Графика на Python. Создание 2D- и 3D-изображений для научной графики и презентаций

Бернар Коритес
Графика на Python

Bernard Korites
Python Graphics
A Reference for Creating  
2D and 3D Images
Second Edition

Бернар Коритес
Графика на Python
Создание 2D- и 3D-изображений  
для научной графики и презентаций
Москва, 2024

УДК	 004.438Python
ББК 32.973.22
К66
Коритес Б.
К66 	 Графика на Python / пер. с англ. И. Л. Люско. – М.: ДМК Пресс, 2024. – 378 с.: 
ил. 
ISBN 978-5-93700-286-0
В книге на наглядных примерах показано, как использовать встроенные графические примитивы Python – точки, линии и стрелки — для создания сложной 
графики, визуализации двух- и трехмерных объектов, диаграмм с данными и технических иллюстраций. После прочтения вы сможете создавать привлекательные 
графические изображения, не ограничиваясь функциями, доступными в существующих библиотеках Python. Приведены примеры из физики (визуализация 
электронных облаков, изменение климата), астрономии, биологии (изменение 
динамики популяций), экономики (управление ресурсами) и др. 
Исходный код Python включен во все приложения, что делает материал более 
доступным для начинающих программистов.
УДК  004.438Python
ББК  32.973.22
First published in English under the title Python Graphics A Reference for Creating 2D and 
3D Images by Bernard Korites, edition: 2, Copyright © Bernard Korites, 2023.
This edition has been translated and published under licence from APress Media, LLC, part 
of Springer Nature.
APress Media, LLC, part of Springer Nature takes no responsibility and shall not be made 
liable for the accuracy of the translation.
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения 
владельцев авторских прав.
ISBN 978-1-4842-9659-2 (англ.) 	
©  2023 by Bernard Korites
ISBN 978-5-93700-286-0 (рус.) 	
©  Перевод, оформление, издание,  
ДМК Пресс, 2024

Сэму, Оскару, Аве, Максу, Марго, Алексу и Коулу

Содержание
От издательства ......................................................................................................10
Об авторе...................................................................................................................11
О техническом рецензенте..................................................................................12
Благодарности..........................................................................................................13
Введение....................................................................................................................14
Глава 1. Основные команды и функции Python...........................................15
Стиль программирования.........................................................................................16
Область построения диаграмм.................................................................................19
Определение размера области построения диаграмм..........................................20
Импорт команд построения диаграмм....................................................................21
Отображение области построения диаграммы......................................................23
Сетка построения диаграмм.....................................................................................24
Сохранение диаграммы.............................................................................................24
Цвет сетки....................................................................................................................24
Интервал сетки............................................................................................................25
Пользовательские линии сетки.................................................................................26
Обозначение осей.......................................................................................................27
Название диаграммы.................................................................................................29
Цвета.............................................................................................................................29
Смешение цветов....................................................................................................30
Интенсивность цвета.............................................................................................32
Перекрытие..................................................................................................................33
Цвет фона.....................................................................................................................35
Форма области диаграммы........................................................................................36
Как исправить искажения формы............................................................................38
Применение коэффициента масштабирования при построении графика...39
Лучший способ: масштабирование осей в plt.axis()..........................................39
Оси координат.............................................................................................................41
Часто используемые команды и функции построения графиков.......................42
Точки с использованием scatter( )........................................................................42
Линии с использованием метода plot()...............................................................43
Стрелки.....................................................................................................................44
Текст..........................................................................................................................45
Списки, кортежи и массивы..................................................................................47
Функция arange( ) ...................................................................................................51

Содержание    7
Функция range( ).....................................................................................................52
Краткое содержание...................................................................................................53
Глава 2. Графика в двух измерениях................................................................54
Линии из точек............................................................................................................54
Рисование точками.....................................................................................................57
Дуги окружности, нарисованные точками..............................................................60
Дуги окружностей из отрезков линий.....................................................................65
Окружности..................................................................................................................66
Диски, нарисованные точками.................................................................................69
Эллипсы........................................................................................................................72
2D-перемещение.........................................................................................................77
2D-поворот...................................................................................................................79
Краткое содержание...................................................................................................96
Глава 3. Графика в трех измерениях................................................................97
Трехмерная система координат................................................................................97
Проекции на координатные плоскости...................................................................99
Поворот вокруг оси y................................................................................................102
Поворот вокруг оси х................................................................................................104
Поворот вокруг оси z................................................................................................106
Отдельные повороты вокруг осей координат.......................................................107
Последовательные повороты вокруг осей координат.........................................114
Конкатенация матриц..............................................................................................119
Ввод данных с клавиатуры в структуру функционального  
программирования...................................................................................................122
Краткое содержание.................................................................................................128
Глава 4. Перспектива............................................................................................129
Краткое содержание.................................................................................................136
Глава 5. Переcечения...........................................................................................138
Линия, пересекающая прямоугольник..................................................................138
Линия, пересекающая треугольник........................................................................148
Линия, пересекающая круг......................................................................................158
Линия, пересекающая сектор круга.......................................................................159
Линия, пересекающая сферу...................................................................................164
Прямоугольник, пересекающий сферу..................................................................170
Краткое содержание.................................................................................................173
Глава 6. Удаление скрытых линий...................................................................174
Бокс.............................................................................................................................175
Пирамида...................................................................................................................181
Прямоугольники.......................................................................................................185
Сфера..........................................................................................................................191

