การสร้าง 2D animation ด้วย Matplotlib

"Animation is a dynamic medium in which images or objects are manipulated to appear as moving images" [1]

การสร้าง 2D Animation เป็นความสามารถอีกด้านหนึ่งของ Matplotlib นอกเหนือจากการสร้างแผนภาพแบบต่าง ๆ 2D Animation ในแบบของ Matplotlib ไม่ได้หมายถึงการสร้างภาพเคลื่อนไหวแบบการสร้างการ์ตูน แต่เป็นการสร้างภาพเคลื่อนไหวเพื่อให้การสื่อสารด้วยแผนภาพนั้นชัดเจนมากขึ้น

ในตอนนี้จะยกตัวอย่างการสร้างภาพเคลื่อนไหวด้วยการเปลี่ยนขนาดของวงกลม โดยมีขั้นตอนดังนี้

สร้าง Python Script

1. นำเข้า Module


from matplotlib import pyplot as plt
from matplotlib import animation

module ที่ต้องใช้คือ pyplot (กำหนดให้ใช้ชื่อ plt เพื่อความสะดวก) และ animation ซึ่งจะช่วยในการวาดภาพทีละเฟรมเพื่อให้มองดูเป็นภาพเคลื่อนไหว

2. สร้างพื้นที่สำหรับวาด


fig = plt.figure()
ax = plt.axes(xlim=(-10, 10), ylim=(-10, 10))
ax.set_aspect('equal')
circle = create_circle()
ax.add_patch(circle)
ax.axis('off')

คำสั่ง fig = plt.figure() คือการบอกให้ pyplot (module ที่นำเข้ามา) สร้างรูป (figure) ขึ้นมา
คำสั่ง ax = plt.axes(xlim=(-10,10), ylim(-10,10)) คือการกำหนดให้แกน X และ Y แสดงจำนวนตั้งแต่ -10 ถึง 10 ซึ่งก็คือการกำหนดขนาดพื้นที่นั่นเอง
คำสั่ง ax.set_aspect('equal') คือการกำหนดให้ขนาดของแกน X และแกน Y มีอัตราส่วนเท่ากัน
circle = create_circle() คือการสร้างวงกลมขึ้นมาแล้วเก็บไว้ตัวแปรชื่อ circle โดยการเรียกใช้ function ชื่อ create_circle()
ax.add_pacth(circle) patch ในที่นี้หมายถึงพื้นที่สี่เหลี่ยมเพื่อใช้ในการวาด การใช้ add_patch() จึงเป็นบอกให้ทราบถึงพื้นที่ที่จะใช้วาดและนำมาแสดง ซึ่งตำแหน่งที่แสดงจะต้องอ้างอิงจากแกน (axe)
ax.axis('off') บอกให้ pyplot ไม่ต้องวาดเส้นแสดงแกน X และ Y ให้เห็นบนหน้าจอ

3. สร้างวงกลมวงและวาดลงบนพื้นที่


def create_circle():
 circle = plt.Circle((0, 0), 0.05)
 return circle

create_circle() เป็น function ที่ทำหน้าที่สร้าง instance ของ Patch หนึ่งซึ่งทำหน้าที่ในการวาดวงกลม [2] สังเกตุว่า function นี้มีการ return object ที่สร้างชึ้นมา

4. ปรับค่ารัศมีวงกลม


def update_radius(i, circle):
 circle.radius = i*0.1
 return circle,

หน้าที่ของ function นี้คือการปรับค่า radius ของวงกลมที่รับเข้ามาในรูปของตัวแปรชื่อ circle ในการปรับค่านั้นจะสัมพันธ์กับค่าของ i ที่รับเข้ามา ค่าของ i นั้นคือค่าตำแหน่งของ frame ภาพที่กำลังจะทำการวาด จากสมการ circle.radius = i*0.1 จะเห็นได้ว่าค่าของ radius ของวงกลมจะใหญ่ขึ้นเมื่อค่าตำแหน่งของ frame มากขึ้น เมื่อปรับค่าของ radius แล้วก็ส่ง object circle คืนออกไป

5. สร้าง Animation


anim = animation.FuncAnimation(
      fig=fig, 
             func=update_radius, 
             fargs=(circle,), 
             frames=30,
             interval=50,
             blit=True)
plt.title('Simple Circle Animation')
plt.show()

ทำได้โดยอาศัย FuncAnimation() จาก animation module[3] parameter ที่กำหนดให้มีดังนี้

fig คือ figure หรือ object ที่ระบุถึงรูปภาพ
func คือ ชื่อ function ที่จะถูกเรียกใช้งานเพื่อวาดภาพในแต่ละเฟรม
fargs คือ parameter ที่จะส่งให้กับ func ซึ่งต้องกำหนดให้อยู่ในรูปแบบของ List (ในกรณีนี้คือ circle)
frames คือ แหล่งข้อมูลที่จะส่งให้กับ func ในกรณีนี้กำหนดให้เป็น integer 30 ซึ่งจะถูกตีความว่าให้ส่งค่าตัวเลขตั้งแต่ 0 - 29 ไปให้ func (ในกรณีนี้คือ i)
interval คือ delay time ระหว่าง frame หน่วยเป็น milliseconds
blit เป็น option ถ้ากำหนดให้เป็น True จะเป็นการระบุให้มีการวาดภาพแบบ optimize ข้อดีคือการเคลื่อนไหวจะดูนุ่นนวล ข้อเสียคือใช้ทรัพยากรเพิ่มขึ้น

Full Script


from matplotlib import pyplot as plt
from matplotlib import animation

def create_circle():
 circle = plt.Circle((0, 0), 0.05)
 return circle

def update_radius(i, circle):
 circle.radius = i*0.1
 return circle,

fig = plt.figure()
ax = plt.axes(xlim=(-10, 10), ylim=(-10, 10))
ax.set_aspect('equal')
circle = create_circle()
ax.add_patch(circle)
ax.axis('off')


anim = animation.FuncAnimation(
  fig=fig, 
                func = update_radius, 
                fargs = (circle,), 
                frames=30, 
                interval=50,
                blit=True)

plt.title('Simple Circle Animation')
plt.show()

ผลที่ได้คือ

ดังที่ได้กล่าวในตอนต้นว่า การสร้าง animation ด้วย matplotlib ก็เพื่อเพิ่มสะดวกในการทำความเข้าใจในการเรียนรู้ด้วยด้วยภาษา Python ในตอนต่อไปจะกล่าวถึงการประยุกต์เพื่อนำไปใช้ในการเรียนเรื่องการเคลื่อนที่ ครับ