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python画图|3D参数化图形输出

article 2024/9/23 9:28:20

前面已经学习了基本的3D作图，具体链接如下：

基础教程：python画图|3D图基础教程-CSDN博客

直方图教程：python画图|3D直方图基础教程-CSDN博客

垂线标记教程：python画图|3D垂线标记-CSDN博客

3D surface教程：python画图|3D surface基础教程-CSDN博客

在此基础上，今天尝试学习参数化图形输出教程。

【1】官网教程

首先依然是进入官网学习：

https://matplotlib.org/stable/gallery/mplot3d/lines3d.html

官网示例给出了漂亮的参数化曲线结果，下述为对官网代码的解读。

【2】代码解读

首先引入numpy和matplotlib。

import matplotlib.pyplot as plt #引入matplotlib模块画图
import numpy as np #引入numpy模块做数学计算

然后快速定义了要画3D图：

ax = plt.figure().add_subplot(projection='3d') #定义画图，指明为3D图

画图应当有数据，因此定义了参数和各个变量：

theta = np.linspace(-4 * np.pi, 4 * np.pi, 100) #定义参数变量theta
z = np.linspace(-2, 2, 100) #定义参数变量z
r = z**2 + 1 #定义因变量r
x = r * np.sin(theta) #定义自变量x
y = r * np.cos(theta) #定义自变量y

上述代码中，theta为最初的参数；但这里同样把Z也取成了参数。

然后，定义了按照x、y和z的方式输出图形：

ax.plot(x, y, z, label='parametric curve') #定义输出图形

最后对图形属性做了规定：

ax.plot(x, y, z, label='parametric curve') #定义输出图形
ax.legend() #定义输出标签
plt.show() #输出图形

完整的代码注解和输出图形为：

import matplotlib.pyplot as plt #引入matplotlib模块画图
import numpy as np #引入numpy模块做数学计算

ax = plt.figure().add_subplot(projection='3d') #定义画图，指明为3D图

# Prepare arrays x, y, z
theta = np.linspace(-4 * np.pi, 4 * np.pi, 100) #定义参数变量theta
z = np.linspace(-2, 2, 100) #定义参数变量z
r = z**2 + 1 #定义因变量r
x = r * np.sin(theta) #定义自变量x
y = r * np.cos(theta) #定义自变量y

ax.plot(x, y, z, label='parametric curve') #定义输出图形
ax.legend() #定义输出标签
plt.show() #输出图形

图1

【3】代码修改

在代码修改前，我们先在plt.show()前加一行代码用以输出轴标签：

ax.set(xlabel='x',ylabel='y',zlabel='z') #要求输出坐标轴标签

【3.1】交换r和Z

官网教程将Z定义为参数，现在尝试交换r和Z，Z作为因变量，改后代码为：

# Prepare arrays x, y, z
theta = np.linspace(-4 * np.pi, 4 * np.pi, 100) #定义参数变量theta
r = np.linspace(-2, 2, 100) #定义参数变量r
z = r**2 + 1 #定义因变量z
x = z * np.sin(theta) #定义自变量x
y = z * np.cos(theta) #定义自变量y

此时的输出结果为：

图2

可见，新的代码下输出图像已经完全不同。

【3.2】交换x和z

官网教程将plot输出图形时按照xyz的顺序，现在尝试携程zyx的顺序，改后代码为：

ax.plot(z, y, x, label='parametric curve') #定义输出图形

输出结果为：

图3

由图3和图2对比可见，图形“底座”从xoy平面旋转到了yoz平面。

至此的完整代码为：

import matplotlib.pyplot as plt #引入matplotlib模块画图
import numpy as np #引入numpy模块做数学计算

ax = plt.figure().add_subplot(projection='3d') #定义画图，指明为3D图

# Prepare arrays x, y, z
theta = np.linspace(-4 * np.pi, 4 * np.pi, 100) #定义参数变量theta
r = np.linspace(-2, 2, 100) #定义参数变量r
z = r**2 + 1 #定义因变量z
x = z * np.sin(theta) #定义自变量x
y = z * np.cos(theta) #定义自变量y

ax.plot(z, y, x, label='parametric curve') #定义输出图形
ax.legend() #定义输出标签
ax.set(xlabel='x',ylabel='y',zlabel='z') #要求输出坐标轴标签
plt.show() #输出图形

【4】改写代码

尝试完全修改参数和变量，依然按照xyz的顺序输出，改后代码为：

theta = np.linspace(-4 * np.pi, 4 * np.pi, 100) #定义参数变量theta
x = theta #定义自变量x
y =np.cos(theta) #定义自变量y
z =np.sin(theta) #定义自变量z


ax.plot(x, y, z, label='parametric curve') #定义输出图形

输出图形为：