使用matplotlib制作动态图

一、简介

matplotlib(https://matplotlib.org/)是一个著名的python绘图库，由于其灵活强大的绘图功能使得在python中可视化变得非常容易，关于matplotlib的基础知识这里不再介绍，有疑问可以去官网翻Tutorials和example学习。由于我们实际使用时常常是绘制静态图，忽略了matplotlib的动态图生成功能，同时matplotlib生成动态图的功能不是非常友善，因此大部分人在真的需要制作动态图时都会选择先用matplotlib生成一系列静态图片，然后再用其它相对比较容易使用的第三方python库生成动态图，如imageio(https://imageio.readthedocs.io/en/stable/#), 或者使用其它工具，如Matlab。这里打算简单介绍一下在matplotlib库中制作动态图的方法。

二、模块简介

matplotlib的animation模块提供了动态图制作功能，animation类提供了两个方法来生成动态图，即FuncAnimation和ArtistAnimation，这里我们使用FuncAnimation方法重复调用函数来生成图片。

1. FuncAnimation类介绍

FuncAnimation类的主要参数包括：

• fig: 每一帧画面绘制使得Figure对象
• func: 定义动画每一帧的更新函数，通常这一函数需要包含额外参数，此时可以用functools.partial来生成。
• frames：可以是可迭代对象，整数，或者生成函数或者缺省。
• init_func：初始化函数
• inteval：每一帧画面的停留时间
• repeat：当动态图中所有帧都播放完了之后是否重复播放
• bilt：是否使用blitting来优化绘图
• …

2. 定义动画更新函数

在FunAnimation类中，更新函数在每一帧中都会被重新调用，通过在更新函数中更改一些绘图函数的数据，在每一帧我们就能得到不同的图片，然后FunAnimation的Writer(后端)将这些图片组合就能得到动态图片。关于更新函数的一些需要注意的地方是：

• 如果设置了bilt == True，更新函数的最后就需要返回所有被修改或创建的Artists的引用变量
• 生成函数的第一个传入参数必须是当前的帧数，其具体值可以通过frames参数定义，可以是可迭代类型或整数

三、使用matplotlib制作动画

1.一步法制作动态图片

由于matplotlib本身自带强大的绘图功能，因此我们可以不用生成图片，直接在初始绘图的基础上通过更新函数来修改绘图数据，一步直接生成动态图片，方便快捷，以下是代码：

import numpy as np
from matplotlib.animation import FuncAnimation
import matplotlib.pyplot as plt
from functools import partial

### 绘制y=sin(2pi(x+t/t_0))*sin(2pi(t/t_0))
def getSinx_t(t=0, t_0=120, x_count=1e5):
    x = np.linspace(0.0, 1.0, int(x_count))
    y = np.sin(2.0*np.pi*(x + t/t_0))*np.sin(t/t_0*2.0*np.pi)
    return x, y


### 图片初始化
fig, ax = plt.subplots(dpi=100)
ax.set_aspect('auto')
ax.set_xlim((0.0, 1.0))
ax.set_ylim((-1.0, 1.0))
ax.set_xlabel('x')
ax.set_ylabel('y')
ax.set_title(r'$y=sin[2\pi(x+t/t_0)]*sin(2\pi t/t_0)$')


### 绘制初始曲线
x, y = getSinx_t()
y_up = y[np.where(y>0)]
x_up = x[np.where(y>0)]
x_dn = x[np.where(y<0)]
y_dn = y[np.where(y<0)]
plot_line = ax.plot(x, y)
plot_hline = ax.hlines(y=0.0, xmin=0.0, xmax=1.0, linestyles='dashed', colors='grey')
fill_xy_up = ax.fill_between(x=x_up, y1=y_up, y2=0, color='red', alpha=0.3)
fill_xy_dn = ax.fill_between(x=x_dn, y1=y_dn, y2=0, color='green', alpha=0.3)
plot_text = ax.text(x=0.8, y=0.75, s='t=0', fontsize=16, fontfamily='cursive')


