Pythonにおけるアニメーションの出力

Question

import numpy as np
import pandas as pd
import mpl_toolkits.axes_grid1
from math import *
from mpl_toolkits.axes_grid1 import make_axes_locatable
from matplotlib import pyplot as plt 
from matplotlib import animation as animation
# model N x M:PBC
N, M=30,60
#parameters
pi=4*atan(1.0) #定数の定義
dt, h=0.01,0.1
h2=h*h
DX,DY=0.0001,0.0001
A,B=1.0,3.0
maxX,maxY=0.0,0.0
minX,minY=6.0,6.0
T=20
diagX, offX=1-4*DX*dt/h2, DX*dt/h2#差分法の定数部分の定義
diagY, offY=1-4*DY*dt/h2, DY*dt/h2
#preparation
m=np.zeros([N+2,M+2],float)
X=np.zeros([N+2,M+2],float)
Y=np.zeros([N+2,M+2],float)
XX=np.zeros([N+2,M+2],float)
YY=np.zeros([N+2,M+2],float)
rhsX=np.zeros([N+2,M+2],float)
rhsY=np.zeros([N+2,M+2],float)
fig = plt.figure()
ax1 = fig.add_subplot(1, 2, 1)
ax2 = fig.add_subplot(1, 2, 2)
ax1.set_xlabel("x")
ax1.set_ylabel("y")
ax1.invert_yaxis()
ax2.set_xlabel("x")
ax2.set_ylabel("y")
ax2.invert_yaxis()
for j in range(N+2):
     for k in range(M+2):
       s,t=pi*j/N,pi*k/M
       X[j][k]=2.0+0.4*sin(s)*sin(3*t)
       Y[j][k]=1.0+0.4*sin(s)*sin(t)
def SX(u,v):
  return (A-(B+1)*u+u*u*v)
def SY(u,v):
  return (B*u-u*u*v)
def update(frames):
   for j in range (N+1):
     for k in range (M+1):
       rhsX[j][k]=dt*SX(X[j][k],Y[j][k])
       rhsY[j][k]=dt*SY(X[j][k],Y[j][k])
       rhsX[j][k]+=offX*(X[j+1][k]+X[j-1][k]+X[j][k-1]+X[j][k+1])+diagX*X[j][k]
       rhsY[j][k]+=offY*(Y[j+1][k]+Y[j-1][k]+Y[j][k-1]+Y[j][k+1])+diagY*Y[j][k]
       XX[j][k],YY[j][k]=rhsX[j][k],rhsY[j][k]
   X, Y=XX, YY 
   X_T=np.array(X).T
   Y_T=np.array(Y).T
   im1=ax1.imshow(X_T,interpolation="nearest",cmap="jet")
   im2=ax2.imshow(Y_T,interpolation="nearest",cmap="jet")
   fig.tight_layout()
   divider1 = mpl_toolkits.axes_grid1.make_axes_locatable(ax1)
   divider2 = mpl_toolkits.axes_grid1.make_axes_locatable(ax2)
   cax1 = divider1.append_axes('right', '5%', pad='3%')
   cax2 = divider2.append_axes('right', '5%', pad='3%')
   fig.colorbar(im1,cax=cax1)
   fig.colorbar(im2,cax=cax2)
ani=animation.FuncAnimation(fig,update,frames=T+1,interval=10)
ani.save("BZ_reaction2.gif",writer="ffmpeg")

後述のArtistAnimationを用いての出力はうまく行ったのでFuncAnimationで計算結果をアニメーションで出力したいのですがうまく行かず困っています。

発生している問題・エラーメッセージ

line 50, in update
    rhsX[j][k]=dt*SX(X[j][k],Y[j][k])

UnboundLocalError: local variable 'X' referenced before assignment

試したこと

def update(frames)内におそらくXの定義がないといけないと思われるので定数の定義からすべてをdef update(frames)の中に入れてみてもうまくグラフは出力されませんでした。。

補足情報（ArtistAnimationではうまくいったのでそのコードを以下に示します。）

import numpy as np
import pandas as pd
import mpl_toolkits.axes_grid1
from math import *
from mpl_toolkits.axes_grid1 import make_axes_locatable
from matplotlib import pyplot as plt 
from matplotlib import animation as animation


