matplotlibのアニメーションに色付け

前提

エージェントベースモデルでシミュレーションを行なっていて、その結果をmatplotlibのアニメーションで視覚化しています。

実現したいこと

２種類のエージェントが存在しているのですが、matplotlibでアニメーションで視覚化する際に

class AgentEdited(Agent)

で動かしているエージェントだけ区別し易くするために別の色で着色したいです。

発生している問題・エラーメッセージ

エラーメッセージ

該当のソースコード

python
1import numpy as np
2import matplotlib.pyplot as plt
3import matplotlib.animation as animation
4from IPython.display import HTML
5
6a1 = -0.034298
7b1 = 3.348394
8c1 = 4.252840
9d1 = -0.003423
10
11class Agent:
12    def __init__(self, name = None, pos = None, vel = None, SIZE = 10, VEL = 1,
13            RANGE_SEPARATE = 0.5):
14        self.name = name
15        self.pos = pos if pos else np.random.uniform(-SIZE, SIZE, 2)
16        self.vel = vel if vel else np.random.uniform(-VEL, VEL, 2)
17        self.SIZE = SIZE
18        self.VEL = VEL
19        self.RANGE_SEPARATE = RANGE_SEPARATE#分離範囲
20        self.vel_tmp = np.zeros(2)#移動
21    
22    def distance(self, other):#ユークリッド距離
23        return np.linalg.norm(self.pos - other.pos)
24    
25    def ruleSeparate(self, others, ratio = 1):
26        others = [other for other in others if self.distance(other) < self.RANGE_SEPARATE]#範囲内に入ったエージェントの選別
27        v = np.zeros(2)
28        if not others:
29            return 0
30        for other in others:
31            d = self.pos - other.pos#dが-になる時ある？
32            v += d / self.distance(other)#進行方向の単位ベクトル
33        self.vel_tmp += v / len(others) * ratio#平均を出してそれをratio倍する
34        return v / len(others) * ratio
35    
36    
37    
38    def calculate(self, others):
39        self.ruleSeparate(others, 0.5)
40        
41    def update(self) -> bool:#返り値の型名
42        self.vel += self.vel_tmp#進行速度ベクトル更新
43        v = np.linalg.norm(self.vel)
44       #壁に当たったら反転
45        if (abs(self.pos + self.vel)[0] > self.SIZE):
46            self.vel[0] = -self.vel[0]
47        if (abs(self.pos + self.vel)[1] > self.SIZE):
48            self.vel[1] = -self.vel[1]
49        
50        self.pos += self.vel#位置更新
51        self.vel_tmp = np.zeros(2)##進行速度ベクトル初期化
52        return True
53
54class AgentEdited(Agent):
55    def __init__(self, *args, **kwargs):
56        super(AgentEdited, self).__init__(*args, **kwargs)
57        #クラス(子クラス)で別のクラス(親クラス)を継承できます。継承することで、親クラスのメソッドを子クラスから呼び出せる
58        #super().親クラスのメソッド # python3系での標準の書き方
59        #super(親クラスのオブジェクト, self).親クラスのメソッド # python2系での書き方
60    
61    def ruleSeparate(self, others, ratio = 1):
62        others = [other for other in others if self.distance(other) < self.RANGE_SEPARATE]
63        v  = np.zeros(2)
64        if not others:
65            return 0
66        for other in others:
67            d = self.pos - other.pos
68            vel = self.vel - other.vel
69            TTNP = d / (vel + 1e-5) # 0除算防止のため微小値を挿入
70            DINP = self.distance(other)
71            v += 1/(1+np.exp(-(c1+d1*TTNP))) * 1/(1+np.exp(-(b1+a1*DINP)))
72        self.vel_tmp += v / len(others) * ratio
73        return v / len(others) * ratio
74    
75    def calculate(self, others):
