实现图形的动画效果

在 matplotlib 中，不仅可以绘制静态图形，也可以绘制动态图形。对于动态图形来说，我们称 之为动画或许会让读者更容易明白。绘制动画的方法主要有两种：一种是使用模块 animation 绘制动 画；另一种是调用模块 pyplot 的 API 绘制动画。下面，我们就分别通过实用案例加以讲解，以使读 者理解这两种方法的区别和联系。

一，使用模块 animation 绘制动画

一般而言，在绘制复杂动画时，主要借助模块 animation 来完成。下面，我们就详细介绍模块 animation 中的类 FuncAnimation 的使用方法。

1.代码示例

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

from matplotlib.animation import FuncAnimation

fig, ax = plt.subplots(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(-1.0, 1.0)


# to clear current frame
def init():
    line.set_ydata([np.nan] * len(x))
    return line,


# to update the data
def animate(data):
    line.set_ydata(np.exp(-x) * np.cos(2 * np.pi * x + float(data) / 100))
    return line,


# to call class FuncAnimation which connects animate and init
ani = FuncAnimation(
    fig,
    animate,
    init_func=init,
    frames=200,
    interval=2,
    blit=True)

# to save the animation
ani.save("mymovie.mp4", fps=20, writer="ffmpeg")

plt.show()

2.代码讲解 

<1>我们定义了两个函数 init()和 animate()，函数 init()的作用是在绘制下一帧动画画面之前 清空画布窗口中的当前动画画面，函数 animate()的作用是绘制每帧动画画面。这两个函数的返 回值“line”后面的符号“,”是不可以省略的，原因就是只有添加了符号“,”，才可以使得返回 值是 Line2D 对象。

<2>同理，通过调用“ax.plot(x,y,color="cornflowerblue",lw=3)”语句，获得的返回值“line”的 后面也需要添加符号“,”。  

<3> 函数 init() 和 animate()分别作为参 数值传入 类 FuncAnimation 的构造函 数中。类FuncAnimation 的构造函数主要接收的参数有 Figure 对象、函数 func、帧数 frames、帧与帧之间的 间隔时间 interval。

<4>调用实例方法 save()，将绘制的每帧动画画面（图形）保存成图像文件，然后将全部图像 文件转存成视频文件，也就是动画 mymovie.mp4，这个动画的文件格式是 MPEG-4 Movie。如果计 算机安装的是 Windows 操作系统，则可以使用系统自带的 Windows Media Player 软件打开，当然也 可以使用其他视频播放软件打开。动画保存在生成动画的执行脚本所在的路径下。

<5>调用模块 pyplot 中的函数 show()，生成自动播放动画内容的画布窗口。在图 7-1 中，展示 了从动画内容中选取的 4 帧动画画面。

二，调用模块 pyplot 的 API 绘制动画  

1.代码示例

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

from matplotlib.patches import Circle
from warnings import filterwarnings

# ignore warning
filterwarnings("ignore", ".*GUI is implemented.*")

# set several variables
word = "kaleidoscope"
row = int(len(word) / 4)
col = int(len(word) / 4)
num = int(len(word) / 4)

data = np.random.random((row, col, num))
colorMap = ["spring", "summer", "autumn", "winter"]

subplot_row = int(len(word) / 6)
subplot_col = int(len(word) / 6)

font = dict(family="monospace", weight="bold", style="italic", fontsize=10)
subplot_kw = dict(aspect="equal", frame_on=False, xticks=[], yticks=[])

# create subplots
fig, ax = plt.subplots(subplot_row, subplot_col, subplot_kw=subplot_kw)


# generate a subplot
def rowcolgenerator(r, c, season):
    index = colorMap.index(season)
    t = index * num
    subtitle = "No.{} '{}' Theme of the {}"
    for j in range(len(data)):
        ax[r, c].cla()
        collection = ax[r, c].pcolor(data[j, :], cmap=colorMap[index])
        patch = Circle((1.5, 1.5), radius=1.5, transform=ax[r, c].transData)
        collection.set_clip_path(patch)
        element = colorMap[index].capitalize()
        ax[r, c].set_title(subtitle.format((j + 1), word[t:t + 3], element),
                           **font)
        ax[r, c].set_axis_off()
        plt.pause(1.0)


