用matplotlib繪制3D圖形

本文轉載自查看原文 2020-12-19 17:39 372 數據可視化/ Python

用matplotlib繪制3D圖形

制備

導入numpy進行數據處理，導入pyplot進行繪圖，以及mpl_toolkits.mplot3d，因為它是3D的。

1 # 導包
2 from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
3 import matplotlib.pyplot as plt
4 import numpy as np

創建要繪制的數據

要繪制3D，需要准備2D數組以創建網格（2D網格）。
首先，使用range方法將x和y分別划分為一維區域。

x = np.arange(-3,3,0.25)
y = np.arange(-3,3,0.25)

使用meshgrid方法創建二維網格。該函數的返回值是對應於X和Y的矩陣，其中X是行中x的數組，Y是列中y的數組。

1 X, Y = np.meshgrid(x,y)
2 print("x=" ,x)
3 print("X=" ,X)
4 print("y=" ,y)
5 print("Y=" ,Y)

x= [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
  0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
X= [[-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
 [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
   0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]]
y= [-3.   -2.75 -2.5  -2.25 -2.   -1.75 -1.5  -1.25 -1.   -0.75 -0.5  -0.25
  0.    0.25  0.5   0.75  1.    1.25  1.5   1.75  2.    2.25  2.5   2.75]
Y= [[-3.   -3.   -3.   -3.   -3.   -3.   -3.   -3.   -3.   -3.   -3.   -3.
  -3.   -3.   -3.   -3.   -3.   -3.   -3.   -3.   -3.   -3.   -3.   -3.  ]
 [-2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75
  -2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75]
 [-2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5
  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5  -2.5 ]
 [-2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25
  -2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25 -2.25]
 [-2.   -2.   -2.   -2.   -2.   -2.   -2.   -2.   -2.   -2.   -2.   -2.
  -2.   -2.   -2.   -2.   -2.   -2.   -2.   -2.   -2.   -2.   -2.   -2.  ]
 [-1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75
  -1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75 -1.75]
 [-1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5
  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5  -1.5 ]
 [-1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25
  -1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25 -1.25]
 [-1.   -1.   -1.   -1.   -1.   -1.   -1.   -1.   -1.   -1.   -1.   -1.
  -1.   -1.   -1.   -1.   -1.   -1.   -1.   -1.   -1.   -1.   -1.   -1.  ]
 [-0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75
  -0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75 -0.75]
 [-0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5
  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5  -0.5 ]
 [-0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25
  -0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25 -0.25]
 [ 0.    0.    0.    0.    0.    0.    0.    0.    0.    0.    0.    0.
   0.    0.    0.    0.    0.    0.    0.    0.    0.    0.    0.    0.  ]
 [ 0.25  0.25  0.25  0.25  0.25  0.25  0.25  0.25  0.25  0.25  0.25  0.25
   0.25  0.25  0.25  0.25  0.25  0.25  0.25  0.25  0.25  0.25  0.25  0.25]
 [ 0.5   0.5   0.5   0.5   0.5   0.5   0.5   0.5   0.5   0.5   0.5   0.5
   0.5   0.5   0.5   0.5   0.5   0.5   0.5   0.5   0.5   0.5   0.5   0.5 ]
 [ 0.75  0.75  0.75  0.75  0.75  0.75  0.75  0.75  0.75  0.75  0.75  0.75
   0.75  0.75  0.75  0.75  0.75  0.75  0.75  0.75  0.75  0.75  0.75  0.75]
 [ 1.    1.    1.    1.    1.    1.    1.    1.    1.    1.    1.    1.
   1.    1.    1.    1.    1.    1.    1.    1.    1.    1.    1.    1.  ]
 [ 1.25  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25
   1.25  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25]
 [ 1.5   1.5   1.5   1.5   1.5   1.5   1.5   1.5   1.5   1.5   1.5   1.5
   1.5   1.5   1.5   1.5   1.5   1.5   1.5   1.5   1.5   1.5   1.5   1.5 ]
 [ 1.75  1.75  1.75  1.75  1.75  1.75  1.75  1.75  1.75  1.75  1.75  1.75
   1.75  1.75  1.75  1.75  1.75  1.75  1.75  1.75  1.75  1.75  1.75  1.75]
 [ 2.    2.    2.    2.    2.    2.    2.    2.    2.    2.    2.    2.
   2.    2.    2.    2.    2.    2.    2.    2.    2.    2.    2.    2.  ]
 [ 2.25  2.25  2.25  2.25  2.25  2.25  2.25  2.25  2.25  2.25  2.25  2.25
   2.25  2.25  2.25  2.25  2.25  2.25  2.25  2.25  2.25  2.25  2.25  2.25]
 [ 2.5   2.5   2.5   2.5   2.5   2.5   2.5   2.5   2.5   2.5   2.5   2.5
   2.5   2.5   2.5   2.5   2.5   2.5   2.5   2.5   2.5   2.5   2.5   2.5 ]
 [ 2.75  2.75  2.75  2.75  2.75  2.75  2.75  2.75  2.75  2.75  2.75  2.75
   2.75  2.75  2.75  2.75  2.75  2.75  2.75  2.75  2.75  2.75  2.75  2.75]]

