Matplotlibのサーフェスプロット#

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この記事では、Matplotlibでサーフェスプロットを出力する方法を解説します。サーフェスプロットでは、複数のデータ点に囲まれた面を描画します。

サーフェスプロットの基本#

plt.subplots()subplot_kwオプションに{'projection': '3d'}という辞書形式データを与えることで、3次元のプロットになります。サーフェスプロットとするには、さらにax.plot_surface()メソッドを使います。

ax.plot_surface()メソッドにはデータ点のx, y, z座標を与えます。以下に例を示します。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.arange(0, 2*np.pi, 0.1)
y = np.arange(0, 4*np.pi, 0.1)
X, Y = np.meshgrid(x, y)
Z = np.sin(X) + np.sin(Y)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 6), subplot_kw={'projection': '3d'})
ax.plot_surface(X, Y, Z)
ax.set_xlabel("x")
ax.set_ylabel("y")
ax.set_zlabel("z")
plt.show()
../_images/02c9cc9e0aab33c25fb4f5369dbda6a59b056bdb3519c1b8cf4b9bfd842d1e56.png

なお、変数X, Y, Zはいずれも同じ大きさの2次元配列となります。

print(X.shape)
print(Y.shape)
print(Z.shape)
(126, 63)
(126, 63)
(126, 63)

ax.plot_surface()メソッドの主なオプションを以下に示します。

引数

説明

rcount, ccount

int

行・列方向の最大サンプル数。データ点数がこれより多い場合、ダウンサンプリングされる(デフォルト値:50)

rstride, cstride

int

ダウンサンプリングするときに飛ばすデータ点数

color

str

面の色

alpha

float

面の透明度

edgecolor

str

枠線の色

cmap

str

面のカラーマップ

vmin, vmax

float

カラーマップ範囲の最小値、最大値

shade

bool

シェーディング(陰影)処理の有無(デフォルト:True

rcountrstrideは片方のみ指定できます。同様に、ccountcstrideも片方のみ指定できます。

データのダウンサンプリング#

rcount, rstride, ccount, cstrideで描画する頂点の数を変更できます。

rcount=10, ccount=10として、描画点数をx, y軸方向にそれぞれ10点とした例を以下に示します。デフォルト値 (50) よりもメッシュが荒くなっていることが分かります。

fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 6), subplot_kw={'projection': '3d'})
ax.plot_surface(X, Y, Z, rcount=10, ccount=10)
ax.set_xlabel("x")
ax.set_ylabel("y")
ax.set_zlabel("z")
plt.show()
../_images/68d60dee982b7327a962f8f0bdf06044d580d503d1cf3cf9d1d6c7203a7c811a.png

面の色#

colorオプションで面の色を指定できます。

fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 6), subplot_kw={'projection': '3d'})
ax.plot_surface(X, Y, Z, color="green")
ax.set_xlabel("x")
ax.set_ylabel("y")
ax.set_zlabel("z")
plt.show()
../_images/ba2337a0a3d6476548cfb21eeb384ca45b004d0f1f9aa0d42c73fa3b144dc02b.png

指定可能な色については以下のページを参照下さい。

Matplotlib 色の書式

面の色の透明度#

面の色の透明度を指定するには、alphaオプションを使用します。0から1の範囲の値を取り、値が小さいほど透明になります(デフォルトは1)。以下にalpha=0.3とした例を示します。

fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 6), subplot_kw={'projection': '3d'})
ax.plot_surface(X, Y, Z, alpha=0.3)
ax.set_xlabel("x")
ax.set_ylabel("y")
ax.set_zlabel("z")
plt.show()
../_images/614dd7bcd2c2f1d23ba279275e462f498246ebd179b948de935cbd42dc3d1ef3.png

枠線の色#

枠線の色をedgecolorオプションで指定できます。

fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 6), subplot_kw={'projection': '3d'})
ax.plot_surface(X, Y, Z, edgecolor="black")
ax.set_xlabel("x")
ax.set_ylabel("y")
ax.set_zlabel("z")
plt.show()
../_images/f28d6e1cb0301b4269f55cbbdad0d2923d52f2937bee491427e61a44409423cb.png

カラーマップ#

cmapオプションで面のカラーマップを指定できます。z軸の値に応じて面の色が変化します。

fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 6), subplot_kw={'projection': '3d'})
ax.plot_surface(X, Y, Z, cmap="Blues")
ax.set_xlabel("x")
ax.set_ylabel("y")
ax.set_zlabel("z")
plt.show()
../_images/43b03163ad50c920942225899a830f05c0e16c7dc3d551b73348e858f07a56a8.png

指定可能なカラーマップについては以下のページを参照下さい。

Matplotlibのカラーマップ

カラーバーを表示する場合、plt.colorbarを使用します。ax.pcolorの戻り値はPolyCollectionというクラスのオブジェクトです。これをplt.colorbarの最初の引数とします。また、axオプションにカラーバーを表示するグラフ(ここではax)を指定します。

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 5), subplot_kw={'projection': '3d'})
mappable = ax.plot_surface(X, Y, Z, cmap="Blues")
plt.colorbar(mappable, ax=ax)
ax.set_xlabel("x")
ax.set_ylabel("y")
ax.set_zlabel("z")
fig.tight_layout()
plt.show()
../_images/4582273c10a795d5fcea1d0e028dbaa13a63d2d85c674b633c5117c50e606d52.png

表示するカラーマップの範囲を固定したい場合、最小値と最大値をそれぞれvmin, vmaxで指定します。

カラーバーにラベルを付ける場合、plt.colorbarの戻り値を取得(以下ではcbarとしています)し、この戻り値のset_labelメソッドを使用します。

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 5), subplot_kw={'projection': '3d'})
mappable = ax.plot_surface(X, Y, Z, cmap="Blues")
cbar = plt.colorbar(mappable, ax=ax)
cbar.set_label('Value')
ax.set_xlabel("x")
ax.set_ylabel("y")
ax.set_zlabel("z")
fig.tight_layout()
plt.show()
../_images/a599d89a530ac192dd5d7c98a204891b52db197114c3428fc9a8743e3ccdf6aa.png

シェーディング(陰影)#

ax.plot_surface()メソッドのshadeオプションでシェーディング(陰影)処理を行うか指定できます。True(デフォルト)の場合はシェーディング処理を行います。なお、cmapオプションでカラーマップを指定した場合、shade=Falseとなります。

fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 6), subplot_kw={'projection': '3d'})
ax.plot_surface(X, Y, Z, shade=True)
ax.set_xlabel("x")
ax.set_ylabel("y")
ax.set_zlabel("z")
ax.set_title("shade=True")
plt.show()

fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 6), subplot_kw={'projection': '3d'})
ax.plot_surface(X, Y, Z, shade=False)
ax.set_xlabel("x")
ax.set_ylabel("y")
ax.set_zlabel("z")
ax.set_title("shade=False")
plt.show()
../_images/f557e8dafe4dfba807a06497802d263d7537a508a55fb522b12df6c324026872.png ../_images/17c18110e7fbcaf39199526f06ab65bcb75806f6404ba1b3e5ddc852df7e7162.png