python Axes3D 三维动态折线图画法

这段代码演示了如何使用Python的matplotlib库生成3D散点图。在循环中,它随机生成x、y、z三个维度的数据,并在3D坐标系中绘制出这些点,展示了数据的三维分布。每个点用蓝色虚线连接,通过plt.pause(0.3)实现动态展示。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import random
import matplotlib as mpl
from matplotlib import cm
from mpl_toolkits.mplot3d import axes3d
from mpl_toolkits.mplot3d.art3d import Poly3DCollection,Line3DCollection
plt.ion()
fig = plt.figure()

for i in range(10000):

    x = np.linspace(1,20,9)
    y = np.arange(10,19,1)
    z = np.random.randint(20,50,9)  # numpy分别生成三个维度数据

    ax = Axes3D(fig)  # 创建3D图的2种方式,第一种通过Axes3D将图片从二维变成三维,第二种通过在add_subplot(111,projection='3d')将子图坐标修改成三维
    ax.set_xlim3d(0, 20)  # 指定x轴坐标值范围
    ax.set_ylim3d(0, 20)  # 指定y轴坐标值范围
    ax.set_zlim3d(0, 50)  # 指定z轴坐标值范围
    ax.plot(x,y,z,'bo--')  # 参数与二维折现图不同的在于多了一个Z轴的数据
    plt.show()
    plt.pause(0.3)

 

<think>好的,用户想了解或实现三维空间中的A*寻径算法。首先,我需要回顾A*算法的基本原理,然后考虑如何将其扩展到三维空间。A*算法在二网格中已经很成熟了,但三维的情况需要更多的调整。 首先,三维空间中的节点表示可能需要从二的(x, y)扩展到三维的(x, y, z)。每个节点现在有三个坐标,这会影响邻居节点的生成。在二中,通常有上下左右四个方向,或者包括对角线八个方向,但在三维中,每个节点可能有更多的邻居,比如上下左右前后,以及各个对角线方向,总共26个邻居?不过实际应用中可能根据需求简化,比如只考虑六个主要方向(上下左右前后),避免计算量过大。 接下来,启发式函数的选择。二中常用曼哈顿距离或欧几里得距离。三维情况下,欧几里得距离应该是三维空间中的直线距离,即√(Δx² + Δy² + Δz²)。而曼哈顿距离则是Δx + Δy + Δz。不过曼哈顿距离在三维中是否仍然适用?需要看具体应用场景,如果移动方式允许对角线移动,那么欧几里得可能更合适,否则曼哈顿可能更准确。但启发式函数需要满足可采纳性,即不能高估实际成本,所以欧几里得距离是可行的,因为它总是小于等于实际路径成本。 节点结构需要包含三维坐标,以及g、h、f值。开放列表和封闭列表的管理可能需要更高效的数据结构,比如优先队列或二叉堆,尤其是在三维空间节点数量大幅增加的情况下。引用中的资料提到二叉堆可以显著提升性能,特别是在长路径情况下,所以这一点很重要。 障碍物检测在三维中更复杂,需要检查每个方向的移动是否被阻挡。例如,在三维网格中,某个坐标是否被标记为不可通行。此外,可能还需要考虑三维空间中的移动成本,比如不同高度的移动成本不同,或者某些方向移动更困难,这会影响g值的计算。 实现步骤方面,大致可以分为扩展节点结构、生成邻居节点、调整启发式函数、处理三维障碍物。代码示例可能需要使用三维数组或类似结构来表示网格,并在寻路时遍历三维空间。 潜在问题包括计算量剧增,三维空间的节点数量是二的立方级增长,所以优化算法效率至关重要。可能需要采用更高效的数据结构,如二叉堆,或者引入跳点搜索(Jump Point Search)等优化技术。另外,内存占用也会增加,需要合理管理节点数据。 测试时,用户可以从简单三维地图开始,逐步增加复杂度。可视化工具可以帮助调试,比如用三维图形显示路径,检查是否存在穿墙等问题。 参考引用中提到的一些优化方法,比如方向惩罚或路径平滑,可能在三维中同样适用。例如,在路径计算后,进行后处理,消除不必要的拐弯,使路径更自然。 总结来说,三维A*的核心是将二的实现扩展到三维,同时注意效率优化和启发式函数的选择。用户需要根据具体应用场景调整邻居节点生成方式和成本计算,确保算法在三维环境中高效运行。</think>### 三维A*寻径算法实现与解析 #### 一、三维A*算法核心思想 A*算法通过评估函数$f(n) = g(n) + h(n)$选择最优路径,其中: - $g(n)$:起点到当前节点的实际成本 - $h(n)$:当前节点到终点的预估成本(启发式函数) 在三维空间中,节点坐标扩展为$(x,y,z)$,路径搜索范围从平面扩展为立方体网格[^4]。例如在三维网格地图中,每个节点的邻居可能包括上下、左右、前后六个基础方向,或包含对角线方向的26邻域。 #### 二、三维实现关键步骤 1. **节点结构扩展** ```python class Node3D: def __init__(self, x, y, z): self.x = x self.y = y self.z = z self.g = float(&#39;inf&#39;) self.h = 0 self.parent = None ``` 2. **邻居生成规则** $$ \begin{cases} ( x±1, y, z ) \\ ( x, y±1, z ) \\ ( x, y, z±1 ) \\ ( x±1, y±1, z ) \\ ... (根据移动规则确定) \end{cases} $$ 3. **三维启发式函数** - 欧几里得距离:$h(n) = \sqrt{(x_2-x_1)^2 + (y_2-y_1)^2 + (z_2-z_1)^2}$ - 曼哈顿距离:$h(n) = |x_2-x_1| + |y_2-y_1| + |z_2-z_1|$ 4. **三维障碍物检测** ```python def is_obstacle(x, y, z): return grid3D[x][y][z] == 0 ``` #### 三、Python代码实现框架 ```python import heapq def a_star_3d(start, end, grid): open_heap = [] closed_set = set() start_node = Node3D(*start) start_node.g = 0 start_node.h = heuristic(start, end) heapq.heappush(open_heap, (start_node.g + start_node.h, start_node)) while open_heap: current = heapq.heappop(open_heap)[1] if (current.x, current.y, current.z) == end: return reconstruct_path(current) closed_set.add((current.x, current.y, current.z)) for neighbor in get_neighbors(current, grid): if (neighbor.x, neighbor.y, neighbor.z) in closed_set: continue tentative_g = current.g + movement_cost(current, neighbor) if tentative_g < neighbor.g: neighbor.parent = current neighbor.g = tentative_g neighbor.h = heuristic((neighbor.x, neighbor.y, neighbor.z), end) heapq.heappush(open_heap, (neighbor.g + neighbor.h, neighbor)) return None ``` #### 四、性能优化建议 1. **数据结构优化**:使用二叉堆管理开放列表,可将时间复杂度从$O(n)$降为$O(\log n)$[^3] 2. **分层搜索**:先进行低精度三维搜索,再局部细化 3. **方向惩罚**:对垂直移动(如爬梯)设置更高成本[^2] #### 五、典型应用场景 1. 无人机三维路径规划 2. 游戏角色多层建筑内导航 3. 机器人仓库立体货架存取路径 4. 医学影像三维血管路径分析
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