一文帶你學(xué)會(huì)如何利用Python實(shí)現(xiàn)一個(gè)三維繪圖系統(tǒng)

更新時(shí)間：2023年09月06日 10:30:41 作者：微小冷

tkinter是Python標(biāo)準(zhǔn)庫中自帶的GUI工具,使用十分方便,所以本文旨在帶大家學(xué)會(huì)如何將matplotlib嵌入到tkinter中并繪制三維繪圖系統(tǒng),感興趣的可以了解下

將圖像嵌入tkinter

tkinter是Python標(biāo)準(zhǔn)庫中自帶的GUI工具，使用十分方便，如能將matplotlib嵌入到tkinter中，就可以做出相對專業(yè)的數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)，很有競爭力。

在具體實(shí)現(xiàn)之前，可以先看一下典型的 matplotlib 窗口

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(np.arange(100))
plt.show()

這個(gè)圖由兩部分構(gòu)成，分別是上面用于繪圖的 FigureCanvasTkAgg 畫布，以及下方的工具欄 NavigationToolbar2Tk ，這兩個(gè)模塊在地位上和tkinter中的組件是等同的。

除此之外，繪圖窗口Figure也是一個(gè)獨(dú)立部件，故而將matplotlib嵌入到tkinter中，最少需要用到下面這些模塊

import tkinter as tk
import tkinter.ttk as ttk
import matplotlib as mpl
mpl.use('TkAgg')        # 啟用tkinter渲染matplotlib，從而可以嵌入到tkinter中
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.backends.backend_tkagg import (
    FigureCanvasTkAgg, NavigationToolbar2Tk)
from matplotlib.figure import Figure

接下來可以創(chuàng)建一個(gè)窗口，來演示一下matplotlib嵌入tkinter中的過程，首先創(chuàng)建一個(gè)窗口，并為其添加兩個(gè)Frame，右邊用于添加組件，左邊用于嵌入圖像，代碼如下

root = tk.Tk()
root.title("數(shù)據(jù)展示工具")
frmCtrl = ttk.Frame(root, width=200)
frmCtrl.pack(side=tk.RIGHT)
frmFigure = ttk.Frame(root)
frmFigure.pack(side=tk.LEFT, fill=tk.BOTH, expand=tk.YES)

嵌入圖像的部分又分為畫布和工具欄，為了便于演示，下面先在繪圖窗口中畫一條直線，并將其導(dǎo)入畫布，然后將畫布放置到frmFigure上。至于工具欄，在關(guān)聯(lián)畫布和Frame之后需要更新一下，整體代碼如下

fig = Figure()
ax = fig.add_subplot()
ax.plot(np.arange(100))
canvas = FigureCanvasTkAgg(fig,frmFigure)
canvas.get_tk_widget().pack(
    side=tk.TOP,fill=tk.BOTH,expand=tk.YES)
toolbar = NavigationToolbar2Tk(canvas,frmFigure,
    pack_toolbar=False)
toolbar.update()
toolbar.pack(side=tk.RIGHT)

至此，就已經(jīng)完成了圖像的嵌入工作，最后調(diào)用mainloop，讓窗口一直顯示

root.mainloop()

結(jié)果如下

簡單的繪圖系統(tǒng)

在理解matplotlib嵌入到tkinter中的原理之后，就已經(jīng)具備了打造繪圖系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，接下來要做的，就是做一個(gè)較有可讀性的繪圖類，其實(shí)就是把前面的代碼封裝到class里而已，代碼如下

import tkinter as tk
import tkinter.ttk as ttk
import matplotlib as mpl
mpl.use('TkAgg')
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.backends.backend_tkagg import (
    FigureCanvasTkAgg, NavigationToolbar2Tk)
from matplotlib.figure import Figure
class DarwSystem():
    def __init__(self):
        self.root = tk.Tk()
        self.root.title("數(shù)據(jù)展示工具")
        frmCtrl = ttk.Frame(self.root,width=320)
        frmCtrl.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.Y)
        self.setFrmCtrl(frmCtrl)
        frmFig = ttk.Frame(self.root)
        frmFig.pack(side=tk.LEFT,fill=tk.BOTH,expand=tk.YES)
        self.setFrmFig(frmFig)
        self.root.mainloop()
    def setFrmCtrl(self, frmCtrl):
        pass
    def setFrmFig(self, frmFig):
        self.fig = Figure()
        self.canvas = FigureCanvasTkAgg(self.fig,frmFig)
        self.canvas.get_tk_widget().pack(
            side=tk.TOP,fill=tk.BOTH,expand=tk.YES)
        self.toolbar = NavigationToolbar2Tk(self.canvas,frmFig,
            pack_toolbar=False)
        self.toolbar.update()
        self.toolbar.pack(side=tk.RIGHT)

