gnuplot 時間ごとの3次元アニメーションについて

Question

前提・実現したいこと

3次元空間内の点の運動について時間経過ごとにgifアニメーションとして出力したいです．
プログラム言語の中に組み込んで動かすというものは検索したらいくつかヒットしましたがよく分かりませんでした．
本来は自分で作ってc++で動かしていた運動シミュレーションプログラムで，結果の出力だけならできます．

しかしプログラム内で結果の出力と一緒にgnuplotにgifを作らせようとすると複雑そうなエラーメッセージが出てきた上に，元のコード自体が長くてその解決法をここで聞くのは適さないだろうと考えました．

そこでリンク内容
のようなテキストファイルを元にして，ある時刻tにおける点がどこにあり，それが時間経過ごとにどのように移動するかをgif化する方法を教えてほしいです．

イメージとしてはこのサイト内の「点が動くプログラム」にあるgifみたいなアニメーションです．

私はgnuplotで頑張って失敗しましたが，もしPythonなどを使った方が効率的だよなどのご意見がありましたら特別gnuplotにこだわりたいわけでもございませんので，そちらの方法を教えていただけますと幸いです．

添付いたしましたこのtxtでは点が20個あり，2行目がｘ座標，3行目がy座標，4行目がz座標です．
また1行目が0の時と1の時で点の色を変えたいと思っています．
描画範囲は
set xrange [-2.5:2.5]
set xrange [-2.5:2.5]
set xrange [-2.5:2.5]の予定です．

ご指導よろしくお願いします．

t=0.00ns
0 -0.286106 -1.66674 0.436972
0 1.55886 -0.33545 0.684778
0 0.169185 -1.23779 -0.325733
0 0.958496 1.17157 0.665226
0 0.0690392 1.02818 -1.13015
0 1.40519 -1.10132 0.801209
0 -1.00578 0.300336 0.588059
0 0.609933 0.00968146 0.551685
0 -0.698907 0.910334 -0.887723
0 0.00481047 -1.42694 -0.637193
0 -0.475948 1.6796 -1.42228
0 0.264631 0.925717 1.42151
0 -1.0194 1.08796 0.649592
0 -0.215302 -1.34385 -1.12029
0 -0.573852 0.763716 0.332555
0 0.147492 -1.2985 1.28318
0 -0.152091 -0.0083339 1.19806
0 0.630061 1.60518 0.0427965
0 -1.21904 0.626342 0.389007
0 0.118063 -0.392421 -0.234945
t=0.01ns
0 -0.28599 -1.66688 0.437027
0 1.55871 -0.335482 0.684673
0 0.169348 -1.2377 -0.325762
0 0.958448 1.17162 0.665049
0 0.0688959 1.02811 -1.13005
0 1.40512 -1.10121 0.801348
0 -1.0056 0.300357 0.58801
0 0.60982 0.00956502 0.551571
0 -0.69883 0.910209 -0.887848
0 0.00474165 -1.42711 -0.63715
0 -0.476128 1.67957 -1.42223
0 0.264703 0.925598 1.42138
0 -1.01952 1.08782 0.649578
0 -0.215392 -1.34402 -1.12028
0 -0.573878 0.763687 0.332363
0 0.147455 -1.29841 1.28335
0 -0.151884 -0.00825999 1.19838
0 0.630218 1.60513 0.0428842
0 -1.21907 0.626226 0.389155
0 0.1179 -0.392369 -0.234814

以下続く

補足情報（FW/ツールのバージョンなど）

gnuplot version5.2
Python 3.6.9
gcc version 7.5.0

Answer 1

matplotlib.animation.FuncAnimation で 3D 版の scatter() で散布図のアニメーションを作成すればよいです。

matplotlib.animation.FuncAnimation — Matplotlib 3.3.1 documentation

テキストパース部分

import re

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

with open("result.txt") as f:
    lines = f.read().splitlines()

sep_indices = []
for i, line in enumerate(lines):
    if line.startswith("t"):
        sep_indices.append(i)

data = []
for s, e in zip(sep_indices, sep_indices[1:] + [len(lines)]):
    time_str = lines[s]
    points_str = "\n".join(lines[s + 1 : e])

    time = float(re.match(r"t=(.+)ns", time_str).group(1))
    w, x, y, z = np.fromstring(points_str, sep=" ").reshape(-1, 4).T
    color = np.where(w == 0, "r", "b")  # 1列目が0なら赤、それ以外なら青

    data.append({"time": time, "color": color, "x": x, "y": y, "z": z})

