在 Matplotlib 中创建 3D 体素图

简介

在本实验中，你将学习如何在 Matplotlib 中使用柱坐标创建 3D 体素图。该图将演示如何使用.Axes3D.voxels的x、y和z参数来创建 3D 体素图。

虚拟机使用提示

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如果你在学习过程中遇到问题，随时向 Labby 提问。课程结束后提供反馈，我们将立即为你解决问题。

导入库

第一步是导入本实验所需的库。我们将使用matplotlib.pyplot、numpy和matplotlib.colors。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import matplotlib.colors

定义中点函数

接下来，我们定义一个midpoints函数来计算坐标数组的中点。该函数稍后将用于计算r、theta和z的中点。

def midpoints(x):
    sl = ()
    for i in range(x.ndim):
        x = (x[sl + np.index_exp[:-1]] + x[sl + np.index_exp[1:]]) / 2.0
        sl += np.index_exp[:]
    return x

定义坐标和 RGB 值

在这一步中，我们定义坐标r、theta和z，并为每个坐标附上 RGB 值。

r, theta, z = np.mgrid[0:1:11j, 0:np.pi*2:25j, -0.5:0.5:11j]
x = r*np.cos(theta)
y = r*np.sin(theta)

rc, thetac, zc = midpoints(r), midpoints(theta), midpoints(z)

## 定义一个围绕 [0.7, *, 0] 的摆动环面
sphere = (rc - 0.7)**2 + (zc + 0.2*np.cos(thetac*2))**2 < 0.2**2

## 组合颜色分量
hsv = np.zeros(sphere.shape + (3,))
hsv[..., 0] = thetac / (np.pi*2)
hsv[..., 1] = rc
hsv[..., 2] = zc + 0.5
colors = matplotlib.colors.hsv_to_rgb(hsv)

创建 3D 体素图

现在我们使用ax.voxels函数创建 3D 体素图。我们将x、y、z和sphere作为参数传入。我们还使用之前定义的colors数组添加facecolors和edgecolors。

ax = plt.figure().add_subplot(projection='3d')
ax.voxels(x, y, z, sphere,
          facecolors=colors,
          edgecolors=np.clip(2*colors - 0.5, 0, 1),  ## 更亮
          linewidth=0.5)

显示图形

最后，我们使用plt.show()函数显示图形。

plt.show()

总结

在本实验中，你学习了如何在 Matplotlib 中使用柱坐标创建 3D 体素图。你还学习了如何定义坐标和 RGB 值，以及如何使用ax.voxels函数创建 3D 体素图。