Python：使用 mplot3d 和动画制作矢量动画

Question

我正在尝试使用 Matplotlib 和 matplotlib 中的动画包制作 3d 绘图。此外，动画应该是使用 PyQt 和 Qt-Designer 生成的 Gui 的一部分。目前我坚持正确使用“animation.Funcnimation（）”，至少我这么认为...... 所以这是我的代码：

import sys
from PyQt4.uic import loadUiType
from PyQt4 import QtGui

from matplotlib import pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from matplotlib.backends.backend_qt4agg import FigureCanvasQTAgg as FigureCanvas
from matplotlib import animation

import numpy as np
import Quaternion as qt

Ui_MainWindow, QMainWindow = loadUiType('Newsphere.ui')

class Kinematic(Ui_MainWindow, QMainWindow):
    def __init__(self):
        super(Kinematic, self).__init__()
        self.setupUi(self)

        self.fig = plt.figure()
        self.ax = self.fig.add_subplot(111,projection = '3d')
        self.fig.tight_layout()

        self.ani = animation.FuncAnimation(self.fig, self.update,
                                       init_func=self.setup_plot, blit=True)

        self.canvas = FigureCanvas(self.fig)
        self.mplvl.addWidget(self.canvas)
        self.canvas.draw()

    def setup_plot(self):
        self.ax.view_init(40, 45)

        self.ax.set_xlabel('X')
        self.ax.set_ylabel('Y')
        self.ax.set_zlabel('Z')

        self.ax.set_xlim3d(-1,1)
        self.ax.set_ylim3d(-1,1)
        self.ax.set_zlim3d(-1,1)

        g_x = np.matrix([[1.0],[0.0],[0.0]])
        g_y = np.matrix([[0.0],[1.0],[0.0]])
        g_z = np.matrix([[0.0],[0.0],[1.0]])

        self.ax.plot([0,g_x[0]], [0,g_x[1]], [0,g_x[2]], label='$X_0$')
        self.ax.plot([0,g_y[0]], [0,g_y[1]], [0,g_y[2]], label='$Y_0$')
        self.ax.plot([0,g_z[0]], [0,g_z[1]], [0,g_z[2]], label='$Z_0$')

        self.vek, = self.ax.plot([0,-1], [0,0], [0,0], label='$g \cdot R$', animated=True)

        self.ax.legend(loc='best')
        self.ax.scatter(0,0,0, color='k')

        return self.vek,

    def update(self, i):
        b = self.bslider.value() / 100

        g = np.matrix([[1.0],[0.0],[0.0]])
        q = np.array([0,b,0.5,0])

        R = qt.QtoR(q)
        x, y, z = R*g

        self.vek, = self.ax.plot([0,x], [0,y], [0,z], label='$g \cdot R$', animated=True) #the rotated vector
        return self.vek,

if __name__ == '__main__':

app = QtGui.QApplication(sys.argv)

main = Kinematic()
main.show()

sys.exit(app.exec_())

您将无法通过复制粘贴来运行它，因为您没有文件“Newsphere.ui”（第 13 行）和 Quaternion.py（第 11 行）。所以当我运行它时，我得到以下信息（实际上就像我希望的那样！）： Coordinate system

我现在的目标是使用从 Gui 滑块（第 58 行）获得的数据绘制一个矢量（第 50 行）并为其设置动画（第 66 行）。谁能帮我这个？我被这个问题困扰了好几天！

Answer 1

由于您的问题在于动画部分，因此您可以在下面看到一个 sn-p，它为旋转的箭头设置动画。

import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation


def data_gen(num):
    """Data generation"""
    angle = num * np.pi/36    
    vx, vy, vz = np.cos(angle), np.sin(angle), 1
    ax.cla()
    ax.quiver(0, 0, 0, vx, vy, vz, pivot="tail", color="black")
    ax.quiver(0, 0, 0, vx, vy, 0, pivot="tail", color="black",
              linestyle="dashed")
    ax.set_xlim(-1, 1)
    ax.set_ylim(-1, 1)
    ax.set_zlim(-1, 1)
    ax.view_init(elev=30, azim=60)


fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')
data_gen(0)
ani = animation.FuncAnimation(fig, data_gen, range(72), blit=False)
plt.show()

