Arduinoで収集したデータをpythonのplot_surfaceを使用してリアルタイムプロットしたい

Question

現在、超音波プローブとモーターを組み合わせたイメージングデバイスをArduinoで作製しております。モーターで超音波プローブを水平方向に360°回転させて周囲にある物体までの距離を測定し、そのデータからpythonを用いて三次元でイメージングすることを目指しております。

　得られた距離の情報とモーターの回転角の情報からxとyの値を計算してプロットし、z軸には経過時間をプロットしております。超音波プローブ周辺の物体までの距離の時間変化をイメージングするデバイスになります。

　現状、pythonのAxes3Dのライブラリを使用して散布図でリアルタイム画像が得られております。次に散布図ではなく、plot_surfaceを使用して同じくリアルタイム画像を得ようとしたところエラーが発生しました。ネットでエラーについて調べてみましたが、明確な解決方法が見つけられなかっため、こちらに投稿させていただきました。

　エラーの詳細と、散布図を作成した際に使用したコードは下記の通りです。なおpythonのバージョンは3.8です。

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

arduinoData = serial.Serial("COM4" , 9600)

def update_lines(num):
    arduinoString = arduinoData.readline().decode("ascii")
    dataArray = arduinoString.split(' ')
    if len(dataArray) == 3:
        angle , r , time = [int(dataArray[0]) , float(dataArray[1]) , float(dataArray[2]) ]
        text.set_text("{:d}: [{:.0f},{:.0f},{:.0f}]".format(num, angle, r, time))  # for debugging
        theta = (360 - angle) * 2 * np.pi / 360
        dx = r * np.cos(theta)
        dy = r * np.sin(theta)
        dz = time
        
        x.append(dx)
        y.append(dy)
        z.append(dz)
        graph._offsets3d = (x, y, z)
        return graph,
    else:
        pass


x = [0]
y = [0]
z = [0]

fig = plt.figure(figsize=(5, 5))
ax = fig.add_subplot(111, projection="3d")
graph = ax.scatter(x, y, z, s = 60 , color='g' ,  alpha = 0.5)
text = fig.text(0, 1, "TEXT", va='top')  # for debugging

ax.set_xlim3d(-20, 20)
ax.set_ylim3d(-20, 20)
ax.set_zlim3d(0, 50)
ax.set_xlabel("Radius_x(cm)")
ax.set_ylabel("Radius_y(cm)")
ax.set_zlabel("Time(sec)")

# Creating the Animation object
ani = animation.FuncAnimation(fig, update_lines, frames=200, interval=50, blit=False)
plt.show()

こちらのコードで問題なくプロットできましたが、コード後半の

graph = ax.scatter(x, y, z, s = 60 , color='g' , alpha = 0.5)を
graph = ax.plot_surface(x, y, z, s = 60 , color='g' , alpha = 0.5)

に変えてプロットしようとしたところ、

if Z.ndim != 2:
AttributeError: 'list' object has no attribute 'ndim'

というエラーが出ました。ネットで調べたところ、zをnumpy配列に変えればよいとのことでしたので、
z = [0]の下に下記のコードを追加しました。

z = np.array(z)

そうしたところ今度は下記のエラーが発生しました。

ValueError: Argument Z must be 2-dimensional.

どうやらzを2次元配列に直す必要があるようですが、やり方がわからず、ここでスタックしてしまいました。
python初心者なので、全然的外れのことをしているかもしれませんが、もし解決策をご存知でしたらご教授いただきたく存じます。

Answer 1

plot_surface() を描画する場合、各X値、Y値に対するZ値を格子状のデータとして持つ必要があります。

例えば X値の範囲を(0,1,2,3) Y値の範囲を(0,1,2,3)とすると、下記のように (0,0),(0,1),(0,2),(0,3),(1,0),(1,1)…(3,2),(3,3) の全てに対するZ値を２次元データとして保持しなければなりません。

	0	1	2	3
0	z[0,0]	z[1,0]	z[2,0]	z[3,0]
1	z[0,1]	z[1,1]	z[2,1]	z[3,1]
2	z[0,2]	z[1,2]	z[2,2]	z[3,2]
3	z[0,3]	z[1,3]	z[2,3]	z[3,3]

今回の場合は極座標のデータを直行座標に変換したデータのようなので、全てのデータから上記のような格子状のデータに変換するには線形補間等を使う等結構面倒な作業になるかと思います 。

特にplot_surface()に拘らないのであれば、plot_trisurf()でも良いかもしれません。
こちらは三角分割方を使ったサーフェースグラフを描画するもので、scatter()と同様に x,y,z に一次元データを渡すことができますので、そのまま scatter() を置き換えることができるはずです。（データが無いので未検証です）

https://matplotlib.org/mpl_toolkits/mplot3d/tutorial.html#mpl_toolkits.mplot3d.Axes3D.plot_trisurf

【追記】

修正例

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

arduinoData = serial.Serial("COM4" , 9600)

def update_lines(num):
    arduinoString = arduinoData.readline().decode("ascii")
    dataArray = arduinoString.split(' ')
    if len(dataArray) == 3:
        angle , r , time = [int(dataArray[0]) , float(dataArray[1]) , float(dataArray[2]) ]
        text.set_text("{:d}: [{:.0f},{:.0f},{:.0f}]".format(num, angle, r, time))  # for debugging
        theta = (360 - angle) * 2 * np.pi / 360
        dx = r * np.cos(theta)
        dy = r * np.sin(theta)
        dz = time

        x.append(dx)
        y.append(dy)
        z.append(dz)

        if len(x) > 3:
            # ここでは描画処理を行う（描画前に画面をクリアする）
            plt.cla()
            ax.plot_trisurf(x, y, z, alpha = 0.5)
    else:
        pass

x = []
y = []
z = []

fig = plt.figure(figsize=(5, 5))
ax = fig.add_subplot(111, projection="3d")

# ここでは描画しない
# ax.plot_trisurf(x, y, z, alpha = 0.5)
text = fig.text(0, 1, "TEXT", va='top')  # for debugging

ax.set_xlim3d(-20, 20)
ax.set_ylim3d(-20, 20)
ax.set_zlim3d(0, 50)
ax.set_xlabel("Radius_x(cm)")
ax.set_ylabel("Radius_y(cm)")
ax.set_zlabel("Time(sec)")

# Creating the Animation object
ani = animation.FuncAnimation(fig, update_lines, frames=200, interval=5000, blit=False)
plt.show()

Comments

[klose0609]

解決方法をご教授いただきましてありがとうございました。
早速、scatterのところをplot_trisurfに変更してみたところ下記のエラーが出ました。

"x and y must have length at least 3"

xとyが3つ以上の要素を含んでないとプロットできないものと理解しました。
Arudinoから送られてきたデータを1個ずつxとyのリストに追加してるので、3個目のデータをリストに格納する前にエラーになってしまうと解釈しました。
そこで、最後のanimationのコードの前に下記のコードを追加してみました。

"if len(x) >= 3 and len(y) >= 3 :"

このコードを追加したことで、エラーは発生しなくなり、グラフの軸は出力されるようになったのですが、なにもプロットされませんでした。そもそもif分の使い方、もしくは挿入する箇所が違っているのかもしれません。何か解決する方法はございますでしょうか？

[magichan]

すみません。コメント完全に読み飛ばしておりました。すみません
サンプルを追加しました。

修正方法ですが、データがない場合はデータを描画せずに、データが３つ以上になってから update関数内で plot_trisurf() を呼び出すとよいかと思います。

[klose0609]

修正案を記載いただきましてありがとうございました。
問題なくplot_trisurfでプロットすることが出来ました。