kashiの日記

動機

プログラム

#ifndef MATPLOTLIB_HPP
#define MATPLOTLIB_HPP

#include <cstdio>

class matplotlib {
	FILE *p;

	public:

	bool open() {
		p = popen("python -c 'import code; import os; import sys; sys.stdout = sys.stderr = open(os.devnull, \"w\"); code.InteractiveConsole().interact()'", "w");
		if (p == NULL) return false;
		send_command("import matplotlib.pyplot as plt");
		send_command("import matplotlib.patches as patches");
		send_command("fig, ax = plt.subplots()");
		send_command("plt.show(block=False)");
		return true;
	}

	bool close() {
		send_command("plt.close()");
		send_command("quit()");
		if (pclose(p) == -1) return false;
		return true;
	}

	void screen(double x1, double y1, double x2, double y2, bool EqualAspect = false) const {
		if (EqualAspect == true) {
			fprintf(p, "ax.set_aspect('equal')\n");
		}
		fprintf(p, "plt.xlim([%.17f,%.17f])\n", x1, x2);
		fprintf(p, "plt.ylim([%.17f,%.17f])\n", y1, y2);
		fprintf(p, "plt.draw()\n");
		fflush(p);
	}

	void line(double x1, double y1, double x2, double y2, const char *color = "blue", const char *opt = "") const {
		fprintf(p, "ax.draw_artist(ax.plot([%.17f,%.17f],[%.17f,%.17f], color='%s', %s)[0])\n", x1, x2, y1, y2, color, opt);
		fprintf(p, "fig.canvas.blit(ax.bbox)\n");
		fprintf(p, "fig.canvas.flush_events()\n");
		fflush(p);
	}

	void point(double x, double y, const char *color = "blue", const char *opt = "") const {
		fprintf(p, "ax.draw_artist(ax.scatter([%.17f],[%.17f], color='%s', %s))\n", x, y, color, opt);
		fprintf(p, "fig.canvas.blit(ax.bbox)\n");
		fprintf(p, "fig.canvas.flush_events()\n");
		fflush(p);
	}

	void rect(double x1, double y1, double x2, double y2, const char *edgecolor = "blue", const char *facecolor = NULL, const char *opt = "") const {
		
		if (facecolor == NULL) {
			fprintf(p, "ax.draw_artist(ax.add_patch(patches.Rectangle(xy=(%.17f,%.17f), width=%.17f, height=%.17f, fill=False, edgecolor='%s', %s)))\n", x1, y1, x2-x1, y2-y1, edgecolor, opt);
		} else {
			fprintf(p, "ax.draw_artist(ax.add_patch(patches.Rectangle(xy=(%.17f,%.17f), width=%.17f, height=%.17f, fill=True, edgecolor='%s', facecolor='%s', %s)))\n", x1, y1, x2-x1, y2-y1, edgecolor, facecolor, opt);
		}
		fprintf(p, "fig.canvas.blit(ax.bbox)\n");
		fprintf(p, "fig.canvas.flush_events()\n");
		fflush(p);
	}

	void ellipse(double cx, double cy, double rx, double ry, const char *edgecolor = "blue", const char *facecolor = NULL, const char *opt = "") const {
		if (facecolor == NULL) {
			fprintf(p, "ax.draw_artist(ax.add_patch(patches.Ellipse(xy=(%.17f,%.17f), width=%.17f, height=%.17f, fill=False, edgecolor='%s', %s)))\n", cx, cy, rx*2, ry*2, edgecolor, opt);
		} else {
			fprintf(p, "ax.draw_artist(ax.add_patch(patches.Ellipse(xy=(%.17f,%.17f), width=%.17f, height=%.17f, fill=true, edgecolor='%s', facecolor='%s', %s)))\n", cx, cy, rx*2, ry*2, edgecolor, facecolor, opt);
		}
		fprintf(p, "fig.canvas.blit(ax.bbox)\n");
		fprintf(p, "fig.canvas.flush_events()\n");
		fflush(p);
	}

