3D 体素图创建 | Python Matplotlib 教程

简介

本实验将指导你使用 Python 中的 Matplotlib 库创建 3D 体素图的过程。体素图对于以清晰且美观的方式可视化 3D 数据非常有用。在本实验中，我们将使用 Axes3D.voxels 函数创建两个立方体及其之间连接的体素图。

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Skills Graph

%%%%{init: {'theme':'neutral'}}%%%% flowchart RL python(("Python")) -.-> python/FunctionsGroup(["Functions"]) python(("Python")) -.-> python/ModulesandPackagesGroup(["Modules and Packages"]) python(("Python")) -.-> python/DataScienceandMachineLearningGroup(["Data Science and Machine Learning"]) matplotlib(("Matplotlib")) -.-> matplotlib/BasicConceptsGroup(["Basic Concepts"]) python(("Python")) -.-> python/DataStructuresGroup(["Data Structures"]) matplotlib/BasicConceptsGroup -.-> matplotlib/importing_matplotlib("Importing Matplotlib") matplotlib/BasicConceptsGroup -.-> matplotlib/figures_axes("Understanding Figures and Axes") python/DataStructuresGroup -.-> python/lists("Lists") python/DataStructuresGroup -.-> python/tuples("Tuples") python/FunctionsGroup -.-> python/build_in_functions("Build-in Functions") python/ModulesandPackagesGroup -.-> python/importing_modules("Importing Modules") python/DataScienceandMachineLearningGroup -.-> python/numerical_computing("Numerical Computing") python/DataScienceandMachineLearningGroup -.-> python/data_visualization("Data Visualization") subgraph Lab Skills matplotlib/importing_matplotlib -.-> lab-49028{{"使用 Matplotlib 进行 3D 体素绘图"}} matplotlib/figures_axes -.-> lab-49028{{"使用 Matplotlib 进行 3D 体素绘图"}} python/lists -.-> lab-49028{{"使用 Matplotlib 进行 3D 体素绘图"}} python/tuples -.-> lab-49028{{"使用 Matplotlib 进行 3D 体素绘图"}} python/build_in_functions -.-> lab-49028{{"使用 Matplotlib 进行 3D 体素绘图"}} python/importing_modules -.-> lab-49028{{"使用 Matplotlib 进行 3D 体素绘图"}} python/numerical_computing -.-> lab-49028{{"使用 Matplotlib 进行 3D 体素绘图"}} python/data_visualization -.-> lab-49028{{"使用 Matplotlib 进行 3D 体素绘图"}} end

导入必要的库

首先，我们需要导入必要的库。在这种情况下，我们将使用 Matplotlib 和 NumPy。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

准备坐标

接下来，我们将为体素图准备坐标。我们将使用 NumPy 的 indices 函数创建一个 8x8x8 的点网格。

x, y, z = np.indices((8, 8, 8))

创建立方体和连接部分

现在，我们将创建两个立方体以及它们之间的连接部分。我们通过定义三个布尔数组来实现，这三个布尔数组将被组合成一个单一的布尔数组。前两个数组定义立方体的位置，而第三个数组定义连接部分的位置。

cube1 = (x < 3) & (y < 3) & (z < 3)
cube2 = (x >= 5) & (y >= 5) & (z >= 5)
link = abs(x - y) + abs(y - z) + abs(z - x) <= 2

voxelarray = cube1 | cube2 | link

设置颜色

现在我们将为体素图中的每个对象设置颜色。我们通过创建一个与在步骤 3 中创建的布尔数组形状相同的空数组来实现，然后根据每个对象的位置设置其颜色。

colors = np.empty(voxelarray.shape, dtype=object)
colors[link] = 'red'
colors[cube1] = 'blue'
colors[cube2] = 'green'

绘制体素数组

最后，我们可以使用 Axes3D.voxels 函数来绘制具有指定颜色的体素数组。

ax = plt.figure().add_subplot(projection='3d')
ax.voxels(voxelarray, facecolors=colors, edgecolor='k')

plt.show()

总结

在本实验中，我们学习了如何使用 Python 中的 Matplotlib 库创建三维体素图。我们为该图准备了坐标，创建立方体和连接部分，为每个对象设置颜色，并使用 Axes3D.voxels 函数绘制体素数组。体素图是可视化三维数据的一种有用方式，而 Matplotlib 使创建它们变得很容易。