使用Matplotlib动画显示粒子云随时间演化

花韻仙語

发布时间：2025-09-05 19:11:01

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原创

使用matplotlib动画显示粒子云随时间演化

本文档旨在指导读者如何使用 Matplotlib 库创建动画，以显示粒子云在模拟过程中随时间演化的状态，而不是追踪单个粒子的轨迹。通过修改现有的轨道模拟代码，我们将着重于在每个时间步绘制粒子的瞬时位置，并将其保存为 MP4 视频文件。

修改动画代码

原始代码绘制了粒子的轨道，而我们的目标是在每个时间步仅显示粒子的位置，形成一个动态的粒子云。为了实现这一点，我们需要修改 orbit_animation.py 文件中的 cloud_plot 定义。

将以下代码：

cloud_plot, = ax.plot([], [], [], label='Cloud Particles')

替换为：

cloud_plot, = ax.plot([], [], [], linestyle="none", marker='o', label='Cloud Particles')

这里，linestyle="none" 移除了连接粒子的线，而 marker='o' 使用圆圈标记来表示每个粒子。这样，动画将显示一个由圆圈组成的粒子云，而不是粒子的轨迹。

调整动画帧率

原始代码的 interval=500 设置导致动画非常卡顿。为了获得更流畅的动画，我们需要减小这个值。将 interval 设置为 50，相当于每秒 20 帧 (fps)，可以显著提高动画的流畅度。

在 animate_orbits 函数中，找到以下代码：

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animation = FuncAnimation(fig, update, frames=pos.shape[1], interval=interval, blit=True)

确保 interval 参数设置为一个较小的值，例如 50。

保存动画为 MP4 文件

Matplotlib 提供了将动画保存为视频文件的功能。为了将动画保存为 MP4 文件，只需在 animation.save() 函数中指定一个以 .mp4 结尾的文件路径即可。

在 orbit_animation.py 文件末尾，添加以下代码：

animation.save("particle_cloud.mp4", fps=20)

这里，"particle_cloud.mp4" 是保存动画的文件名，fps=20 设置视频的帧率为每秒 20 帧，与动画的播放帧率保持一致。

完整示例代码

以下是修改后的 orbit_animation.py 文件的完整代码：

# orbit_animation.py

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from matplotlib.animation import FuncAnimation

def animate_orbits(pos, intervals=1000000, interval=50):

    fig = plt.figure(figsize=(8, 8))
    ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')

    # Scatter plot for Sgr A*
    sgr_a_plot = ax.scatter([0], [0], [0], color='black', marker='o', s=50, label='Sgr A*')

    # Initialize an empty line for the cloud particles
    cloud_plot, = ax.plot([], [], [], linestyle="none", marker='o', label='Cloud Particles')

    # Set plot labels and title
    ax.set_xlabel('X (km)')
    ax.set_ylabel('Y (km)')
    ax.set_zlabel('Z (km)')
    ax.legend(loc='upper right', bbox_to_anchor=(1.1, 1.1))
    ax.set_title('Cloud particles around Sgr A*')

    # Initialize axis limits
    x_min, x_max = np.min(pos[:, :, 0]), np.max(pos[:, :, 0])
    y_min, y_max = np.min(pos[:, :, 1]), np.max(pos[:, :, 1])
    z_min, z_max = np.min(pos[:, :, 2]), np.max(pos[:, :, 2])

    # Animation update function
    def update(frame):
        # Update Sgr A* position
        sgr_a_plot._offsets3d = ([0], [0], [0])

        # Update cloud particles
        cloud_plot.set_data(pos[:, frame, 0], pos[:, frame, 1])
        cloud_plot.set_3d_properties(pos[:, frame, 2])

        # Update axis limits dynamically
        x_min, x_max = np.min(pos[:, :, 0]), np.max(pos[:, :, 0])
        y_min, y_max = np.min(pos[:, :, 1]), np.max(pos[:, :, 1])
        z_min, z_max = np.min(pos[:, :, 2]), np.max(pos[:, :, 2])

        ax.set_xlim(x_min, x_max)
        ax.set_ylim(y_min, y_max)
        ax.set_zlim(z_min, z_max)

        return sgr_a_plot, cloud_plot

    # Create the animation
    animation = FuncAnimation(fig, update, frames=pos.shape[1], interval=interval, blit=True)
    animation.save("particle_cloud.mp4", fps=20)
    plt.show()