使用 Matplotlib 在 Python 中为 Langdon 的蚂蚁制作动画

Question

在 Project Euler 上做一些问题时，我遇到了Langdon's Ant，并认为尝试用 Python 编写动画是一个好主意。作为基础，我去使用了matplotlib函数动画，一个很好的例子可以看这篇帖子here

我已经设法让一个版本正常工作，代码如下所示。这个想法是用一个大矩阵模拟蚂蚁移动的黑白网格，并用“imshow”绘制该矩阵。

import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
from matplotlib import animation

# Initialize the Simulation

dim=50
a=np.matrix(np.zeros((dim,dim)))
pos=np.matrix([[dim//2],[dim//2]]) # current position of ant
direction=np.matrix([[1],[0]])  # direction ant is currently moving

#Rotation Matrices 
clock=np.matrix([[0,1],[-1,0]])
counter=np.matrix([[0,-1],[1,0]])

def takestep(a,pos,direction):
    pos[:]=pos+direction       
    if a[pos[0,0],pos[1,0]]==0: #landed on white
        a[pos[0,0],pos[1,0]]=1
        direction[:]=clock*direction
    else:        
        a[pos[0,0],pos[1,0]]=0
        direction[:]=counter*direction

#Plotting    
fig = plt.figure()        
im=plt.imshow(a,interpolation='none')  

def init():
    im=plt.imshow(a,interpolation='none')
    return [im]

def animate(i):
    takestep(a,pos,direction)
    im=plt.imshow(a,interpolation='none')
    #im.set_data(np.array(a))        
    return [im]


anim = animation.FuncAnimation(fig, animate, init_func=init,
                               frames=200, interval=0, blit=True)

这段代码可以正常工作，但我不清楚：

• 动画连续运行（直到蚂蚁出界）并且 200 帧后不重置

• 即使间隔设置为 0，动画运行也很慢，大约每秒更新两次

• 我想我可以通过使用 im.set_data() 函数（在代码中注释掉）来加速它，但在我的实现中这不起作用（不变的可视化）

如果有人能给我一些关于如何改进这个动画的建议，那就太好了，在此先感谢！

最好的问候， 拉斐尔

Answer 1

以下是如何使用im.set_data 来提高帧/秒。

import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
from matplotlib import animation

# Initialize the Simulation

dim = 50
a = np.matrix(np.zeros((dim, dim)))
pos = np.matrix([[dim // 2], [dim // 2]])  # current position of ant
direction = np.matrix([[1], [0]])  # direction ant is currently moving

# Rotation Matrices
clock = np.matrix([[0, 1], [-1, 0]])
counter = np.matrix([[0, -1], [1, 0]])


def takestep(a, pos, direction):
    pos[:] = pos + direction
    if a[pos[0, 0], pos[1, 0]] == 0:  # landed on white
        a[pos[0, 0], pos[1, 0]] = 1
        direction[:] = clock * direction
    else:
        a[pos[0, 0], pos[1, 0]] = 0
        direction[:] = counter * direction

fig = plt.figure()
im = plt.imshow(a, interpolation='none', vmin=0, vmax=1)

def animate(i):
    takestep(a, pos, direction)
    im.set_data(a)
    return [im]


anim = animation.FuncAnimation(fig, animate,
                               frames=200, interval=0, blit=True,
                               repeat=False)
plt.show()

---

• 使用repeat=False 在 200 帧后停止动画。
• 在初始调用中将vmin=0, vmax=1 设置为imshow。对plt.imshow 的初始调用设置了vmin 和vmax，它们控制着值和颜色之间的对应关系。该设置用于 imshow AxesImage 的所有后续渲染。由于初始 plt.imshow 使用全零数据，vmin 和 vmax 都设置为 0（初始数据的最小值和最大值）。这使得 all 值显示为相同的颜色。因此，要阻止这种情况发生，请自行提供 vmin 和 vmax。