其中，setFrmCtrl用于設(shè)置控制面板，后續(xù)會(huì)實(shí)現(xiàn)諸多功能；setFrmFig用于設(shè)置繪圖界面，其中self.fig就是繪圖窗口，后續(xù)若要畫圖，都要在這里設(shè)置坐標(biāo)軸。

最簡單的繪圖系統(tǒng)，也至少需要三個(gè)部件，分別用于輸入x值、y值以及點(diǎn)擊繪圖按鈕，由于x,y都是繪圖坐標(biāo)，在控件形式上也高度雷同，從而setFrmCtrl函數(shù)可以先寫為下面的形式

def setFrmCtrl(self, frmCtrl):
    frm = ttk.Frame(frmCtrl)
    frm.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)
    self.setCtrlButtons(frm)
    self.data = {}
    self.entrys = {}
    for flag in 'xy':
        frm = ttk.Frame(frmCtrl)
        frm.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)
        self.setFrmAxis(frm, flag)

第一個(gè)frm用于存放控制按鈕；self.data用于存放坐標(biāo)值，self.entrys中用于存放坐標(biāo)的輸入框，后面的循環(huán)為具體的布局過程。

setCtrlButtons 是具體的控制按鈕的布局函數(shù)，而 setFrmAxis 為坐標(biāo)軸的布局函數(shù)，定義如下

def setFrmAxis(self, frm, flag):
    tk.Label(frm, text=flag).pack(side=tk.LEFT)
    self.entrys[flag] = tk.Entry(frm)
    self.entrys[flag].pack(side=tk.LEFT, fill=tk.X)   
def setCtrlButtons(self, frm):
    tk.Button(frm, text="繪圖",width=5,
        command=self.btnDrawImg).pack(side=tk.LEFT)
# 繪圖函數(shù)
def btnDrawImg(self):
    pass

其中btnDrawImg是繪圖函數(shù)，簡單起見，這里用eval函數(shù)直接讀取python表達(dá)式，同時(shí)為了讓不熟悉Python的人也可以順利生成x序列，將np.linspace隱去。則x和y的讀取過程可寫為

def btnDrawImg(self):
    x = eval(f"np.linspace({self.entrys['x'].get()})")
    self.data['y'] = eval(self.entrys['y'].get())
    self.data['x'] = x
    self.drawPlot()

self.drawPlot就是核心的繪圖函數(shù)，主要流程與命令行調(diào)用plt如出一轍，首先創(chuàng)建一個(gè)坐標(biāo)軸，然后在坐標(biāo)軸上繪圖，區(qū)別是最后需要調(diào)用self.canvas中的引擎來完成圖像繪制

def drawPlot(self):
    self.fig.clf()
    ax = self.fig.add_subplot()
    ax.plot(self.data['x'], self.data['y'])
    self.fig.subplots_adjust(left=0.1, right=0.95, top=0.95, bottom=0.08)
    self.canvas.draw()

結(jié)果如下

導(dǎo)入數(shù)據(jù)

單純從作圖的角度來說，更多情況是已經(jīng)有了一組數(shù)據(jù)，然后需要將其繪制。這組數(shù)據(jù)可能是txt格式的，也可能是csv格式的，還可能是二進(jìn)制數(shù)據(jù)。當(dāng)然，這些一會(huì)兒在想，首先就是要添加一個(gè)按鈕，將 setCtrlButtons 函數(shù)添加一行：

def setCtrlButtons(self, frm):
    ttk.Button(frm, text="繪圖",width=5,
        command=self.btnDrawImg).pack(side=tk.LEFT)
    ttk.Button(frm, text="加載",width=5,
        command=self.btnLoadData).pack(side=tk.LEFT)

然后就可以考慮 self.btnLoadData 函數(shù)了。簡潔起見，以后將不再具體展示 setCtrlButtons 的具體代碼，而只是寫出新增的代碼。

加載數(shù)據(jù)，其實(shí)就是加載文件，那么就需要用到文件對話框

from tkinter.filedialog import askopenfile

self.btnLoadData 函數(shù)，如果只是想實(shí)現(xiàn)一個(gè)最簡單的功能，那么可以寫為

def btnLoadData(self):
    name = askopenfilename()
    data = np.genfromtxt(name)
    if data.shape[1] < 2:
        return
    self.data['x'] = data[:,0]
    self.data['y'] = data[:,1]
    self.drawPlot()

