【plotly】もう悩まない！3次元surfaceの作図方法

2023年9月16日2024年5月24日

plotlyを使って，3次元surfaceの作図を行いたいと思います。

plotlyは作図後もグラフの拡大縮小や視点を変えたりできるので，3次元グラフとの相性抜群だと思います。

この記事の目標は以下の通りです。

この記事の目標

3次元surfaceの作図を行う
3次元surfaceのカラーを変更する
背景や軸周りの設定を行う
等高線との併記を行う

目標とするグラフは以下の通りです。
plotlyで作図することで，ぐるぐる動かすことができます！

*このグラフのコードは，最後のまとめにあります。一括でコピペしたい場合は，そちらを参考にしてください。

以下の目次に従い，一つ一つ設定を行っていきます。

ライブラリの読み込み，データの作成

ライブラリには，plotlyとnumpyを使用します。

numpyはグラフに作図する関数を定義するために使うので，描写したいデータに応じてpandasなど追加してください。

グラフの描写自体はplotlyだけで可能です。

import plotly.graph_objects as go
import numpy as np

今回，3Dグラフを作成するにあたり，↓の関数を使い練習します。

$$ z = \sin(x) +\sin(y) $$

この関数について，xとyをそれぞれ0〜4$\pi$までの範囲で動かします。

関数で定義すると下記のようになります。

# 関数の定義
def func(x, y):
    return np.sin(x) + np.sin(y)
# 関数の値域
x = np.linspace(0, np.pi * 4, 10)
y = np.linspace(0, np.pi * 4, 10)
X, Y = np.meshgrid(x, y)

この関数を使った等高線の作図は，以下の記事にまとめてありますので，よろしければ違いを確認してみてください。状況によっては，等高線の方が伝わりやすい場合もあるかもしれませんので。

3次元Surfaceの作成

ここからは3次元Surfaceの作図を行います。公式HPはこちらを参考にしてください。

3次元Surfaceのグラフは以下の通りです。
先ほどの関数$ z = \sin(x) +\sin(y) $を使用しています。

＊上記は画像です

コードは以下の通りです。関数を併せて定義しています。

# 関数の定義
def func(x, y):
    return np.sin(x) + np.sin(y)
# 関数の値域
x = np.linspace(0, np.pi * 4, 10)
y = np.linspace(0, np.pi * 4, 10)
X, Y = np.meshgrid(x, y)
#作図
fig=go.Figure()
fig.add_trace(go.Surface(z=func(X,Y),
                         x=x,
                         y=y,
                         colorscale='jet'
                         ))

fig.show()

まず2〜7行目にて，関数とその値域を0〜4πの範囲で定義しています。

いくつか方法はありますが，グラフの作成の大まかな流れとしては，

1. fig = go.Figure() : グラフ（インスタンス）の作成
2. fig.add_trace() : グラフデータの設定
3. fig.update_layout(): グラフの軸やタイトルの設定
（3次元グラフの軸の設定はfig.update_scenes()でもOK）
4. fig.show() : グラフの表示
5. ( fig.write_html() ) : グラフ保存

です。
ここでは，9〜14行目のfig.add_trace(go.Surface(…))で等高線の作図を行なっています。

3次元Surfaceによるヒストグラムの設定

fig.add_trace(go.Surface(z= <VALUE>,
                         x= <VALUE>,
                         y= <VALUE>,
                         colorscale= <VALUE>
                         ))

スクロールできます

z = ○○○	z座標のデータ
x = ○○○	x座標のデータ
y = ○○○	y座標のデータ
colorscale = ○○○	カラーバーで使う配色の設定 ‘rainbow’, ‘hot’, ‘ice’などから選択，詳しくはこちら

colorscaleの変更

colorscaleの変更によって，グラフの印象がどのように変わるか確認したいと思います。

ここでは，‘rainbow’, ‘hot’, ‘ice’の3つを試します。

*下記はページ画像です。

背景や軸周りの設定

次に，x軸・y軸・z軸それぞれについて背景や軸周りの設定を行います。

作成するグラフは以下です。

＊上記は画像です

コードは以下の通りです。

fig=go.Figure()
fig.add_trace(go.Surface(z=func(X,Y),
                         x=x,
                         y=y,
                         colorscale='jet'
                         ))

