文章目录
- 需求和框架
- AxisFrame
- AxisList
- DarwSystem
从零开始实现一个三维绘图系统
需求和框架
本文希望实现下图所示的绘图系统，下面详细分析需求变化。
和之前实现的绘图系统相比，首先是多了【新增】和【删除】这两个按钮，其功能是控制绘图数据的个数，即下方的【坐标0】和【坐标1】。由于不同的坐标之间有着相同的组成，故而需要封装成类；而每个坐标中的 x , y , z x,y,z x,y,z坐标轴，又十分相似，故而也需要封装成类。
综合来看，和此前的简单绘图系统相比，若想实现多图绘制的功能，至少需要实现三个类，分别表示坐标轴、坐标系以及坐标系统。
下面列出整个项目需要导入的模块，以及这三个类的命名
import tkinter as tk
import tkinter.ttk as ttk
import matplotlib as mpl
mpl.use('TkAgg')
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.backends.backend_tkagg import (
FigureCanvasTkAgg, NavigationToolbar2Tk)
from matplotlib.figure import Figure
import numpy as np
class AxisFrame(ttk.Frame):
pass
class AxisList(ttk.Frame):
pass
class DarwSystem():
pass
下面逐一实现，并讲解。
AxisFrame
下图是自定义的AxisList组件，其中每一项 x , y , z x,y,z x,y,z均对应一组AxisFrame对象，下面就分析AxisFrame对象的特点。
首先，AxisFrame由三部分组成：坐标标签、输入类型和输入框。目前来说，由于只实现了读取Python源码这种方法，故而输入类型的下拉框显得有些多余，其目的是便于后期扩展。
据此，可得到其代码
class AxisFrame(ttk.Frame):
# widths 是每个控件的宽度
def __init__(self, master, label, mode, widths, **options):
super().__init__(master, **options)
self.pack()
self.label = label
self.initVar(mode)
self.initWidgets(widths)
def initVar(self, mode):
self.MODES = ("源代码",)
self.mode = tk.StringVar()
self.setMode(mode)
def initWidgets(self, widths):
tk.Label(self, text=self.label,
width=widths[0]).pack(side=tk.LEFT)
self.slct = ttk.Combobox(self,
width=widths[1], textvariable=self.mode)
self.slct['value'] = self.MODES
self.slct.pack(side=tk.LEFT)
self.entry = tk.Entry(self, width=widths[2])
self.entry.pack(padx=5, side=tk.LEFT, fill=tk.X)
def setMode(self, mode):
if type(mode) != str:
mode = self.MODES[mode]
self.mode.set(mode)
def getData(self, **txyz):
if self.mode.get() == "源代码":
self.readPython(**txyz)
return self.data
def readPython(self, t=None, x=None, y=None, z=None):
self.data = eval(self.entry.get())
其中，initVar用于初始化输入模式；setMode用于设置输入模式；initWidgets用于布局，这三个函数只需了解tkinter的工作原理，便无需详解。
getData用于将输入框中的内容转换为数值，由于目前只有【源代码】这一种模式，所以只用到了readPython这一种读取函数。readPython的逻辑很简单，根据输入的 t , x , y , z t,x,y,z t,x,y,z的值，以及输入框中的表达式，来实现python数据的读取。
AxisList
继续分析AxisList组件，除了三个AxisFrame之外，还有一个显隐开关【坐标0】，以及坐标选框【xyz】，用于调整是否使用 x , y , z x,y,z x,y,z等坐标轴，即实现下面的效果。
从交互逻辑而言，这里有两个功能，一是点击【坐标0】以显示或隐藏其内容，二是选择下拉框，以筛选 x , y , z x,y,z x,y,z等坐标轴。实现代码如下
class AxisList(ttk.Frame):
def __init__(self, master, title, mode, widths, **options):
super().__init__(master, **options)
self.pack()
self.afs = {}
self.data = {}
self.initWidgets(title, widths)
self.initAxis(mode, widths)
def initWidgets(self, title, widths):
self.btn = ttk.Button(self, text=title, width=sum(widths)+5,
command=self.click)
self.btn.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X, expand=tk.YES)
self._c = ttk.Frame(self)
self.collapsed = True
self.click()
self.initVar()
self.initFeature()
def initVar(self):
self.AXISES = ("x", "xy", "xyz", "tx", "txy", "txyz")
self.axMode = tk.StringVar()
self.axMode.set("xyz")
def initAxis(self, mode, widths):
for flag in 'txyz':
self.afs[flag] = AxisFrame(self._c, flag, mode, widths)
self.axChanged()
def initFeature(self):
frm = ttk.Frame(self._c)
frm.pack(pady=2, side=tk.TOP, fill=tk.X)
slct = ttk.Combobox(frm, width=5, textvariable=self.axMode)
