从0开始实现一个三维绘图系统

文章目录

    • 将图像嵌入tkinter
    • 简单的绘图系统
    • 导入数据
    • 三维绘图
    • 源代码

将图像嵌入tkinter

tkinter是Python标准库中自带的GUI工具,使用十分方便,如能将matplotlib嵌入到tkinter中,就可以做出相对专业的数据展示系统,很有竞争力。

在具体实现之前,可以先看一下典型的matplotlib窗口

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

plt.plot(np.arange(100))
plt.show()

在这里插入图片描述

这个图由两部分构成,分别是上面用于绘图的FigureCanvasTkAgg画布,以及下方的工具栏NavigationToolbar2Tk,这两个模块在地位上和tkinter中的组件是等同的。

除此之外,绘图窗口Figure也是一个独立部件,故而将matplotlib嵌入到tkinter中,最少需要用到下面这些模块

import tkinter as tk
import tkinter.ttk as ttk

import matplotlib as mpl
mpl.use('TkAgg')        # 启用tkinter渲染matplotlib,从而可以嵌入到tkinter中
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.backends.backend_tkagg import (
    FigureCanvasTkAgg, NavigationToolbar2Tk)
from matplotlib.figure import Figure

接下来可以创建一个窗口,来演示一下matplotlib嵌入tkinter中的过程,首先创建一个窗口,并为其添加两个Frame,右边用于添加组件,左边用于嵌入图像,代码如下

root = tk.Tk()
root.title("数据展示工具")
frmCtrl = ttk.Frame(root, width=200)
frmCtrl.pack(side=tk.RIGHT)

frmFigure = ttk.Frame(root)
frmFigure.pack(side=tk.LEFT, fill=tk.BOTH, expand=tk.YES)

嵌入图像的部分又分为画布和工具栏,为了便于演示,下面先在绘图窗口中画一条直线,并将其导入画布,然后将画布放置到frmFigure上。至于工具栏,在关联画布和Frame之后需要更新一下,整体代码如下

fig = Figure()
ax = fig.add_subplot()
ax.plot(np.arange(100))

canvas = FigureCanvasTkAgg(fig,frmFigure)
canvas.get_tk_widget().pack(
    side=tk.TOP,fill=tk.BOTH,expand=tk.YES)
toolbar = NavigationToolbar2Tk(canvas,frmFigure,
    pack_toolbar=False)
toolbar.update()
toolbar.pack(side=tk.RIGHT)

至此,就已经完成了图像的嵌入工作,最后调用mainloop,让窗口一直显示

root.mainloop() 

结果如下

在这里插入图片描述

简单的绘图系统

在理解matplotlib嵌入到tkinter中的原理之后,就已经具备了打造绘图系统的技术基础,接下来要做的,就是做一个较有可读性的绘图类,其实就是把前面的代码封装到class里而已,代码如下

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

class DarwSystem():
    def __init__(self):
        self.root = tk.Tk()
        self.root.title("数据展示工具")

        frmCtrl = ttk.Frame(self.root,width=320)
        frmCtrl.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.Y)
        self.setFrmCtrl(frmCtrl)

        frmFig = ttk.Frame(self.root)
        frmFig.pack(side=tk.LEFT,fill=tk.BOTH,expand=tk.YES)
        self.setFrmFig(frmFig)

        self.root.mainloop()
    
    def setFrmCtrl(self, frmCtrl):
        pass

    def setFrmFig(self, frmFig):
        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)

其中,setFrmCtrl用于设置控制面板,后续会实现诸多功能;setFrmFig用于设置绘图界面,其中self.fig就是绘图窗口,后续若要画图,都要在这里设置坐标轴。

最简单的绘图系统,也至少需要三个部件,分别用于输入x值、y值以及点击绘图按钮,由于x,y都是绘图坐标,在控件形式上也高度雷同,从而setFrmCtrl函数可以先写为下面的形式

def setFrmCtrl(self, frmCtrl):
    frm = ttk.Frame(frmCtrl)
    frm.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)
    self.setCtrlButtons(frm)

    self.data = {}
    self.entrys = {}
    for flag in 'xy':
        frm = ttk.Frame(frmCtrl)
        frm.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)
        self.setFrmAxis(frm, flag)

第一个frm用于存放控制按钮;self.data用于存放坐标值,self.entrys中用于存放坐标的输入框,后面的循环为具体的布局过程。

setCtrlButtons是具体的控制按钮的布局函数,而setFrmAxis为坐标轴的布局函数,定义如下

def setFrmAxis(self, frm, flag):
    tk.Label(frm, text=flag).pack(side=tk.LEFT)
    self.entrys[flag] = tk.Entry(frm)
    self.entrys[flag].pack(side=tk.LEFT, fill=tk.X)   


def setCtrlButtons(self, frm):
    tk.Button(frm, text="绘图",width=5,
        command=self.btnDrawImg).pack(side=tk.LEFT)

