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一文带你学会如何利用Python实现一个三维绘图系统

作者：微小冷

tkinter是Python标准库中自带的GUI工具,使用十分方便,所以本文旨在带大家学会如何将matplotlib嵌入到tkinter中并绘制三维绘图系统,感兴趣的可以了解下

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()

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

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

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

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

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

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()

以上就是一文带你学会如何利用Python实现一个三维绘图系统的详细内容，更多关于Python三维绘图的资料请关注脚本之家其它相关文章！

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