	void circle(double cx, double cy, double r, const char *edgecolor = "blue", const char *facecolor = NULL, const char *opt = "") const {
		ellipse(cx, cy, r, r, edgecolor, facecolor, opt);
	}

	void polygon(double *x, double *y, int n, const char *edgecolor = "blue", const char *facecolor = NULL, const char *opt = "") const {
		int i;

		fprintf(p, "ax.draw_artist(ax.add_patch(patches.Polygon((");
		for (i=0; i<n; i++) {
			fprintf(p, "(%.17f,%.17f),", x[i], y[i]);
		}
		
		if (facecolor == NULL) {
			fprintf(p, "), fill=False, edgecolor='%s', %s)))\n", edgecolor, opt);
		} else {
			fprintf(p, "), fill=True, edgecolor='%s', facecolor='%s', %s)))\n", edgecolor, facecolor, opt);
		}
		fprintf(p, "fig.canvas.blit(ax.bbox)\n");
		fprintf(p, "fig.canvas.flush_events()\n");
		fflush(p);
	}

	void save(const char *filename) const {
		fprintf(p, "plt.savefig('%s')\n", filename);
		fflush(p);
	}

	void send_command(const char *s) const {
		fprintf(p, "%s\n", s);
		fflush(p);
	}

	void clear() const {
		send_command("plt.clf()");
	}
};

#endif // MATPLOTLIB_HPP

#include "matplotlib.hpp"

int main()
{
	matplotlib g;

	// initialize
	g.open();

	// set drawing range
	g.screen(0, 0, 10, 10);
	// aspect ratio = 1
	// g.screen(0, 0, 10, 10, true);

	g.line(1,1,3,4);
	g.line(1,2,3,5, "red");

	g.rect(4,6,5,8);
	g.rect(6,6,7,8, "green");
	g.rect(8,6,9,8, "black", "red");

	g.point(4,2);
	g.ellipse(8,2,2,1);
	g.circle(2,8,2);

	double xs[5] = {6., 7., 6., 5., 5.};
	double ys[5] = {4., 5., 6., 6., 5.};
	g.polygon(xs, ys, 5, "black", "yellow");

	g.line(1,3,3,6, "green", "alpha=0.2");
	g.line(1,4,4,5, "black", "alpha=0.5, linestyle='--'");
	g.point(4, 3, "red", "s=100");

	g.save("test.pdf");

	getchar();

	// finish drawing
	g.close();
}

基本

#include "matplotlib.hpp"

int main()
{
	matplotlib g;

	g.open();
	g.close();
}

描画範囲

	g.screen(0, 0, 10, 10);

	g.screen(0, 0, 10, 10, true);

線分

	g.line(1,1,3,4);

	g.line(1,2,3,5, "red");

長方形

	g.rect(4,6,5,8);

	g.rect(6,6,7,8, "green");

	g.rect(8,6,9,8, "black", "red");

点

	g.point(4,2);

楕円

	g.ellipse(8,2,2,1);

円

	g.circle(2,8,2);

多角形

	double xs[5] = {6., 7., 6., 5., 5.};
	double ys[5] = {4., 5., 6., 6., 5.};
	g.polygon(xs, ys, 5, "black", "yellow");

ファイルにセーブ

	g.save("test.pdf");

画面消去

追加オプション

	g.line(1,3,3,6, "green", "alpha=0.2");
	g.line(1,4,4,5, "black", "alpha=0.5, linestyle='--'");
	g.point(4, 3, "red", "s=100");

• alpha=0.2として薄く表示
• alpha=0.5として、更に線種を変更
• 点を大きく

技術的な細かいこと

• 最初にpopenしてるところ、単にpythonインタプリタを呼ぶのでなく妙な引数がついてますが、自分の環境ではpythonインタプリタをそのまま呼んだ場合標準入力を一行ずつ読んでくれなかったので、小細工しました。もっとスマートな方法募集中です。

