注意

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使用 Matplotlib 制作动画#

基于其绘图功能，Matplotlib 还提供了一个接口，可以使用 animation 模块生成动画。动画是一系列帧，其中每一帧都对应于 Figure 上的一个绘图。本教程涵盖了有关如何创建此类动画以及可用不同选项的一般指导。更多信息可在 API 描述中找到：animation

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

import matplotlib.animation as animation

动画类#

Matplotlib 中的动画过程可以分为两种不同的方式

  • FuncAnimation：为第一帧生成数据，然后为每一帧修改此数据以创建动画图。

  • ArtistAnimation：生成一个艺术家列表（可迭代对象），它们将在动画的每一帧中绘制。

就速度和内存而言，FuncAnimation 更有效，因为它绘制一次艺术家，然后对其进行修改。另一方面，ArtistAnimation 很灵活，因为它允许按顺序动画任何艺术家的可迭代对象。

FuncAnimation#

FuncAnimation 类允许我们通过传递一个迭代修改绘图数据的函数来创建动画。这是通过在各种 Artist 上使用 setter 方法来实现的（例如：Line2D、PathCollection 等）。通常的 FuncAnimation 对象采用我们想要动画的 Figure 和一个函数 func，该函数修改在图形上绘制的数据。它使用 frames 参数来确定动画的长度。interval 参数用于确定绘制两帧之间的时间（以毫秒为单位）。使用 FuncAnimation 进行动画通常需要以下步骤

  1. 像在静态绘图中一样绘制初始图形。将所有创建的艺术家（由绘图函数返回）保存在变量中，以便您稍后可以在动画函数中访问和修改它们。

  2. 创建一个动画函数，该函数更新给定帧的艺术家。通常，这会调用艺术家的 set_* 方法。

  3. 创建一个 FuncAnimation，传递 Figure 和动画函数。

  4. 使用以下方法之一保存或显示动画

下表显示了一些绘图方法、它们返回的艺术家以及一些常用的 set_* 方法，这些方法更新基础数据。虽然更新数据是动画中最常见的操作，但您还可以更新其他方面，例如颜色或文本位置。

绘图方法

艺术家

数据设置方法

Axes.plot

lines.Line2D

set_data, set_xdata, set_ydata

Axes.scatter

collections.PathCollection

set_offsets

Axes.imshow

image.AxesImage

AxesImage.set_data

Axes.annotate

text.Annotation

update_positions

Axes.barh

patches.Rectangle

set_angle, set_bounds, set_height, set_width, set_x, set_y, set_xy

Axes.fill

patches.Polygon

set_xy

Axes.add_patch(patches.Ellipse)

patches.Ellipse

set_angle, set_center, set_height, set_width

Axes.set_title, Axes.text

text.Text

set_text

覆盖所有类型的艺术家（artist）的设置方法超出了本教程的范围，但可以在它们各自的文档中找到。以下是 Axes.scatter 和 Axes.plot 中此类更新方法的使用示例。

fig, ax = plt.subplots()
t = np.linspace(0, 3, 40)
g = -9.81
v0 = 12
z = g * t**2 / 2 + v0 * t

v02 = 5
z2 = g * t**2 / 2 + v02 * t

scat = ax.scatter(t[0], z[0], c="b", s=5, label=f'v0 = {v0} m/s')
line2 = ax.plot(t[0], z2[0], label=f'v0 = {v02} m/s')[0]
ax.set(xlim=[0, 3], ylim=[-4, 10], xlabel='Time [s]', ylabel='Z [m]')
ax.legend()


def update(frame):
    # for each frame, update the data stored on each artist.
    x = t[:frame]
    y = z[:frame]
    # update the scatter plot:
    data = np.stack([x, y]).T
    scat.set_offsets(data)
    # update the line plot:
    line2.set_xdata(t[:frame])
    line2.set_ydata(z2[:frame])
    return (scat, line2)


ani = animation.FuncAnimation(fig=fig, func=update, frames=40, interval=30)
plt.show()

