Abstract

本文用于记录，使用 python + matplotlib 库绘制模拟动画的个人笔记和经验总结。
使用 matplotlib.animation.FuncAnimation 绘制斜抛运动模拟动画。

Introduction

通常而言，对于数据的可视化呈现多以静态图主，如散点图，折线图等。这类图可用 matplotlib 库或者 seaborn 库中的对应方法实现绘制。比较好奇的是，如何用 python 绘制动态图？

上网一顿手忙脚乱，发现 matplotlib 官网文档上，就有动图的案例¹。其中使用的是 matplotlib.animation 这个类。接下来我们就研究一下这个类的方法，以及应用一个简单的物理斜抛模型来进行测试。

Matplotlib.animation

先简单记录一下 matplotlib.animation：

由继承图可知，animation 类中主要由 ArtistAnimation² 和 FuncAnimation³ 这两个子类继承。二者的原理（API接口）略有不同。前者是预先给定一系列固定的artist对象，再生成动画；后者则是通过反复调用我们预先给定的某个 “func” 函数，来生成模拟动画。通俗来讲，（个人理解）即是，ArtistAnimation 是类似动画片（幻灯片），预先给定每一帧的数据，然后再让画面动起来；而 FuncAnimation 则类似实时计算，实时生成动画。

本文中我们先试用 FuncAnimation³：

其中几个主要参数：

fig：传入你的 figure 对象
func：传入你的模型函数，理解为某个时间依赖的函数，例如 f(r,t)f(r,t)f(r,t)
frames：即帧数，传入时间（序列） t
init_func：初始化一些参数

Physics model and Code

方便起见（懒，用简单的），模拟斜抛运动。

运动方程为：
{x=v0sin⁡(θ)ty=v0cos⁡(θ)t−gt22\begin{cases} x = v_0 \sin \left( \theta \right) t \\ y = v_0 \cos \left( \theta \right) t - \frac{gt^2}{2}\\ \end{cases} {x=v0sin(θ)ty=v0cos(θ)t−2gt2

python 实现：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation%matplotlib qt5
# 这里我用的是jupyter, 加上这一行，使模拟动画能以独立窗口的形式呈现。
# 若用 inline 模式，似乎会出问题。

# 运动方程
def data_generate(t, v0, theta):x = v0 * np.cos(theta) * ty = v0 * np.sin(theta) * t - 0.5 * g * t * treturn x, y# 模型 func
def model(t, v0, theta):x, y = data_generate(t, v0, theta)x_posi.append(x)y_posi.append(y)line.set_data(x_posi, y_posi)point.set_data(x, y)return line, point# 初始化画布参数
def init():ax.set_xlim(-1, 20)ax.set_ylim(-20, 10)del x_posi[:]del y_posi[:]line.set_data(x_posi, y_posi)point.set_data(x_posi, y_posi)return line, point# 设置初始条件
v0 = 10 # m/s
theta = np.radians(45) # rad
g = 9.8 # m/s2x_posi, y_posi = [], []
fig, ax = plt.subplots()
line, = ax.plot([], [], ',-')
point, = ax.plot([], [], '.')t = np.linspace(0, 5, 50)ani = animation.FuncAnimation(fig, model, frames=t, init_func=init,fargs=(v0, theta), repeat=False)
plt.show()

# 保存
ani.save('xpyd.gif', writer='imagemagick')

Summary

本文只用了 FuncAnimation 类，而 ArtistAnimation 的运用，下篇 blog 再更新。
代码根据文档中案例修修改改，举一反三。
最后的结果动图中坐标轴没画，以及一些细节改天再更新吧。

https://matplotlib.org/stable/gallery/index.html#animation ↩︎
https://matplotlib.org/stable/api/_as_gen/matplotlib.animation.ArtistAnimation.html ↩︎
https://matplotlib.org/stable/api/_as_gen/matplotlib.animation.FuncAnimation.html ↩︎ ↩︎

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