Pythonでグラフ（Matplotlib）を表示して動的に変更する

PythonのmatplotlibのグラフをtkinterのGUIに表示して、そのグラフをプログラムの側から動的に変更してみます。具体的にはスライダーで数式のパラメーターを変更して、その結果をグラフにリアルタイムに反映させます。

tkinterとmatplotlib

もともとmatplotlibのpyplotでグラフを表示させると、自動的にtkinterを使ってグラフが表示されるそうです。

ということで、matplotlibの側にいろいろとヘルパーになるものがあるようです。

具体的には、matplotlibのFigureCanvasTkAggというクラスをグラフのキャンバスとして、同じくmatplotlibのNavigationToolbar2Tkというクラスを操作ボタンとして、tkinterのウィジェットのように扱ってグラフを表示します。

コードを見た方が早いかもしれませんね。

グラフを表示するキャンバスと、そのキャンバスを操作するボタン類と、グラフを構成する数式のパラメーターを操作するスライダーを持つアプリを作ってみました。表示するグラフはリサジュー図形で、x軸とy軸のそれぞれの入力にかける係数をパラメーターとして操作してみます。

import tkinter as tk
from matplotlib.backends.backend_tkagg import FigureCanvasTkAgg, NavigationToolbar2Tk
from matplotlib.figure import Figure
import numpy as np

class Application(tk.Frame):
    def __init__(self, master=None):
        super().__init__(master)
        self.master = master
        self.master.title('Matplotlib in tkinter')
        self.pack()
        self.create_widgets()
        self.start_up()
        self.draw_plot()

    def create_widgets(self):
        self.canvas_frame = tk.Frame(self.master)
        self.canvas_frame.pack(side=tk.LEFT)
        self.control_frame = tk.Frame(self.master)
        self.control_frame.pack(side=tk.RIGHT)

        self.canvas = FigureCanvasTkAgg(fig, self.canvas_frame)
        self.canvas.draw()
        self.canvas.get_tk_widget().pack(side=tk.TOP, fill=tk.BOTH, expand=True)

        self.toolbar = NavigationToolbar2Tk(self.canvas, self.canvas_frame)
        self.toolbar.update()
        self.canvas.get_tk_widget().pack(side=tk.TOP, fill=tk.BOTH, expand=True)

        self.x_v = tk.DoubleVar()
        self.x_scale = tk.Scale(self.control_frame,
            variable=self.x_v,
            from_=0.0,
            to=10.0,
            resolution=0.1,
            orient=tk.HORIZONTAL,
            command=self.draw_plot)
        self.x_scale.pack(anchor=tk.NW)

        self.y_v = tk.DoubleVar()
        self.y_scale = tk.Scale(self.control_frame,
            variable=self.y_v,
            from_=0.0,
            to=10.0,
            resolution=0.1,
            orient=tk.HORIZONTAL,
            command=self.draw_plot)
        self.y_scale.pack(anchor=tk.NW)

    def start_up(self):
        self.x_v.set(1.0)
        self.y_v.set(1.0)

    def draw_plot(self, event=None):
        global h
        v = self.x_v.get()
        w = self.y_v.get()
        t = np.arange(0.0, 6.29, 0.01)
        x = np.cos(v * t)
        y = np.sin(w * t)
        h.set_xdata(x)
        h.set_ydata(y)
        self.canvas.draw()

fig = Figure(figsize=(5, 5), dpi=100)
ax = fig.add_subplot(111)
ax.set_xlim(-1.2,1.2)
ax.set_ylim(-1.2,1.2)
h, = ax.plot([],[], 'green')

root = tk.Tk()
app = Application(master=root)
app.mainloop()

create_widgetsという関数が、ビューを作る関数です。この関数の中でFigureCanvasTkAggとNavigationToolbar2Tkをウィジェットのように配置しているのがわかると思います。

tkinterのスライダーのウィジェットは、Scaleという名前のクラスです。スライダーが操作されると、draw_plotという関数が実行されるようになっています。

でも、draw_plot関数の中に、matplotlibのプロットをするメソッドが入っていませんね。

コードの終わりの方に、Figureオブジェクトを作ってプロット領域を作ってplotでプロットをしているところがあります。ここのplotの引数が空のリストになってます。

このコードは、空のデータのプロットを最初に描画してGUIを作り、draw_plot関数が呼ばれるとそのデータを更新してプロットの形を変形させるというような構成になっているわけです。

ややこしいですね。

で、実行した結果がこうなります。

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