一帧都从相同的初始状态开始。

def init():# 设置图形的初始状态return ax

（4）定义更新函数：创建一个函数来更新动画的每一帧。通常，这个函数根据时间或数据的变化更新图形。例如，你可以使用以下语句在每一帧中更新线条的位置：

```python
def update(frame):# 更新图形的每一帧# 更新线条的位置或其他图形元素return ax
```

（5）创建动画对象：使用`FuncAnimation`类创建一个动画对象。这个类接受以下参数：绘制图形的画布、更新函数、帧数、帧之间的延迟以及初始化函数。可以使用以下语句创建动画对象：

anim = FuncAnimation(fig, update, frames=num_frames, init_func=init, interval=interval, blit=True)

其中，`fig`是创建的画布对象，通常为第2步中创建的对象；`update`是在第4步中定义的更新函数；`num_frames`是动画的总帧数；`init`是在第3步中定义的初始化函数；`interval`是帧之间的延迟（以毫秒为单位）；`blit`是一个布尔值，表示是否只绘制变化的部分（默认值为False）。

（6）显示动画：使用`plt.show()`函数来显示动画。