76        self.ruleSeparate(others) # only separate
77
78def calc_rad(pos2, pos1):#角計算
79    return np.arctan2(pos2[1] - pos1[1], pos2[0] - pos1[0])
80
81#np.arctan(x)は引数が一つでarctan(x)をラジアンで返す。返り値は-pi / 2からpi / 2（-90度から90度）の間になる。
82#np.arctan2(y, x)は引数が二つで、arctan(y / x)をラジアンで返す。この角度は、極座標平面において原点から座標(x, y)へのベクトルがx軸の正の方向となす角度（偏角）であり、返り値は-piからpi（-180度から180度）の間になる
83#print(np.degrees(np.arctan2(-1, 1)))
84# -45.0
85#print(np.degrees(np.arctan2(1, -1)))
86# 135.0
87
88def rotate_vec(vec, rad):#ベクトル更新
89    return np.dot(vec, np.array([[np.cos(rad), -np.sin(rad)], [np.sin(rad), np.cos(rad)]]).T)
90
91class AgentGoForWall(AgentEdited):
92    def __init__(self, *args, **kwargs):
93        super(AgentGoForWall, self).__init__(*args, **kwargs)
94        max_distance = 0
95        self.goal = None # 角が一番遠い場所
96        for px in [-self.SIZE, self.SIZE]:
97            for py in [-self.SIZE, self.SIZE]:
98                dist = np.linalg.norm(self.pos - np.array([px, py]))
99                if max_distance < dist:
100                    max_distance = dist#最大値の更新
101                    self.goal = np.array([px, py])
102        self.vel = rotate_vec(np.array([self.VEL, 0]), calc_rad(self.goal, self.pos))
103
104    def update(self) -> bool:
105        self.vel += self.vel_tmp
106        self.vel += rotate_vec(np.array([self.VEL, 0]), calc_rad(self.goal, self.pos))
107        
108        v = np.linalg.norm(self.vel)
109       
110        if abs(self.pos + self.vel)[0] > self.SIZE or abs(self.pos + self.vel)[1] > self.SIZE:
111            return False # deactivate this Agent
112        
113        self.pos += self.vel
114        self.vel_tmp = np.zeros(2)
115        return True
116
117class Boids:
118    def __init__(self, AGENT = 20):#Agent数
119        self.agents = [Agent() for _ in range(AGENT)]
120    
121    def calculate(self):
122        for agent in self.agents:
123            agent.calculate([other for other in self.agents if agent != other])
124    
125    def update(self):
126        self.agents = [agent for agent in self.agents if agent.update()]
127    
128    def simulation(self):
129        self.calculate()
130        self.update()
131    
132    def positions(self):#showimageはpos_arrayを渡してた
133        x, y = list(), list()
134        for agent in self.agents:
135            x.append(agent.pos[0])
136            y.append(agent.pos[1])
137        return np.array(x), np.array(y)
138np.random.seed( 0 )
139B = Boids(AGENT = 1)
140B.agents.append(AgentEdited())
141#B.agents.append(Agent("Crazy", RANGE_SEPARATE = 1.5))
142#B.agents.append(AgentGoForWall("Going to the far wall"))
143fig, ax = plt.subplots(figsize = (6, 6))
144ax.set_xlim(-10, 10)
145ax.set_ylim(-10, 10)
146ax.grid(True)
147ims = []
148for t in range(1000):
149    B.simulation()
150    plot_data = B.positions()
151    im=ax.plot(*plot_data,"o",ms=5,c="k")
152    ims.append(im)
153
154ani = animation.ArtistAnimation(fig, ims, interval=100, repeat=False)
155HTML(ani.to_jshtml())

