[matplotlib animation] 2.3D lineplot アニメーション

はじめに
コード
解説
まとめ
参考

はじめに

この記事は、matplotlib を使用して3D空間内のラインプロットをアニメーション化する方法について解説しています。3次元空間でのデータの時間変化を視覚的に表現するためのコードとその実装方法が示されています。

コード

解説

図の初期設定

def init():
    ax.set_xlim(-2.1,2.1)
    ax.set_ylim(-2.1,2.1)
    ax.set_zlim(-2.1,2.1)
    ax.set_xlabel("x")
    ax.set_ylabel("y")
    ax.set_zlabel("z")
    #ax.set_aspect('equal')

    return lines

set_xlimなどで軸範囲を設定し、set_xlabelなどで軸ラベルを設定します。

アニメーションの設定

def update_lines(num, data, lines,points):
    for dat,line, point in zip(data,lines, points):
        line.set_data(dat[0:2, :num+1])
        line.set_3d_properties(dat[2, :num+1])
        point.set_data(dat[0:2, num])
        point.set_3d_properties(dat[2, num])

    return lines

この部分ではanimationの動作を設定します。3D空間では、set_data(x,y,z)だけでは動作しないため、x,yをset_dataでセットし、z軸はset_3d_propertiesで別途設定する必要があります。

線グラフは始点から順にプロットしたいので:num+1を使用し、点は1つだけ表示する場合はnumを指定します。

3Dグラフの作成

fig = plt.figure(figsize=(7,7))
ax = fig.gca(projection='3d')

プロットするデータの作成

t = np.linspace(-12np.pi,12np.pi,300)
z = np.linspace(-2, 2, 300)
r = np.sqrt(4-z*2)
x1, y1, z1 = rnp.sin(t), r*np.cos(t), z#プロットするデータ
data = np.array([[x1,y1,z1]])#プロットするデータ

このx1,y1,z1は

$$x^2+y^2+z^2=2^2$$

を満たすので半径２の円を回りながらラインプロットしていくことになります。

lines = [ax.plot(dat[0, 0:1], dat[1, 0:1], dat[2, 0:1], 'm')[0] for dat in data]
points = [ax.plot(dat[0, 0:1], dat[1, 0:1], dat[2, 0:1], 'ro')[0] for dat in data]

図のプロット設定について説明します。3Dグラフは空のデータセットで作成できないため、各データ配列の最初の要素を使用して初期プロットを生成します。

アニメーションの作成

line_ani = animation.FuncAnimation(fig, update_lines, 300, fargs=(data, lines,points),

                                   interval=100, init_func=init, blit=True, repeat=True)

figでupdate_lines関数を実行します。frames=300で300コマのアニメーションとなり、interval=100は100ミリ秒間隔なので、合計で100ミリ秒×300コマ=30秒の動画になります。fargsでupdate_lines関数の引数を指定し、init_funcで初期設定を行い、blitパラメータで描画を高速化します。repeat=Trueを設定することで、アニメーションは繰り返し再生されます。