python高阶3D绘图

​          ~~~~~~~~         python借助于其编写简单，三方库丰富的特点，可以极为方便的进行数据的分析和图像的绘制，在三维绘图方面，python同样具有诸多优秀的三方库供大家使用，下面进行简单的介绍，深入了解请查看官方文档，或查阅其他文章。

pyvista模块：

简单介绍：

​ Pyvista是可视化工具包(VTK-Visualization Toolkit)的高级API，用户可借助此API完成复杂的3D图形绘制，功能较为强大。在Pyvista给出的官方文档中，提供多种绘图Demo，具体详见：Examples — PyVista 0.33.0 documentation。

模块应用：

基础示例Demo：

         ~~~~~~~~          由上述基础示例Demo，可以总结出Pyvista绘制3D图形的一般步骤：

前提说明：

​ mesh是pyvista模块绘制时的重点部分，官方文档中定义为any spatially referenced dataset as a mesh,usually consists of geometrical representations of s surface or volumn in space.个人理解mesh为三维空间中一系列数据的集合，通常可以包含若干三维空间集合图形。

一般步骤：

关于此示例Demo的小Tips：

小Tips：

Point_cloud点云绘制：

小Tips：

基础图形绘制

小Tips：

​          ~~~~~~~~         这里分界线，下面在上述六角梁的基础上标记出某一个cell来，便于大家理解pyvista绘图的主要要素：

小Tips：

​          ~~~~~~~~         上述提及展示的几点也是pyvista官方文档中提及的绘图要素要素：mesh,point,cell，下面可以展示一些较为高阶复杂的图形绘制。

BunnyCoaser绘制

小Tips：

pyvista初次下载模型时，可能需要科学上网，否则报错

错误显示：TimeoutError: [WinError 10060] 由于连接方在一段时间后没有正确答复或连接的主机没有反应，连接尝试失败。

mesh输出：

PolyData (0x223e4567340) N Cells: 1000 N Points: 872 X Bounds: -1.316e-01, 1.802e-01 Y Bounds: -1.205e-01, 1.877e-01 Z Bounds: -1.430e-01, 9.851e-02 N Arrays: 1

         ~~~~~~~~         这个PolyData和上面点云类型一致，但是其中不仅仅包含mesh.points，还应该包含有点与点之间的连接情况等等，最后形成由面构成，否则就由点构成，类似于下面：

此时输出的PolyData为：

PolyData (0x2e685813d00) N Cells: 872 N Points: 872 X Bounds: -1.316e-01, 1.802e-01 Y Bounds: -1.205e-01, 1.877e-01 Z Bounds: -1.430e-01, 9.851e-02 N Arrays: 0

Dragon绘制

小Tips：

​          ~~~~~~~~         上面是对pyvista模块绘图情况的简介，为获得更好的交互体验，可以到附录的代码中自行运行代码(其中还有部分模型不不在此展示)，更推荐大家移步官方文档查看学习。

​ 做一个简单的总结：

mayavi模块

简单介绍：

​          ~~~~~~~~         mayavi同样也是python三维绘图方向一个非常优秀的模板库，但是仅就自己的体验而言，自己接触的或许比较浅显，个人感觉在mlab的应用层面，与matlab并没有过多本质上的区别。

​          ~~~~~~~~         官方文档中也有提及这一点：mayavi.mlab as done in the pylab interface but with an emphasis on 3D visulization，mayavi高阶深入的操作，移步官方文档：https://mayavi.readthedocs.io/zh_CN/latest/index.html

简单应用：

三维曲面：

小Tips：

复杂图形：

小Tips：

上述图像在mayavi中算是比较经典的图形，基本上任何mayavi教程都会提及，调用mesh函数进行绘制

mesh函数中存在representation的选项，surface默认绘制曲面，wireframe绘制边线，形成的图形为：

此处故意放大一点图形，方便大家观察wireframe绘制边线的效果

复杂图形：

这个与上面图形绘制类似，上面借助于mesh函数，此处借助于plot3d函数，同样依赖于数学表达式

​          ~~~~~~~~         上面我们看到一些关于mayavi图形绘制的一些经典案例，下面提及mlab中基础的三维绘图函数，类似于matlab

plot3d&&point3d函数：

         ~~~~~~~~         上述函数理论上讲是mayavi中最基本的两个函数，分别用于绘制三维空间中的点和线，plot3d用于将三维空间中的一个个点连接起来形成曲线，point3d则将三维空间中的一系列点独立的绘制出来