# create animation
def animation():
    i = 0
    for r in range(subplot_row):
        for c in range(subplot_col):
            rowcolgenerator(r, c, colorMap[i])
            i += 1

    title = "Life Kaleidoscope Consists of Four Seasons"
    plt.suptitle(title, family="serif", weight="black", fontsize=20)

    plt.subplots_adjust(wspace=0.05, hspace=0.2)

if __name__ == "__main__":
    animation()

2.代码讲解

（1）导入模块 pyplot、patches 和 warnings，其中，模块 patches 主要用于导入类 Circle，模块 warnings 主要用于导入函数 filterwarnings()。导入 NumPy 包用于生成类 ndarray 的数据对象。 注意： 函数 filterwarnings(action,message)主要用来设置对于警告信息而言脚本所采用的运行模式，其中， 参数 action 用来设置脚本运行模式，参数 message 用来收集必须与正则表达式相匹配的警告信息。

（2）通过调用“np.random.random((row,col,num))”语句，生成在半开区间(0.0,1.0]内的随机浮点数的数组 array，数据对象 ndarray 的形状是 row 行 col 列，而且数组 array 中的每个元素都包含 num 个浮点数。

（3）通过调用“colorMap = ["spring","summer","autumn","winter"]”语句，将颜色映射表的名称存储在列表 colorMap 中。

（4）通过调用“subplot_kw = dict(aspect="equal",frame_on=False,xticks=[],yticks=[])”语句，用字 典数据结构设置子区的坐标轴的展示形式，参数 aspect 的取值将 x 轴的刻度线之间的单位距离和 y轴的刻度线之间的单位距离设置成长度相同，参数 frame_on 的取值将轴脊隐藏，参数 xticks 和 yticks 的取值分别将 x 轴和 y 轴的刻度线去掉，相应地，也将坐标轴上的刻度标签去掉。

（5）函数 rowcolgenerator()的功能主要是在每个子区上绘制图形。具体而言，通过调用 “ax[r,c].cla()”语句，清除当前子区里的坐标轴 ax[r,c]上的图形。然后在坐标轴 ax[r,c]上，调用类 Axes 的实例方法重新绘制图形，也就是通过调用“ax[r,c].pcolor(data[j,:],cmap=colorMap[index])”语句， 绘制模拟颜色图，参数 cmap 用来设置模拟颜色图所使用的颜色映射表的名称。通过调用 “Circle((1.5,1.5),radius=1.5,transform=ax[r,c].transData)”语句，绘制一个半径为 1.5、圆心(1.5,1.5)位 置处的圆形补片，参数 transform 的取值表示使用 ax[r,c]的坐标系统，也就是使用类 Axes 的坐标系 统，例如，(0,0)表示坐标轴的左下角，(1,1)表示坐标轴的右上角。调用类 Collection 的实例方法 set_clip_path()，将圆形补片 patch 作为剪切模板或裁剪路径，裁剪出一幅圆形样式的模拟颜色图。 变量 element 存储的是首字母大写的颜色映射表的名称。调用类 Axes 的实例方法 set_title()设置子区 的文本标题。调用类 Axes 的实例方法 set_axis_off()关闭 x 和 y 坐标轴，也就是说，将两个维度的坐 标轴隐藏。最后，调用模块 pyplot 中的函数 pause()，设置在执行下一句代码之前的延迟时间，这个 函数一般可以用来实现简单的动画效果。  

（6）函数 animation()的功能主要是通过 for 循环语句，分别在每个子区上绘制圆形模拟颜色图。 其中，调用模块 pyplot 中的函数 suptitle()在画布上添加文本标题，调用模块 pyplot 中的函数 subplots_adjust()分别设置子区之间的宽度和高度。

（7） 通过if语句，如果执行脚本，那么条件表达式“__name__ == "__main__"”的返回值是“True”， 进而调用函数 animation()，从而完成绘制动画的任务。