# 绘图函数
def btnDrawImg(self):
    pass

其中btnDrawImg是绘图函数,简单起见,这里用eval函数直接读取python表达式,同时为了让不熟悉Python的人也可以顺利生成x序列,将np.linspace隐去。则x和y的读取过程可写为

def btnDrawImg(self):
    x = eval(f"np.linspace({self.entrys['x'].get()})")
    self.data['y'] = eval(self.entrys['y'].get())
    self.data['x'] = x
    self.drawPlot()

self.drawPlot就是核心的绘图函数,主要流程与命令行调用plt如出一辙,首先创建一个坐标轴,然后在坐标轴上绘图,区别是最后需要调用self.canvas中的引擎来完成图像绘制

def drawPlot(self):
    self.fig.clf()
    ax = self.fig.add_subplot()
    ax.plot(self.data['x'], self.data['y'])
    self.fig.subplots_adjust(left=0.1, right=0.95, top=0.95, bottom=0.08)
    self.canvas.draw()

结果如下

在这里插入图片描述

导入数据

单纯从作图的角度来说,更多情况是已经有了一组数据,然后需要将其绘制。这组数据可能是txt格式的,也可能是csv格式的,还可能是二进制数据。当然,这些一会儿在想,首先就是要添加一个按钮,将setCtrlButtons函数添加一行:

def setCtrlButtons(self, frm):
    ttk.Button(frm, text="绘图",width=5,
        command=self.btnDrawImg).pack(side=tk.LEFT)
    ttk.Button(frm, text="加载",width=5,
        command=self.btnLoadData).pack(side=tk.LEFT)

然后就可以考虑self.btnLoadData函数了。简洁起见,以后将不再具体展示setCtrlButtons的具体代码,而只是写出新增的代码。

加载数据,其实就是加载文件,那么就需要用到文件对话框

from tkinter.filedialog import askopenfile

self.btnLoadData函数,如果只是想实现一个最简单的功能,那么可以写为

def btnLoadData(self):
    name = askopenfilename()
    data = np.genfromtxt(name)
    if data.shape[1] < 2:
        return
    self.data['x'] = data[:,0]
    self.data['y'] = data[:,1]
    self.drawPlot()

效果如下

在这里插入图片描述

现在,我们有了两种数据生成模式,一是用语法生成,二是通过加载得到。但目前二者并不兼容。为此,可以为x和y的输入框添加一个标识,比如当x或者y的输入框中是data的时候,再点击绘图,就可以选中加载后的数据。

由于tkinter中输入Entry内容比较繁琐,所以封装一个全局的函数专门用于更改Entry内容

def setEntry(e, text):
    e.delete(0, "end")
    e.insert(0, text)

接下来,将加载数据函数和绘图函数分别改写为

def btnLoadData(self):
    name = askopenfilename()
    data = np.genfromtxt(name)
    if data.shape[1] < 2:
        return
    for i,key in enumerate('xy'):
        self.data[key] = data[:,i]
        setEntry(self.entrys[key], 'data')

def btnDrawImg(self):
    xLab = self.entrys['x'].get()
    if xLab != "data":
        x = eval(f"np.linspace({xLab})")
        self.data['x'] = x
    else:
        x = self.data['x']
    yLab = self.entrys['y'].get()
    if yLab != "data":
        self.data['y'] = eval(yLab)
    self.drawPlot()

在btnLoadData函数中,取消了绘图功能,而是在导入数据后,将x和y的输入框设置为"data"。

而绘图函数中,检测x和y输入框的内容,如果是data,那么说明已经读取到了相关数据,就直接调用,而非重新生成。

效果如下

在这里插入图片描述

三维绘图

三维绘图需要一个新的坐标变z,由于此前在设置x和y的时候,用到了self.entrys来存放坐标,所以更改起来十分便捷,只需在setFrmCtrl的循环中加一个’z’就可以了

def setFrmCtrl(self, frmCtrl):
    # 前面不用管,后面也不用管,只要把in 'xy'改为 'xyz'
    for flag in 'xyz':
        # 里面也不用管

相应地,加载数据的函数也略作修改

def btnLoadData(self):
    # 前面不用动,后面也不用动,只要把'xy'换成'xyz'
    for i,key in enumerate('xyz'):
        # 后面不用动

但随着z轴的出现,y轴也有可能是自变量,考虑到x和y都有可能用类似1,1,5的形式生成,所以先做一个检测数组的全局函数

def detectArray(s):
    return s.rstrip('0123456789:, ')==''

