Nov 12, 2018

使用 matplotlib 的 animation 让数据动起来

最近在研究排序算法，为了更好的展示排序过程，决定使用动画演示，专门研究了 python 图表库 matplotlib 的 animation。本文简单讲一下如何使用 matplotlib 让你手中的数据动起来。

20181112154195822047625.gif

Animated line plot

废话不多说，以 matplotlib 官方给的 🌰 （Animated line plot）说明基本的使用。

示例代码

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation

fig, ax = plt.subplots()

x = np.arange(0, 2*np.pi, 0.01)
line, = ax.plot(x, np.sin(x))


def init():  # only required for blitting to give a clean slate.
    line.set_ydata([np.nan] * len(x))
    return line,


def animate(i):
    line.set_ydata(np.sin(x + i / 100))  # update the data.
    return line,


ani = animation.FuncAnimation(
    fig, animate, init_func=init, interval=2, blit=True, save_count=50)

# To save the animation, use e.g.
#
# ani.save("movie.mp4")
#
# or
#
# from matplotlib.animation import FFMpegWriter
# writer = FFMpegWriter(fps=15, metadata=dict(artist='Me'), bitrate=1800)
# ani.save("movie.mp4", writer=writer)

plt.show()

运行结果

上面的视频是由上面的代码生成，不过需要将以下代码（即30～32行）取消注释：

from matplotlib.animation import FFMpegWriter
writer = FFMpegWriter(fps=15, metadata=dict(artist='Me'), bitrate=1800)
ani.save("movie.mp4", writer=writer)

如果系统没有安装 ffmpeg 运行代码可能会提示以下错误：

… FileNotFoundError: [Errno 2] No such file or directory: ‘ffmpeg’: ‘ffmpeg’

所以需要安装 ffmpeg，十里使用的是 macOS，所以通过以下命令进行安装：

$ brew install ffmpeg

其它系统可以下载 ffmpeg 官网 提供的安装包进行安装。

代码分析

理解代码的关键三点：

  1. 获取图像 fig 和 坐标轴对象 ax：fig, ax = plt.subplots()
  2. 定义初始化函数 init 和数据更新函数 animate：
    • 初始化函数，用于动画的初始化操作，这个可以不用为可选定义
    • 数据更新函数，用于告知 animation 更新操作，这个函数的参数默认传入的是帧序号，但是如果 animation.FuncAnimation 方法指定可选参数 frames 为一个列表的话，更新函数调用时传入的值会是相应索引下的元素，此时动画终点就是取完列表元素，如果不指定 frames 则会一直传入帧序号保持下去。
  3. 调用 animation.FuncAnimation 方法：
    • 第一个参数传入图像对象，这里是 fig
    • 第二个参数默认为更新函数，这里是 animate
    • 可选参数 init_func，指定初始化函数
    • 可选参数 interval，指定帧间隔时间单位 ms
    • 可选参数 frames，指定更新序列，如果是个整数，则指定的是总的帧数
    • 可选参数 save_count，指定保存动画（gif或mp4）的帧数
    • 可选参数 repeat，指定是否循环动画
    • 可选参数 blit，指定是否优化绘图

动画保存

运行结果 中说明了保存 mp4 的方法，这里说一下如何保存 gif。

ani 的 save 方法可以指定 writer ，这里要保存 gif 默认选择的 writer 为 pillow ，所以需要安装 pillow 库：

$ pip3 install pillow

按照如下调用方法即可保存动画为 gif，这里保存动画的帧数是受 animation.FuncAnimation 的 frames 和 save_count 影响的：

ani.save('animation.gif', writer='pillow')

柱状图动起来

直接上代码，比着葫芦画瓢 让你的柱状图舞动起来吧：

import numpy as np
from matplotlib import animation
from matplotlib import pyplot as plt

fig = plt.figure(figsize=(8, 4))

x = [i for i in range(16)]

data = [[np.sin(d/np.pi+i/50*np.pi) for d in x] for i in range(100)]
rects = plt.bar(x, data[0])
plt.ylim(-1.2, 1.2)

def animate(i):
    for rect, yi in zip(rects, data[i]):
        rect.set_height(yi)
    return rects

anim = animation.FuncAnimation(fig, animate, frames=len(data), interval=40)
# anim.save('bar.gif', writer='pillow')
plt.show()

20181112154200404087645.gif

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