Python 3次元グラフの作り方

Question

##やろうとしていること

センサデバイスから取得したデータを3次元グラフ化したいと考えています。

##作りたいグラフのイメージ
x,yは、ともに0～7で固定
z軸の値としてセンサから取得するデータを表示したいと考えています。

##センサからのデータ
センサはアレイ型センサです。

##プログラムコード
このコードで、2次元のグラフ表示はできていますが、3次元にする方法が分かりません。
教えていただけると助かります。

Answer 1

3D グラフは plot_surface() で作成できます。
補完機能は matplotlib にはないので、例えば、scipy.interpolate で行ってください。

以下、もとのグラフと2次元スプライン補間したグラフです。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from scipy import interpolate

data = np.array(
    [
        [22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75],
        [22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75],
        [22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75],
        [22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75],
        [22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75],
        [22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75],
        [22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75],
        [22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75],
    ]
)

rows, cols = data.shape
X, Y = np.indices(data.shape)

xs = np.linspace(0, cols, 30)
ys = np.linspace(0, rows, 30)
X2, Y2 = np.meshgrid(xs, ys, indexing="ij")

# 2次元スプライン補間を行なう。
tck = interpolate.bisplrep(X, Y, data, s=0)
data2 = interpolate.bisplev(xs, ys, tck)

# 描画する。
fig = plt.figure(figsize=(12, 6))
ax1 = fig.add_subplot(121, projection="3d")
ax2 = fig.add_subplot(122, projection="3d")
ax1.plot_surface(X, Y, data, cmap="magma", edgecolor="gray")
surf = ax2.plot_surface(X2, Y2, data2, cmap="magma", edgecolor="gray")
fig.colorbar(surf)

for ax in [ax1, ax2]:
    ax.set_zticks((10, 20, 30))
    ax.view_init(30, -10)

plt.show()

追記

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D


data = np.array(
    [
        [20.75, 21.25, 22.25, 22.5, 21.25, 21.25, 22.75, 23.25],
        [20.5, 21.0, 22.25, 22.25, 23.25, 23.25, 24.0, 24.75],
        [20.0, 21.25, 21.75, 22.0, 22.5, 23.75, 25.5, 25.25],
        [20.0, 19.75, 20.75, 22.5, 24.25, 24.75, 25.25, 26.0],
        [20.25, 22.25, 23.25, 24.25, 24.0, 24.5, 25.5, 25.75],
        [21.0, 20.75, 21.0, 20.75, 21.5, 24.75, 26.0, 23.5],
        [21.0, 20.0, 20.25, 22.5, 24.0, 24.75, 22.25, 23.75],
        [21.25, 18.5, 20.5, 22.5, 21.0, 20.5, 20.25, 21.75],
    ]
)

# 点を表示する (x, y) 座標を作成
X, Y = np.indices(data.shape)

# 描画する。
fig = plt.figure(figsize=(7, 7))
ax = fig.add_subplot(111, projection="3d")
ax.set_zticks((10, 20, 30))
ax.view_init(30, -45)
points = ax.scatter(
    X.flat, Y.flat, data.flat, c=data.flat, cmap="jet", edgecolor="gray", s=50
)

# カラーバー追加 (xmin, ymin, w, h) でカラーバーを表示する位置を指定
cax = fig.add_axes((0.9, 0.3, 0.02, 0.4))
fig.colorbar(points, cax=cax)

plt.show()

追記

私も試してみましたが、上下にグレーの線がでてしまいます。

こちらで確認しましたが、グレーの線が出る現象は再現しません。
当方のバージョンは 3.1.3 です。

import matplotlib
print(matplotlib.__version__)  # 3.1.3

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D


sensordata = np.array(
    [
        [20.75, 21.25, 22.25, 22.5, 21.25, 21.25, 22.75, 23.25],
        [20.5, 21.0, 22.25, 22.25, 23.25, 23.25, 24.0, 24.75],
        [20.0, 21.25, 21.75, 22.0, 22.5, 23.75, 25.5, 25.25],
        [20.0, 19.75, 20.75, 22.5, 24.25, 24.75, 25.25, 26.0],
        [20.25, 22.25, 23.25, 24.25, 24.0, 24.5, 25.5, 25.75],
        [21.0, 20.75, 21.0, 20.75, 21.5, 24.75, 26.0, 23.5],
        [21.0, 20.0, 20.25, 22.5, 24.0, 24.75, 22.25, 23.75],
        [21.25, 18.5, 20.5, 22.5, 21.0, 20.5, 20.25, 21.75],
    ]
)

# 点を表示する (x, y) 座標を作成
X, Y = np.indices(sensordata.shape)

# 描画する。
fig = plt.figure(figsize=(7, 7))
axes = fig.add_subplot(111, projection="3d")
points = axes.scatter(
    X.flat,
    Y.flat,
    sensordata.flat,
    c=sensordata.flat,
    cmap="jet",
    edgecolor="gray",
    s=50,
)

