Python+Matplotlib制作动画

注： 在“实验设计与数据处理”的课后作业中，有一个数据可视化的作业，利用课程上学习的某种方法找一个二维函数的最大值，并将这个寻找的过程可视化。在作业里面利用了Matplotlib的Animation类实现可视化的动态展示。

1、引言

利用Animation类制动画主要是参考了官方的教程：Matplotlib-Animation。为了更加清析说明Animation类是如何实现动画的，本文只简单地介绍一个点沿着sin函数运动的例子，分析一下Animation实现动画的原理。其它复杂的动画同样也是据此原理，可以实现下面的动画效果。第3幅图是作业的一个效果图。

sin函数点运动	二阶摆钟（官方例子）

2、动画实现

这里主讲述上面的sin函数点运动的动画的实现。代码的运行环境为Python3.6 + Jupyter5.4。

2.1 准备背景

在绘制动画前，我们需将其sin函数的背景绘制出来。这一步很简单，与我们平时的绘图一样。

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

# 指定渲染环境
%matplotlib notebook
# %matplotlib inline

x = np.linspace(0, 2*np.pi, 100)
y = np.sin(x)

fig = plt.figure(tight_layout=True)
plt.plot(x,y)
plt.grid(ls="--")
plt.show()

图2-1 sin背景图	图2-2 sin函数点运动效果1

2.2 往背景中添加动画点

这一步代码稍微多了一点点，且先看代码，再来解释。

def update_points(num):
    '''
    更新数据点
    '''
    point_ani.set_data(x[num], y[num])
    return point_ani,

x = np.linspace(0, 2*np.pi, 100)
y = np.sin(x)

fig = plt.figure(tight_layout=True)
plt.plot(x,y)
point_ani, = plt.plot(x[0], y[0], "ro")
plt.grid(ls="--")
# 开始制作动画
ani = animation.FuncAnimation(fig, update_points, np.arange(0, 100), interval=100, blit=True)

# ani.save('sin_test2.gif', writer='imagemagick', fps=10)
plt.show()

上面的代码中，首先定义了一个update_points函数，用于更新绘制的图中的数据点。此函数的输入参数num代表当前动画的第几帧，函数的返回，即为我们需要更新的对象，需要特别注意的是：reuturn point_ani,这个逗号一定加上，否则动画不能正常显示。当然这里面操作的点对象point_ani我们一般会提前声明得到：point_ani, = plt.plot(x[0], y[0], "ro")。接下来就是将此函数传入我们的FuncAnimation函数中，函数的参数说明可以参见官网，这里简要说明用到的几个参数。

• 第1个参数fig：即为我们的绘图对象.
• 第2个参数update_points：更新动画的函数.
• 第3个参数np.arrange(0, 100)：动画帧数，这需要是一个可迭代的对象。
• interval参数：动画的时间间隔。
• blit参数：是否开启某种动画的渲染。

运行上面代码可以得到如图2-2所示的动画效果。

2.3 往动画中添加其它效果

上面实现的动画效果还比较单一，我们可以往其中添加一些文本显示，或者在不同的条件下改变点样式。这其实也非常简单，只需在update_points函数中添加一些额外的，你想要的效果代码即可。

def update_points(num):
    if num%5==0:
        point_ani.set_marker("*")
        point_ani.set_markersize(12)
    else:
        point_ani.set_marker("o")
        point_ani.set_markersize(8)

    point_ani.set_data(x[num], y[num])    
    text_pt.set_text("x=%.3f, y=%.3f"%(x[num], y[num]))
    return point_ani,text_pt,

x = np.linspace(0, 2*np.pi, 100)
y = np.sin(x)

fig = plt.figure(tight_layout=True)
plt.plot(x,y)
point_ani, = plt.plot(x[0], y[0], "ro")
plt.grid(ls="--")
text_pt = plt.text(4, 0.8, '', fontsize=16)

ani = animation.FuncAnimation(fig, update_points, np.arange(0, 100), interval=100, blit=True)

# ani.save('sin_test3.gif', writer='imagemagick', fps=10)
plt.show()

我在上面update_points函数中添加了一个文本，让它显示点的\((x,\ y)\)的坐标值，同时在不同的帧，改变了点的形状，让它在5的倍数帧显示为五角星形状。

图2-3 sin函数点运动效果2	图2-4 sin函数点运动效果3

再稍微改变一下，可以让文本跟着点动。只需将上面的代码update_points函数改为如下代码，其效果如图2-4所示。

def update_points(num):

    point_ani.set_data(x[num], y[num])
    if num%5==0:
        point_ani.set_marker("*")
        point_ani.set_markersize(12)
    else:
        point_ani.set_marker("o")
        point_ani.set_markersize(8)
    
    text_pt.set_position((x[num], y[num]))
    text_pt.set_text("x=%.3f, y=%.3f"%(x[num], y[num]))
    return point_ani,text_pt,

总结

本文制作动画主要用到了Matplotlib的Animation类，虽然讲的例子比较简单，但是据此简单的原理，足以实现复杂的动画效果。