Matplotlib 如何旋转3D图形

在数据可视化领域，Matplotlib是一个非常流行的Python库，它提供了许多强大的绘图工具，包括2D和3D图形。在Jupyter Notebook中使用Matplotlib，可以使数据可视化更加方便和直观。在本文中，我们将介绍如何使用Matplotlib和Jupyter Notebooks旋转3D图形。

阅读更多：Matplotlib 教程

安装和设置

在开始之前，需要先安装Matplotlib库。可以通过以下命令使用pip进行安装：

pip install matplotlib

在安装完成后，需要在Jupyter Notebook中添加以下代码，以便在Jupyter中显示Matplotlib生成的图形：

%matplotlib inline

创建一个3D图形

我们首先需要创建一个3D图形，可以使用mplot3d子库中的projection='3d'参数实现。以下是创建一个简单3D图形的示例代码：

import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits import mplot3d

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')

# 绘制一些随机数据的分布
import numpy as np
x = np.random.normal(0, 1, 100)
y = np.random.normal(0, 1, 100)
z = np.random.normal(0, 1, 100)
ax.scatter(x, y, z, c='r', marker='o')

# 添加坐标轴标签
ax.set_xlabel('X Label')
ax.set_ylabel('Y Label')
ax.set_zlabel('Z Label')

plt.show()

以上代码将绘制一个简单的3D散点图，并使用ax.set_xlabel()、ax.set_ylabel()和ax.set_zlabel()设置坐标轴标签。

旋转3D图形

当创建了3D图形后，可以通过手动旋转3D图形来查看它的不同视角。可以使用鼠标左键拖动和鼠标右键缩放。

在Jupyter Notebook中，可以使用以下代码来查看3D图形的不同角度：

from itertools import zip_longest

def rotate(angle):
    ax.view_init(azim=angle)

angles_count = 36 # 一圈有多少个角度需要旋转
angles = np.linspace(0, 360, angles_count + 1)[: -1] # 生成旋转的角度序列
for angle in angles:
    rotate(angle)
    plt.savefig("rotated/step_{:02d}.png".format(int(angle) + 1), dpi=96)
    plt.gca()

# 将生成的图片合成为一个GIF图，可以使用外部工具，如ImageMagick

在上述示例代码中，rotate()函数接受一个角度参数，并将视图旋转到指定角度。angles数组生成一个等分的角度序列并调用rotate()函数。在每个角度，都将图像保存到“rotated”文件夹中，并通过外部工具ImageMagick将它们合成为一个GIF文件。

添加轨迹

上述示例代码可以生成一个旋转的3D图形，但是这个图形的旋转看起来不是很平滑，而且需要手动旋转。为了解决这个问题，我们可以在图形上添加轨迹，以便更好地看到图形的旋转效果。

以下是添加轨迹的示例代码：

# 在图形上添加轨迹
from matplotlib.animation import FuncAnimation

def init():
    ax.scatter(x, y, z, marker='o', s=15)
    return fig,

def update(i):
    ax.view_init(elev=10., azim=i)
    return fig,

ani = FuncAnimation(fig, update, init_func=init,
                    frames=angles_count, interval=50, blit=True)

ani.save('trajectory.gif', writer='imagemagick', fps=60)

在上述代码中，我们创建了两个函数：init()和update()。init()函数在图形上绘制初始的散点图，update()函数在每个帧上旋转3D图形，并返回更新后的图像。

然后，使用FuncAnimation()函数创建一个动画，将update()函数作为一个参数传递。init_func参数传递了初始的绘图函数，frames参数指定了要生成的帧数，interval参数指定了动画的帧之间的间隔时间。

最后使用ani.save()函数将生成的动画保存到文件中。在这个示例中，我们将动画保存为GIF类型，并指定帧率为60。