# カラーバー追加 (xmin, ymin, w, h) でカラーバーを表示する位置を指定
cbar_ax = fig.add_axes((0.9, 0.3, 0.02, 0.4))
cbar = fig.colorbar(points, cax=cbar_ax)
cbar.set_label("Temp")

# 軸ラベル設定
axes.set_xlabel("X")
axes.set_ylabel("Y")

# 軸目盛設定
axes.set_xticks(np.arange(0, 9, 1))
axes.set_yticks(np.arange(0, 9, 1))
axes.set_zticks((10, 20, 30))

# Title表示
axes.set_title("Temp", fontsize=16)

# 余白調整
plt.subplots_adjust(right=0.85)
plt.subplots_adjust(wspace=0.15)

# 視点
axes.view_init(30, -45)

追記

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D


sensordata = np.array(
    [
        [20.75, 21.25, 22.25, 22.5, 21.25, 21.25, 22.75, 23.25],
        [20.5, 21.0, 22.25, 22.25, 23.25, 23.25, 24.0, 24.75],
        [20.0, 21.25, 21.75, 22.0, 22.5, 23.75, 25.5, 25.25],
        [20.0, 19.75, 20.75, 22.5, 24.25, 24.75, 25.25, 26.0],
        [20.25, 22.25, 23.25, 24.25, 24.0, 24.5, 25.5, 25.75],
        [21.0, 20.75, 21.0, 20.75, 21.5, 24.75, 26.0, 23.5],
        [21.0, 20.0, 20.25, 22.5, 24.0, 24.75, 22.25, 23.75],
        [21.25, 18.5, 20.5, 22.5, 21.0, 20.5, 20.25, 21.75],
    ]
)

# 点を表示する (x, y) 座標を作成
X, Y = np.indices(sensordata.shape)

# 描画する。
fig = plt.figure(figsize=(7, 7))
axes = fig.add_subplot(111, projection="3d")
points = axes.scatter(
    X.flat,
    Y.flat,
    sensordata.flat,
    c=sensordata.flat,
    cmap="jet",
    edgecolor="gray",
    s=50,
)
axes.plot_surface(X, Y, sensordata, cmap="jet", alpha=0.4)

# カラーバー追加 (xmin, ymin, w, h) でカラーバーを表示する位置を指定
cbar_ax = fig.add_axes((0.9, 0.3, 0.02, 0.4))
cbar = fig.colorbar(points, cax=cbar_ax)
cbar.set_label("Temp")

# 軸ラベル設定
axes.set_xlabel("X")
axes.set_ylabel("Y")

# 軸目盛設定
axes.set_xticks(np.arange(0, 9, 1))
axes.set_yticks(np.arange(0, 9, 1))
axes.set_zticks((10, 20, 30))

# Title表示
axes.set_title("Temp", fontsize=16)

# 余白調整
plt.subplots_adjust(right=0.85)
plt.subplots_adjust(wspace=0.15)

# 視点
axes.view_init(30, -45)

Comments

[raspypy]

回答ありがとうございます。
scipyをインストールする際、エラーがでてしまいました。（質問にエラーメッセージをアップさせていただきました）
私の環境python2.7では使えないのでしょうか?

[tiitoi]

そのエラーはなったことはないのですが、調べたら、Lapack という数値計算ソフトがインストールされていないのが原因のようです。
OS によって違うので、「OS名 lapack インストール」で調べて出てきたコマンドで Lapack をインストールしてから、再度 pip install scipy を試してみてください。
https://qiita.com/kubor/items/5a86d757e45568a7218d

それはそうとして、Python 2はサポートが終了しているので、特殊な事情がなければ Python 3に移行したほうがいいと思います。
各種ライブラリも Python2 のサポートを打ち切る方向なので、動かないもしくは今後動かなくなるということが起こりえます。

[raspypy]

昨日から何回もscipyをインストールしているのですが、pipコマンドの途中で落ちてしまう（ラズパイにSSH接続していますが、ラズパイ側がフリーズしてします）ため、インストールができない状況です。
scipy以外の方法もありますでしょうか。

[tiitoi]

少し調べてみましたが、1変数の補完なら実装は容易なので、GitHub を探すとサンプルコードが見つかりますが、2変数の補完は scipy 以外実装が見つかりませんでした。(探しきれていないだけでどこかにある可能性はありますが)
となると、scipy はオープンソースなので、それを移植してくるか、補完方法のアルゴリズムを勉強して自前で実装するかとなります。
どちらもそれなりに手間がかかりそうです。

[raspypy]

調べていただきありがとうございます。
scipyは今回はあきらめたいと思います。
補間無し（生データ）で3次元グラフを作成していますが、次の2つ解決したいことがあります。
1. データを線（面）ではなく、点で表示させたい
2. カラーバーをグラフの大きさに合わせたい（ことらは合わせているつもちなのですが、合いません）
※質問に最新のコードと、結果画像を添付させていただきます。