• 普通に書くと新しく何かを描画する毎に全体を再描画してしまいgnuplotと同様遅くなってしまったので、blittingとかいう技を使って再描画を抑制しているつもりです。しかし、matplotlibの構造を全く知らずに適当に実験しながら作ったので、とんでもなく的外れなことをしているかもしれません。

• C++とlibpythonをリンクしてpythonインタプリタ自身をプログラム中に取り込んでしまう方法でも同じことが出来ます。しかし、コンパイル時のオプションが必要だったり気軽さが失われてしまうのと、描画の重さに比べてパイプのオーバーヘッドはあまり大きく無さそうなので、気軽なパイプで作ってみました。

オマケ

#include <boost/numeric/ublas/vector.hpp>
#include "matplotlib.hpp"

namespace ub = boost::numeric::ublas;

template <class T, class F>
void rk(F f, ub::vector<T>& init, T start, T end) {

	ub::vector<T> x, dx1, dx2, dx3, dx4, x1, x2, x3;

	T t = start;
	T dt = end - start;

	x = init;
	dx1 = f(x, t) * dt;
	x1 = x + dx1 / 2.;
	dx2 = f(x1, t + dt/2.) * dt;
	x2 = x + dx2 / 2.;
	dx3 = f(x2, t + dt/2.) * dt;
	x3 = x + dx3;
	dx4 = f(x3, t + dt) * dt;

	init = x + dx1 / 6. + dx2 / 3. + dx3 / 3. + dx4 / 6.;
}

struct Lorenz {
	template <class T> ub::vector<T> operator() (const ub::vector<T>& x, T t){
		ub::vector<T> y(3);

		y(0) = 10. * ( x(1) - x(0) );
		y(1) = 28. * x(0) - x(1) - x(0) * x(2);
		y(2) = (-8./3.) * x(2) + x(0) * x(1);

		return y;
	}
};

int main()
{
	int i, j;
	ub::vector<double> x, x_new;
	double t, t_new, dt;
	const char *colors[3] = {"blue", "red", "green"};

	matplotlib g;

	g.open();

	g.screen(0., -30., 10., 50.);

	x.resize(3);
	x(0) = 15.; x(1) = 15.; x(2) = 36.;
	t = 0.;
	dt = pow(2., -5);

	for (i=0; i < (1 << 5) * 10; i++) {
		x_new = x;
		t_new = t + dt;
		rk(Lorenz(), x_new, t, t_new);
		for (j=0; j<3; j++) {
			g.line(t, x[j], t_new, x_new[j], colors[j]);
		}
		x = x_new;
		t = t_new;
	}

	getchar();
	g.close();
}

おわりに

2019年4月10日追記

• ubuntuのバージョンが14.04から16.04になった。
• ターミナルが改善し、日本語が文字化けせずきちんと扱えるようになった。WindowsのIMEでの日本語入力も可能に。
• ubuntuからwindows内のコマンドを呼び出したり、windowsからubuntu内のコマンドを呼び出したりできるようになった。
• ifconfigやpingなどのネットワーク系のコマンドが動作するようになった。

• 「スタート→歯車アイコン→アプリ→プログラムと機能→Windowsの機能の有効化または無効化」で、「Windows Subsysyem for Linux (Beta)」をチェックする。再起動。
  

  

  
  

• 「スタート→歯車アイコン→更新とセキュリティ→開発者向け」で、「開発者モードを使う」を、「サイドロードアプリ」から「開発者モード」に変更。再起動。
  

  

  
  

• 「スタートを右クリック→Windows PowerShell(管理者)」でPower Shellを起動し、bashとタイプ。"y"でダウンロードとインストールが始まります。数分かかります。ユーザIDとパスワードを聞かれてインストール完了。ここで入れたパスワードは"sudo"実行時に使います。
  

  

  
  

• 次回以降は、スタートメニューに「Bash on Ubuntu on Windows」が登録されているのでそこから起動できます。
  

  

  
  

lxrun /uninstall /full

• gnuplot
• firefox
• lxterminal
• Xアプリでの日本語入力
• tex