代码收藏家技术教程 2024-12-28

Python Matplotlib 动态绘图：使用 Animation 创建动画实时正弦波

本篇文章以动态正弦波为例，详细讲解了如何使用 Matplotlib 的 Animation 模块构建逐帧更新的动画效果。文章从动画核心函数 FuncAnimation 的原理入手，介绍了动画帧的定义、初始化函数的设置以及帧数据的动态更新方式。通过逐帧更新正弦波的 Y 数据，展示了如何让波形看起来像在动态传播。此外，文章还演示了如何将生成的动画保存为高质量的 MP4 视频文件，方便分享和播放。读者可以通过本文学习如何制作动态波形图、数据流展示和实时模拟图表。完整代码和丰富注释为入门和进阶用户提供了清晰的实现思路，是学习 Python 动态绘图的理想参考。

一动画效果

在本文中，我们将使用 Matplotlib 的 Animation 模块来创建一个正弦波的动态展示，展示如何通过逐帧更新实现动画效果。

def animate(i, line, x):
    # 更新线条的Y数据，使得正弦波随时间动态变化
    line.set_ydata(np.sin(x + i / 10.0))
    return line,


# 初始化动画，设置初始状态
def init(line, x):
    # 初始化线条数据，使其不显示任何东西（通过mask实现）
    line.set_ydata(np.ma.array(x, mask=True))
    return line,

动画函数 animate：animate 函数用于在每帧调用时更新正弦波的 Y 轴数据，从而实现波形的动态变化。通过修改表达式 x + i / 10.0 中的 i（当前帧编号），正弦波看起来会随着时间逐步向右移动。

初始化函数 init：init 函数用于动画开始前设置初始状态。通过掩码隐藏所有数据点，以确保初始帧不会显示残影。

# 创建图形和坐标轴
fig, ax = plt.subplots()
# 0~2π内的正弦曲线
x = np.arange(0, 2 * np.pi, 0.01)  # 创建x数据，用于绘制正弦波
line, = ax.plot(x, np.sin(x))  # 绘制初始正弦波

# 创建动画
ani = animation.FuncAnimation(fig=fig,
                              func=lambda i: animate(i, line, x),  # 指定动画函数
                              frames=np.arange(1, 200),  # 设置动画帧数
                              init_func=lambda: init(line, x),  # 指定初始化函数
                              interval=20,  # 设置更新间隔（毫秒）
                              blit=False)  # blit=True时仅重绘变化部分以提高效率，但在此设为False以保证兼容性
# 保存动画
ani.save('basic_animation.mp4', fps=30, extra_args=['-vcodec', 'libx264'])

# 显示图形
plt.show()

在上面的代码中，FuncAnimation 类创建了一个动画对象，它会在设定的帧数内重复调用 animate 函数，每帧之间间隔 20 毫秒。整个动画最终被保存为 MP4 格式的文件，使用 H.264 编解码器，以便在视频播放器中观看。

注意事项

ani.save 保存MP4格式的视频文件使用 matplotlib 的 animation 模块，通常需要在系统上安装 FFmpeg。FFmpeg 是一个强大的多媒体框架，能够解码、编码、转码、复用、解复用、流处理、过滤和播放几乎所有类型的视频和音频文件，

1 Windows 安装 FFmpeg

从 FFmpeg 官方网站下载 FFmpeg 的二进制文件。

2 macOS 安装 FFmpeg

$ brew install ffmpeg

3 Linux 安装 FFmpeg

例如，在 Ubuntu 或 Debian 上，可以使用：

$ sudo apt update
$ sudo apt install ffmpeg

二静态图

三动画展示

四完整代码示例

# This is a sample Python script.

# Press ⌃R to execute it or replace it with your code.
# Press Double ⇧ to search everywhere for classes, files, tool windows, actions, and settings.
from matplotlib import pyplot as plt
from matplotlib import animation
import numpy as np


def animate(i, line, x):
    # 更新线条的Y数据，使得正弦波随时间动态变化
    line.set_ydata(np.sin(x + i / 10.0))
    return line,


# 初始化动画，设置初始状态
def init(line, x):
    # 初始化线条数据，使其不显示任何东西（通过mask实现）
    line.set_ydata(np.ma.array(x, mask=True))
    return line,


def print_hi(name):
    # Use a breakpoint in the code line below to debug your script.
    print(f'Hi, {name}')  # Press ⌘F8 to toggle the breakpoint.

    # 创建图形和坐标轴
    fig, ax = plt.subplots()
    x = np.arange(0, 2 * np.pi, 0.01)  # 创建x数据，用于绘制正弦波
    line, = ax.plot(x, np.sin(x))  # 绘制初始正弦波

    # 创建动画
    ani = animation.FuncAnimation(fig=fig,
                                  func=lambda i: animate(i, line, x),  # 指定动画函数
                                  frames=np.arange(1, 200),  # 设置动画帧数
                                  init_func=lambda: init(line, x),  # 指定初始化函数
                                  interval=20,  # 设置更新间隔（毫秒）
                                  blit=False)  # blit=True时仅重绘变化部分以提高效率，但在此设为False以保证兼容性
    # 保存动画
    ani.save('basic_animation.mp4', fps=30, extra_args=['-vcodec', 'libx264'])

    # 显示图形
    plt.show()


# Press the green button in the gutter to run the script.
if __name__ == '__main__':
    print_hi('Animation 动画')

# See PyCharm help at https://www.jetbrains.com/help/pycharm/

复制粘贴并覆盖到你的 main.py 中运行，运行结果如下。