用matplotlib的Animation画动图

摘要: 用 matplotlib 的 Animation 画动画的方法和例子

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我们在使用 matplotlib 时，常用的是 pyplot，可以画各种静态图，常见的代码模板如下

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
ax.plot(...)
ax.plot(...)
plt.show()

有时我们希望画一些动态图，类似于放动画片的那种效果，例如再用算法拟合曲线时候，想要每隔几步就画一下当前拟合的曲线。

在 matplotlib 中，不仅可以绘制静态图形，也可以绘制动态图形。在 Matplotlib 中绘制动态图形的方法主要有两种，第一种是用模块 animation，另一种是用 pyplot 的 API。但是如果要存 gif 图片的话，还是要用 animation 模块。

animation 的用法

用 animation 绘制复杂动画，最核心的是 FuncAnimation 这个类。下面我们看一下 FuncAnimation 的用法。

FuncAnimation(fig, func, frames, init_func, interval, blit)

主要参数的含义如下

• fig: 绘制动图的画布名称
• func: 回调函数，每次更新时调用，即下边程序定义的函数update，可以在这个方法中更新 line2d 对象。
• frames: 整个动画 frame 的取值范围，在函数运行时，其值会传递给函数 update(n) 的形参 n。
• init_func: 自定义开始帧，即传入刚定义的函数init,初始化函数。
• interval: frame之间的更新频率，以 ms 计。
• blit: 选择更新所有点，还是仅更新产生变化的点。

frames

以上 FuncAnimation 构造函数中的参数中，frames 参数可以取值 iterable, int, generator 或者 None。如果取整数 n，相当于给参数赋值 range(n)

frames 会在 interval 时间内迭代一次，然后将值传给 func，直至 frames 迭代完毕。

init 与 update

init 的作用是绘制下一帧画面前清空画布窗口的当前画面。update 的作用是绘制每帧画面

注意 init 和 update 的返回值的逗号不可省略，如果不带逗号，返回的是 list，带了逗号之后，返回的才是 Line2D 对象。类似地，ax.plot 返回值 line 后面也要加逗号。

保存 gif 或 mp4

用 FuncAnimation 生成的动图，如果要存 mp4，需要安装 ffmpeg，如果要存 gif，需要安装 imagemagick

ani.save("animation.mp4", fps=20, writer="ffmpeg")
ani.save("animation.gif", fps=50, writer="imagemagick")

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例子

例子1: 每一轮 x 不变，清空并一次性更新 y

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

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)

x = np.linspace(0, 2 * np.pi, 5000)
y = np.exp(-x) * np.cos(2 * np.pi * x)
line, = ax.plot(x, y, color="cornflowerblue", lw=3)
ax.set_ylim(-1.1, 1.1)

# 清空当前帧
def init():
    line.set_ydata([np.nan] * len(x))
    return line,

# 更新新一帧的数据
def update(frame):
    line.set_ydata(np.exp(-x) * np.cos(2 * np.pi * x + float(frame)/100))
    return line,

# 调用 FuncAnimation
ani = FuncAnimation(fig
                   ,update
                   ,init_func=init
                   ,frames=200
                   ,interval=2
                   ,blit=True
                   )

ani.save("animation.gif", fps=25, writer="imagemagick")

例子2: 每一轮同时新增 x 和 y 的一个点

一个点一个点地画 sin 函数，每一帧新增一个点 (x, y)

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
line, = plt.plot([], [], "r-", animated=True)
x = []
y = []

def init():
    ax.set_xlim(-np.pi, np.pi)
    ax.set_ylim(-1, 1)
    return line,

def update(frame):
    x.append(frame)
    y.append(np.sin(frame))
    line.set_data(x, y)
    return line,

ani = FuncAnimation(fig
                   ,update
                   ,frames=np.linspace(-np.pi ,np.pi, 90)
                   ,interval=10
                   ,init_func=init
                   ,blit=True
                   )
ani.save("animation.gif", fps=25, writer="imagemagick")

例子3: 同时画两条线，每轮新增两个点

代码与例子2整体差不多，但是是同时画两条线。每一轮新增两个点 (x, y1), (x, y2)

代码中的 init 函数只有一个壳，实际去掉也可以。

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
x = np.linspace(0, 10, 100)
y1 = np.sin(x)
y2 = np.cos(x)
line1, = ax.plot(x, y1, color='k')
line2, = ax.plot(x, y2, color='b')

def init():
    return line1, line2,

def update(num):
    line1.set_data(x[:num], y1[:num])
    line2.set_data(x[:num], y2[:num])
    return line1, line2

ani = FuncAnimation(fig
                   ,update
                   ,init_func=init
                   ,frames=len(x)
                   ,interval=25
                   ,blit=True
                   )

ani.save("3.gif", fps=25, writer="imagemagick")

例子4: 同时画两条线，每轮重新画两条线

每秒更新一帧，FuncAnimation 对象的 interval 设为 1000(ms)，save 时 fps 设为 1。

在 update 中设置 ax 属性

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.animation import FuncAnimation
import matplotlib.font_manager as fm

font = fm.FontProperties(fname="./simsun.ttc")

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
ax.set_title("动态图", fontproperties=font)
ax.grid(True)
ax.set_xlabel("X轴", fontproperties=font)
ax.set_ylabel("Y轴", fontproperties=font)
line1, = ax.plot([], [], "b--", linewidth=2.0, label="sin示例")
line2, = ax.plot([], [], "g+", linewidth=2.0, label="cos示例")
ax.legend(loc="upper left", prop=font, shadow=True)

def init():
    line1, = ax.plot([], [], "b--", linewidth=2.0, label="sin示例")
    line2, = ax.plot([], [], "g+", linewidth=2.0, label="cos示例")
    return line1, line2

def update(frame):
    x = np.linspace(-np.pi + 0.1 * frame, np.pi + 0.1 * frame, 256, endpoint=True)
    y_cos, y_sin = np.cos(x), np.sin(x)

    ax.set_xlim(-4 + 0.1 * frame, 4 + 0.1 * frame)
    ax.set_xticks(np.linspace(-4 + 0.1 * frame, 4 + 0.1 * frame, 9, endpoint=True))
    ax.set_ylim(-1.0, 1.0)
    ax.set_yticks(np.linspace(-1, 1, 9, endpoint=True))

    line1, = ax.plot(x, y_cos, "b--", linewidth=2.0, label="sin示例")
    line2, = ax.plot(x, y_sin, "g+", linewidth=2.0, label="cos示例")

    return line1, line2

ani = FuncAnimation(fig
                   ,update
                   ,init_func=init
                   ,frames=np.linspace(-5 ,5, 5)
                   ,interval=1000
                   ,blit=True
                   )

ani.save("4.gif", fps=1, writer="imagemagick")

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