Python中的图形绘图 |设置 3

Python中的图形绘图 |设置 1
Python中的图形绘图 |设置 2

Matplotlib 是一个非常广泛的库，它也支持图形动画。动画工具以matplotlib.animation基类为中心，它提供了一个构建动画功能的框架。主要的接口是TimedAnimation和FuncAnimation ，在这两个接口中， FuncAnimation是最方便使用的一个。

安装：

Matplotlib ：请参阅Python中的图形绘图 |设置 1
Numpy：您可以使用以下 pip 命令安装 numpy 模块：
```
pip install numpy
```
FFMPEG ：仅在将动画保存为视频时才需要。可执行文件可以从这里下载。

执行：

# importing required modules
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
import numpy as np
  
# create a figure, axis and plot element
fig = plt.figure()
ax = plt.axes(xlim=(-50, 50), ylim=(-50, 50))
line, = ax.plot([], [], lw=2)
  
# initialization function
def init():
    # creating an empty plot/frame
    line.set_data([], [])
    return line,
  
# lists to store x and y axis points
xdata, ydata = [], []
  
# animation function
def animate(i):
    # t is a parameter
    t = 0.1*i
      
    # x, y values to be plotted
    x = t*np.sin(t)
    y = t*np.cos(t)
      
    # appending new points to x, y axes points list
    xdata.append(x)
    ydata.append(y)
      
    # set/update the x and y axes data
    line.set_data(xdata, ydata)
      
    # return line object
    return line,
      
# setting a title for the plot
plt.title('A growing coil!')
# hiding the axis details
plt.axis('off')
  
# call the animator    
anim = animation.FuncAnimation(fig, animate, init_func=init,
                               frames=500, interval=20, blit=True)
  
# save the animation as mp4 video file
anim.save('animated_coil.mp4', writer = 'ffmpeg', fps = 30)
  
# show the plot
plt.show()

这是输出动画的样子：现在，让我们尝试分段理解代码：

```
fig = plt.figure()
ax = plt.axes(xlim=(-50, 50), ylim=(-50, 50))
line, = ax.plot([], [], lw=2)
```
在这里，我们首先创建一个图形，即所有子图的顶级容器。
然后我们创建一个轴元素ax作为子图。 x 和 y 轴的范围/限制也在创建轴元素时定义。
最后，我们创建名为line的绘图元素。最初，x 和 y 轴点被定义为空列表，线宽(lw)被设置为 2。
```
def init():
    line.set_data([], [])
    return line,
```
现在，我们声明一个初始化函数init 。动画师调用此函数来创建第一帧。
```
def animate(i):
    # t is a parameter
    t = 0.1*i
    
    # x, y values to be plotted
    x = t*np.sin(t)
    y = t*np.cos(t)
    
    # appending new points to x, y axes points list
    xdata.append(x)
    ydata.append(y)
    
    # set/update the x and y axes data
    line.set_data(xdata, ydata)
    
    # return line object
    return line,
```
这是上述程序最重要的函数。动画师一次又一次地调用animate()函数来创建每一帧。调用此函数的次数由帧数决定，帧数作为帧参数传递给 animator。
animate()函数将第 i 帧的索引作为参数。
```
t = 0.1*i
```
在这里，我们巧妙地使用了当前帧的索引作为参数！
```
x = t*np.sin(t)
y = t*np.cos(t)
```
现在，由于我们有参数t ，我们可以轻松地绘制任何参数方程。例如，在这里，我们正在使用其参数方程绘制螺旋线。
```
line.set_data(xdata, ydata)
return line,
```
最后，我们使用set_data()函数设置 x 和 y 数据，然后返回绘图对象line 。
```
anim = animation.FuncAnimation(fig, animate, init_func=init,
                               frames=500, interval=20, blit=True)
```
现在，我们创建 FuncAnimation 对象anim 。它需要下面解释的各种参数：
fig ：要绘制的图形。
animate ：为每一帧重复调用的函数。
init_func ：用于绘制清晰框架的函数。它在第一帧之前被调用一次。
帧数：帧数。（注意：帧也可以是可迭代的或生成器。）
间隔：帧之间的持续时间（以毫秒为单位）
blit ：设置 blit=True 意味着只绘制那些已经改变的部分。
```
anim.save('animated_coil.mp4', writer = 'ffmpeg', fps = 30)
```
现在，我们使用save()函数将 animator 对象保存为视频文件。您将需要一个电影作家来保存动画视频。在此示例中，我们使用了 FFMPEG 电影编写器。所以，作家被设置为'ffmpeg'。
fps代表每秒帧数。

示例 2

这个例子展示了如何通过应用一些简单的数学来制作旋转曲线！

# importing required modules
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
import numpy as np
  
# create a figure, axis and plot element
fig = plt.figure()
ax = plt.axes(xlim=(-25, 25), ylim=(-25, 25))
line, = ax.plot([], [], lw=2)
  
# initialization function
def init():
    # creating an empty plot/frame
    line.set_data([], [])
    return line,
  
# set of points for a star (could be any curve)
p = np.arange(0, 4*np.pi, 0.1)
x = 12*np.cos(p) + 8*np.cos(1.5*p)
y = 12*np.sin(p) - 8*np.sin(1.5*p)
  
# animation function
def animate(i):
    # t is a parameter
    t = 0.1*i
      
    # x, y values to be plotted
    X = x*np.cos(t) - y*np.sin(t)
    Y = y*np.cos(t) + x*np.sin(t)
      
    # set/update the x and y axes data
    line.set_data(X, Y)
      
    # return line object
    return line,
      
# setting a title for the plot
plt.title('A rotating star!')
# hiding the axis details
plt.axis('off')
  
# call the animator    
anim = animation.FuncAnimation(fig, animate, init_func=init,
                               frames=100, interval=100, blit=True)
  
# save the animation as mp4 video file
anim.save('basic_animation.mp4', writer = 'ffmpeg', fps = 10)
  
# show the plot
plt.show()

以下是上述程序的输出：在这里，我们使用了一些简单的数学方法来旋转给定的曲线。

星形是通过将 k = 2.5 和 0 $x= [a-b]\cos (t) + b\cos [t(\frac{a}{b}-1)]$

$y= [a-b]\sin (t) - b\sin [t(\frac{a}{b}-1)] , k= \frac{a}{b}$

这里也应用了同样的方法：

p = np.arange(0, 4*np.pi, 0.1)
x = 12*np.cos(p) + 8*np.cos(1.5*p)
y = 12*np.sin(p) - 8*np.sin(1.5*p)

现在，在每一帧中，我们使用复数旋转的概念来旋转星形曲线。设 x, y 为两个纵坐标。然后旋转角度 theta 后，新的纵坐标为：
${x}' = x\cos \theta - y\sin \theta$
${y}' = x\sin \theta + y\cos \theta$
这里也应用了同样的方法：
```
X = x*np.cos(t) - y*np.sin(t)
Y = y*np.cos(t) + x*np.sin(t)
```

总而言之，动画是创造令人惊叹的东西的好工具，并且可以使用它们来创造更多的东西。

因此，这就是使用 Matplotlib 生成和保存动画图的方式。