slct["value"] = self.AXISES
slct.pack(side=tk.LEFT)
slct.bind('<<ComboboxSelected>>', self.axChanged)
def axChanged(self, evt=None):
for flag in 'txyz':
self.afs[flag].pack_forget()
for flag in self.axMode.get():
self.afs[flag].pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)
def click(self):
if self.collapsed:
self._c.pack(side=tk.TOP, fill=tk.BOTH, expand=tk.YES)
else:
self._c.pack_forget()
self.collapsed = not self.collapsed
def getDatas(self):
dct = {}
data = {}
for flag in self.axMode.get():
data[flag] = self.afs[flag].getData(**dct)
dct[flag] = data[flag]
return data
首先，点击【坐标0】之后，除了【坐标0】之外其他的内容全部隐藏，所以【坐标0】与其内容需要分开处理，从而为其他内容分配一个Frame，由于这个Frame将会频繁地被用到，所以给一个简短的名称_c。
然后，下拉框中共给定6种坐标类型，之所以有 t t t选项，目的是日后可能会实现的动图绘制。
接下来，initVar, initWidgets, initAxis, initFeature是布局函数，无需多言。
axChanged即更改坐标轴系组成时的响应函数，首先隐藏所有坐标轴，再根据选择的坐标轴一个一个重新放出来。
click是点击【坐标0】时的相应，如果_c已经隐藏，就将其显示出来；如果当前可见，就让其变得不可见。
最后，getDatas是坐标系的关键函数，其功能是调用AxisFrame种中的getData函数，其中的dct装载已经获取到的数值，通过字典的双星号索引方法，将字符串key转换为变量名称，以实现最终的数值读取。
DarwSystem
DrawSystem的代码虽然较长，但内容并不复杂，其中setFrmFig更是几乎原封不动地沿用了此前的代码。
class DarwSystem():
def __init__(self):
self.root = tk.Tk()
self.root.title("数据展示工具")
self.als = []
self.setFrmCtrl()
self.setFrmFig()
self.root.mainloop()
def setFrmCtrl(self):
frmCtrl = ttk.Frame(self.root,width=320)
frmCtrl.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.Y)
frm = ttk.Frame(frmCtrl, width=320)
frm.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)
self.setCtrlButtons(frm)
self.frmAxis = ttk.Frame(frmCtrl)
self.frmAxis.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)
self.addLast(None)
def addLast(self, evt):
title = f"坐标{len(self.als)}"
al = AxisList(self.frmAxis, title, 0, [5,10,20])
al.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)
self.als.append(al)
def deleteLast(self, evt):
self.als[-1].pack_forget()
del self.als[-1]
def setCtrlButtons(self, frm):
ttk.Button(frm, text="绘图",width=5,
command=self.btnDrawImg).pack(side=tk.LEFT)
btn = ttk.Button(frm, text="新增", width=5)
btn.pack(side=tk.LEFT)
btn.bind("<Button-1>", self.addLast)
btn = ttk.Button(frm, text="删除", width=5)
btn.pack(side=tk.LEFT)
btn.bind("<Button-1>", self.deleteLast)
def btnDrawImg(self):
self.fig.clf()
ds = [al.getDatas() for al in self.als]
self.drawPlot(ds)
self.fig.subplots_adjust(left=0.1, right=0.95, top=0.95, bottom=0.08)
self.canvas.draw()
def drawPlot(self, ds):
keys = 'xyz' if 'z' in ds[0] else 'xy'
p = '3d' if 'z' in ds[0] else None
ax = self.fig.add_subplot(projection=p)
for data in ds:
ax.plot(*[data[key] for key in keys])
def setFrmFig(self):
frmFig = ttk.Frame(self.root)
frmFig.pack(side=tk.LEFT,fill=tk.BOTH,expand=tk.YES)
self.fig = Figure()
self.canvas = FigureCanvasTkAgg(self.fig,frmFig)
self.canvas.get_tk_widget().pack(
side=tk.TOP,fill=tk.BOTH,expand=tk.YES)
self.toolbar = NavigationToolbar2Tk(self.canvas,frmFig,
pack_toolbar=False)
self.toolbar.update()
self.toolbar.pack(side=tk.RIGHT)
相比之下，其实只添加了两个功能：
- 【添加】和【删除】坐标系
- 多个坐标轴的绘图函数
对于前者，其通过addLast在最后面新增一个坐标列表，delLast则删除最后一个坐标列表，实现并不复杂。
对于后者，只需遍历所有AxisList并提取数据，然后将所有数据传递给绘图函数进行图像绘制。
至此，需求得以实现，下面演示一下其工作流程