小总结：

imshow&&surf&&contour_surf函数：

         ~~~~~~~~         上述函数分别用于绘制三维彩色图，曲线图，登高图，日常绘图应该不太会应用，可能在一些特定的场合应用作用可能会比较大。

小Tips：

此时等高线是三维的，借助于鼠标拖动即可看出所处的高度层不同

barchart函数

         ~~~~~~~~         barchart用于在三维空间中绘制柱体图，与matlab中的bar3d函数相对应

contour3d函数

         ~~~~~~~~         contour3d函数绘制三维空间中的等高面，与前面contour_surf相对应

​          ~~~~~~~~         上述是对mayavi绘图的基本简介，主要是针对于mlab部分进行讲解，更高阶的功能，深入的了解移步官方文档，简单的总结一下：

pyopengl模块：

简单介绍：

​          ~~~~~~~~         pyopengl是opengl的pythonAPI，opengl相信很多人都听说过，OpenGl的全称为Open Graphics Library，常用于二维和三维图像的绘制。

​          ~~~~~~~~         本文的OpenGl介绍使用并未以官方文档为参考(自己太菜，看着实在是心态崩溃)，此处以网络上大佬的博客(https://eyehere.net/2011/learn-opengl-3d-by-pyopengl-3/)为参考学习，同时对内容进行简要的总结，详细的内容请参考官方文档或者检索其他参考文献。

​          ~~~~~~~~         OpenGl更加普遍广泛的为C++调用，大家也可以参考C++的调用方式，和Python的差异不会太大。

模块安装：

​          ~~~~~~~~         此处提一下pyopengl的安装，是因为此模块并不能简单的按照pip install pyopengl的方式进行安装，需要下载镜像文件进行安装，参考文献：https://blog.csdn.net/xufive/article/details/86565130

​          ~~~~~~~~         个人在安装过程中曾遇到安装失败，报错显示The file is not supported on the platform，最后发现由于下载的镜像文件与个人电脑的python版本不匹配造成的，详细的解决方案参考：https://www.jianshu.com/p/531c4fdbb493

简单应用:

茶壶小Demo：

小Tips：

动态茶壶小Demo：

小Tips：

动态旋转的茶壶小Demo添加两行代码：

glRotatef(1,0,1,0)用于说明围绕特定向量旋转的角度

glutIdelFunc(drawFunc)用于生成动画

         ~~~~~~~~         借助于此部分，我们的对于PyOpenGL的基础绘图操作做简单的归纳总结：

OpenGL的所有绘图命令必须在glBegin()和glEnd()之间，同时，glBengin()中的参数知名绘图的方式

其他绘制方式参考官方文档或者博客

上述代码最后若干行属于对OpenGL的绘图窗口，主循环等等进行设置，绘制图形时必备，内部参数可发生改变

上图中下面两幅图，作者用于说明OpenGL中的渲染问题，简单讲，由于绘制图像的3D特性，存在正面和反面之分，渲染可以理解为涂色，正面的涂色我们是可以看到的，但是背面的涂色我们是无法看到的

结尾Demo：

​          ~~~~~~~~         pyopengl讲述内容不多，主要原因是因为我自己确实也是没怎么弄懂，相比于我更推荐大家去看大佬的博客，写的比较详细，后续应该也会更新。简单总结一下：

​          ~~~~~~~~         上述介绍python中三维绘图的模块，下面提及如何将绘制的图像转换为动画，当然也是借助于python的库完成-MoviePy。MoviePy是python的一个专业的音视频编辑库。我们可以借助于MoviePy将我们绘制的图形变为动态的动画。MoviePy的官方文档中提及选择MoviePy的一大理由在于你想将从别的Python库里（如Matplotlib、Mayavi、Gizeh、scikit-images等）生成的图片制作成动画。

​          ~~~~~~~~         当然，我们此处仅是落脚于MoviePy与绘图模块的交互的部分，但是MoviePy的功能远不止此，其他更多的功能，请移步官方文档：http://doc.moviepy.com.cn/index.html#document-3_%E4%BD%9C%E5%93%81%E5%B1%95%E7%A4%BA/index

MoviePy模块应用：

moviepy和mayavi交互动画生成：

moviepy和matplotlib交互动画生成：

图形展示：

小Tips：

Github链接：python高阶3D绘图