关于动画的文档可能不是最好的。但是有几个例子，例如，这个动画Lorenz attractor。

Answer 2

因此，如果有人对上述问题的解决方案感兴趣，我们就开始吧：（同样，由于缺少“Newsphere.ui”，这不是复制粘贴的代码，但我尝试解释重要的 sn- ps)

import sys
from PyQt4.uic import loadUiType
from PyQt4 import QtGui

from matplotlib import pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from matplotlib.backends.backend_qt4agg import FigureCanvasQTAgg as FigureCanvas
from matplotlib import animation

import numpy as np

Ui_MainWindow, QMainWindow = loadUiType('Newsphere.ui')

class Kinematic(Ui_MainWindow, QMainWindow):

    def __init__(self):
        super(Kinematic, self).__init__()
        self.setupUi(self)

        self.fig = plt.figure()
        self.ax = self.fig.add_subplot(111,projection = '3d')
        self.fig.tight_layout()
        self.ax.view_init(40, -45)

        # dashed coordinate system
        self.ax.plot([0,1], [0,0], [0,0], label='$X_0$', linestyle="dashed")
        self.ax.plot([0,0], [0,-1], [0,0], label='$Y_0$', linestyle="dashed")
        self.ax.plot([0,0], [0,0], [0,1], label='$Z_0$', linestyle="dashed")

        self.ax.set_xlim3d(-1,1)
        self.ax.set_ylim3d(-1,1)
        self.ax.set_zlim3d(-1,1)

        self.ax.set_xlabel('X')
        self.ax.set_ylabel('Y')
        self.ax.set_zlabel('Z')

        self.ax.scatter(0,0,0, color='k') # black origin dot

        self.canvas = FigureCanvas(self.fig)
        self.mplvl.addWidget(self.canvas)

        self.ani = animation.FuncAnimation(self.fig, self.data_gen, init_func=self.setup_plot, blit=True)

    def setup_plot(self):

        self.ax.legend(loc='best')

        self.vek = self.ax.quiver(0, 0, 0, 0, 0, 0, label='$g \cdot R$', pivot="tail", color="black")

        return self.vek,

    def data_gen(self, i):

        b = self.bslider.value() / 100

        vx, vy, vz = np.cos(b), np.sin(b), 0

        self.vek = self.ax.quiver(0, 0, 0, vx, vy, vz, label='$g \cdot R$', pivot="tail", color="black")

        self.canvas.draw()

        return self.vek,

if __name__ == '__main__':

    app = QtGui.QApplication(sys.argv)

    main = Kinematic()
    main.show()

    sys.exit(app.exec_())

通过运行我得到的代码

（这是两张图片合二为一，显示相同的过程）

我在this tutorial 之后生成了一个名为Newsphere.ui 的GUI 文件。基本上它只包含一个小部件、一个 QSlider 和一个 QSpinBox。 Widget 的布局名称为“mplvl”，出现在第 41 行。这会将生成的图形添加到小部件中（我认为是这样......）。 QSlider 与 QSpinBox 连接（在 QtDesigner 中完成）并具有名称“bslider”，第 55 行。所以在这一行中，滑块值除以 100，因为我没有找到生成浮点值的滑块.对我来说，关键线是画布的第 61 行。现在，animation.FuncAnimation（第 43 行）在我更改滑块值时绘制了一个新矢量，比较图片。此外，将变化的矢量绘制为 ax.quiver 而不是像我之前的尝试那样绘制为 ax.plot 也很重要。

如果有任何问题或改进建议，请询问/发布。