Matplotlib 繪圖技巧：移動的點

作者：王一哲
日期：2019/12/20

前言

在這篇文章中，我利用 Matplotlib 繪製一個隨著 sin 函數移動的點，由於圖片中的物件比較簡單，算是上一篇文章〈Matplotlib 繪圖技巧：水波干涉動畫〉的前置作業。

使用Matplotlib產生的動畫

Python 程式碼

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

"""
 1.參數設定
"""
xmin, xmax, A, N = 0, 4*np.pi, 4, 100
x = np.linspace(xmin, xmax, N)
y = A*np.sin(x)

"""
 2.繪圖
"""
fig = plt.figure(figsize=(7, 6), dpi=100)
ax = fig.gca()
line, = ax.plot(x, y, color='blue', linestyle='-', linewidth=3)
dot, = ax.plot([], [], color='red', marker='o', markersize=10, markeredgecolor='black', linestyle='')
ax.set_xlabel('x', fontsize=14)
ax.set_ylabel('y', fontsize=14)

def update(i):
    dot.set_data(x[i], y[i])
    return dot,

def init():
    dot.set_data(x[0], y[0])
    return dot,

ani = animation.FuncAnimation(fig=fig, func=update, frames=N, init_func=init, interval=1000/N, blit=True, repeat=True)
plt.show()
ani.save('MovingPointMatplotlib.gif', writer='imagemagick', fps=1/0.04)

參數設定

1. 繪圖範圍最小值 xmin = 0
2. 繪圖範圍最大值 xmax = 4π
3. 振幅 A = 4
4. 動畫格數 N = 100
5. 利用 numpy.linspace 產生 0 到 4π，分為 100 等份的一維陣列 x。
6. 將 x 代入 A*sin(x) 計算對應的值並存入一維陣列 y。

繪圖

1. 第17行：以陣列x、y的資料繪圖，格式為藍色實線，線寬為3。由於Matplotlib中有許多神奇的縮寫，可以用以下的程式碼代替此行：
   

   line, = ax.plot(x, y, 'b-', lw=3)

2. 第18行：設定移動點的格式為紅色實心的點，點的寬度為10，點的邊綠為黑色實線，可以用以下的程式碼代替此行：
   

   dot, = ax.plot([], [], 'ro', ms=10, mec='k')

3. 第22 - 24行：自訂函式update，使用set_data更新點的位置。
4. 第26 - 28行：自訂函式init，使用set_data畫點的起始位置。由於我們要畫的點起始位置儲存在陣列x、y當中索引值為0的位置，其實可以刪除這個自訂函式，同時將第30行的程式碼改為以下的型式
   

   ani = animation.FuncAnimation(fig, update, N, interval=1000/N, blit=True)

5. 第30行：利用 matplotlib.animation.FuncAnimation 繪製動畫，選項為
   
   • fig：目標圖片
   • func：更新圖片使用的函式
   • frames：圖片總數
   • init_func：起始圖片
   • interval：更新圖片時間間隔
   • blit：若只更新圖片上會改變的部分設定為True，反之則設定為False。經過測試後發現，若設定為True，則使用plt.show()顯示圖片時會比較順，但是不會影響到產生的gif檔大小。
   • repeat：是否重複執行動畫，預設值為True。
6. 第31行：顯示圖片，如果只要產生gif檔，可以省略此行。
7. 第32行：使用imagemagick將圖片存成gif檔，檔名為MovingPointMatplotlib.gif，fps為每秒更新的圖片數量。

使用Matplotlib產生的動畫

GeoGebra 版本

由於我也常用 GeoGebra 繪圖，於是我用 GeoGebra 畫了一樣的圖來比較看看，以下是繪圖步驟。

1. 在下方的輸入欄位中入以下指令新增變數，其中 xmin 為繪圖範圍最小值、xmax 為繪圖範圍最大值、A 為振幅、N 為動畫格數。
   

   xmin = 0
   xmax = 4*pi
   A = 4
   N = 101
   

2. 加上控制時間的數值滑桿，再於滑桿上按滑鼠右鍵，由屬性選單中的滑桿分頁 ⇒ 動畫 ⇒ 重複設定為遞增。
   

   t = Slider(xmin, xmax, (xmax-xmin)/N)

3. 新增函數f(x)
   

   f(x) = If(xmin <= x <= xmax, A*sin(x))

4. 新增點P
   

   P = Point({t, f(t)})

5. 由選單選擇檔案 ⇒ 匯出 ⇒ 動態GIF檔，滑桿為t=0，影格速率40 ms，勾選循環播放。

使用GeoGebra產生的動畫

結語

在這篇文章中，我使用了兩種不同的方法做到同樣的效果，其實兩種方法都很方便，但是匯出之後的檔案有點大，可以再用 magick 將圖片檔案縮小，這樣使用上會比較方便。

參考資料

1. Matplotlib 官方文件 matplotlib.animation.FuncAnimation https://matplotlib.org/3.1.1/api/_as_gen/matplotlib.animation.FuncAnimation.html
2. StackOverflow Animate sine function with red dot https://stackoverflow.com/questions/43559337/animate-sine-function-with-red-dot
3. 莫煩Python Animation 动画 https://morvanzhou.github.io/tutorials/data-manipulation/plt/5-1-animation/
4. Matplotlib 官方文件 matplotlib.pyplot.plot https://matplotlib.org/2.1.1/api/_as_gen/matplotlib.pyplot.plot.html

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HackMD 版本連結：https://hackmd.io/@yizhewang/ByEgnsY0H