快捷導(dǎo)航

使用Python實(shí)現(xiàn)從零開始打造一個(gè)三維繪圖系統(tǒng)

更新時(shí)間：2024年02月18日 08:57:32 作者：微小冷

這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了如何使用Python實(shí)現(xiàn)一個(gè)繪圖系統(tǒng),通過指定x,y,z的表達(dá)式,以實(shí)現(xiàn)三維繪圖的目的,感興趣的可以了解下

框架

本文的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)下圖所示的系統(tǒng)，通過指定x,y,z的表達(dá)式，以實(shí)現(xiàn)三維繪圖的目的。這個(gè)需求其實(shí)此前也實(shí)現(xiàn)過，見此文，但其內(nèi)容比較駁雜，并不利于快速實(shí)現(xiàn)，相比之下，本文直指核心問題，代碼也進(jìn)一步精簡(jiǎn)，更加適合學(xué)習(xí)。

為此，需要經(jīng)歷三個(gè)過程

實(shí)現(xiàn)將matplotlib的繪圖窗口嵌入到tkinter的窗口中

實(shí)現(xiàn)對(duì)x,y,z數(shù)據(jù)的讀取

實(shí)現(xiàn)三維繪圖

關(guān)于第一個(gè)問題，matplotlib中的圖窗和工具欄分別是FigureCanvasTkAgg和NavigationToolbar2Tk對(duì)象，只需將二者押入到tkinter的布局窗口，即可實(shí)現(xiàn)二者的融合。

對(duì)于第二個(gè)問題，只需使用eval函數(shù)便可輕松實(shí)現(xiàn)，唯一的難點(diǎn)，則是x,y,z三者之間的聯(lián)系。

而只要第二個(gè)問題解決，那么第三個(gè)問題也就不是問題了，只需通過一個(gè)繪圖函數(shù)，便可輕松解決。

下面代碼給出了實(shí)現(xiàn)這個(gè)需求需要導(dǎo)入的模塊，以及整個(gè)系統(tǒng)的基本框架

import tkinter as tk
import tkinter.ttk as ttk

import matplotlib as mpl
mpl.use('TkAgg')
from matplotlib.backends.backend_tkagg import (
    FigureCanvasTkAgg, NavigationToolbar2Tk)
from matplotlib.figure import Figure

import numpy as np

class DarwSystem():
    def __init__(self):
        self.root = tk.Tk()
        self.root.title("數(shù)據(jù)展示工具")

        self.data = {}

        self.setFrmCtrl()
        self.setFrmFig()
        self.root.mainloop()

    def setFrmCtrl(self): pass

    def setFrmFig(self): pass

    def setFrmAxis(self, frm, flag): pass

    def setCtrlButtons(self, frm): pass

    def readEntrys(self): pass

    def btnDrawImg(self): pass

其中，各函數(shù)含義如下

setFrmCtrl 用于右側(cè)工具欄的組件布局
setFrmFig 用于左側(cè)繪圖窗口的嵌入，解決第一個(gè)問題
setFrmAxis 工具欄中的坐標(biāo)輸入框相似度很高，可以封裝成專門的函數(shù)
readEntrys 讀取輸入窗口的數(shù)據(jù)，解決第二個(gè)問題
btnDrawImg 繪圖函數(shù)，解決第三個(gè)問題

下面逐個(gè)講解每個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過程，這些函數(shù)都是DataSystem類的成員，所以在書寫時(shí)注意縮進(jìn)。

布局

考慮matplotlib繪圖窗口的嵌入是一個(gè)相對(duì)較難的問題，故而先行實(shí)現(xiàn)setFrmFig函數(shù)

def setFrmFig(self):
    frmFig = ttk.Frame(self.root)
    frmFig.pack(side=tk.LEFT,fill=tk.BOTH,expand=tk.YES)

    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。canvas即繪圖畫布，toolbar則是畫布下方的工具欄。在這里，可以將二者直接視為平平無(wú)奇的痛苦inter組件。

另一個(gè)和布局相關(guān)的函數(shù)是setFrmCtrl，其中又將x,y,z三個(gè)坐標(biāo)軸的設(shè)置封裝成了一個(gè)函數(shù)，以簡(jiǎn)化代碼。唯一的繪圖按鈕，綁定了btnDrawImg函數(shù)，將在后續(xù)實(shí)現(xiàn)。

def setFrmCtrl(self):
    frmCtrl = ttk.Frame(self.root,width=320)
    frmCtrl.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.Y)
    frm = ttk.Frame(frmCtrl, width=320)
    frm.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)
    ttk.Button(frm, text="繪圖",width=5,
        command=self.btnDrawImg).pack(side=tk.LEFT)

    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)

繪圖函數(shù)

繪圖包括兩個(gè)過程，一是讀取輸入內(nèi)容，將其轉(zhuǎn)換可供繪圖的數(shù)據(jù)；二則是將這些數(shù)據(jù)繪制成圖。

首先，第一步實(shí)現(xiàn)如下

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

首先，定義一個(gè)全局字典self.data用于繪圖。

然后簡(jiǎn)單起見，用eval函數(shù)直接讀取python表達(dá)式。但需要注意的是，由于循環(huán)順序是x→y→z，所以x的表達(dá)式中不能出現(xiàn)y,z；y的表達(dá)式中只能出現(xiàn)x；z的表達(dá)式中x,y都可以出現(xiàn)。

最后是繪圖，這里需要實(shí)現(xiàn)給定x,y和x,y,z這兩種情況的繪圖代碼，前者是二維坐標(biāo)系，后者是三維的。而canvas的繪圖邏輯與plt如出一轍，都是先創(chuàng)建一個(gè)坐標(biāo)軸，然后在坐標(biāo)軸上繪圖，最后也只需把plt.draw改為canvas.draw，代碼如下

def btnDrawImg(self):
    self.readEntrys()
    self.fig.clf()
    if 'z' in self.data:
        ax = self.fig.add_subplot(projection='3d')
        ax.plot(self.data['x'], self.data['y'], self.data['z'])
    else:
        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()

源代碼

最后，將所有代碼附在后面

import tkinter as tk
import tkinter.ttk as ttk

import matplotlib as mpl
mpl.use('TkAgg')
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 = {}

        self.setFrmCtrl()
        self.setFrmFig()
        self.root.mainloop()

    def setFrmCtrl(self):
        frmCtrl = ttk.Frame(self.root,width=320)
        frmCtrl.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.Y)
        frm = ttk.Frame(frmCtrl, width=320)
        frm.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)
        ttk.Button(frm, text="繪圖",width=5,
            command=self.btnDrawImg).pack(side=tk.LEFT)

        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 readEntrys(self):
        self.data = {}
        for flag in 'xyz':
            label = self.entrys[flag].get()
            if label=="": continue
            self.data[flag] = eval(self.entrys[flag].get())
            if flag =='x' : x = self.data['x']
            elif flag =='y' : y = self.data['y']

    def btnDrawImg(self):
        self.readEntrys()
        self.fig.clf()
        if 'z' in self.data:
            ax = self.fig.add_subplot(projection='3d')
            ax.plot(self.data['x'], self.data['y'], self.data['z'])
        else:
            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()


    def setFrmFig(self):
        frmFig = ttk.Frame(self.root)
        frmFig.pack(side=tk.LEFT,fill=tk.BOTH,expand=tk.YES)

        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()

以上就是使用Python實(shí)現(xiàn)從零開始打造一個(gè)三維繪圖系統(tǒng)的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Python三維繪圖系統(tǒng)的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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