然后新建readEntrys函数以读取输入框,考虑到在函数表达式中,用x和y指代self.data[‘x’]和selfdata[‘y’],所以需要新建局部变量x和y,以确保eval函数的正常使用。

def readEntrys(self):
    for flag in 'xyz':
        label = self.entrys[flag].get()
        if label=="":
                continue
        if label != 'data':
            if detectArray(label):
                label = f"np.linspace({label})"
            self.data[flag] = eval(self.entrys[flag].get())
        if flag =='x' : x = self.data['x']
        elif flag =='y' : y = self.data['y']        
    
    if self.entrys['z'].get()=="":
        del self.data['z']

最后,就是绘图功能的实现,由于有了readEntrys函数,从而btnDrawImg函数变得更加专注,只需复制调用专门的绘图函数就可以了。三维绘图函数和二维绘图函数其实没什么区别,只要绘制的还是plot图,区别只是多加了一个z轴坐标而已。

def btnDrawImg(self):
    self.readEntrys()
    self.fig.clf()
    if 'z' in self.data: 
        self.drawPlot3D()
    else:
        self.drawPlot()
    self.fig.subplots_adjust(left=0.1, right=0.95, top=0.95, bottom=0.08)
    self.canvas.draw()

def drawPlot(self):
    self.fig.clf()
    ax = self.fig.add_subplot()
    ax.plot(self.data['x'], self.data['y'])

def drawPlot3D(self):
    ax = self.fig.add_subplot(projection='3d')
    ax.plot(self.data['x'], self.data['y'], self.data['z'])

效果如下

在这里插入图片描述

源代码

本文是在这四篇博客的基础之上,做适当精简而总结的:将matplotlib嵌入到tkinter 📈简单的绘图系统 📈数据导入📈三维绘图系统

其基本思路是,以第四篇博客的源代码为基准,优化这个代码的设计过程,使之更易于学习,所以源代码并没有发生变化。

import tkinter as tk
import tkinter.ttk as ttk
from tkinter.filedialog import askopenfilename

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

def setEntry(e, text):
    e.delete(0, "end")
    e.insert(0, text)

def detectArray(s):
    return s.rstrip('0123456789:, ')==''

class DarwSystem():
    def __init__(self):
        self.root = tk.Tk()
        self.root.title("数据展示工具")

        self.data = {}

        frmCtrl = ttk.Frame(self.root,width=320)
        frmCtrl.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.Y)
        self.setFrmCtrl(frmCtrl)

        frmFig = ttk.Frame(self.root)
        frmFig.pack(side=tk.LEFT,fill=tk.BOTH,expand=tk.YES)
        self.setFrmFig(frmFig)
        
        self.root.mainloop()
    
    def setFrmCtrl(self, frmCtrl):
        frm = ttk.Frame(frmCtrl, width=320)
        frm.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)
        self.setCtrlButtons(frm)

        self.entrys = {}
        for flag in 'xyz':
            frm = ttk.Frame(frmCtrl)
            frm.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)
            self.setFrmAxis(frm, flag)

    def setFrmAxis(self, frm, flag):
        tk.Label(frm, text=flag).pack(side=tk.LEFT)
        self.entrys[flag] = tk.Entry(frm)
        self.entrys[flag].pack(side=tk.LEFT, fill=tk.X)    

    def setCtrlButtons(self, frm):
        ttk.Button(frm, text="绘图",width=5,
            command=self.btnDrawImg).pack(side=tk.LEFT)
        ttk.Button(frm, text="加载",width=5,
            command=self.btnLoadData).pack(side=tk.LEFT)

    def btnLoadData(self):
        name = askopenfilename()
        data = np.genfromtxt(name)
        for i, flag in enumerate('xyz'):
            if i >= data.shape[1]:
                return
            self.data[flag] = data[:,i]
            setEntry(self.entrys[flag], 'data')
    
    def readEntrys(self):
        for flag in 'xyz':
            label = self.entrys[flag].get()
            if label=="":
                continue
            if label != 'data':
                if detectArray(label):
                    label = f"np.linspace({label})"
                self.data[flag] = eval(self.entrys[flag].get())
            if flag =='x' : x = self.data['x']
            elif flag =='y' : y = self.data['y']        
        
        if self.entrys['z'].get()=="":
            del self.data['z']

    def btnDrawImg(self):
        self.readEntrys()
        self.fig.clf()
        if 'z' in self.data:
            self.drawPlot3D()
        else:
            self.drawPlot()
        self.fig.subplots_adjust(left=0.1, right=0.95, top=0.95, bottom=0.08)
        self.canvas.draw()
        
    def drawPlot3D(self):
        ax = self.fig.add_subplot(projection='3d')
        ax.plot(self.data['x'], self.data['y'], self.data['z'])

    def drawPlot(self):
        ax = self.fig.add_subplot()
        ax.plot(self.data['x'], self.data['y'])

    def setFrmFig(self, frmFig):
        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)

if __name__ == "__main__":
    test = DarwSystem()

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