#z軸の軸，背景の設定
fig.update_scenes(zaxis=dict(backgroundcolor='white',
                             gridcolor='black',
                             gridwidth=2,
                             linecolor='black',
                             range=(-2,2),
                             dtick=1,
                             mirror=True,
                             tickfont=dict(color='black', size=12),
                             title=dict(text='Z',font=dict(color='black',size=18))
                             ))

#x軸の軸，背景の設定
fig.update_scenes(xaxis=dict(backgroundcolor='white',
                             gridcolor='black',
                             gridwidth=2,
                             linecolor='black',
                             range=(0,15),
                             dtick=1,
                             mirror=True,
                             tickfont=dict(color='black', size=12),
                             title=dict(text='X',font=dict(color='black',size=18))
                             ))

#y軸の軸，背景の設定
fig.update_scenes(yaxis=dict(backgroundcolor='white',
                             gridcolor='black',
                             gridwidth=2,
                             linecolor='black',
                             range=(0,15),
                             dtick=1,
                             mirror=True,
                             tickfont=dict(color='black', size=12),
                             title=dict(text='Y',font=dict(color='black',size=18))
                             ))



fig.show()

背景や軸周りの設定は，fig.update_scenes(…)で行うことができます（公式HPはこちら）。

z軸，x軸，y軸について，zaxis=dict(…), xaxis=dict(…), yaxis=dict(…)で設定しますがdict(…)の中身は同じです。
以下では， zaxis=dict(…)についてまとめています。

3次元Surface 軸周りの設定

fig.update_scenes(zaxis=dict(backgroundcolor= <VALUE>,
                             gridcolor= <VALUE>,
                             gridwidth= <VALUE>,
                             linecolor= <VALUE>,
                             range= <VALUE>,
                             dtick= <VALUE>,
                             mirror= <VALUE>,
                             tickfont=dict(color= <VALUE>, size= <VALUE>),
                             title=dict(text= <VALUE>,
                                        font=dict(color= <VALUE>,size= <VALUE>))
                             ))

スクロールできます

backgroundcolor=○○○			背景の色
gridcolor=○○○			グリッド線の色
gridwidth=○○○			グリッド線の太さ
linecolor=○○○			軸線の色
range=○○○			軸の表示範囲
dtick=○○○			軸の目盛り間隔
mirror=○○○			‘True’で反対の軸に設定が反映される
tickfont=dict(…)	color=○○○		軸の数値の色
	size=○○○		軸の数値のサイズ
title=dict(…)	text=○○○		軸のラベル名
	font=dict(…)	color=○○○	軸のラベル名の色
		size=○○○	軸のラベル名のサイズ

色の変更

上記では，zaxis/xaxis/yaxis で背景色backgroundcolorが全て’white’だったので対応がわかりづらいです。

そこで，軸ごとに背景色を変えてみます。

zaxis=dict(backgroundcolor=’lightblue’)
zaxis=dict(backgroundcolor=’lightyellow’)
yaxis=dict(backgroundcolor=’lightcoral’)

とすると以下のグラフが得られます。

＊上記は画像です

等高線の併記

最後に，z軸平面に等高線を併記する方法をみてみます。

コードは以下の通りです。

#作図
fig=go.Figure()
fig.add_trace(go.Surface(z=func(X,Y),
                         x=x,
                         y=y,
                         colorscale='jet'
                         ))
#z軸の軸，背景の設定
fig.update_scenes(zaxis=dict(backgroundcolor='white',
                             gridcolor='black',
                             gridwidth=2,
                             linecolor='black',
                             range=(-2,2),
                             dtick=1,
                             mirror=True,
                             tickfont=dict(color='black', size=12),
                             title=dict(text='Z',font=dict(color='black',size=18))#family
                             ))
#x軸の軸，背景の設定
fig.update_scenes(xaxis=dict(backgroundcolor='white',
                             gridcolor='black',
                             gridwidth=2,
                             linecolor='black',
                             range=(0,15),
                             dtick=1,
                             mirror=True,
                             tickfont=dict(color='black', size=12),
                             title=dict(text='X',font=dict(color='black',size=1))#family
                             ))
#y軸の軸，背景の設定
fig.update_scenes(yaxis=dict(backgroundcolor='white',
                             gridcolor='black',
                             gridwidth=2,
                             linecolor='black',
                             range=(0,15),
                             dtick=1,
                             mirror=True,
                             tickfont=dict(color='black', size=12),
                             title=dict(text='Y',font=dict(color='black',size=18))#family
                             ))