ArtistAnimation#

如果数据存储在不同的艺术家（artist）上，可以使用 ArtistAnimation 生成动画。然后，此艺术家列表会逐帧转换为动画。例如，当我们使用 Axes.barh 绘制条形图时，它会为每个条形和误差条创建多个艺术家。要更新绘图，需要单独更新容器中的每个条形并重新绘制。相反，可以使用 animation.ArtistAnimation 单独绘制每一帧，然后将其拼接在一起形成动画。条形图竞赛就是一个简单的例子。

fig, ax = plt.subplots()
rng = np.random.default_rng(19680801)
data = np.array([20, 20, 20, 20])
x = np.array([1, 2, 3, 4])

artists = []
colors = ['tab:blue', 'tab:red', 'tab:green', 'tab:purple']
for i in range(20):
    data += rng.integers(low=0, high=10, size=data.shape)
    container = ax.barh(x, data, color=colors)
    artists.append(container)


ani = animation.ArtistAnimation(fig=fig, artists=artists, interval=400)
plt.show()

动画写入器#

可以使用各种多媒体写入器（例如：Pillow、ffpmeg、imagemagick）将动画对象保存到磁盘。并非所有写入器都支持所有视频格式。主要有 4 种类型的写入器

  • PillowWriter - 使用 Pillow 库创建动画。

  • HTMLWriter - 用于创建基于 JavaScript 的动画。

  • 基于管道的写入器 - FFMpegWriter 和 ImageMagickWriter 是基于管道的写入器。这些写入器将每一帧传递给实用程序 (ffmpeg / imagemagick)，然后该实用程序将所有帧拼接在一起以创建动画。

  • 基于文件的写入器 - FFMpegFileWriter 和 ImageMagickFileWriter 是基于文件的写入器的示例。这些写入器比基于管道的替代方案慢，但对于调试更有用，因为它们在将每一帧拼接成动画之前将其保存在文件中。

保存动画#

写入器

支持的格式

PillowWriter

.gif, .apng, .webp

HTMLWriter

.htm, .html, .png
FFMpegWriter
FFMpegFileWriter

ffmpeg 支持的所有格式：ffmpeg -formats
ImageMagickWriter
ImageMagickFileWriter

imagemagick 支持的所有格式：magick -list format

要使用任何写入器保存动画，我们可以使用 animation.Animation.save 方法。它接受我们要将动画保存为的*文件名*和*写入器*，该写入器可以是字符串或写入器对象。它还接受一个*fps*参数。此参数与 FuncAnimation 或 ArtistAnimation 使用的*interval*参数不同。*fps* 确定**保存的**动画使用的帧速率，而*interval* 确定**显示的**动画使用的帧速率。

以下是一些示例，说明如何使用不同的写入器保存动画。

Pillow 写入器

ani.save(filename="/tmp/pillow_example.gif", writer="pillow")
ani.save(filename="/tmp/pillow_example.apng", writer="pillow")

HTML 写入器

ani.save(filename="/tmp/html_example.html", writer="html")
ani.save(filename="/tmp/html_example.htm", writer="html")
ani.save(filename="/tmp/html_example.png", writer="html")

FFMpegWriter

ani.save(filename="/tmp/ffmpeg_example.mkv", writer="ffmpeg")
ani.save(filename="/tmp/ffmpeg_example.mp4", writer="ffmpeg")
ani.save(filename="/tmp/ffmpeg_example.mjpeg", writer="ffmpeg")

Imagemagick 写入器

ani.save(filename="/tmp/imagemagick_example.gif", writer="imagemagick")
ani.save(filename="/tmp/imagemagick_example.webp", writer="imagemagick")
ani.save(filename="apng:/tmp/imagemagick_example.apng",
         writer="imagemagick", extra_args=["-quality", "100"])

（apng 的 extra_args 需要将文件大小减少约 10 倍）

请注意，需要单独安装 ffmpeg 和 imagemagick。获取 ffmpeg 的跨平台方法是安装 imageio_ffmpeg PyPI 包，然后设置 rcParams["animation.ffmpeg_path"] = imageio_ffmpeg.get_ffmpeg_exe()。

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