效果如下

現(xiàn)在，我們有了兩種數(shù)據(jù)生成模式，一是用語法生成，二是通過加載得到。但目前二者并不兼容。為此，可以為x和y的輸入框添加一個(gè)標(biāo)識(shí)，比如當(dāng)x或者y的輸入框中是 data 的時(shí)候，再點(diǎn)擊繪圖，就可以選中加載后的數(shù)據(jù)。

由于tkinter中輸入Entry內(nèi)容比較繁瑣，所以封裝一個(gè)全局的函數(shù)專門用于更改Entry內(nèi)容

def setEntry(e, text):
    e.delete(0, "end")
    e.insert(0, text)

接下來，將加載數(shù)據(jù)函數(shù)和繪圖函數(shù)分別改寫為

def btnLoadData(self):
    name = askopenfilename()
    data = np.genfromtxt(name)
    if data.shape[1] < 2:
        return
    for i,key in enumerate('xy'):
        self.data[key] = data[:,i]
        setEntry(self.entrys[key], 'data')
def btnDrawImg(self):
    xLab = self.entrys['x'].get()
    if xLab != "data":
        x = eval(f"np.linspace({xLab})")
        self.data['x'] = x
    else:
        x = self.data['x']
    yLab = self.entrys['y'].get()
    if yLab != "data":
        self.data['y'] = eval(yLab)
    self.drawPlot()

在btnLoadData函數(shù)中，取消了繪圖功能，而是在導(dǎo)入數(shù)據(jù)后，將x和y的輸入框設(shè)置為"data"。

而繪圖函數(shù)中，檢測x和y輸入框的內(nèi)容，如果是data，那么說明已經(jīng)讀取到了相關(guān)數(shù)據(jù)，就直接調(diào)用，而非重新生成。

效果如下

三維繪圖

三維繪圖需要一個(gè)新的坐標(biāo)變z，由于此前在設(shè)置x和y的時(shí)候，用到了self.entrys來存放坐標(biāo)，所以更改起來十分便捷，只需在setFrmCtrl的循環(huán)中加一個(gè)’z’就可以了

def setFrmCtrl(self, frmCtrl):
    # 前面不用管，后面也不用管，只要把in 'xy'改為 'xyz'
    for flag in 'xyz':
        # 里面也不用管

相應(yīng)地，加載數(shù)據(jù)的函數(shù)也略作修改

def btnLoadData(self):
    # 前面不用動(dòng)，后面也不用動(dòng)，只要把'xy'換成'xyz'
    for i,key in enumerate('xyz'):
        # 后面不用動(dòng)

但隨著z軸的出現(xiàn)，y軸也有可能是自變量，考慮到x和y都有可能用類似 1,1,5 的形式生成，所以先做一個(gè)檢測數(shù)組的全局函數(shù)

def detectArray(s):
    return s.rstrip('0123456789:, ')==''

然后新建readEntrys函數(shù)以讀取輸入框，考慮到在函數(shù)表達(dá)式中，用x和y指代self.data[‘x’]和selfdata[‘y’]，所以需要新建局部變量x和y，以確保eval函數(shù)的正常使用。

def readEntrys(self):
    for flag in 'xyz':
        label = self.entrys[flag].get()
        if label=="":
                continue
        if label != 'data':
            if detectArray(label):
                label = f"np.linspace({label})"
            self.data[flag] = eval(self.entrys[flag].get())
        if flag =='x' : x = self.data['x']
        elif flag =='y' : y = self.data['y']        
    if self.entrys['z'].get()=="":
        del self.data['z']

最后，就是繪圖功能的實(shí)現(xiàn)，由于有了readEntrys函數(shù)，從而btnDrawImg函數(shù)變得更加專注，只需復(fù)制調(diào)用專門的繪圖函數(shù)就可以了。三維繪圖函數(shù)和二維繪圖函數(shù)其實(shí)沒什么區(qū)別，只要繪制的還是plot圖，區(qū)別只是多加了一個(gè)z軸坐標(biāo)而已。

def btnDrawImg(self):
    self.readEntrys()
    self.fig.clf()
    if 'z' in self.data: 
        self.drawPlot3D()
    else:
        self.drawPlot()
    self.fig.subplots_adjust(left=0.1, right=0.95, top=0.95, bottom=0.08)
    self.canvas.draw()
def drawPlot(self):
    self.fig.clf()
    ax = self.fig.add_subplot()
    ax.plot(self.data['x'], self.data['y'])
def drawPlot3D(self):
    ax = self.fig.add_subplot(projection='3d')
    ax.plot(self.data['x'], self.data['y'], self.data['z'])

