科学计算和可视化

Posted 2021-10-23 z2273533704

 

Numpy与Matplotlib

Numpy

numpy支持大量的维度数组和矩阵运算，对数组运算提供了大量的数学函数库！

numpy比Python列表更具优势，其中一个优势便是速度。在对大型数组执行操作时，numpy的速度比Python列表的速度快了好几百。因为numpy数组本身能节省内存，并且numpy在执行算术、统计和线性代数运算时采用了优化算法。

numpy的另一个强大功能是具有可以表示向量和矩阵的多维数组数据结构。numpy对矩阵运算进行了优化，使我们能够高效地执行线性代数运算，使其非常适合解决机器学习问题。

与Python列表相比，numpy具有的另一个强大优势是具有大量优化的内置数学函数。这些函数使你能够非常快速地进行各种复杂的数学计算，并且用到很少代码（无需使用复杂的循环），使程序更容易读懂和理解。

1、简单创建数组

a = [1, 2, 3]
b = np.array(a)
c = np.array([[0, 1, 2, 10],
              [12, 13, 100, 101],
              [102, 110, 112, 113]], int)
print(c)
print(b)

2、创建随机数组

array_rand = np.random.rand(10, 10, 4)
print(array_rand)
print(array_rand.ndim)

 3、数组的复制

after_array = array_normal[:3, 2:4].copy()
copy_array = np.copy(array_normal[:, 2:4])

4、数组运算

# 循环数组行和列，每一个数值都加5
score[:, :] = score[:, :]+5
print(score)
# 循环数组行和列，每一个数值都减5
score[:, :] = score[:, :]-5
print(score)
# 循环数组行和列，每一个数值都乘以5
score[:, :] = score[:, :]*5
print(score)
# 循环数组行和列，每一个数值都除以5
score[:, :] = score[:, :]/5
print(score)
# 循环数组行和列，每一个数值除以5取整
score[:, :] = score[:, :] // 5
print(score)
# 循环数组行和列，每一个数值除以5取模
score[:, :] = score[:, :] % 5
print(score)

二、Matplotlib

Matplotlib 是Python中类似 MATLAB 的绘图工具，熟悉 MATLAB 也可以很快的上手 Matplotlib。

1、matplotlib图标正常显示中文

import matplotlib.pyplot as plt
plt.rcParams[‘font.sas-serig‘]=[‘SimHei‘] #用来正常显示中文标签
plt.rcParams[‘axes.unicode_minus‘]=False #用来正常显示负号

2、为项目设置matplotlib参数

配置文件包括以下配置项

axex: 设置坐标轴边界和表面的颜色、坐标刻度值大小和网格的显示
backend: 设置目标暑促TkAgg和GTKAgg
figure: 控制dpi、边界颜色、图形大小、和子区( subplot)设置
font: 字体集（font family）、字体大小和样式设置
grid: 设置网格颜色和线性
legend: 设置图例和其中的文本的显示
line: 设置线条（颜色、线型、宽度等）和标记
patch: 是填充2D空间的图形对象，如多边形和圆。控制线宽、颜色和抗锯齿设置等。
savefig: 可以对保存的图形进行单独设置。例如，设置渲染的文件的背景为白色。
verbose: 设置matplotlib在执行期间信息输出，如silent、helpful、debug和debug-annoying。
xticks和yticks: 为x,y轴的主刻度和次刻度设置颜色、大小、方向，以及标签大小。

3、颜色

可以通过调用matplotlib.pyplot.colors()得到matplotlib支持的所有颜色。

 

别名	颜色	别名	颜色
b	蓝色	g	绿色
r	红色	y	黄色
c	青色	k	黑色
m	洋红色	w	白色

三、雷达图

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib
matplotlib.rcParams[‘font.family‘]=‘SimHei‘#方便中文能够显示出来
matplotlib.rcParams[‘font.sans-serif‘]=[‘SimHei‘]
labels=np.array([‘第一次作业‘,‘第二次作业‘,‘第三次作业‘,‘第四次作业‘,‘第五次作业‘,‘第六次作业‘])#标签名
nAttr=6#雷达图中六边形边数
data = np.array([5,10,9,10,10,7])#雷达图中标签的数据值
angles = np.linspace(0,2*np.pi,nAttr,endpoint=False)#一哥标签点到另一个标签点画笔所需旋转的角度值，取决于nAttr的大小
data = np.concatenate((data,[data[0]]))
angles = np.concatenate((angles,[angles[0]]))
fig = plt.figure(facecolor="white" )
plt.subplot(111,polar=True)
plt.plot(angles,data,‘bo-‘,color=‘g‘,linewidth=2)#画出雷达图中不规则的六边形
plt.fill(angles,data,facecolor=‘g‘,alpha=0.25)#填充半透明颜色，即不规则的六边形颜色
plt.thetagrids(angles*180/np.pi,labels)#为雷达图设置标签，就是labels里的文字
plt.figtext(0.52,0.95,‘em对的——成绩表‘,ha=‘center‘)#命名雷达图的名字
plt.grid(True)
plt.savefig(‘作业成绩雷达图.JPG‘)#保存雷达图的图片
plt.show()

效果如下图所示

 

 四、手绘图效果

 

from PIL import Image
import numpy as np
vec_el = np.pi/3.3# 光源的俯视角度，弧度值
vec_az = np.pi/9#光源的方位角度，弧度值
depth = 5#（0-100）值越大，整体画面灰度值较深，有近似浮雕的效果；值越小，背景区域接近白色
im = Image.open(‘Wade.png‘).convert(‘L‘)
a = np.asarray(im).astype(‘float‘)
grad = np.gradient(a)#取图像灰度的梯度值
grad_x,grad_y = grad#分别取横纵图像梯度值
grad_x = grad_x+depth/100.
gred_y = grad_y+depth/100.
dx = np.cos(vec_el)*np.cos(vec_az)#光源对x轴的影响
dy = np.cos(vec_el)*np.cos(vec_az)#光源对y轴的影响
dz = np.sin(vec_el)               #光源对z轴的影响
A = np.sqrt(grad_x**2+grad_y**2+1.)
uni_x = grad_x/A
uni_y = grad_y/A
uni_z = 1./A
a2 = 255*(dx*uni_x+dy*uni_y+dz*uni_z)#光源归一化
a2 = a2.clip(0,255)#预防溢出0~255这个区间
im2 = Image.fromarray(a2.astype(‘uint8‘))#重构图像
im2.save(‘Wade6.png‘)

效果图：