8    Содержание
Краткое содержание.................................................................................................196
Глава 7. Шейдинг....................................................................................................198
Шейдинг бокса...........................................................................................................199
Шейдинг сферы.........................................................................................................206
Краткое содержание.................................................................................................212
Глава 8. Построение 2D-диаграмм..................................................................213
Линейная регрессия..................................................................................................221
Аппроксимация функции........................................................................................225
Сплайны.....................................................................................................................229
Краткое содержание.................................................................................................235
Глава 9. Построение 3D-диаграмм..................................................................236
3D-поверхности.........................................................................................................244
Шейдинг 3D-поверхности........................................................................................251
Краткое содержание.................................................................................................261
Глава 10. Сатурн: демонстрация......................................................................262
Сатурн.........................................................................................................................262
Краткое содержание.................................................................................................279
Глава 11. Электроны, фотоны и водород......................................................281
Краткое содержание.................................................................................................294
Глава 12. Демонстрация: Солнце.....................................................................295
Модель Земля–Солнце.............................................................................................295
Некоторые факты о Солнце.....................................................................................298
Фотоны и Солнце......................................................................................................300
Излучение черного тела Макса Планка.................................................................301
Суммарная мощность, излучаемая Солнцем........................................................303
Освещенность Земли................................................................................................310
Краткое содержание.................................................................................................311
Глава 13. Изменение климата...........................................................................312
Похолодание климата..............................................................................................314
Альбедо...................................................................................................................314
Солнечные пятна.......................................................................................................315
Аэрозоли................................................................................................................317
Вулканы..................................................................................................................318
Потепление климата................................................................................................320
Измерение климатических данных.......................................................................322
Забор проб осадочных отложений.........................................................................323
Глобальный энергетический баланс......................................................................325

Содержание    9
Подъем уровня Мирового океана...........................................................................328
Глобальная климатическая модель........................................................................332
Краткое содержание.................................................................................................337
Глава 14. Динамика населения.........................................................................339
Последовательный рост...........................................................................................339
Растения.....................................................................................................................341
Насекомые..................................................................................................................344
Киты............................................................................................................................349
Краткое содержание.................................................................................................352
Глава 15. Управление ресурсами.....................................................................353
Программа LG: логистический рост при отсутствии добычи............................353
Программа CHR: логистический рост при постоянной скорости добычи.......355
Краткое содержание.................................................................................................360
Глава 16. Экологическое разнообразие и бабочки...................................361
Краткое содержание.................................................................................................365
Приложение А. Где взять Python......................................................................366
Приложение В. Закон излучения Планка и уравнение  
Стефана–Больцмана............................................................................................367
Приложение С. Графические и математические функции,  
обычно используемые в графическом программировании, 
с примерами............................................................................................................369
Приложение D. Настройка осей построения диаграммы  
с помощью plt.axis().............................................................................................371
Предметный указатель........................................................................................375

От издательства 
Отзывы и пожелания
Мы всегда рады отзывам наших читателей. Расскажите нам, что вы ду-маете 
об этой книге – что понравилось или, может быть, не понравилось. Отзывы 
важны для нас, чтобы выпускать книги, которые будут для вас максимально 
полезны.
Вы можете написать отзыв на нашем сайте www.dmkpress.com, зайдя на 
страницу книги и оставив комментарий в разделе «Отзывы и рецензии». 
Также можно послать письмо главному редактору по адресу dmkpress@gmail.
com; при этом укажите название книги в теме письма. 
Если вы являетесь экспертом в какой-либо области и заинтересованы в написании новой книги, заполните форму на нашем сайте по адресу http://
dmkpress.com/authors/publish_book/ или напишите в издательство по адресу 
dmkpress@gmail.com.
Список опечаток
Хотя мы приняли все возможные меры для того, чтобы обеспечить высокое качество наших текстов, ошибки все равно случаются. Если вы найдете 
ошибку в одной из наших книг, мы будем очень благодарны, если вы сообщите о ней главному редактору по адресу dmkpress@gmail.com. Сделав это, 
вы избавите других читателей от недопонимания и поможете нам улучшить 
последующие издания этой книги. 
Нарушение авторских прав
Пиратство в интернете по-прежнему остается насущной проблемой. Издательства «ДМК Пресс» и «Apress» очень серьезно относятся к вопросам защиты авторских прав и лицензирования. Если вы столкнетесь в интернете с незаконной 
публикацией какой-либо из наших книг, пожалуйста, пришлите нам ссылку на 
интернет-ресурс, чтобы мы могли применить санкции.
Ссылку на подозрительные материалы можно прислать по адресу электронной почты dmkpress@gmail.com.
Мы высоко ценим любую помощь по защите наших авторов, благодаря 
которой мы можем предоставлять вам качественные материалы.
Благодарности
Здесь будут фамилии тех, кто помогал изданию этой книги, прислав в издательство найденные ошибки или ссылку на подозрительные материалы.