Python 30 行代码画各种 3D 图形

在之前的文章有讲解过 Matplotlib 的用法,可能有的小伙伴们已经略有忘记,如果有不熟悉的读者朋友们请回顾 Matplotlib学习进阶 ,今天文章教大家如何用不到 30 行代码绘制 Matplotlib 3D 图形,Matplotlib 绘制的都是平面 3D 图形,接下来上才艺

回顾 2D 作图

用赛贝尔曲线作 2d 图。此图是用基于 Matplotlib 的 Path 通过赛贝尔曲线实现的,有对赛贝尔曲线感兴趣的朋友们可以去学习学习,在 matplotlib 中,figure 为画布,axes 为绘图区,fig.add_subplot()、plt.subplot() 方法均可以创建子图。以下是作图实践。

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import matplotlib.path as mpath
import matplotlib.patches as mpatches
import matplotlib.pyplot as plt

fig, ax = plt.subplots()
#定义绘图指令与控制点坐标
Path = mpath.Path
# Path 控制坐标点绘制贝塞尔曲线
# 图形数据构造

# MOVETO表示将绘制起点移动到指定坐标
# CURVE4表示使用4个控制点绘制3次贝塞尔曲线
# CURVE3表示使用3个控制点绘制2次贝塞尔曲线
# LINETO表示从当前位置绘制直线到指定位置
# CLOSEPOLY表示从当前位置绘制直线到指定位置,并闭合多边形
path_data = [
    (Path.MOVETO, (1.88, -2.57)),
    (Path.CURVE4, (0.35, -1.1)),
    (Path.CURVE4, (-1.75, 1.5)),
    (Path.CURVE4, (0.375, 2.0)),
    (Path.LINETO, (0.85, 1.15)),
    (Path.CURVE4, (2.2, 3.2)),
    (Path.CURVE4, (3, 0.05)),
    (Path.CURVE4, (2.0, -1.5)),
    (Path.CLOSEPOLY, (1.58, -2.57)),
    ]
codes,verts = zip(*path_data)
path = mpath.Path(verts, codes)
patch = mpatches.PathPatch(path, facecolor='r', alpha=0.5)
ax.add_patch(patch)
# plot control points and connecting lines
x, y = zip(*path.vertices)
line, = ax.plot(x, y, 'go-')
ax.grid()
ax.axis('equal')
plt.show()

心型效果图

3D 帽子图1

Matplotlib 绘制 3D 图形使用 mplot3d Toolkit 即 mplot3d 工具包,在 matplotlib 中使用 mplot3d 工具包。绘制 3D 图可以通过创建子图,然后指定 projection 参数 为 3d 即可,返回的 ax 为 Axes3D 对象。mplot3d 官方学习文档

导入包:

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from matplotlib import cm
from matplotlib.ticker import LinearLocator, FormatStrFormatter
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

绘图全过程:

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import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import cm
from matplotlib.ticker import LinearLocator, FormatStrFormatter
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import numpy as np

fig = plt.figure()

# 指定图形类型是 3d 类型
ax = fig.add_subplot(projection='3d')

# 构造数据
X = np.arange(-5, 5, 0.25)
Y = np.arange(-5, 5, 0.25)
X, Y = np.meshgrid(X, Y)
R = np.sqrt(X**2 + Y**2)
Z = np.sin(R)

# Plot the surface.
surf = ax.plot_surface(X, Y, Z, cmap=cm.coolwarm,
                       linewidth=0, antialiased=False)
# Customize the z axis.
ax.set_zlim(-1.01, 1.01)
ax.zaxis.set_major_locator(LinearLocator(10))
ax.zaxis.set_major_formatter(FormatStrFormatter('%.02f'))
# Add a color bar which maps values to colors.
fig.colorbar(surf, shrink=0.5, aspect=5)

plt.show()

呈现效果:

帽子图1

3D 帽子图2

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

fig = plt.figure()
# 指定图形类型为 3d 类型
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')
# X, Y value
X = np.arange(-5, 5, 0.25)
Y = np.arange(-5, 5, 0.25)

# 设置 x-y 平面的网格
X, Y = np.meshgrid(X, Y)
R = np.sqrt(X ** 2 + Y ** 2)
# height value
Z = np.sin(R)

# rstride:行之间的跨度  cstride:列之间的跨度
# rcount:设置间隔个数,默认50个,ccount:列的间隔个数  不能与上面两个参数同时出现
#vmax和vmin  颜色的最大值和最小值
ax.plot_surface(X, Y, Z, rstride=1, cstride=1, cmap=plt.get_cmap('rainbow'))