#z軸平面に等高線の併記
fig.update_traces(contours_z=dict(show=True, 
                                  usecolormap=False, 
                                  project_z=True,
                                  color='gray',
                                  start=-2, 
                                  end=2, 
                                  size=0.1))


fig.show()

z軸平面に等高線を併記には，51-57行目のcontours_z=dict(…)で行います。

contours_z=dict(…)の詳細は以下の通りです。

各項目は下表を参照してください。

3次元Surface 等高線の併記

fig.update_traces(contours_z=dict(show= <VALUE>,
                                  usecolormap= <VALUE>,
                                  project_z= <VALUE>,
                                  color= <VALUE>,
                                  start= <VALUE>,
                                  end= <VALUE>,
                                  size= <VALUE>))

スクロールできます

show=○○○	“True”， “False”のどちらかを選択等高線の表示をする /しないを設定できる
usecolormap=○○○	“True”， “False”のどちらかを選択等高線の色を3次元surfaceのcolorscaleに合わせる/別に設定する
project_z=○○○	“True”， “False”のどちらかを選択 z軸平面に等高線を投影する/しない
color=○○○	等高線の色の設定（usecolormap= Falseのとき）
start=○○○	等高線の表示範囲の始点
end=○○○	等高線の表示範囲の終点
size=○○○	等高線の表示間隔

usecolormap，project_zの”True” / ”False”の使い方について，次でもう少し詳しくみてます。

等高線の色を3次元surfaceの配色に合わせる（usecolormap=True）

usecolormap=Trueとすると，等高線は3次元surfaceのcolorscaleと同じ配色になります。

*上記はページの読み込み速度軽減のためpngです。

z軸平面に等高線を表示しない（project_z=False）

project_z=Falseとすることで，z軸平面に等高線を表示をしなくなります。

*上記はページの読み込み速度軽減のためpngです。

まとめ

3次元surfaceの作図方法についてみてきました。

グラフの作成の大まかな流れとしては，
1. fig = go.Figure() : グラフ（インスタンス）の作成
2. fig.add_trace() : グラフデータの設定
3. fig.update_layout(): グラフの軸やタイトルの設定
（3次元グラフの軸の設定はfig.update_scenes()でもOK）
4. fig.show() : グラフの表示
5. ( fig.write_html() ) : グラフ保存
です。

以下で，本記事で紹介した3次元surfaceの設定項目を一覧でまとめています。

3次元Surface 設定

fig=go.Figure()
# 3次元surface
fig.add_trace(go.Surface(z= <VALUE>,
                         x= <VALUE>,
                         y= <VALUE>,
                         colorscale= <VALUE>
                         ))

# 3次元surface 軸周りの設定
fig.update_scenes(zaxis=dict(backgroundcolor= <VALUE>,
                             gridcolor= <VALUE>,
                             gridwidth= <VALUE>,
                             linecolor= <VALUE>,
                             range= <VALUE>,
                             dtick= <VALUE>,
                             mirror= <VALUE>,
                             tickfont=dict(color= <VALUE>, size= <VALUE>),
                             title=dict(text= <VALUE>,
                                        font=dict(color= <VALUE>,size= <VALUE>))
                             ))

# 3次元surface 等高線の併記
fig.update_traces(contours_z=dict(show= <VALUE>,
                                  usecolormap= <VALUE>,
                                  project_z= <VALUE>,
                                  color= <VALUE>,
                                  start= <VALUE>,
                                  end= <VALUE>,
                                  size= <VALUE>))