[tiitoi]

追記しましたが、このような意図であっていますか？

[raspypy]

ありがとうございます。
私も試してみましたが、上下にグレーの線がでてしまいます。
コードとグラフを最新の情報に更新させていただきます。
度々申し訳ありませんが、確認していただけると助かります。

[tiitoi]

質問のコードを試しましたが、グレーの線が出る現象が確認できません。
試したコードを追記しました。

[raspypy]

ありがとうございます。
Z軸の設定を
axes.set_zticks(np.arange(temp_min, temp_max, 1))
最小値から最大値まで1ずつふったところ、上下の線が消えました。
別質問も含めて、色々と助けていただきありがとうございました。

[raspypy]

度々申し訳ありません。

[tiitoi]

面と点は同時に表示できるはずです。試したコードを追記しました。(点が見えやすいように alpha=0.5 で面を透過しています)

[raspypy]

ありがとうございます。透過についても、とても助かりました。

Answer 2

もっとスマートな方法や便利なモジュールがあるとおもいますけど、基本は大体こんな感じです。
値をいろいろ変えて試してみてください。(とりあえずカラーバーが少々長いので調整したいですね)

import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import matplotlib.pyplot as plt

# 温度データ
indata = np.array([[22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75],
                   [22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75],
                   [22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75],
                   [22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75],
                   [22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75],
                   [22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75],
                   [22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75],
                   [22.25, 20.25, 21.75, 24.5, 25.0, 25.0, 25.5, 25.75]])

# 温度データの形状を確認
indata.shape

# 2次元グリッド各x0、x1の位置にindataの値をyとして代入
xn = 8
x0 = np.linspace(0, 7, xn)
x1 = np.linspace(0, 7, xn)
y = np.zeros((len(x0), len(x1)))
for i0 in range(xn):
    for i1 in range(xn):
        y[i1, i0] = indata[i0, i1]

# 3次元グリッドを作成
xx0, xx1 = np.meshgrid(x0, x1)

# 作画領域
plt.figure(figsize=(10, 7))
ax = plt.subplot(1, 1, 1, projection='3d')

# 3次元グリッドに温度データとカラーマップを与えて曲面を描く
surf = ax.plot_surface(xx0, xx1, y, cmap = "autumn_r", edgecolor='gray')

# 曲面データを基に、カラーバーを描く
plt.colorbar(surf)

# Z軸目盛り
ax.set_zticks((10, 20, 30))

# タイトル
ax.set_title("温度分布")

# 視点
ax.view_init(30, -10)

Comments

[raspypy]

早速ありがとうございます。
提示いただいたコードを自分なりに勉強させていただいた上で試させていただきます。

[raspypy]

提示いただいたコードを試してみましたが、エラーがでてしまいます。
エラーの原因を考えているのですが、分からず困っております。
原因にいて教えていただけないでしょうか。
※質問にコードおよびエラーメッセージを追加させていただきました。

[technocore]

＞ValueError: Unknown projection '3d'

すみません。私のミスです。
一番最初に私のソースをアップしたとき、
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
の１行が漏れていたので、後から回答文を修正したのです。
今の回答文は修正済みなので確認してください。

[raspypy]

回答ありがとうございます。
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3Dを追加して試しましたが、まだエラーがでてしまいます。
質問に最新のエラー情報を追加させていただきました。
ご確認いただけると幸いです。

[technocore]

＞"matplotlib display text must have all code points < 128 or use "
＞ValueError: matplotlib display text must have all code points < 128 or use Unicode strings
＞コード

Unicodeのエラーが出ていますね。タイトルは日本語はやめて英語にしてみてください。
ax.set_title("温度分布")

[raspypy]

ありがとうございます。
提示いただいたグラフと同じものが得られました。
度々申し訳ありませんが、何点かお教えいただけると助かります。
①作成したグラフの上下に影のような線がでてしまいます。
　⇒これは消すことができますでしょうか。（質問に画像を添付いたします。）
②当たり前かもしれませんが、グラフが凸凹になります。
　滑らかに表示させたいのですが、何か方法はありますでしょうか。
　⇒素人考えなのですが、8x8のセンサデータを64x64に補間?したりすることは可能なのでしょうか。

[technocore]

＞File "/home/pi/.local/lib/python2.7/site-packages/m
すみません。気づくのが遅れましたが、python2系をお使いなのですね？
私の環境は
Python 3.7.6
matplotlib 3.2.0
です。
python2系はもうサポートも終わりますので、まずは3系に移行することをお勧めします。

Answer 3

こんな感じはいかがですか？

Comments

[raspypy]

回答ありがとうございます。
是非提示していただいたようなグラフを作りたいです。