# model N x M:PBC
N, M=30,60
#parameters
pi=4*atan(1.0) #定数の定義
dt, h=0.01,0.1
h2=h*h
DX,DY=0.0001,0.0001
A,B=1.0,3.0
maxX,maxY=0.0,0.0
minX,minY=6.0,6.0
T=10
#preparation
m=np.zeros([N+2,M+2],float)
X=np.zeros([N+2,M+2],float) 
Y=np.zeros([N+2,M+2],float)
XX=np.zeros([N+2,M+2],float)
YY=np.zeros([N+2,M+2],float)
rhsX=np.zeros([N+2,M+2],float)
rhsY=np.zeros([N+2,M+2],float)
for j in range(N+2): 
  for k in range(M+2):
    s,t=pi*j/N,pi*k/M
    X[j][k]=2.0+0.4*sin(s)*sin(3*t)
    Y[j][k]=1.0+0.4*sin(s)*sin(t)
diagX, offX=1-4*DX*dt/h2, DX*dt/h2#差分法の定数部分の定義
diagY, offY=1-4*DY*dt/h2, DY*dt/h2
def SX(u,v):
  return (A-(B+1)*u+u*u*v)
def SY(u,v):
  return (B*u-u*u*v)
fig = plt.figure()
ax1 = fig.add_subplot(1, 2, 1)
ax2 = fig.add_subplot(1, 2, 2)
ims = []
for n in range(T+1):
  for j in range (N+1):
    for k in range (M+1):
      rhsX[j][k]=dt*SX(X[j][k],Y[j][k])
      rhsY[j][k]=dt*SY(X[j][k],Y[j][k])
      rhsX[j][k]+=offX*(X[j+1][k]+X[j-1][k]+X[j][k-1]+X[j][k+1])+diagX*X[j][k]
      rhsY[j][k]+=offY*(Y[j+1][k]+Y[j-1][k]+Y[j][k-1]+Y[j][k+1])+diagY*Y[j][k]
      XX[j][k],YY[j][k]=rhsX[j][k],rhsY[j][k]
  for j in range(0,N+2):
    XX[j][0],XX[j][M+1]=XX[j][M],XX[j][1]
    YY[j][0],YY[j][M+1]=YY[j][M],YY[j][1]
  for k in range(0,M+2):
    XX[0][k],XX[N+1][k]=XX[N][k],XX[1][k]
    YY[0][k],YY[N+1][k]=YY[N][k],YY[1][k]
  # renew
  X, Y=XX, YY
  #プロット
  X_T=np.array(X).T
  Y_T=np.array(Y).T
  im1=ax1.imshow(X_T,interpolation='none',cmap='jet')
  im2=ax2.imshow(Y_T,interpolation='none',cmap='jet')
  ims.append([im1, im2])
ax1.set_xlabel("x")
ax1.set_ylabel("y")
ax1.invert_yaxis()
ax2.set_xlabel("x")
ax2.set_ylabel("y")
ax2.invert_yaxis()
divider1 = mpl_toolkits.axes_grid1.make_axes_locatable(ax1)
divider2 = mpl_toolkits.axes_grid1.make_axes_locatable(ax2)
cax1 = divider1.append_axes('right', '5%', pad='3%')
cax2 = divider2.append_axes('right', '5%', pad='3%')
fig.colorbar(im1,cax=cax1)
fig.colorbar(im2,cax=cax2)
fig.tight_layout()
ani = animation.ArtistAnimation(fig, ims, interval=50)
#ani.save("BZ_reaction.gif",  writer="ffmpeg")
plt.show()

陽解法を用いて反応拡散方程式を解いてそれをj×kの行列としてX,Yを出してそれをヒートマップとして出力しています。

Comments

[TakaiY]

エラーメッセージは全部記載してください。
それだけでは、どこで発生したエラーなのかわかりません。

[rairaigon]

質問力のない質問をしてしまい申し訳ありませんでした。修正いたしました。

Answer 1

Python Programming FAQ より
なぜ変数に値があるのに UnboundLocalError が出るのですか？

問題点: 変数名の衝突によるスコープの変化

関数内での代入は、基本的にローカル変数になります。
代入の前にグローバル変数を参照したい場合、
事前に変数のスコープの宣言が必要です。

# グローバル変数
X = 10

def update():
   print(X) # local variable 'X' referenced before assignment
   X = 1    # <-- 代入があるため、この関数内での X はローカル変数と判別される
            # ローカル変数となった場合、代入前の X は未定義
   print(X)

print(X)
update()
print(X)

解決策(いずれかひとつ)

• グローバル宣言する global X (関数内の場合は、nonlocal X)
• update() 内で使う変数を別の変数名にする。グローバル変数に影響を与えたくない場合
  _x = X (例: グローバル変数 X をローカル変数 _x に代入して使う)

根本的な対策としては、ローカル変数とグローバル変数に
重複しないような命名規則を設けてコードを設計すると回避できます。
(例: グローバル変数は大文字、ローカル変数は小文字）