スクロールできます

# 3次元Surfaceの設定 fig.add_trace(…)
z= ○○○			z座標のデータ
x= ○○○			x座標のデータ
y= ○○○			y座標のデータ
colorscale = ○○○			カラーバーで使う配色の設定 ‘rainbow’, ‘hot’, ‘ice’などから選択，詳しくはこちら
# 軸の周りの設定 fig.update_scenes(…)
backgroundcolor=○○○			背景の色
gridcolor=○○○			グリッド線の色
gridwidth=○○○			グリッド線の太さ
linecolor=○○○			軸線の色
range=○○○			軸の表示範囲
dtick=○○○			軸の目盛り間隔
mirror=○○○			‘True’で反対の軸に設定が反映される
tickfont=dict(…)	color=○○○		軸の数値の色
	size=○○○		軸の数値のサイズ
title=dict(…)	text=○○○		軸のラベル名
	font=dict(…)	color=○○○	軸のラベル名の色
		size=○○○	軸のラベル名のサイズ
# 軸の周りの設定 fig.update_traces(…)
show=○○○			“True”， “False”のどちらかを選択等高線の表示をする /しないを設定できる
usecolormap=○○○			“True”， “False”のどちらかを選択等高線の色を3次元surfaceのcolorscaleに合わせる/別に設定する
project_z=○○○			“True”， “False”のどちらかを選択 z軸平面に等高線を投影する/しない
color=○○○			等高線の色の設定（usecolormap= Falseのとき）
start=○○○			等高線の表示範囲の始点
end=○○○			等高線の表示範囲の終点
size=○○○			等高線の表示間隔

冒頭のグラフのコードはこちら

import plotly.graph_objects as go
import numpy as np

# 関数の定義
def func(x, y):
    return np.sin(x) + np.sin(y)
# 関数の値域
x = np.linspace(0, np.pi * 4, 10)
y = np.linspace(0, np.pi * 4, 10)
X, Y = np.meshgrid(x, y)

#作図
fig=go.Figure()
fig.add_trace(go.Surface(z=func(X,Y),
                         x=x,
                         y=y,
                         colorscale='jet'
                         ))
#z軸の軸，背景の設定
fig.update_scenes(zaxis=dict(backgroundcolor='white',
                             gridcolor='black',
                             gridwidth=2,
                             linecolor='black',
                             range=(-2,2),
                             dtick=1,
                             mirror=True,
                             tickfont=dict(color='black', size=12),
                             title=dict(text='Z',font=dict(color='black',size=18))#family
                             ))
#x軸の軸，背景の設定
fig.update_scenes(xaxis=dict(backgroundcolor='white',
                             gridcolor='black',
                             gridwidth=2,
                             linecolor='black',
                             range=(0,15),
                             dtick=1,
                             mirror=True,
                             tickfont=dict(color='black', size=12),
                             title=dict(text='X',font=dict(color='black',size=1))#family
                             ))
#y軸の軸，背景の設定
fig.update_scenes(yaxis=dict(backgroundcolor='white',
                             gridcolor='black',
                             gridwidth=2,
                             linecolor='black',
                             range=(0,15),
                             dtick=1,
                             mirror=True,
                             tickfont=dict(color='black', size=12),
                             title=dict(text='Y',font=dict(color='black',size=18))#family
                             ))

#z軸平面に等高線の併記
fig.update_traces(contours_z=dict(show=True,
                                  usecolormap=True,
                                  project_z=True,
                                  color='gray',
                                  start=-2,
                                  end=2,
                                  size=0.1))


fig.show()

以上，【plotly】もう悩まない！3次元surfaceの作図方法　でした！

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【plotly】もう悩まない！3次元surfaceの作図方法

ライブラリの読み込み，データの作成

3次元Surfaceの作成

colorscaleの変更

背景や軸周りの設定

色の変更

等高線の併記

等高線の色を3次元surfaceの配色に合わせる（usecolormap=True）

z軸平面に等高線を表示しない（project_z=False）

まとめ

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ライブラリの読み込み，データの作成

3次元Surfaceの作成

colorscaleの変更

背景や軸周りの設定

色の変更

等高線の併記

等高線の色を3次元surfaceの配色に合わせる（usecolormap=True）

z軸平面に等高線を表示しない（project_z=False）

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