效果如下

源代碼

本文是在這四篇博客的基礎(chǔ)之上，做適當(dāng)精簡而總結(jié)的：將matplotlib嵌入到tkinter |簡單的繪圖系統(tǒng)|數(shù)據(jù)導(dǎo)入|三維繪圖系統(tǒng)

其基本思路是，以第四篇博客的源代碼為基準(zhǔn)，優(yōu)化這個(gè)代碼的設(shè)計(jì)過程，使之更易于學(xué)習(xí)，所以源代碼并沒有發(fā)生變化。

import tkinter as tk
import tkinter.ttk as ttk
from tkinter.filedialog import askopenfilename
import matplotlib as mpl
mpl.use('TkAgg')
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.backends.backend_tkagg import (
    FigureCanvasTkAgg, NavigationToolbar2Tk)
from matplotlib.figure import Figure
import numpy as np
def setEntry(e, text):
    e.delete(0, "end")
    e.insert(0, text)
def detectArray(s):
    return s.rstrip('0123456789:, ')==''
class DarwSystem():
    def __init__(self):
        self.root = tk.Tk()
        self.root.title("數(shù)據(jù)展示工具")
        self.data = {}
        frmCtrl = ttk.Frame(self.root,width=320)
        frmCtrl.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.Y)
        self.setFrmCtrl(frmCtrl)
        frmFig = ttk.Frame(self.root)
        frmFig.pack(side=tk.LEFT,fill=tk.BOTH,expand=tk.YES)
        self.setFrmFig(frmFig)
        self.root.mainloop()
    def setFrmCtrl(self, frmCtrl):
        frm = ttk.Frame(frmCtrl, width=320)
        frm.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)
        self.setCtrlButtons(frm)
        self.entrys = {}
        for flag in 'xyz':
            frm = ttk.Frame(frmCtrl)
            frm.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)
            self.setFrmAxis(frm, flag)
    def setFrmAxis(self, frm, flag):
        tk.Label(frm, text=flag).pack(side=tk.LEFT)
        self.entrys[flag] = tk.Entry(frm)
        self.entrys[flag].pack(side=tk.LEFT, fill=tk.X)    
    def setCtrlButtons(self, frm):
        ttk.Button(frm, text="繪圖",width=5,
            command=self.btnDrawImg).pack(side=tk.LEFT)
        ttk.Button(frm, text="加載",width=5,
            command=self.btnLoadData).pack(side=tk.LEFT)
    def btnLoadData(self):
        name = askopenfilename()
        data = np.genfromtxt(name)
        for i, flag in enumerate('xyz'):
            if i >= data.shape[1]:
                return
            self.data[flag] = data[:,i]
            setEntry(self.entrys[flag], 'data')
    def readEntrys(self):
        for flag in 'xyz':
            label = self.entrys[flag].get()
            if label=="":
                continue
            if label != 'data':
                if detectArray(label):
                    label = f"np.linspace({label})"
                self.data[flag] = eval(self.entrys[flag].get())
            if flag =='x' : x = self.data['x']
            elif flag =='y' : y = self.data['y']        
        if self.entrys['z'].get()=="":
            del self.data['z']
    def btnDrawImg(self):
        self.readEntrys()
        self.fig.clf()
        if 'z' in self.data:
            self.drawPlot3D()
        else:
            self.drawPlot()
        self.fig.subplots_adjust(left=0.1, right=0.95, top=0.95, bottom=0.08)
        self.canvas.draw()
    def drawPlot3D(self):
        ax = self.fig.add_subplot(projection='3d')
        ax.plot(self.data['x'], self.data['y'], self.data['z'])
    def drawPlot(self):
        ax = self.fig.add_subplot()
        ax.plot(self.data['x'], self.data['y'])
    def setFrmFig(self, frmFig):
        self.fig = Figure()
        self.canvas = FigureCanvasTkAgg(self.fig,frmFig)
        self.canvas.get_tk_widget().pack(
            side=tk.TOP,fill=tk.BOTH,expand=tk.YES)
        self.toolbar = NavigationToolbar2Tk(self.canvas,frmFig,
            pack_toolbar=False)
        self.toolbar.update()
        self.toolbar.pack(side=tk.RIGHT)
if __name__ == "__main__":
    test = DarwSystem()

以上就是一文帶你學(xué)會(huì)如何利用Python實(shí)現(xiàn)一個(gè)三維繪圖系統(tǒng)的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Python三維繪圖的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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