アニメーション作成部分

fig = plt.figure(figsize=(9, 9))
ax = fig.add_subplot(projection="3d")
ax.set_xlim(-2.5, 2.5)
ax.set_ylim(-2.5, 2.5)
ax.set_zlim(-2.5, 2.5)

# 空の散布図とタイトルオブジェクトを作成しておく。
scatter = ax.scatter([], [], [], c="b")
title = ax.set_title("")


def update(sample):
    # タイトル更新を更新する。
    title.set_text(f"time={sample['time']}ns")
    # 散布図更新を更新する。
    scatter._offsets3d = (
        sample["x"],
        sample["y"],
        sample["z"],
    )
    # 点とエッジの色を更新する。
    scatter._facecolor3d = sample["color"]
    scatter._edgecolor3d = sample["color"]

# アニメーションを作成する。
anim = FuncAnimation(fig, update, data, interval=100)
anim.save("anim.gif", writer="pillow")

Comments

[Kinsho]

ご回答ありがとうございます！
ただjanacondaでインストールしたjupyterで実行してみたところ2つ目のコードで以下のようなエラーが返されてしまいましたが，これはどのような原因が考えられるでしょうか？
エラーメッセージをインターネットで検索し元データを観察してみましたが自分の力量では解決できませんでした．

AttributeError Traceback (most recent call last)
<ipython-input-11-c0f02f7efa0b> in <module>
1 fig = plt.figure(figsize=(9, 9))
2 ax = fig.add_subplot(projection="3d")
----> 3 ax.set_xlim(-2.5, 2.5)
4 ax.set_ylim(-2.5, 2.5)
5 ax.set_zlim(-2.5, 2.5)

AttributeError: 'NoneType' object has no attribute 'set_xlim'

<Figure size 648x648 with 0 Axes>

[Kinsho]

いただいたリンク先のsource　codeを先に貼り付けるべきでしょうか？
試しにコピペしてみたらいろんな場所でIndentationErrorが返されてしまいましたが

[tiitoi]

Python のバージョンはいくつでしょうか？回答の2つのコードをデータのテキストファイルと同じ階層で実行すれば動くと思います。
もし、動かないのであれば、コピペがうまくできていないか、Python 環境に問題があると思います。

[tiitoi]

もしどうしても動かないようであれば、Google Colab を使うという手もあります。
こちらでも動作することを確認しました。

https://colab.research.google.com/notebooks/welcome.ipynb?hl=ja

[Kinsho]

ありがとうございます！
試しにanacondaのアップデートしてみたら無事動きました！
夜中に余計な追加質問してしまいすみませんでした．
tiitoiさんのおかげで課題解決できました．

Answer 2

もしpythonでされるのならmatplotlibというグラフ描画のモジュールがあります。グラフの形式にもよりますが、折れ線グラフ等であれば数行でかけます。

これでグラフを書いて一枚ずつpngやpdfで保存することができますので、後でアニメ合成することができます。

リアルタイムでアニメーションすることもできますが、１ページずつの計算時間に依存してしまうので、私はいつも上記のようにしています。

Comments

[Kinsho]

折れ線ではなく散布図のイメージですかね．ただ1枚ずつ作ると200枚とか500枚とかになったりするので一度に読み込ませて作りたいと考えています．

[glp]

matplotlibのグラフはplt.savefigで指定した形式に出力できます
まとめて一度にデータ読み込んでグラフ書けばいいのでは？
以前これで1000枚以上のグラフをアニメーションしたことがあるので問題なくできると思いますよ