### 定义动画更新函数
def UpdateFigure(num, f_plot_line, f_fill_xy_up, f_fill_xy_dn, f_plot_text):
    x_update, y_update = getSinx_t(t=num)
    f_plot_line[0].set_data(x_update, y_update)
    f_plot_text.set_text('t={}'.format(num))
    x_up = x_update[np.where(y_update>0)]
    y_up = y_update[np.where(y_update>0)]
    xy_up1 = np.column_stack((x_up, y_up))
    xy_up2 = np.column_stack((x_up[::-1], np.zeros(x_up.shape)))
    x_dn = x_update[np.where(y_update<0)]
    y_dn = y_update[np.where(y_update<0)]
    xy_dn1 = np.column_stack((x_dn, y_dn))
    xy_dn2 = np.column_stack((x_dn[::-1], np.zeros(x_dn.shape)))
    f_fill_xy_up.set_verts([np.vstack((xy_up1, xy_up2))])
    f_fill_xy_dn.set_verts([np.vstack((xy_dn1, xy_dn2))])
    return [f_plot_line[0], f_fill_xy_up, f_fill_xy_dn, f_plot_text]


### 创建FunAnimation对象
ani = FuncAnimation(fig, partial(
        UpdateFigure, 
        f_plot_line=plot_line, 
        f_fill_xy_up=fill_xy_up,
        f_fill_xy_dn=fill_xy_dn,
        f_plot_text=plot_text),
    np.arange(120),
    blit=True)


### 保存动态图片
ani.save('sinxt.gif', fps=60)  

以下为得到的动态图片：

2. 两步法制作动态图片

所谓两步法是指，首先用matplotlib生成一系列静态图片，然后结合matplotlib.image.imread读取图片功能和matplotlib.axes.Axes.imshow展示图片功能，来动态地更新图片，这种方法相比于上一种方法稍微复杂，但是这种方法灵活性更高，同时也可以用来组合一些非matplotlib生成的图片。以下为代码：

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.image as mimg
from matplotlib.animation import FuncAnimation
import numpy as np
from functools import partial
import os


### 绘制y=cos(2pi(x+t/t_0))*cos(2pi(t/t_0))
def getCosx_t(t=0, t_0=120, x_count=1e5):
    x = np.linspace(0.0, 1.0, int(x_count))
    y = np.cos(2.0*np.pi*(x + t/t_0))*np.cos(t/t_0*2.0*np.pi)
    return x, y


fig_count = 120             # 图片总数


### 定义生成所有图片的函数
def getFigrues(fig_count):
    try:
        os.mkdir('fig')
    except FileExistsError:
        print("Dir Exist!")
    for i in range(fig_count):
        fig, ax = plt.subplots(dpi=100)
        ax.set_aspect('auto')
        ax.set_xlim((0.0, 1.0))
        ax.set_ylim((-1.0, 1.0))
        ax.set_xlabel('x')
        ax.set_ylabel('y')
        ax.set_title(r'$y=cos[2\pi(x+t/t_0)]*cos(2\pi t/t_0)$')
        x, y = getCosx_t(t=i)
        y_up = y[np.where(y>0)]
        x_up = x[np.where(y>0)]
        x_dn = x[np.where(y<0)]
        y_dn = y[np.where(y<0)]
        ax.plot(x, y)
        ax.hlines(y=0.0, xmin=0.0, xmax=1.0, linestyles='dashed', colors='grey')
        ax.fill_between(x=x_up, y1=y_up, y2=0, color='red', alpha=0.3)
        ax.fill_between(x=x_dn, y1=y_dn, y2=0, color='green', alpha=0.3)
        ax.text(x=0.8, y=0.75, s='t={}'.format(i), fontsize=16, fontfamily='cursive')
        fig.show(False)
        fig.savefig('./fig/{}.jpg'.format(i))
        plt.close(fig)
getFigrues(fig_count) 


### 读取图片尺寸
def GetFigSize(fig_path='./fig/0.jpg'):
    now_img = mimg.imread(fname=fig_path)
    img_pxy = now_img.shape
    return img_pxy[1], img_pxy[0]


### 绘图初始化
img_px, img_py = GetFigSize()
img_dpi=100
fig, ax = plt.subplots(figsize=[img_px/img_dpi, img_py/img_dpi], dpi=img_dpi)
ax.set_aspect('equal')
ax.set_position([0.0, 0.0, 1.0, 1.0])
ax.set_axis_off()
plot_img = ax.imshow(X=np.zeros((img_py, img_px, 3)))


### 定义动画更新函数
def UpdateImages(num, f_plot_img):
    now_img_path = './fig/{}.jpg'.format(num)
    now_img = mimg.imread(fname=now_img_path)
    f_plot_img.set_data(now_img)
    return [f_plot_img]


### 创建FunAnimation对象
ani = FuncAnimation(
    fig, partial(UpdateImages, f_plot_img=plot_img),
    np.arange(fig_count),
    blit=True)


### 保存动态图片
ani.save('cosxt.gif', fps=60)  

得到的动态图片：