# zdir : 'z' | 'x' | 'y' 表示把等高线图投射到哪个面
# offset : 表示等高线图投射到指定页面的某个刻度
ax.contourf(X,Y,Z,zdir='z',offset=-2)

# 设置图像z轴的显示范围,x、y轴设置方式相同
ax.set_zlim(-2,2)

plt.show()

帽子图2

3D 线性图

3D 线性图使用 Axes3D.plot来绘制 绘画的基本方法:Axes3D.plot(xs, ys[, zs, zdir=’z’, *args, **kwargs])

参数说明:

参数 描述
xs 一维数组,点的 x 轴坐标
ys 一维数组,点的 y 轴坐标
zs 一维数组,可选项,点的 z 轴坐标
zdir 可选项,在 3D 轴上绘制 2D 数据时,数据必须以 xs,ys 的形式传递,若此时将 zdir 设置为 ‘y’,数据将会被绘制到 x-z 轴平面上,默认为 ‘z’
**kwargs 其他关键字参数,可选项,可参见 matplotlib.axes.Axes.plot
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import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

# 依次获取画布和绘图区并创建 Axes3D 对象
fig = plt.figure()
ax = fig.gca(projection='3d')

# 第一条3D线性图数据
theta = np.linspace(-4 * np.pi, 4 * np.pi, 100)
z1 = np.linspace(-2, 2, 100)
r = z1**2 + 1
x1 = r * np.sin(theta)
y1 = r * np.cos(theta)

# 第二条3D线性图数据
z2 = np.linspace(-3, 3, 100)
x2 = np.sin(z2)
y2 = np.cos(z2)

# 绘制3D线性图
ax.plot(x1, y1, z1, color='b', label='3D Line1')
ax.plot(x2, y2, z2, color='r', label='3D Line2')

# 设置标题、轴标签、图例,也可以直接使用 plt.title、plt.xlabel、plt.legend...
ax.set_title('3D Line View', pad=15, fontsize='10')
ax.set_xlabel('x ', color='r', fontsize='14')
ax.set_ylabel('y ', color='g', fontsize='14')
ax.set_zlabel('z ', color='b', fontsize='14')
ax.legend()
plt.show()

结果显示:

线性图

3D 散点图

绘制 3D 散点图的基本方法是:Axes3D.scatter(xs, ys[, zs=0, zdir=’z’, s=20, c=None, depthshade=True, *args, **kwargs])

参数详解:

参数 描述  
xs 一维数组,点的 x 轴坐标  
ys 一维数组,点的 y 轴坐标  
zs 一维数组,可选项,点的 z 轴坐标  
zdir 可选项,在 3D 轴上绘制 2D 数据时,数据必须以 xs,ys 的形式传递,若此时将 zdir 设置为 ‘y’,数据将会被绘制到 x-z 轴平面上,默认为 ‘z’  
s 标量或数组类型,可选项,标记的大小,默认 20  
c 标记的颜色,可选项,可以是单个颜色或者一个颜色列表支持英文颜色名称及其简写、十六进制颜色码等,更多颜色示例参见官网 Color Demo  
depthshade bool 值,可选项,默认 True,是否为散点标记着色以提供深度外观  
**kwargs 其他关键字  
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import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

def randrange(n, vmin, vmax):

    return (vmax - vmin) * np.random.rand(n) + vmin

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

n = 100

# For each set of style and range settings, plot n random points in the box
# defined by x in [23, 32], y in [0, 100], z in [zlow, zhigh].
for c, m, zlow, zhigh in [('r', 'o', -50, -25), ('b', '^', -30, -5)]:
    xs = randrange(n, 23, 32)
    ys = randrange(n, 0, 100)
    zs = randrange(n, zlow, zhigh)
    ax.scatter(xs, ys, zs, c=c, marker=m)

ax.set_title('3D Diagram View', pad=15, fontsize='10')
ax.set_xlabel('x ', color='r', fontsize='14')
ax.set_ylabel('y ', color='g', fontsize='14')
ax.set_zlabel('z ', color='b', fontsize='14')

plt.show()

结果显示为:

散点图

总结

本文主要是讲述使用 Python 第三方库 Matplotlib 来绘画 3D 图形,当然除了小编绘画的这些还有更多好看的图形,主一个好的图形能给我们带来不一样的视觉享受,同时也可以帮助我们学到很多知识,做出很多有成就感的东西,但最关键的是思维,技术始终是实现一个产品或者目标的工具,我想这就是 Python 最具魔力的地方吧!大伙都实践起来呀~

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