試したこと

matplotlibについて検索したが、グラフの色変更などが多く一部のエージェントだけ着色する様な方法を見つけるには至リませんでした。

補足情報（FW/ツールのバージョンなど）

ここにより詳細な情報を記載してください。

行動規範の内容に同意します

回答2件

plotのかわりにscatterを使うと、点ごとに色を指定することができます。

Python
1import matplotlib.pyplot as plt
2import matplotlib.animation as animation
3
4fig, ax = plt.subplots(figsize = (3,3))
5ax.set_xlim(-1, 10)
6ax.set_ylim(-1, 10)
7ax.grid(True)
8ims = []
9for t in range(3):
10    im=ax.scatter([1,2,3],[t,2*t,3*t], s=5, c=['r','g','b'], marker='o')
11    ims.append([im])
12
13ani = animation.ArtistAnimation(fig, ims, interval=500, repeat=False)
14ani.save('ret.gif')

投稿2022/11/09 01:23

8524ba23

総合スコア38352

lack

2022/11/09 16:36

ありがとうございます！

行動規範の内容に同意します

ベストアンサー

can110さんの解答に補足までに何パターンか示しておきます．

1. Agentに付けたい色を設定しておく方法

全部のAgentに異なる色を割り振れるので，こちらの方が汎用性が高い．
Agentの種類ごとにデフォルト色を用意する方法とする．

Python
1class Agent:
2    def __init__(self, name = None, pos = None, vel = None, SIZE = 10, VEL = 1,
3            RANGE_SEPARATE = 0.5, color = None):
4        # (略)
5        self.color = color if color or 'k'
6
7class AgentEdited(Agent):
8    def __init__(self, *args, **kwargs):
9        super(AgentEdited, self).__init__(*args, **kwargs)
10        self.color = kwargs.get('color', 'r')
11
12# (略)
13
14class AgentGoForWall(AgentEdited):
15    def __init__(self, *args, **kwargs):
16        super(AgentGoForWall, self).__init__(*args, **kwargs)
17        self.color = kwargs.get('color', 'b')
18
19class Boids:
20    # (略)
21    def positions(self):
22        x, y, c = list(), list(), list()
23        for agent in self.agents:
24            x.append(agent.pos[0])
25            y.append(agent.pos[1])
26            c.append(agent.color)
27        return (np.array(x), np.array(y)), c
28
29# (略)
30for t in range(1000):
31    B.simulation()
32    plot_data, plot_color = B.positions()
33    im=ax.scatter(*plot_data,"o",ms=5,c=plot_color)

エージェントのタイプごとにデフォルト色の設定をしておいた上で，個別に色設定B.append(AgentEdited(color = 'y'))とかができるようになる．
なんなら解析の途中から色を変化させることもできる．その際はagent.color = 'g'とか書けたりして，エージェントの状態を表現できる．

2. isinstanceを利用してAgentインスタンスを調べて色付ける方法

生成元インスタンスからしか判断できないこっちの方が汎用性は低い．
さっきはデフォルト色を用意して生成元が同じタイプのエージェントでも別の色を割り振れたが，下記コードでそれを実現しようとするのはめんどくさい．
なんならisinstance(AgentEdited(), Agent)がTrueになってしまう等の問題もあって条件分岐/管理がめんどくさい．

Python
1class Boids:
2    # (略)
3    def positions(self):
4        x, y, c = list(), list(), list()
5        for agent in self.agents:
6            x.append(agent.pos[0])
7            y.append(agent.pos[1])
8            if isinstance(agent, AgentGoForWall):
9                c.append('b')
10            elif isinstance(angent, AgentEdited):
11                c.append('r')
12            else: # 残りは Agent しかないので isinstance(agent, Agent) と等価
13                c.append('k')
14        return (np.array(x), np.array(y)), c
15
16# (略)
17for t in range(1000):
18    B.simulation()
19    plot_data, plot_color = B.positions()
20    im=ax.scatter(*plot_data,"o",ms=5,c=plot_color)

投稿2022/11/09 06:44

編集2022/11/09 07:23

ps_aux_grep

総合スコア1581

lack

2022/11/11 01:36 編集

教えて頂いた1.の手法を実装したところ, ''' im=ax.scatter(*plot_data,"o",ms=5,c=plot_color) ''' で下記の様なエラーが出てしまっているみたいなのですが、調べても何が問題なのかもわからず、解決方法が分からなかったので可能であれば教えて頂けないでしょうか。 ''' TypeError Traceback (most recent call last) <ipython-input-3-f29fe7fc65f3> in <module> 10 B.simulation() 11 plot_data,plot_color = B.positions() ---> 12 im=ax.scatter(*plot_data,"o",ms=5,c=plot_color) 13 ims.append(im) 14 4 frames /usr/local/lib/python3.7/dist-packages/matplotlib/collections.py in set_sizes(self, sizes, dpi) 883 self._sizes = np.asarray(sizes) 884 self._transforms = np.zeros((len(self._sizes), 3, 3)) --> 885 scale = np.sqrt(self._sizes) * dpi / 72.0 * self._factor 886 self._transforms[:, 0, 0] = scale 887 self._transforms[:, 1, 1] = scale TypeError: ufunc 'sqrt' not supported for the input types, and the inputs could not be safely coerced to any supported types according to the casting rule ''safe'' '''

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