用 Matplotlib 掌握 3D 视图平面

简介

在本教程中，我们将学习如何使用 Matplotlib 生成一个“展开”的 3D 图，该图展示了每个主要的 3D 视图平面。我们还将为每个视图所需的仰角、方位角和滚转角添加标签。此图像可以打印出来并折叠成一个盒子，其中每个平面构成盒子的一个面。

虚拟机提示

虚拟机启动完成后，点击左上角切换到“笔记本”标签，以访问 Jupyter Notebook 进行练习。

有时，你可能需要等待几秒钟让 Jupyter Notebook 完成加载。由于 Jupyter Notebook 的限制，操作验证无法自动化。

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

导入必要的库

我们首先为本教程导入必要的库，其中包括 Matplotlib。

import matplotlib.pyplot as plt

定义一个用于标注坐标轴的函数

我们定义一个函数 annotate_axes，稍后将使用它为每个主要的 3D 视图平面标注其各自的角度。

def annotate_axes(ax, text, fontsize=18):
    ax.text(x=0.5, y=0.5, z=0.5, s=text,
            va="center", ha="center", fontsize=fontsize, color="black")

定义主要的 3D 视图平面及其角度

我们定义主要的 3D 视图平面及其相应的仰角、方位角和滚转角。

views = [('XY',   (90, -90, 0)),
         ('XZ',    (0, -90, 0)),
         ('YZ',    (0,   0, 0)),
         ('-XY', (-90,  90, 0)),
         ('-XZ',   (0,  90, 0)),
         ('-YZ',   (0, 180, 0))]

定义 3D 图的布局

我们使用列表的列表来定义 3D 图的布局。列表中的 '.' 表示一个空的子图。

layout = [['XY',  '.',   'L',   '.'],
          ['XZ', 'YZ', '-XZ', '-YZ'],
          ['.',   '.', '-XY',   '.']]

创建 3D 图

我们使用 subplot_mosaic 根据步骤 4 中定义的布局来创建 3D 图。

fig, axd = plt.subplot_mosaic(layout, subplot_kw={'projection': '3d'},
                              figsize=(12, 8.5))

设置每个主要 3D 视图平面的属性

我们设置每个主要 3D 视图平面的属性，包括 x、y 和 z 轴的标签、投影类型以及视角。

for plane, angles in views:
    axd[plane].set_xlabel('x')
    axd[plane].set_ylabel('y')
    axd[plane].set_zlabel('z')
    axd[plane].set_proj_type('ortho')
    axd[plane].view_init(elev=angles[0], azim=angles[1], roll=angles[2])
    axd[plane].set_box_aspect(None, zoom=1.25)

为每个主要的 3D 视图平面添加标签

我们使用步骤 2 中定义的 annotate_axes 函数，为每个主要的 3D 视图平面标注其各自的角度。

for plane, angles in views:
    label = f'{plane}\n{angles}'
    annotate_axes(axd[plane], label, fontsize=14)

自定义每个主要 3D 视图平面的刻度标签和轴标签

我们自定义每个主要 3D 视图平面的刻度标签和轴标签，以去除任何不必要的标签。

for plane in ('XY', '-XY'):
    axd[plane].set_zticklabels([])
    axd[plane].set_zlabel('')
for plane in ('XZ', '-XZ'):
    axd[plane].set_yticklabels([])
    axd[plane].set_ylabel('')
for plane in ('YZ', '-YZ'):
    axd[plane].set_xticklabels([])
    axd[plane].set_xlabel('')

为中心子图添加标签

我们为中心子图添加一个标签，以表明这是一个主要的 3D 视图平面绘图。

label ='mplot3d primary view planes\n' + 'ax.view_init(elev, azim, roll)'
annotate_axes(axd['L'], label, fontsize=18)
axd['L'].set_axis_off()

显示 3D 绘图

我们使用 plt.show() 来显示 3D 绘图。

plt.show()

总结

在本教程中，我们学习了如何使用 Matplotlib 生成一个“展开的”3D 绘图，该绘图展示了每个主要的 3D 视图平面。我们还为每个视图所需的仰角、方位角和滚转角添加了标签，并为每个主要的 3D 视图平面自定义了刻度标签和轴标签。这张图像可以打印出来并折叠成一个盒子，其中每个平面构成盒子的一个面。