此XY直接用於計算z。計算結果也是二維數組。

1 x = np.arange(-3, 3, 0.25)
2 y = np.arange(-3, 3, 0.25)
3 X, Y = np.meshgrid(x, y)
4 Z = np.sin(X)+ np.cos(Y)

創建圖

首先，使用圖形方法生成二維圖形。然后使用Axes3D功能將其轉換為3D版本。
之后，如果將預先計算的3D點序列X，Y，Z傳遞給3D圖函數（例如plot），則可以

1 fig = plt.figure()
2 ax = Axes3D(fig)
3 ax.plot_wireframe(X,Y,Z)
4 plt.show()

到此為止的處理總結如下。

 1 from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
 2 import matplotlib.pyplot as plt
 3 import numpy as np
 4 
 5 x = np.arange(-3, 3, 0.25)
 6 y = np.arange(-3, 3, 0.25)
 7 X, Y = np.meshgrid(x, y)
 8 Z = np.sin(X)+ np.cos(Y)
 9 
10 fig = plt.figure()
11 ax = Axes3D(fig)
12 
13 # 線框
14 ax.plot_wireframe(X,Y,Z)
15 
16 # 表面
17 # ax.plot_surface(X, Y, Z, rstride=1, cstride=1)
18 
19 # 3D圖
20 # ax.plot3D(np.ravel(X),np.ravel(Y),np.ravel(Z))
21 
22 # 輪廓
23 # ax.contour3D(X,Y,Z)
24 # ax.contourf3D(X,Y,Z)
25 
26 # 散點圖
27 # ax.scatter3D(np.ravel(X),np.ravel(Y),np.ravel(Z))
28 
29 plt.show()

除了plot_wireframe，還有幾個函數可以讓您繪制各種圖表。

線框

# ax.plot_wireframe(X,Y,Z)

表面

# ax.plot_surface(X, Y, Z, rstride=1, cstride=1)

3D圖

plot3D是一個簡單的函數，可以在三個維度上繪制給定的一維數組。由於X，Y，和Z是二維陣列，使用numpy的。拉威爾函數傳遞作為參數之前，將二維數組轉換為一維陣列。如果繪制圖形，則可以看到它們全部由一條直線相連。

# ax.plot3D(np.ravel(X),np.ravel(Y),np.ravel(Z))

輪廓

輪廓f3D是一種用相同顏色填充相同高度的函數。

# ax.contour3D(X,Y,Z)
# ax.contourf3D(X,Y,Z)

E:\Anaconda3\lib\site-packages\numpy\core\_asarray.py:136: VisibleDeprecationWarning: Creating an ndarray from ragged nested sequences (which is a list-or-tuple of lists-or-tuples-or ndarrays with different lengths or shapes) is deprecated. If you meant to do this, you must specify 'dtype=object' when creating the ndarray
  return array(a, dtype, copy=False, order=order, subok=True)

散點圖

此方法繪制的點是三維尺寸而非直線。這也將轉換為一維數組，然后傳遞給參數。

# ax.scatter3D(np.ravel(X),np.ravel(Y),np.ravel(Z))

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