制作图表动画

这篇文章会介绍 matplotlib 的 animation 模组，使用模组中的 FuncAnimation() 方法制作图表动画，文章中会制作散点图 ( 散布图 ) 以及正弦波 ( sin 波 ) 折线图的动画图表。

本篇使用的 Python 版本为 3.7.12，所有范例可使用 Google Colab 实作，不用安装任何软件 ( 参考：使用 Google Colab )

import matplotlib

要进行本篇的范例，必须先加载 matplotlib 函数库的 pyplot 模组，范例将其独立命名为 plt，因为要做动画，所以额外加载 animation 模组。

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation

使用 FuncAnimation()

FuncAnimation() 方法可以将可迭代的数据，提供给指定的函数执行绘图动作，绘图的函数执行完成后，会产生一个动画的对象，只要再透过 save 的方法，就能将该对象储存为 gif 动画或 mp4 影片，使用方法如下：

ani = animation.FuncAnimation(fig, func, frames, interval, init_func, repeat)

相关参数介绍：

基本散点图动画

下方的程序码执行，会先产生一个 x 轴和 y 轴范围是 0～10 的图表，接着定义 init 函数作为动画开始的函数，以及定义 run 函数作为每格动画要执行的函数，函数内容使用 scatter 方法，在特定座标位置画上一点，最后执行 animation.FuncAnimation 制作动画，数据直接设定 frames 参数为 10 ( 等同提供 range(10) 的数据 )，完成后就会将图表动画储存为 animation.gif。

如果要使用 Colab 储存图表动画，必须先连动 Colab 和云端硬盘，参考：连动 Google Drive。

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation

fig, ax = plt.subplots()  # 建立單一圖表
ax.set_xlim(0,10)         # 設定 x 軸範圍 0～10
ax.set_ylim(0,10)         # 設定 y 軸範圍 0～10

def init():
    ax.scatter(2, 8)      # 一開始要執行的韓式，在 (2,8) 的位置畫點

def run(data):
    if data>0:
        ax.scatter(data, data)    # 如果資料大於 0，就在圖表上畫點
    else:
        pass

ani = animation.FuncAnimation(fig, run, frames=10, interval=10, init_func=init)  # 製作動畫
ani.save('animation.gif', fps=10)   # 儲存為 gif
plt.show()

下方的程序码，使用 random 函数库产生 30 个 1～50 的随机座标点，并搭配简单的数学运算，产生一张座标点会不断落下的动画图表 ( 搭配 clear() 方法，每次函数执行时将图表清空 )。

import random
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation

fig, ax = plt.subplots()
ax.set_xlim(0,50)       # x 座標範圍設定 0～50
ax.set_ylim(0,50)       # y 座標範圍設定 0～50

x = random.choices(range(1, 50),k=30)   # 隨機 30 個 1～50 的 x 座標
y = random.choices(range(1, 50),k=30)   # 隨機 30 個 1～50 的 y 座標

def init():
    ax.scatter(x, y)

def run(data):
    ax.clear()              # 清空圖表
    ax.set_xlim(0,50)       # x 座標範圍設定 0～50 ( 避免圖表自動調整 )
    ax.set_ylim(0,50)       # x 座標範圍設定 0～50
    for i, e in enumerate(y):
        if e>0:
            y[i] = e - 1    # 將 y 的數值不斷減少 1，直到為 0
    ax.scatter(x, y)

ani = animation.FuncAnimation(fig, run, frames=30, interval=10, init_func=init)
ani.save('animation.gif', fps=10)
plt.show()

正弦波 ( sin 波 ) 折线图动画

下方的程序码使用 line 变数宣告为折线图对象，每次函数执行时，使用 set_data 方法重新提供这个对象数据，就可以画出正弦波的折线图动画。

import math
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation

fig, ax = plt.subplots()       # 建立單一圖表
ax.set_xlim(0,20)              # x 座標範圍設定 0～20
ax.set_ylim(-1.5,1.5)          # y 座標範圍設定 -1.5～1.5

n = [i/5 for i in range(100)]  # 使用串列升成式產生 0～20 共 100 筆資料
x, y = [], []                  # 設定 x 和 y 變數為空串列
line, = ax.plot(x, y)          # 定義 line 變數為折線圖物件 ( 注意 line 後方有逗號 )

def run(data):
    x.append(data)             # 添加 x 資料點
    y.append(math.sin(data))   # 添加 y 資料點
    line.set_data(x, y)        # 重新設定資料點

ani = animation.FuncAnimation(fig, run, frames=n, interval=30)
ani.save('animation.gif', fps=30)
plt.show()

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