Python通过matplotlib包和gif包生成gif动画

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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 random
from matplotlib import pyplot as plt
import 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.frame
def 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")

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 plt
import numpy as np


t = np.linspace(0, 6, 100)
x = 16 * np.sin(t) ** 3
y = 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()

​​gif​​包的实现方式

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


t = np.linspace(0, 6, 100)
x = 16 * np.sin(t) ** 3
y = 13 * np.cos(t) - 5 * np.cos(2 * t) - 2 * np.cos(3 * t) - np.cos(4 * t)


@gif.frame
def 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", duratinotallow=80)

​​matplotlib​​ 常规​​FuncAnimation​​函数实现方式

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


t = np.linspace(0, 6, 100)
x = 16 * np.sin(t) ** 3
y = 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 plt
import matplotlib.animation as animation
import numpy as np


t = np.linspace(0, 6, 100)
x = 16 * np.sin(t) ** 3
y = 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。