Python科学计算和绘图入门

by xferris

用到的相关模块

  • scipy
  • numpy
  • matplotlib
  • mayavi
模块安装

主要就是这四个模块，如果要安装的话，前三个可以直接使用sudo pip install xxx来安装。对于mayavi，安装起来比较复杂，主要是vtk的安装，我安装了几次都没有成功，不管是使用ccmake还是使用independent installer都没法用，在尝试了一个下午之后，发现了python科学计算的神器Canopy。

Canopy是Python科学计算的集成环境，里面集成了你所知道，你所需要的所有python科学计算需要的module，这是他的主页截图。



我在Package Manager中直接搜索下载了mayavi,一键完成安装，特别方便，推荐所有用Python科学计算，或者是为了毕业论文等同学使用Canopy，我要是早发现就好了！

科学计算

常量主要是在numpy包里，np.e,np.pi之类的，当然先要导入这个包。

import numpy as np

简单的运算也通过numpy完成，比如np.cos,np.sin,np.tan之类的，可以尝试，基本的运算都在里面。

对于积分运算，需要使用scipy中的integrate模块，关于scipy的参考文档，可以参考这里。下面是一个简单的求黑体的辐射的积分，还自带误差，对数值计算有要求的同学有福了。

#encoding:utf-8
from scipy import integrate
import numpy as np
#函数定义
def blackBodyM(x,c1,c2,T):
    return (c1/(x**5))*(1/((np.e**(c2/(x*T)))-1))
c1 = 3.7415*10**8
c2 = 1.43879*10**4
T = 800
#结果,误差
resut,err = integrate.quad(blackBodyM,3,5,args=(c1,c2,T))

绘图

重头戏来了，python的绘图功能，完全不亚于matlab，matlab能做的，python里面都能实现，对于2D绘图，不管是函数图像还是数值统计图，都可以使用matplotlib库来完成。当然，也可以用matplotlib来完成3D绘图，不过个人对比体验了下，3D绘图，尤其是建模，还是使用mayavi更方便快速。

从matplotlib参考文档和mayavi参考文档对比也可以发现，mayavi主要针对3D建模，matplotlib主要是2D绘图。

2D绘图

下面我对matplotlib的主要绘图模块pyplot分析。

我们画一个这样的图像。

#序之前的代码
def functionI(fi,ks,n,a,e0):
    return e0*ks*((-350*np.sin(fi)+(700*np.sqrt(3)/2)*np.cos(fi))**n)*a*a*np.cos(fi)
from matplotlib import pyplot as plt
plt.figure(1)
#图1:n不变,ks变化
#fi的取值范围 0-pi/2,分100个点
fi = np.linspace(0,np.pi/2,100)
ax1 = plt.subplot(211)
plt.sca(ax1)
#ks = 0.1-0.9 n=5
for ks in range(1,10):
    ks = ks*0.1
    plt.plot(fi,functionI(fi,ks,3,1,e0),label='ks='+str(ks))
    plt.legend(loc='upper right',bbox_to_anchor = (1, 1.15))
plt.xlabel(u'角度fi')
plt.ylabel(u'n=5,ks变化   辐射强度I')
ax2 = plt.subplot(212)

#ks = 0.5,n=2-10
for n in range(2,11):
    plt.plot(fi,functionI(fi,0.5,n,1,e0),label='n='+str(n))
    plt.legend(loc='upper right',bbox_to_anchor = (1, 1.15))
plt.xlabel(u'角度fi')
plt.ylabel(u'ks=0.5,n变化   辐射强度I')
plt.show()

几个地方说明一下:

  • np.linspace:构造线性list，用来取点，其实画函数图像的本质就是画很多点，然后连接起来。
  • plt.figure:运行以后，一个figure对应一个plt.show()，其实就是对应一个窗口。
  • plt.subplot:一个figure里有多少个图像(坐标轴)，每次运行这个返回一个ax坐标轴对象，每次走完这行代码，就选中这个ax，接下来的操作都是在这个ax上完成的。
  • plt.legend:图例显示。
  • 以上函数的所有的参数都可以在matplotlib参考文档中找到。
3D建模

这里介绍一下使用mayavi进行模拟光照实验(Phong模型)，首先使用如下代码构造一个表面。

import numpy as np
from mayavi import mlab
x, y = np.mgrid[-3:3:150j,-3:3:150j]
z =x**2+y**2+2
surf = mlab.surf(x, y, z, colormap='RdYlBu', warp_scale='auto')
surf.actor.property.interpolation = 'phong'
#对应参数表面反射率和n高光系数
surf.actor.property.specular = 0.5 #ks
surf.actor.property.specular_power = 2 #n
mlab.show()

运行以后得到一个这样的模型表面，为了展示整个表面，这里使用4处光照。



点击左上角很酷的那个按钮，可以打开表面参数设置和光照设置。



可以看到这里使用4个白光光源照射。并且可以很方便的进行参数设置。

当然这里我也用matplotlib画了同样的图形，但跑起来的时候机器很卡，使用matplotlib处理便面和光照，还需要使用其他的库来辅助，这里只贴出import的部分代码。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from matplotlib.colors import LightSource

总之处理和模型有关的3D，还是使用mayavi，简单粗暴。

如果需要更深入的学习，还是需要看计算机图形学和相关库的参考文档。