2021-02-06 Python通过matplotlib包和gif包生成gif动画

谁践踏了优雅 2022-10-28 13:29 147阅读 0赞

## Python通过matplotlib包和gif包生成gif动画 ##

使用`matplotlib`生成gif动画的方法有很多，一般常规使用`matplotlib`的`animation`模块的`FuncAnimation`函数实现。在`matplotlib`官网看到了第三方动画包`gif`的介绍。

## `gif`包概述 ##

`gif`包是支持 `Altair`, `matplotlib`和`Plotly`的动画扩展。  
`gif`依赖`PIL`，即`pillow`，要求`Pillow>=7.1.2`。  
安装`gif`包，`pip install gif`

## 动画原理 ##

所有`动画`都是由`帧（frame）`构成的，一帧就是一幅静止的画面，连续的帧就形成动画。我们通常说帧数，简单地说，就是在1秒钟时间里传输的图片的帧数，也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次，通常用`fps（Frames Per Second）`表示。制作动画的关键：如何生成帧，每秒多少帧。

## `gif`包解读 ##

`gif`包非常简洁，只有一个单独的文件`gif.py`，文件主要包含`options`类、`frames`和`save`两个函数。

### `options`类 ###

提供精简版 的`Altair`, `matplotlib`和`Plotly`的保存或输出设置。以`matplotlib`为例，提供以下设置。

*  dpi (int): The resolution in dots per inch
 *  facecolor (colorspec): The facecolor of the figure
 *  edgecolor (colorspec): The edgecolor of the figure
 *  transparent (bool): If True, the axes patches will all be transparent

设置方法：`gif.options.matplotlib["dpi"] = 300`  
原理：`options`在构造函数中创建`matplotlib`字典保存配置，随后传递给底层的`matplotlib`包。

### `frames`函数 ###

装饰器函数，通过对应包编写自定义绘图函数生成单帧图像。

### `save`函数 ###

根据帧序列生成动画。

def save(frames, path, duration=100, unit="milliseconds", between="frames", loop=True):    """Save decorated frames to an animated gif.    - frames (list): collection of frames built with the gif.frame decorator    - path (str): filename with relative/absolute path    - duration (int/float): time (with reference to unit and between)    - unit {"ms" or "milliseconds", "s" or "seconds"}: time unit value    - between {"frames", "startend"}: duration between "frames" or the entire gif ("startend")    - loop (bool): infinitely loop the animation

`frames`即根据`@gif.frame`装饰的绘图函数生成的帧的序列，此处根据需要自定义。  
`duration`即持续时间，由单位`unit`和模式`between`决定，默认为`frames`为帧间的时间间隔。  
`unit`即持续时间单位，支持毫秒和秒，默认为毫秒。  
`between`即持续时间计算模式，默认`frames`即`duration`为帧之间的时间间隔，`startend`模式时`duration=duration /len(frames)`，即`duration`为所有帧—整个动画的持续时间。

## `gif`包生成gif动画实践 ##

import randomfrom matplotlib import pyplot as pltimport gif
    # 构造数据x = [random.randint(0, 100) for _ in range(100)]y = [random.randint(0, 100) for _ in range(100)]# 设置选项gif.options.matplotlib["dpi"] = 300
    
    # 使用gif.frame装饰器构造绘图函数，即如何生成静态的帧@gif.framedef plot(i):    xi = x[i * 10:(i + 1) * 10]    yi = y[i * 10:(i + 1) * 10]    plt.scatter(xi, yi)    plt.xlim((0, 100))    plt.ylim((0, 100))
    
    # 构造帧序列frames，即把生成动画的所有帧按顺序放在列表中frames = []for i in range(10):    frame = plot(i)    frames.append(frame)# 根据帧序列frames,动画持续时间duration，生成gif动画gif.save(frames, 'example.gif', duration=3.5, unit="s", between="startend")

![图片][1f55c1ae82687ca0125af1456b90ddae.gif]

## 以心形曲线为例比较`gif`包和`animation`模块实现动画的差异 ##

心形曲线绘制

from matplotlib import pyplot as pltimport numpy as np
    t = np.linspace(0, 6, 100)x = 16 * np.sin(t) ** 3y = 13 * np.cos(t) - 5 * np.cos(2 * t) - 2 * np.cos(3 * t) - np.cos(4 * t)fig = plt.figure(figsize=(5, 3), dpi=100)plt.scatter(x, y)plt.show()

![图片][bc4d6b9473b9a05174459ca2a6a627ae.png]

### `gif`包的实现方式 ###

import numpy as npimport giffrom matplotlib import pyplot as plt
    t = np.linspace(0, 6, 100)x = 16 * np.sin(t) ** 3y = 13 * np.cos(t) - 5 * np.cos(2 * t) - 2 * np.cos(3 * t) - np.cos(4 * t)
    @gif.framedef plot_love(x, y):    plt.figure(figsize=(5, 3), dpi=100)    plt.scatter(x, y, 60, c="r", alpha=0.7, marker=r"$\heartsuit$")    plt.axis("off")    frames = []for i in range(1, len(x)):    of = plot_love(x[:i], y[:i])    frames.append(of)
    gif.save(frames, "love.gif", duration=80)

![图片][be876bc45ca81a5f5eaa8075680cb7c1.gif]

### `matplotlib` 常规`FuncAnimation`函数实现方式 ###

from matplotlib import pyplot as pltimport matplotlib.animation as animationimport numpy as np
    t = np.linspace(0, 6, 100)x = 16 * np.sin(t) ** 3y = 13 * np.cos(t) - 5 * np.cos(2 * t) - 2 * np.cos(3 * t) - np.cos(4 * t)data=[i for i in zip(x,y)]
    def plot_love(data):    x, y = data    plt.scatter(x, y, 60, c="r", alpha=0.7, marker=r"$\heartsuit$")
    fig=plt.figure(figsize=(5, 3), dpi=100)plt.axis("off")animator = animation.FuncAnimation(fig, plot_love, frames=data, interval=80)animator.save("love.gif", writer='pillow')

### `matplotlib`底层`PillowWriter`类实现方式 ###

from matplotlib import pyplot as pltimport matplotlib.animation as animationimport numpy as np
    t = np.linspace(0, 6, 100)x = 16 * np.sin(t) ** 3y = 13 * np.cos(t) - 5 * np.cos(2 * t) - 2 * np.cos(3 * t) - np.cos(4 * t)
    
    def plot_love(x, y):    plt.scatter(x, y, 60, c="r", alpha=0.7, marker=r"$\heartsuit$")
    
    fig = plt.figure(figsize=(5, 3), dpi=100)plt.axis("off")
    writer = animation.PillowWriter(fps=15)with writer.saving(fig, "love21.gif", dpi=100):    for i in range(1, len(x)):        plot_love(x[i], y[i])        writer.grab_frame()

### 通过比较可知`gif`包的实现方式和`matplotlib`中利用`PillowWriter`实现方式类似，更偏底层一些，这样遇到比较复杂的绘图时更灵活。 ###

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[1f55c1ae82687ca0125af1456b90ddae.gif]: /images/20221024/de8ce0d9e6294479b6f88b0ba48bcfed.png
[bc4d6b9473b9a05174459ca2a6a627ae.png]: /images/20221024/71b967980d7b46519f67a5dd3006f60d.png
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